APOSTILA M4 - parte 1
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ATENÇÃO: O material a seguir é parte de uma das aulas da apostila de MÓDULO 4 que por sua vez, faz parte do CURSO de ELETROELETRÔNICA ANALÓGICA -DIGITAL que vai do MÓDULO 1 ao 4. A partir da amostra da aula, terá uma idéia de onde o treinamento de eletroeletrônica poderá lhe levar. Você poderá adquirir o arquivo digital da apostila completa (16 aulas), ou ainda na forma impressa que será enviada por por correio. Entre na nova loja virtual CTA Eletrônica e veja como: www.lojacta.com.br Além de ter a apostila e estuda-la, torne-se aluno e assim poderá tirar dúvidas de cada uma das questões dos blocos atrelados a cada uma das aulas da apostila, receber as respostas por e-mail, fazer parte do ranking de módulos e após a conclusão do módulo com prova final, participar do ranking geral e poder ser chamado por empresas do ramo de eletroeletrônica. Saiba mais como se tornar um aluno acessando nossa página de cursos: www.ctaeletronica.com.br/web/curso.asp APOSTILA MÓDULO - 4 POTÊNCIAS HI-FI SOM AMBIENTE - 2 AULA 8 Amplificadores de potência com fonte simétrica Amplificadores Bridges de alta potência (12V) Amplificadores Classe G e H (fonte baixa e alta) Amplificador AIWA NSX-F9 - circuito de proteção Circuitos classe H para amplificadores com 12V Amplificadores com potência entre 500 e 2000WRMS AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA COM FONTE SIMÉTRICA A figura 1 mostra-nos o esquema elétrico de um transformador em cuja saída encontra-se uma ponte de diodos, executando uma retificação em onda completa. A tensão da rede poderá ser de 110 ou 220 volts, que será selecionada pela chave de tensão SW01. Após selecionada tensão de entrada teremos no secundário do transformador tensões que dependerão do amplificador utilizado (essas tensões poderão variar de 20 até 100 volts). Sw01 220Vac D03 D01 D02 D04 110Vac C01 Tr01 C02 figura 1 Notamos que o secundário do transformador apresenta 3 fios, sendo 2 extremos e um central (chamado “centertape”); Os enrolamentos desses secundários devem ser simétricos, ou seja, deverá haver a mesma quantidade de espiras tanto para um lado quanto outro. O centro do transformador será ligado à massa enquanto que os extremos serão ligados à ponte de diodos, que serão responsáveis pela retificação da tensão alternada em tensão contínua. Posteriormente a isto, temos a filtragem das frequências baixas (C01 e C02) e das interferências de alta frequências (C03 e C04). O objetivo de usar-se ponte de diodos juntamente com um transformador com center-tape, é gerar uma tensão simétrica, ou seja, o +B, acima da massa, e o -B, abaixo da massa. A figura 2, mostra-nos como a retificação e filtragem deverá ser feita em um semi-ciclo (positivo). De acordo com a figura, o potencial positivo que sai do transformador (lado V1), fará circular uma corrente que carregará o capacitor C01, fechando o ciclo até o centertape do transformador. Notem que o enrolamento superior do transformador recebe um potencial positivo (lado de cima) e negativo (ponto central). Ao mesmo tempo, o ponto central do transformador também será mais positivo que o terminal do lado inferior. Isso criará uma corrente circulante para carregar o capacitor C02 sendo que o lado negativo do capacitor ligado no diodo D02, +B fechando o caminho ao terminal negativo do transformador. C03 A figura 3, mostra-nos o semi-ciclo seguinte da rede, onde agora o ponto superior do transformador torna-se negativo e o ponto inferior do transformador positivo. O lado positivo do transformador (lado de baixo), C04 fará com que circule corrente via diodo D04, carregando o capacitor C01 e fechando -B caminho ao potencial negativo no ponto central do transformador (que possui naquele momento potencial mais baixo que o extremo inferior). Podemos notar também que o center-tape do transformador, apresenta potencial mais positivo do que o extremo superior fazendo com que o capacitor C02 também seja carregada fechando caminho (negativo do capacitor) e via diodo D03. A idéia central desta fonte (figura 4), criando um potencial positivo em e outro negativo em relação a um ponto de referência (zero volts), é poder ter uma saída de som (formada por Q1 e Q2) cujas conduções residuais produzirão nos emissores dos transistores uma tensão de zero volts. Assim poderemos colocar o alto-falante sem problemas, pois do lado esquerdo dele haverá um figura 3 V1 D03 D01 V1 Vtot = V1+V2 D02 D04 C01 PONTO DE REFERÊNCIA figura 2 C02 t1 D02 D04 C01 V2 t0 t2 t1 t2 PONTO DE REFERÊNCIA C02 V2 -B ELETRÔNICA +B V2 V1 t0 D01 Vtot= V1+V2 +B V2 D03 V1 -B FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL 97 APOSTILA MÓDULO - 4 potencial de zero volt ou terra, sendo que do lado direito haverá também um potencial de zero volts (mas que figura 4 D03 D01 +B D02 D04 inversão do sinal de entrada. O objetivo do amplificador formado por Q1 e Q2 é deixar a saída com ½Vcc (metade do +B); enquanto que o amplificador formado por Q3 e Q4, deverá manter-se também com a metade da tensão do +B (entre os emissores dos transistores). figura 6 R02 +B Q1 C01 Q1 +B C01 TENSÃO DE REFERÊNCIA = 0V C02 Af01 Op01 Af01 Q2 -B -B neste caso não é o terra). É importante destacar-se aqui (figura 5), que as resistências de Q1 e Q2 deverão ser exatamente iguais, caso contrário, haverá uma tensão maior ou menor que zero volts entre esses dois pontos, fazendo com que exista uma corrente circulante residual pelo alto-falante (percorrendo o mesmo de uma forma constante). Dependendo do valor da corrente, poderá haver danos à bobina do alto-falante. figura 5 +B C01 Q1 Af01 C02 Q2 As tensões entre os transistores de saída deverão ser exatamente iguais, para que a tensão entre eles ( off-set ) seja 0V. -B A figura 6, mostra-nos como conseguir uma tensão de saída de zero volts, ou seja, tensão no emissor de Q1 e também de Q2 com o mesmo potencial da massa ou terra. Como este amplificador está sendo polarizado por um amplificador operacional, se retirarmos uma amostra da tensão de saída e colocarmos na entrada não-inversora do R02 ½ Vcc amplificador operacional, essa tensão será comparada a tensão da entrada inversora, que no caso +B C01 também é de zero Volt. Com isso Op01 teremos na saída do amplificador operacional uma tensão também de zero volt, mantendo os transistores de saída praticamente cortados. O amplificador operacional utilizado R01 aqui é um excelente dispositivo para manter a tensão de saída do amplificador com zero volt. Na figura 7, vemos um circuito amplificador em ponte, sendo +B polarizado por 2 operacionais (cada uma das saídas), tendo ainda o amplificador operacional OP03, para fazer o trabalho de 98 Q2 R01 -B Para que as tensões das saídas dos operacionais mantenham-se em ½Vcc, estes devem receber em sua entrada não-inversora uma referência da tensão também de ½Vcc, formado pelo divisor de tensão R05 e R06. Notem que o amplificador em questão não possui fonte simétrica, trabalhando tanto na saída de som como na malha de realimentação negativa com ½Vcc. O propósito de utilizar a saída em ponte, nos amplificadores de áudio utilizados em automóveis, normalmente alimentados por uma tensão baixa (12 volts), é propiciar uma potência bem maior. Os amplificadores anteriores, que se utilizavam de capacitor de acoplamento e ligados a fontes convencionais de 12 volts não apresentavam potências superiores a 24W. Com a configuração em ponte, a potência consegue ser elevada para quase quatro vezes mais, além de eliminarse o problema da reprodução deficiente em baixas frequências. Na figura 8, temos o mesmo amplificador mostrado anteriormente, mas que agora, utiliza fonte simétrica e também saída em ponte. A saída de potência em ponte, utilizando-se de fonte simétrica, não é comum de ser usada, pois quando trabalhamos com fontes simétricas podemos ter tensões das mais variadas possíveis, +B figura 7 +B Q1 Q3 +B Af01 Q2 Op02 Q4 R02 R04 +B R03 Op03 R05 R06 FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL ELETRÔNICA APOSTILA MÓDULO - 4 +B R08 +B Q1 +B C01 Q3 Af01 Op01 -B Q2 Q4 R01 -B -B R04 +B R03 Op03 figura 8 -B inclusive chegando próximo a 100 Volts. A figura 9, mostra a esquematização de um integrado feito para trabalhar como amplificador de razoável potência e com performance Hi-Fi (High Fidelity). Vp figura 9 06 Vpm CM TDA 1514A 08 07 Vpo amplificador, ou seja, à medida que temos excitação do áudio no semi-ciclo positivo na parte superior do amplificador um capacitor eletrolítico, +B que pode ser ligado do pino 5 ou 7 Op02 incrementa a polarização, podendo esta chegar a ser superior ao nível de alimentação do +B (positivo). -B A realimentação negativa feita neste amplificador entra pelo pino 9, sendo entrada fundamental para manter a R02 tensão de saída (pino 5) 1/2 Vcc. A tensão de entrada no pino 8 do integrado combinada à tensão do circuito de proteção que sai pelo pelo 2, propiciará que no caso de mute a tensão de saída (pelo 5) seja zerada. A figura 10, mostra nos a retificação e filtragem de uma fonte simétrica, utilizando-se de vários capacitores eletrolíticos para melhorar a performance em baixas frequências e diminuir a distorção. Como se pode ver pela figura temos os capacitores C23, C21 e C19 ligados em paralelo no potencial positivo da alimentação, capacitores C24, C22 e C20 ligados ao potencial negativo da alimentação. Ainda temos dois capacitores (C05 e C06) ligados diretamente ao potencial positivo e ao potencial negativo. Note que quanto maior for a potência do amplificador, maior deverá ser os valores dos capacitores de filtro aplicados a fonte de alimentação. AC1 figura 10 D03 01 D01 05 Vp CT 09 D02 PROTECTION Vp Vref1 THERMAL 30 AR 02 AC2 D04 C23 C21 C19 C05 Vp C24 Vref2 C22 C20 Standy-by switch 03 Mute switch Vref3 Vpm Vpo 04 -Vp Amplificador de alta performance HI-FI 50Wrms Este integrado amplificador foi dimensionado para trabalhar com fonte simétricas, com +30 e -30 volts máximos. A entrada de sinal deste integrado se dá pelo pino 1 e sua saída de potência está no pino 5. A alimentação positiva é feita pelo pelo 6, e a alimentação negativa é feita pelo pino 4. O pino 7, serve para incrementar a polarização da parte superior do ELETRÔNICA C06 -Vp Na figura 11, podemos ver uma configuração de um amplificador estereofônico, utilizando-se de dois circuitos integrados para realizar as funções de amplificação. Apesar de parecer um circuito muito simples, este amplificador é capaz de chegar a quase 100 W de potência RMS, considerando-se a somatória as das potências de cada um dos amplificadores. Listaremos abaixo alguns pontos interessantes das ligações destes amplificadores. Podemos observar pela figura 11, o capacitor C7/C8, que encontram-se ligados aos pinos 5 e 7 em cada um dos integrados; sua função será manter-se com determinada tensão armazenada, até que, aparecendo o sinal de áudio no pino 5, elevará o potencial de tensão no pino 7, que poderá ser superior ao da própria alimentação. Este recurso é muito útil, para manter os dois semi-ciclos com níveis muito próximos quando ocorrer uma alta potência amplificada. Um dos pontos fundamentais neste amplificador, é a FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL 99 APOSTILA MÓDULO - 4 Vp figura 11 C17 R13 C18 R14 R11 03 C09 06 R12 07 07 C07 R01 06 03 C08 01 FTL FTR 05 C11 05 C15 AfL AfR C12 C16 09 09 R09 R03 02 08 C01 C10 R02 01 R07 04 C03 R05 R10 8W 8W C13 R06 C14 R04 02 04 C04 08 R08 C02 -Vp figura 12 existência do resistor R5, que fará LISTA DE MATERIAL - AMPLIFICADOR DE 45 + 45W PEÇA TIPO CÓDIGO/VALOR UNID./SUF. COMPLEM. POSIÇÃO realimentação negativa ao pino 9 do integrado. Os únicos pontos em Semicondutores: Amplificador TDA1514 A IC1 e IC2 comum nestes dois amplificadores, Circuito Integrado Diodo Retificador 1N5406 p/ 3A D1,D2,D3 e D4 serão as tensões de alimentação, tanto Resistores: positiva quanto negativa. kW Resistor Carvâo 33 1/8W R1,R2,R5 e R6 Estamos sugerindo, que este Resistor Carvâo 330 W 1/8W R3 e R4 amplificador de potência possa ser kW Resistor Carvâo 330 1/8W R7 e R8 Resistor Carvâo 3,3 W 1/8W R9 e R10 montado pelo leitor, e caso isso seja Resistor Filme 150 W 1W R11 e R12 feito, após a montagem e antes da Resistor Carvâo 47 W 1/8W R13 e R14 ligação da alimentação deve-se Capacitores: observar se não existem soldas mF Capacitor Eletrolítico 22 35V C1 e C2 escorridas. Tendo em mãos uma mF Capacitor Eletrolítico 10 35V C3 e C4 lâmpada em série com cerca de 60 ou mF Capacitor Eletrolítico 47 63V C5 e C6 100 watts, ligar alimentação ao mF Capacitor Eletrolítico 220 63V C7 e C8 mF Capacitor Eletrolítico 1 35V C9 e C10 amplificador, sem as caixas acústicas Capacitor Cerâmico 220 pF C11 e C12 ou alto-falantes. Caso a lâmpada em Capacitor Poliéster 220 kpF 50V C13 e C14 série não acenda, ou acenda com Capacitor Poliéster 220 kpF 50V C17 e C18 pouquíssima intensidade, deverá ser Capacitor Cerâmico 5,6 kpF C15 e C16 medida a tensão de saída dos mF Capacitor Eletrolítico 2200 35V C19, C20 e C21 amplificadores (pino 5). Estando essas mF Capacitor Eletrolítico 2200 35V C22, C23 e C24 tensões com zero volt nas saídas das Diversos: Chave Alavanca On/Off p/ 3A S1 caixas, os alto-falantes poderão ser Chave HH 110/220Vac S2 ligados. Fusível Pequeno 2 A C/ retardo F1 A figura 12, mostra a relação de Soquete p/ fusível p/ painel material utilizado para esta montagem, Transformador primário 110 + 100Vac, secundário 18 + 18 Vac/6A TR1 sendo todos os componentes de fácil Dissipador de alumínio com espessura de 1,5mm e área plana mínima de 200cm² ( 10cm x 20cm ) obtenção no mercado de Placa de circuito impresso, fios, solda, pasta térmica e parafusos de fixação, etc. componentes. A figura 13, mostra em tamanho real, a placa de circuito Neste amplificador vamos utilizar dois circuitos impresso (lado cobreado), e a figura 14, mostra como integrados para excitação de um único alto-falante, e ficaria à disposição de componentes do outro lado da para isto, deveremos ter nas saídas fases invertidas para excitação deste. placa. O sinal de áudio entrará pelo pino 1 do integrado IC1, sendo que no outro integrado (IC2), o pino de entrada de Amplificador de 100 Wrms monofônico áudio (pino 1), ficará inoperante, com um resistor e um Caso necessitemos de uma maior potência de capacitor ligados à massa. O problema para este circuito, amplificação, em um único canal (cerca de 100 Wrms), será fazer com que o integrado IC2 passe a amplificar o poderemos utilizar a montagem sugerida na figura 15. O sinal de áudio de forma invertida ao integrado IC1. Para circuito amplificador utiliza a mesma placa de circuito que isso seja possível, utilizaremos a entrada de impresso que vimos anteriormente, utilizando-se de realimentação negativa, pino 9 do IC2, para conseguir o alguns recursos e a alteração de poucos componentes, objetivo. Quando o sinal de áudio entrar pelo pino 1 do alterando o que era anteriormente dois amplificadores, integrado IC1 ele sairá com a mesma fase no pino 5 do mesmo integrado, sendo parte deste sinal realimentado em um único amplificador, agora com saída em ponte. 100 FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL ELETRÔNICA APOSTILA MÓDULO - 4 para o pino 9 do mesmo IC. A mesma amostra do sinal passa pelo resistor R3 e capacitor C1 entrando no pino 9 do IC2. Com isto, teremos no integrado IC2, a amplificação do sinal de áudio feita de forma invertida ao que ocorre no IC1. Apesar do pino 9 do integrado IC2 ser utilizado como entrada de sinal, ele também continuará sendo a entrada de referência de tensão para realimentação negativa, ou seja, o sinal de áudio que sai pelo pino 5 do integrado será atenuado pelo resistor 6 e continuará atuando no pino 9. Na figura 16, podemos ver a relação de componentes utilizados neste a amplificador Hi-Fi. Voltamos a afirmar aqui, que apesar de usar dois circuitos integrados, este é um amplificador monofônico, que excita um único alto-falante através de uma ligação em ponte entre os dois integrados. Caso o leitor queira um amplificador estereofônico com potência de 100 W por canal, deverá utilizar-se de outra placa de circuito impresso e outro transformador igual ao que foi utilizado no exemplo. figura 16 LISTA DEDE MATERIAL - AMPLIFICADOR MONO 100W LISTA MATERIAL - AMPLIFICADOR DE 45DE + 45W PEÇA TIPO CÓDIGO/VALOR UNID./SUF. COMPLEM. POSIÇÃO p/ 3A D1,D2,D3 e D4 Semicondutores: 22 kW 1/8W R1,R2,R5 e R6 Resistor Carvâo 680 W 1/8W R3 Resistor Carvâo 100 W 1/8W R4 Resistor Carvâo 330 kW 1/8W R7 e R8 Resistor Carvâo 3,3 W 1/8W C2 J5 C8 C12 D3 R4 C13 C16 R12 R14 R6 (Jr14) C4 R9 e R10 Não utilizado R11 e R12 Ver texto R13 e R14 C6 R10 Capacitor Eletrolítico 22 mF C1 Capacitor Cerâmico 2,2 kpF Capacitor Eletrolítico 10 mF 35V C3 e C4 Capacitor Eletrolítico 47 mF 63V C5 e C6 D4 C12 C10 J2 J3 C20 J4 D1 1 mF Cerâmico 220 pF 35V C9 e C10 Capacitor Poliéster 220 kpF 50V C13 e C14 Capacitor Poliéster 220 kpF 50V C17 e C18 C1 C11 e C12 Capacitor Cerâmico 5,6 kpF Capacitor Eletrolítico 2200 mF 35V C19, C20 e C21 Capacitor Eletrolítico 2200 mF 35V C22, C23 e C24 Chave Alavanca On/Off p/ 3A S1 Chave HH 110/220Vac Fusível Pequeno 2 Soquete p/ fusível C7 C24 R3 C17 R11 C14 R5 R1 C5 (Jr13) C3 C15 e C16 R7 R9 C11 R1 S2 C/ retardo C21 C9 F1 p/ painel Transformador primário 110 + 100Vac, secundário 18 + 18 Vac/6A J1 C19 C15 Diversos: A C24 C11 +B Eletrolítico Capacitor FTL+ C7 e C8 Capacitor R IN R2 C2 Não utilizado C22 R8 L IN 35V D2 J2 C18 Capacitores: Ac1 Carvâo Resistores: Ac2 Resistor figura 13 IC1 e IC2 CT A FTL- 1N5406 GND TDA1514 Retificador FTR- Amplificador Diodo FTR+ Circuito Integrado figura 14 TR1 Vp figura 15 C17 03 C09 06 07 C18 IC1 07 IC2 06 03 R01 R02 01 01 FT+ FT- 05 C11 05 C15 C12 C16 09 09 R09 02 08 R07 04 C03 R10 AfR 8W R05 R06 C13 C14 R04 02 04 C04 08 R08 C02 -Vp R03 ELETRÔNICA C01 FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL 101 APOSTILA MÓDULO - 4 AMPLIFICADORES CLASSE G e H Já vimos anteriormente diversas classes de amplificação como A, B, AB; todas possuindo suas particularidades, vantagens e deficiências; continuando nosso estudo sobre amplificadores vamos passar agora para uma nova classe de amplificadores chamados G ou H. Entre suas vantagens está a obtenção de altas potências com baixo consumo de energia, mas com a desvantagem da introdução pequenos ruídos em dadas frequências devido à comutação ou passagem de corte para a condução de alguns transistores. Apesar dos fabricantes de integrados que utilizam a classe H o considerarem HI-FI, outros estudiosos não o consideram como tal. Devido ao seu baixo consumo de energia e alto rendimento, ele é muito empregado nos aparelhos de som doméstico (microsystems), com boa qualidade sonora e grande potência, além de preços muito convidativos. O seu princípio de funcionamento é muito parecido com os amplificadores classe AB, diferindo na introdução de uma tensão de + ou – B maior que a normal, auxiliando no acréscimo de potência. O motivo de estarmos usando a especificação de G ou H, se deve ao mercado americano utilizar a especificação de G, enquanto que em outros países utiliza-se a especificação H. A figura 17 ilustra a saída de um amplificador classe G ou H. Nela podemos ver que os transistores de saída funcionam em classe AB, só que a alimentação +VL e -VL (+VL: tensão positiva Low; -VL: tensão negativa Low) poderá ser comutada para a tensão +VH e -VH (+VH: tensão positiva High; -VH: tensão negativa High). Essas tensões maiores, serão chaveadas pelo circuito de controle, cujo funcionamento depende diretamente do próprio sinal da saída. Quando o sinal de saída é de baixa amplitude, o controle figura 17 +VH D1 +VL Q1 dos diodos D1 e D2, que ficam diretamente polarizados. Neste caso temos um amplificador classe AB funcionando em média ou baixa potência, sendo que o sinal de saída em potência mantem-se com 70% (em Vpp) em relação às tensões de alimentação de +VL e -VL (estas tensões giram normalmente entre 20 e 30 volts). Quando o sinal começa a ter picos ou períodos de alta +2B figura 18 C O N T R O L E Q3 D1 +B Q1 E Af01 E X C I T A Ç Ã O Q2 D2 -B Q4 -2B figura 19 +2B C O N T R O L E Q3 +B D1 Q1 E controle Q2 D2 -VL Af01 E X C I T A Ç Ã O Q2 D2 -B -VH Q4 mantém as chaves abertas, e o circuito de saída é alimentado pelas tensões +VL e -VL, passando através -2B 102 FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL ELETRÔNICA
