amplificador chaveado com reprodução sonora por meio de plasma

AMPLIFICADOR CHAVEADO COM REPRODUÇÃO SONORA POR MEIO DE
PLASMA
Felipe Adriano da Silva Gonçalves, Antônio César Costa Ferreira Rosa, Gabriel Fernandes Machado,
Guilherme Beraldo Silveira e Igor Borges Tavares.
Laboratório de Automação, Servomecanismos e Controle (LASEC)
Núcleo de Controle e Automação (NCA)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Av. João Naves de Ávila, 2160 - Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: 38400-902
Uberlândia, MG, Brasil
e-mail: [email protected]
Resumo – As inúmeras reivindicações por sons de alta
qualidade culminaram na evolução das tecnologias
usadas para reprodução de áudio. Este projeto visa o
estudo e construção de um amplificador chaveado onde o
sinal de áudio altera as características de uma chama
elétrica (plasma) que irá produzir ondas sonoras.
Para tal, foi elaborado um circuito para gerar uma
onda quadrada modulada em freqüência e um circuito de
potência para acionar um flyback de forma conseguir
tensões elevadas capazes de romper o dielétrico do ar e
formar a faísca elétrica. A reprodução do som ocorrerá
então através do plasma, quarto estado da matéria, que
consiste basicamente em um gás ionizado, de massa
desprezível a alta temperatura, ao contrário dos
tradicionais alto-falantes que além de possuírem inércia,
são unidirecionais. Com essas características é possível
melhorar a reprodução de sons em freqüências mais
elevadas com maior qualidade do que os sistemas
convencionais.
Palavras-Chave – Plasma Tweeter, Amplificador
Chaveado, modulações de frequência, faísca elétrica.
SWITCHED AMPLIFIER WITH PLASMA
TO SOUND REPRODUCTION
Abstract – The numerous demands for high quality
sound resulted in the evolution of the technologies used
for audio playback. This project aims to study and
construct a switched amplifier where the audio signal
changes the characteristics of a electric flame (plasma)
which will produce sound waves.
For that, it was designed a circuit to generate a square
wave modulated at a frequency and a power circuit to
drive a flyback to achieve high voltage capable of
breaking the dielectric of air and form the electric
spark.1
The reproduction of sound occurs then through the
plasma, the fourth state of matter, consisting primarily of
an ionized gas of massless with high temperature, unlike
traditional speakers, which besides having inertia, are
unidirectional. With these characteristics it is possible to
improve sound reproduction of higher frequencies with
higher quality than current systems.
Keywords – Plasma Tweeter, Amplifier Switched,
Frequency Modulation, electric spark.
NOMENCLATURA
MOSFET
CI
Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor
Circuito Integrado
I. INTRODUÇÃO
O plasma é comumente denominado o quarto estado da
matéria. Ele consiste em um gás ionizado a temperaturas tão
elevadas, que faz com que a agitação térmica entre os átomos
supere a força que mantém unido ao núcleo os prótons,
nêutrons e elétrons. Sendo assim o plasma possui elétrons
capazes de se mover livremente, além de possuir
propriedades fantásticas como excelente condução de
eletricidade e calor [1].
A propriedade de boa condução de calor do plasma
permite criar zonas de pressão no ar através da variação
brusca da temperatura e conseqüentemente gerar som audível
de fidelidade superior aos auto-falantes, que são
unidirecionais e devido a sua massa não reproduzem bem
sons de freqüências mais altas.
O efeito usado no plasma tweeter é similar ao que ocorre
em relâmpagos, onde a descarga elétrica aquece rapidamente
o ar gerando zonas de baixa e alta pressão provocando o
efeito sonoro conhecido como trovão. O equipamento então
possui um circuito capaz de controlar a intensidade do arco a
partir de uma entrada de áudio, sendo assim possível
reproduzir sons de qualidade.
Os sistemas sonoros utilizados atualmente incluindo os
tweeters convencionais, possuem um ímã permanente e uma
bobina móvel presa a uma membrana, a variação de corrente
nesta bobina móvel produz um campo magnético que, ora
aproxima e ora afasta a mesma do imã permanente do autofalante, deslocando assim a membrana para frente e para trás
promovendo deslocamento de ar e a conseqüente reprodução
de sons. Este tipo de sistema é funcional e bem dominado
pelo homem, entretanto, possui suas limitações físicas, uma
delas é a reprodução de agudos com alta fidelidade.
Para gerar o plasma é necessária uma tensão elevada,
esta foi obtida utilizando um transformador flyback, este
transformador além de sua função clássica de isolação e
adaptação dos níveis de tensão no primário e secundário,
apresenta a função de indutor que irá armazenar energia
através de sua indutância magnetizante. Assim, é possível
obter altas tensões de saídas ao aplicar um sinal variante no
tempo em seu enrolamento primário.
Para reproduzir o som é necessário controlar a
intensidade do raio, isso pode ser feito alterando o
rendimento do transformador que é dependente da freqüência
de trabalho do sistema. Variando-se então a freqüência de
trabalho do transformador, é possível obter arcos com
potências e temperaturas diferentes. Reproduzindo o som de
entrada do sistema no plasma gerado pelo aparelho. Partindo
do principio que variações de freqüência produzem variações
na temperatura do arco, que por sua vez são capazes de gerar
zonas de pressão e ocasionar estimulo sonoro, foi escolhido
para o projeto, uma modulação por freqüência em uma onda
quadrada que estimulará um MOSFET de potencia conectado
ao transformador flyback.
Este sistema têm preferência por sons agudos, pois para
reproduzir os sons graves, seria necessário arcos
extremamente grandes e uma tensão excessivamente elevada,
algo inviável, pois requer muita energia e potência.
II. DESCRIÇÃO DO PROJETO
O projeto consiste basicamente em uma unidade
geradora de pulsos modulados a uma freqüência de
aproximadamente 42KHz, de um MOSFET para realizar o
chaveamento e um transformador flyback para elevar a
tensão de entrada para valores que rompam a rigidez
dielétrica do ar. Como pode ser visto logo abaixo:
responsável por chavear a bobina primária do transformador
flyback. Este chaveamento em uma freqüência fixa produz
variação de fluxo no transformador que irá induzir uma alta
tensão em seu enrolamento secundário, que possui uma
grande quantidade de espiras, esta alta tensão será
responsável por romper a rigidez dielétrica do ar gerando um
plasma visível. Quando a freqüência do oscilador for
modificada pela entrada de áudio, influenciará diretamente
no rendimento do transformador interferindo na potência
final do raio, provocando assim aumento ou diminuição da
temperatura do ar na pequena região onde o arco se encontra,
esta rápida variação de temperatura por sua vez irá provocar
variações na densidade do ar criando regiões de baixa e alta
pressão, essas variações implicarão na reprodução dos sons
que foram aplicados na entrada do sistema.
A freqüência de 42KHz foi para o sistema foi
determinada empiricamente de forma que o circuito
produzisse um raio com intensidade significativa. Como cada
flyback possui um ponto de operação e este em especifico foi
retirado de um tubo de Monitor de Vídeo encontrar a
freqüência ótima de operação tornar-se-ia demasiadamente
difícil por meio de equações matemáticas, por isso a
freqüência ótima foi encontrada com base em testes
experimentais.
A. Geração da freqüência e modulação do sinal de áudio
Existem várias maneiras de controlar a potencia do arco
através da entrada de áudio. Uma delas é controlando a
amplitude da onda que chega à entrada do transformador
flyback, entretanto isso implicaria em um circuito analógico
complexo e de tamanhos significativos, pelo fato dos
amplificadores se encontrarem na região linear e a corrente
de operação ser elevada. Para contornar este problema
optamos por controlar a potencia do arco chaveando o
transformador com uma onda quadrada, assim os
componentes presentes na amplificação (MOSFET) irão
trabalhar em sua região de corte e saturação diminuindo
assim o desperdício de energia e reduzindo o tamanho final
do circuito.
Optamos por um multivibrador astável para obter a onda
quadrada devido sua simplicidade. Sua montagem pode ser
observada logo abaixo:
+Vcc
R1
Fig. 1 - Diagrama de Blocos simplificado do sistema
O som gerado por uma fonte de áudio qualquer
(computador, MP3, celular, etc.) é inserido em um
multivibrador monoástavel (LM555) cuja freqüência pode
ser facilmente controlada através da tensão aplicada.
Aplicando então a onda sonora no pino de controle de tensão
deste oscilador a tensão em sua saída será uma onda
quadrada modulada em freqüência, pois esta tensão
determinará a tensão de referência para os Amplificadores
Operacionais internos ao circuito integrado do LM555
responsáveis por gerar a onda quadrada na saída do
oscilador.
A saída deste oscilador modulada em freqüência parte
para um driver que irá acionar o MOSFET de potência
8
R2
D2
D1
C1
6
2
4
555
1
3
5
C2
Fig. 2 – Circuito oscilador [6]
A estrutura interna do circuito integrado citado na figura
2 pode ser visto na figura abaixo:
(1) e
(2)
(3)
Onde:
t1: Tempo em nível alto da onda quadrada
t2: Tempo de nível baixo da onda quadrada
T: Período da onda Quadrada
Desta forma a freqüência pode ser obtida como:
(5) e portanto
(6)
Onde:
Fig. 3 - Estrutura interna do LM555 [6]
Tabela1 - Tabela verdade do Flip-Flop RS
R
0
0
1
1
S
0
1
0
1
Q
Não muda
1
0
0
Q Barrado
Não muda
0
1
0
Saída
Não muda
1
0
1
Pode-se observar que internamente os comparadores do
LM555 “enxergam” nos pinos 6 e 2 a tensão no capacitor C2.
Imaginemos que a saída dos dois comparadores estão em
nível baixo, então logo após a energização do circuito o
capacitor C2 se carrega pelo resistor R1 devido a condução
do diodo D1 até superar o valor de 1/3 de Vcc, ao chegar
nesta tensão o comparador 2 possui um erro negativo e
mantém nível lógico zero na entrada S do flip-flop que
manterá seu estado anterior, conforme pode ser observado
na tabela 1. Entretanto a tensão no capacitor C2 continua
crescendo exponencialmente até superar 2/3 de Vcc, neste
instante o erro no comparador 1 se torna positivo e leva a
entrada R do flip-flop a nível alto, nesta condição como pode
ser visto na tabela 1 a saída Q do flip-flop vai para nível alto
e a saída (pino 3) do LM555 vai para nível baixo, neste
mesmo instante o transistor Q1 será saturado e descarregará
o capacitor C1 através do diodo D2 e do resistor R2 até que a
tensão seja menor que 1/3 de Vcc, que implicará num erro
positivo para comparador 2 levando a nível alto a entrada S
do flip-flop, se observarmos a tabela 1 novamente
concluímos que neste momento a saída do multivibrador 555
estará em nível alto e o transistor Q1 entrará na zona de
corte, isto implicará em uma novo ciclo de carga no capacitor
C2. Este mecanismo se repetirá enquanto o circuito estiver
energizado e a freqüência da onda quadrada se manterá
constante, pois é função do tempo de carga e descarga do
capacitor C2 e dos resistores R1 e R2 e tensão de controle
(pino 5) que está aterrado através de um capacitor.
Fica evidente que este circuito é capaz de gerar uma
onda quadrada em sua saída e sua freqüência pode ser
facilmente modificada alterando-se os valores do capacitor
C2 e dos resistores R1 e R2, ou ainda alterando a tensão de
controle no pino 5.
Considerando um tempo de carga de 1/3 de Vcc até 2/3
de Vcc o período de nível alto e baixo desta onda quadrada
pode ser facilmente determinado pelas seguintes formulas:
: Freqüência da onda quadrada
T: Período da onda Quadrada
R1: Resistor de carga
R2: Resistor de descarga
C5: Capacitor para gerar a constante de tempo do
sistema
Fórmulas obtidas na referencia [2].
No circuito eletrônico foram usados os seguintes
componentes R1 = 1K, R2 = 2K e C2 = 10nF, portanto t1 =
9,63uS e t2 = 13,86uS resultando num período de T =
23,49uS ou melhor dizendo numa freqüência de f =
42,571KHz
Os tempos elucidados nas fórmulas podem ser
observados na figura 4:
Tensão no capacitor C2
2/3Vcc
1/3Vcc
t
Saida
t1
t2
Vcc
T
t
Fig. 4 – Ondas no LM555
Não é difícil perceber que se ao invés de aterrar o pino 5
do circuito integrado for colocado uma tensão ou mesmo um
sinal de áudio amplificado, pode-se variar a freqüência final
da onda quadrada, pois a tensão de referência do comparador
1 e do comparador 2 mudarão mudando o intervalo de carga
e descarga do capacitor e assim mudando a freqüência de
trabalho da onda quadrada. Através desse artifício a música
pode ser facilmente modulada em freqüência, basta então
inserir o sinal de áudio na entrada 5 do LM555 desacoplado
por um capacitor.
Como o plasma Tweeter reproduz melhor sons de
freqüências mais elevadas devido a sua grande condutividade
térmica, foi adicionado na entrada do controle de tensão do
LM555 um filtro passa alta passivo de 1 pólo, que apesar de
atenuar o sinal de entrada manteve o circuito bem simples e
funcional.
O circuito final da parte de sinais utilizado para fazer a
placa e a simulação ficou então da seguinte forma:
O circuito ficou da seguinte forma:
Fig. 6 – Circuito de potência para acionamento do flyback
Fig. 5 – Circuito final utilizado para modular o som em
freqüência na onda quadrada gerada pelo multivibrador.
B. Acionamento e auxilio a comutação do MOSFET
Para transmitir o pequeno sinal quadrado modulado em
freqüência de baixa potência para a bobina primária do
flyback que possui apenas 8 espiras, ou seja, uma baixa
resistência foi utilizado um MOSFET. Como o transistor de
efeito campo vai operar em sua região de corte e saturação
ele se comportará basicamente como uma chave responsável
por transmitir o sinal do LM555 para o transformador
flyback, este chaveamento reduz bastante as perdas de
energia quando comparado com amplificadores lineares que
trabalham na região ativa do transistor resultando em uma
grande dissipação de energia.
O MOSFET utilizado foi o IRFP064N, este transistor
possui chaveamento extremamente rápido, além de suportar
uma corrente de dreno de até 110 A e possuir uma resistência
de dreno-source bem pequena da ordem de 0,008Ω.
Para melhorar o desempenho da parte de acionamento
que irá transmitir o sinal de potência para o flyback foi
adicionado um seguidor de tensão pushpull no gate do
MOSFET que garantirá a carga e a descarga do capacitor
intrínseco presente no dreno-source do transistor com uma
tensão de 12V, além disso, foi adicionado um circuito
snubber para amortecer as oscilações e controlar a taxa de
variação da tensão no dreno-source do MOSFET devido ao
rápido chaveamento da carga indutiva, ou melhor dizendo do
circuito primário do transformador flyback.
Neste caso foi usado um snubber dissipativo e
polarizado onde a energia armazenada no capacitor C5 é
dissipada no resistor R9 e R10. O capacitor é incluído em
paralelo com a chave para absorver a energia que seria
armazenada na capacitância presente no dreno-source do
MOSFET e controlar a taxa de variação de tensão sobre o
transistor no momento em que a chave é aberta [3, 4].
A resistência R9 e R10 foram incluídas para limitar a
corrente de descarga e dissipar a energia que foi armazenada
no capacitor C5 e o diodo rápido D5 foi inserido para tornar
o bloqueio do MOSFET somente dependente do capacitor
C5, a descarga será realizada então pelos resistores R9 e R10
através do MOSFET quanto este estiver saturado [3, 4] .
O capacitor C5 do snubber pode ser determinado através
da taxa de variação máxima desejada, para este projeto foi
escolhido
que é mais do que suficiente para
uma onda quadrada de 42KHz. A corrente de carga máxima
foi medida experimentalmente como
5 A, através
destes valores podemos calcular a capacitância [3, 4].
(8)
Onde:
C5: Capacitor do Snubber
: Corrente máxima de carga
: Inverso da taxa de variação máxima da tensão
Os resistores R9 e R10 devem ser projetados de forma
garantir que o capacitor C5 seja completamente descarregado
em cada ciclo de comutação, sendo este tempo bem inferior
ao tempo de condução do MOSFET. O tempo de condução
foi determinado como 3µS para uma freqüência de
42KHz onde tempo de condução é de 11,9µS. Para este valor
de
temos que o resistor Rs do snubber deve ser 21 [3,
4].
(9)
Onde:
Rs: Resistor do snubber, paralelo entre R9 e R10
: Tempo de chave fechada
C5: Capacitor do Snubber
Como Rs equivale a R9 e R10 em paralelo temos que R9 =
R10 = 47 .
C. Flyback e geração do plasma
O circuito utilizado para elevar a tensão foi um flyback,
bem comum em monitores de vídeo para acelerar o feixe
eletrônico que varre a tela do cinescópio ou tubo de imagem.
O flyback utilizado foi retirado de monitor de computador e
adaptado para obter as características necessárias para gerar o
plasma nos terminais de dois eletrodos de cobre.
A adaptação foi basicamente criar um novo enrolamento
primário enrolando um fio de cobre no ferrite externo do
transformador, possibilitando assim melhor ajuste da relação
de tensão entre o primário e o secundário para gerar um arco
de tensão com cerca de 1 cm.
Esta adaptação pode ser vista na foto a seguir:
sons agudos com maior fidelidade, dentre elas podemos citar
a LANSCHE AUDIO e ACAPELA PLASMA SPEAKER.
Alguns testes foram feitos com intuito de comprovar a
atuação dos componentes inseridos no circuito de potência.
Nas figuras abaixo podemos observar o amortecimento das
oscilações com o acréscimo do circuito snubber no
MOSFET.
Fig. 8 – Chaveamento do MOSFET sem snubber
Percebe-se que na ausência do snubber as oscilações
devido ao chaveamento são mais intensas, devido a carga
indutiva do primário do transformador e do capacitor
intrínseco presente no dreno-source.
Fig. 7 – Foto real do flyback utilizado no plasma tweeter
Neste caso o transformador possui apenas 7 voltas no
seu enrolamento primário, esta quantidade de espiras foi
suficiente para se obter um arco de 1cm de comprimento.
O rendimento deste transformador é afetado pela
freqüência de trabalho, como a onda inserida em seus
terminais é modulada em freqüência este transformador
controlará a potência do plasma interferindo diretamente em
sua temperatura, este efeito resultará na reprodução dos sons
da entrada do sistema devido a rápidas variações na
temperatura do arco, pois o calor do arco responderá
diretamente á amplitude do sinal de entrada de áudio.
III. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Durante a execução do projeto vários problemas não
previstos teoricamente surgiram e implicaram em
modificações para melhoria do som produzido. Entretanto
após inúmeros ajustes o projeto atendeu as expectativas
iniciais.
A falta de ferramentas especificas para realização de
testes de qualidade sonora, formas de onda na saída do
flyback que possui tensões bem elevadas, etc.
impossibilitaram a realização de uma análise comparativa
mais apurada, que comprovaria a eficácia do mesmo na
reprodução de agudos, mas pesquisas envolvendo este tipo
de tecnologia vem crescendo e aos poucos empresas vem
produzindo speakers que utilizam plasma para reproduzir
Fig. 9 – Chaveamento do MOSFET na presença de um snubber
Com o acréscimo do snubber houve uma redução
significativa do amortecimento, o que permitiu uma
reprodução sonora mais nítida através do plasma gerado pelo
flyback.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao LASEC (Laboratório de
Automação Servomecanismo e Controle) por disponibilizar o
laboratório para as pesquisas e execução do projeto, ao
Professor Paulo Sérgio Caparelli por seus auxílios prestados.
Agradecemos também aos professores Aniel Silva de
Morais, Carlos Augusto Bissochi Junior, Fábio Vincenzi
Romualdo da Silva e Josué Silva de Morais pelos inúmeros
incentivos e ajuda.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(a)
Arco
(b)
Fig. 9 - (a) Protótipo já em funcionamento
(b) Arco gerado pelo circuito
IV. CONCLUSÕES
Este artigo apresenta um protótipo simplificado de um
amplificador chaveado com reprodução sonora por meio de
plasma, utilizado para melhorar a reposta dos aparelhos de
som a freqüências mais altas. Várias técnicas podem ser
utilizadas para manipular a potência do plasma e reproduzir
sons a partir da variação de sua temperatura, dentre elas estão
modulação por largura de pulso e modulação por amplitude.
Entretanto, visando simplicidade e praticidade e através
da observação da resposta em um sistema a uma variação de
freqüência, foi utilizado nesse projeto uma modulação por
freqüência que influirá diretamente no rendimento do
transformador sob um ponto de operação onde a potência
seja próxima da máxima.
Os resultados obtidos foram satisfatórios e mostraram
que é possível obter sons de qualidade com este tipo de
técnica. A proposta é que posteriormente sejam feitos testes
com outros tipos de modulações e níveis de potências para
verificar qual deles apresenta melhor relação entre custo
benefício. Apesar de poucas pesquisas ocorrerem neste ramo
o principal objetivo foi mostrar a funcionalidade e fidelidade
do equipamento mesmo o projeto sendo simples e feito com
recursos limitados.
[1] http://www.guia.heu.nom.br/plasma.htm, acessado dia
23/05/2011 às 15h30.
[2] Professor:
Ivair
José
de
Souza,
http://ivairijs.vilabol.uol.com.br/CI-555.html, acessado
dia 23/05/2011 às 18h30.
[3] P. C. Todd, “Snubber Circuits: Theory, Design and
Application”, pp. 2.1-2.17, Maio, 1993.
[4] Yales Rômulo de Novaes, professor da Universidade do
Estado de Santa Catarina - UDESC nas disciplinas de
eletrônica
de
potência.
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/yales/m
ateriais/snubber.pdf.
[5] M. Barlow, "Modulated Plasma Audio Transducer",
Janeiro 2006, Youngstown State University Department
of Electrical and Computer Engineering, em:
http://forums.parallax.com/attachment.php?attachmentid
=69682&d=1272020720.
[6] D.de Vries, "High Power and High Frequency Class-DE
Inventer", Agosto 1999, University of Cape Town, em:
http://scopeboy.com/tesla/classde.pdf.
[7] R.T. Pierozzi, R.K. Yamoto, "Projeto e Construção de
um Tweeter a Plasma", Faculdade de Tecnologia de São
Paulo, Laboratório de Sistemas Integráveis, em:
http://bt.fatecsp.br/system/articles/747/original/21rafael.pdf.