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Curso Amplificadores de Áudio
Curso Amplificadores de Áudio
Curso Amplificadores de Áudio
Nesta obra que ora se inicia mostrarei como fazer a leitura e interpretação de esquemas
elétricos dos amplificadores de áudio sejam valvulados, transistorizados, com CI, classes A,
A, AB, C, D, G e H. A noção de interpretação dos circuitos é muito importante para agilizar a
manutenção estes equipamentos. Portanto prestem bastante atenção nos circuitos abordados
neste trabalho.
Anotações
Índice
São circuitos formados basicamente por transistores usados para estabilizar a corrente em
vários circuitos dos amplificadores transistorizados especialmente nos de potência mais alta
(acima de 10 W). Assim o amplificador tem uma boa estabilidade de funcionamento.
Observe os diodos na base do transistor funcionando como diodo zener de 1,4 V. Assim a
base fica 1,4 V menor que a tensão da linha de +B (22,6 V). No emissor do transistor temos
23,3 V e uma diferença de 0,7 V entre base e emissor. Assim a corrente de polarização da
base via R 2 permanece constante. O resultado é uma corrente entre coletor e emissor sempre
no mesmo valor independente da variação da carga. As variações de carga se traduzem em
variações de tensão pois a corrente não varia.
O transistor ligado entre o +B e a base do transistor fonte de corrente terá 1,4 V entre emissor
e coletor. O transistor fonte terá 0,7 V de diferença de tensão entre emissor e base, corrente
estável na base via R2 (R4) e observe como a corrente se mantém igual mesmo com cargas
diferentes entre emissor do transistor fonte e o terra.
Dois diodos em série funcionando como um zener de 1,4 V polarizando a base de Q1 (Q2)
via resistor de 10 K. Temos uma tensão de 1,4 V na base do transistor e 0,7 V no emissor.
Entre base e emissor uma corrente e tensão estável de 0,7 V mantendo a corrente entre
coletor e emissor estável mesmo com as variações da carga que neste caso se traduzem em
variações de tensão.
Neste circuito a base dos transistores é polarizada com 3,3 V e no emissor temos 2,6 V. A
diferença de potencial entre base e emissor fica estável em 0,7 V, a corrente entre estes dois
terminais fica estável e por consequência a corrente pela carga. Não importa a resistência da
carga que vai influenciar apenas a tensão.
Polarização automática – A corrente circulante pela válvula produz uma queda de tensão no
resistor de catodo tornando-o mais positivo que a grade. Assim basta aterrar a grade (0 V)
através de um resistor de alto valor. Veja na Fig. 14:
Polarização por fonte – Uma fonte negativa alimenta a grade e neste caso o catodo pode
ser aterrado diretamente como visto na Fig. 15:
Este tipo de válvula foi utilizada no passado em alguns rádios como indicadora de sintonia. É
uma válvula duplo triodo com uma das placa recoberta de fósforo. Assim quando a corrente
passa por ela a placa emite uma luz azulada ou esverdeada. Controlando a corrente pela
válvula controlamos a área fluorescente que emite luz. Quanto maior a corrente maior a área
iluminada e vice-versa. As primeiras válvulas destas possuíam a placa fluorescente
arredondada na parte superior e daí veio o nome olho mágico dela. Veja na Fig. 16:
Atualmente existem outros tipos destas válvulas com vários formatos para as placas
fluorescentes e, além de indicadoras de sintonia, também são utilizadas como indicadoras de
nível de áudio em vários modelos de amplificadores valvulados. Elas também podem ser
usadas em amplificadores transistorizados. Veja outros tipos destas válvulas na Fig. 17:
Os amplificadores de áudio com transistores classe AB possuem uma estrutura básica como
mostrada na Fig. 20 a seguir:
Os circuitos de vários amplificadores diferem entre si pelas melhorias que eles têm seja pela
potência de saída mais alta, seja pela qualidade sonora e baixa distorção ou pelas duas
qualidades. Porém os circuitos básicos são estes e vamos explicar as funções a seguir:
Driver – Amplifica mais uma vez o sinal em tensão após o pré ao nível de excitar os
transistores de saída. Portanto ele é um excitador e dá ganho de tensão.
Saída de áudio – Dois transistores, um NPN e um PNP ou dois do mesmo tipo funcionando
como amplificador de corrente. O sinal entra nas bases e saem nos emissores. Os transistores
conduzem um por vez, um deles no semiciclo positivo do áudio e o outro no semiciclo
negativo. Como o driver proporciona ganho de tensão e os de saída ganho de corrente,
teremos um ganho de potência para o sinal chegar ao nível de acionar o alto falante. O
capacitor eletrolítico ligado em série com o falante (acoplamento) será usado se a saída for
assimétrica (alimentada por uma fonte só). Se a saída for simétrica (duas fontes, positiva e
negativa) não teremos este componente.
Circuito de BIAS – Polariza as bases dos transistores de saída para eles conduzirem um
pouco mesmo sem sinal de áudio na entrada do amplificador. Desta forma evita-se o efeito
“cross-over” que é quando um transistor termina de amplificar um dos semiciclos e o outro
demora um pouco para começar a amplificar o seu. Esta polarização também evita o
superaquecimento dos transistores de saída.
A desvantagem dele está na necessidade de polarizar VBE dos dois transistores (entre 1,2 e
1,4 V) para o segundo conseguir uma boa corrente ICE.
A vantagem deste está em polarizar apenas VBE do primeiro transistor para este polarizar o
segundo e assim termos através dele uma corrente ICE bem maior que no Darlington. Apesar
desta vantagem, o circuito Szikai normalmente vem acompanhado de um Darlington nos
amplificadores.
O amplificador VBE é o Q3 e em geral ele fica próximo e/ou no mesmo dissipador dos
transistores de saída assim quando ele aquece, a corrente nele aumenta diminuído a dos
transistores de saída. O trimpot no caso R4 deve ser ajustado para um equilíbrio de corrente
nos transistores de saída. Muito alta = aquecimento; muito baixa = distorção no sinal de áudio.
Sem áudio teremos 6 VDC entre Q1 e Q2, 6,7 V na base de Q1 e 5,3 V na base de Q2. O
transistor Q2 pode variar a tensão de emissor de 0 a 6 V, o que significa que o semiciclo
negativo do áudio pode chegar até cerca de – 5 V (0,3 V na base e 1 V no emissor). Porém
Q1 só pode chegar até 8 V no emissor com a polarização deste circuito. Então o semiciclo
positivo só poderá ir até 2 V (8,7 V na base e 8 V no emissor). Acima deste valor, Q1 pára de
conduzir e corta o sinal como no desenho acima. O limite entre coletor e base é 12 V – 8,7 V
= 3,3 V. Diferença menor (sinal maior) produz uma corrente insuficiente para Q1 continuar
conduzindo. Para contornar isso temos o capacitor “bootstrap” como mostrado na Fig. 28:
Quando Q2 está conduzindo, C2 carrega-se com cerca de 3,5 V. Quando Q1 está conduzindo
a tensão entre os transistores soma-se à do capacitor resultando numa tensão maior na base
de Q1 permitindo-o amplificar o semiciclo positivo acima de 2 V e corrigir o sinal.
CIs estéreos – Possuem dois amplificadores internos um para cada canal de áudio, ligados
em dois alto falantes. Observe a Fig. 29 um CI TDA2005 com esta finalidade:
C1, C2, C10 e C11 são os capacitores de acoplamento, C3 é o filtro de baixa frequência e
C12 de alta frequência, C4 e C6 são “bootstrap”, C8, C9, R6 e R7 os filtros “Zobel” que
eliminam a oscilação de alta frequência da bobina dos alto falantes. R2, R3, R4, R5, C5 e C7
determinam o ganho do amplificador e no caso 1200/3,3 = 363. R1 polariza o pino 3 para ligar
o amplificador. Este mesmo amplificador pode funcionar em ponte somando as potências em
cada saída num único alto falante como na Fig. 30:
São amplificadores classe AB com melhorias para trabalharem com sinais maiores sem
superaquecerem. Nas Figs. 31 e 32 temos um classe G com sinal de entrada fraco e forte:
Como funciona – Q3, Q4, Q9 e Q10 funcionam como chaveadores e resistores variáveis.
Assim dependendo do tamanho do sinal de entrada eles conduzem mais ou menos variando
a tensão de alimentação entre 10 e 20 V, -10 e -20 V para os coletores dos transistores de
saída. Q5, Q6, Q7 e Q8 são espelhos de corrente. Assim a corrente circulante por eles e pelos
diodos zeners fica muito próxima a 1,9 mA. No resistor R7 sempre teremos 1,9 mA x 1.5 K
cerca de 3 V. No desenho de cima com sinal de 2 Vp na base dos transistores de saída, no
pico máximo positivo teremos 2 + 3 + 3,9 = 8,9 V na base de Q4. Como esta tensão é menor
que os 9,3 V do emissor de Q3, estes Darlington (Q3 e Q4) não condizem e o coletor de Q1
será alimentado com 9,3 V (10 menos queda em D1). Por analogia o pico máximo negativo
do sinal será -2 V e o transistor Q2 será alimentado por -9,3 V. No desenho de baixo, o pico
do sinal será 10 V. Teremos 10 + 3 + 3,9 = 16,9 V na base de Q4. Ele conduz, polariza Q3 e
no emissor dele (alimentação do Q1) teremos 15,5 V. Por analogia teremos -15,5 V no coletor
de Q2. Podemos observar este efeito pelos osciloscópios desenhados. No superior temos um
sinal fraco com as alimentações de 9 V e -9 V. E no inferior com sinal mais forte quando
ultrapassam determinados valores as alimentações sobem e descem proporcionalmente.
Este difere da classe G no fato dos transistores que alimentam as saídas não funcionarem
como resistores variáveis e sim apenas como chave liga/desliga. Com sinais fracos os
transistores ficam desligados e a saída funciona com a fonte baixa. Com sinais fortes os
transistores ligam e alimentam a saída com a tensão alta. Nas Figs. 33 e 34 temos o exemplo
destes circuitos:
O R4 faz o papel da carga (alto falante) ligado diretamente no coletor do transistor. Há dois
problemas com esta ligação: Primeiro circula corrente contínua pelo falante e assim ele seria
queimado, segundo a resistência ou impedância de coletor sendo muito pequena o transistor
reduz bastante o tamanho do sinal que chega em sua base ao invés de amplificar. Basta
observar o tamanho reduzido do sinal indicado no osciloscópio.
Para contornar estes problemas, as saídas classe A usam um transformador casador de
impedâncias chamado transformador de saída de áudio. Veja na Fig. 36:
O transformador de saída é diferente do transformador de força, pois este último trabalha com
frequência fixa de 60 Hz da rede e o primeiro tem construção diferente para trabalhar com
uma faixa de frequências entre 20 Hz e 20 KHz. O primário tem uma impedância mais alta
(até alguns K) e o secundário de baixa impedância entre 4 e 32 ohms. Assim o sinal é
transferido do coletor ao falante sem perdas e sem circulação de CC por ele. Veja um exemplo
deste circuito na Fig. 38:
Conversão do áudio em PWM – O sinal é misturado com uma onda em forma de triângulo
produzida por um oscilador baseado na carga e descarga de um capacitor. Tal sinal triangular
fica numa faixa acima de 300 KHz (o valor mais usado é 384 KHz). Veja na Fig. 41 o princípio
da conversão do áudio em PWM:
O áudio entra num operacional junto com o sinal triangular e da comparação entre eles sai
uma onda quadrada com ciclo ativo variável chamada PWM (modulação por largura de
pulso). O sinal triangular nos amplificadores modernos é gerado dentro do mesmo CI por
onde passa o áudio analógico. Pode ser no CI de saída ou num processador de áudio antes.
O PWM vai ao driver para o MOSFET Q2 e para um trocador de nível a fim de acionar o
MOSFET Q1. Q1 e Q2 formam um par ligados em meia ponte “single ended” (SE) ou saída
simples. Os transistores dão ganho de corrente e tensão ao PWM o qual será convertido
novamente em áudio através do filtro passa baixa L e Co. Cb e Db formam o circuito
Modulação do sinal PWM – Quando não há sinal de áudio na entrada do amplificador, o sinal
PWM terá o ciclo ativo um pouco menor de 50% (há o “dead time”, pequeno período na qual
os dois transistores estão desligados para não correr o risco de conduzirem ao mesmo tempo).
Na saída teremos zero volt e não haverá som no falante como na Fig. 43:
Quando há sinal de áudio fraco na entrada, haverá pequenos desvios no ciclo ativo do PWM,
gerando uma tensão baixa na saída e um som fraco no falante. Veja na Fig. 44:
Quando há sinal de áudio forte na entrada, teremos grandes desvios no ciclo ativo do PWM,
gerando assim uma tensão maior na saída e um grande volume sonoro no falante como
mostrado na Fig. 45:
O sinal deve possuir uma boa linearidade, portanto o operacional deve ser de boa qualidade
e com uma boa taxa de inclinação também chamada de “slew rate”. Não é o caso deste
LM324 que foi usado apenas como exemplo. A frequência do circuito proposto e usando a
fórmula é F = 1 / 4x0,1x0,1 X (0,1/0,047) = 1/0,04 X 2,13 = 25 X 2,13 = 53,2 Hz. Para uma
boa conversão do áudio em PWM o sinal triangular deve estar entre 5 e 50 vezes a maior
frequência do espectro de áudio 20 KHz. Logo o sinal triângulo deve estar entre 100 KHz e 1
MHz. Este intervalo é onde estará o sinal PWM produzido obrigando os componentes do
amplificador a usar componentes de boa qualidade para trabalhar bem com chaveamento de
alta frequência. Um valor bastante usado nos amplificadores é 384 KHz. Observe na Fig. 47
uma simulação de dois sinais de áudio com amplitudes diferente modulando um sinal
triangular de alta frequência para a obtenção de dois PWM com ciclos diferentes:
Conforme explicado quanto maior a intensidade do sinal de áudio, maior o ciclo ativo do sinal
PWM resultante após a modulação. A maioria dos amplificadores classe D usa um oscilador
triangular interno, porém há outros osciladores menos usados para esta finalidade.
“Single Ended” (SE) – Ou saída simples, os MOSFETS são ligados num dos terminais do
alto falante. O outro terminal vai conectado ao terra do aparelho. Existem dois tipos de “single
ended”: simétrico ou assimétrico como vemos a seguir:
Como há duas alimentações simétricas +B e -B, no meio dos MOSFETs termos 0 V e não há
a necessidade do capacitor em série. Os amplificadores SE ou meia ponte como estes
“Bridge Tied Load” (BTL) – Carga ligada em ponte ou ponte completa é o tipo mais utilizado
nos equipamentos de som da atualidade. Observe um exemplo deste tipo na Fig. 50:
Temos dois pares de MOSFETs: Q1-Q2 e Q3-Q4. Cada terminal do alto falante está ligado
no meio de um dos pares. Como a tensão contínua em cada par é a mesma não haverá
corrente contínua circulando pelo alto falante. A grande vantagem deste circuito está em
somar as potências dos pares individualmente para o falante. Por exemplo: Se cada par pode
entregar 50 W de potência para o falante, os dois podem entregar 100 W com a mesma tensão
de alimentação. Normalmente estes pares de MOSFETs estão dentro do mesmo CI junto com
mais 4 pares para o outro canal de áudio. Portanto um CI com 8 MOSFFETS de potência
internos junto com os demais circuitos do amplificador. Temos alguns detalhes relacionados
e este circuito como os componentes externos marcados. L1/Co1 formam o filtro passa baixa
do primeiro par de MOSFETS. L2/Co2 é o filtro do segundo par. Quando não há áudio, o PWM
terá ciclo ativo de quase 50% nos dois pares e a tensão em L1 e L2 será a mesma. Sem
diferença de potencial entre L1 e L2 não haverá som no falante. Quando houver áudio e o
ciclo ativo em L1 for maior que 50%, em L2 será menor que 50 %. Assim a tensão em L1 será
maior que 18 V e em L2 menor que 18 V, fazendo circular corrente elétrica variável no falante
e reproduzir o som. Quando L1 tiver ciclo ativo menor que o L2, a corrente vai fluir pelo alto
falante no sentido inverso reproduzindo desta forma o semiciclo negativo do áudio. O
capacitor Cz é o filtro “Zobel” que elimina a oscilação parasita de alta frequência da bobina do
alto-falante. As saídas Rg alimentam os gates dos MOSFETS com tensão do PWM e corrente
relativamente alta para carregar e descarregar as capacitâncias dos gates fazendo desta
forma os transistores funcionarem. Cb e Db formam os circuitos “bootstrap” como veremos
adiante neste livro.
Este tipo de circuito é bem útil quando necessitamos de alta potência de saída para os falantes
como por exemplo 200 W ou mais. Os pares Q1-Q2 são sincronizados com Q5-Q6 e estão
ligados num dos terminais do falante. Os outros dois pares estão no outro terminal. Alguns
minisystens de alta qualidade usam a saída PBTL para alimentar os falantes de maior potência
como os woofers e sub-woofers e a saída BTL para alimentar os falantes de menor potência,
mid range e tweeters.
O CI de saída possui três alimentações: VPWR ou PVCC (30 V ou mais) que alimenta os
MOSFETs de saída, GVDD (12 a 15 V) que alimenta os drivers dos gates e o VDC, VCC ou
VDD (5 a 15 V) que alimenta os circuitos de controle, proteção, entradas e saídas para os
drivers. Este CI representa um dos canais de áudio (tem dois iguais). As saídas dos MOSFETs
estão ligadas em BTL (ponte) nos terminais dos falantes com o filtro passa baixa L1/L2 em
série e Co1/Co2 em paralelo. O CI recebe o sinal PWM modulado pelo áudio e em fases
opostas em cada entrada. Os sinais PWM menores controlam os MOSFETS inferiores e os
maiores, após passar pelo “level shift”, controlam os MOSFETs superiores. Há também dois
pinos de falhas ligados internamente em coletor aberto, ou seja, com tensão de 3,3 a 5 V em
condições normais. O pino OTW (“Over Temperature Warning”) detecta excesso de calor
produzido pelo CI para ativar o transistor interno e zerar este pino, assim o microprocessador
geral desliga a fonte. O pino “CLIP” detecta falha em algum circuito, daí este pino vai a nível
baixco para o microprocessador principal desligar a fonte.
Para o MOSFET ligar é necessário que a tensão em seu gate esteja 12 V acima do source.
Logo, Q2 tem o source ligado no terra e o PWM no gate vai de 0 a 12 V. No Q1 a coisa é uma
pouco mais complicada. Quando ele conduz, em seu source aparece 30 V. Logo em seu gate
são necessários 12 V a mais portanto 42 V. Por isso que o sinal no gate de Q1 é bem maior
que o do gate de Q2. Como vimos estes sinais de gate são opostos para quando um transistor
conduzir o outro fica desligado. Há um pequeno tempo morto (“dead time”) entre 5 e 100 ns
de transição entre os transistores (quando nenhum está conduzindo). Nestes exemplos
mostramos o PWM como uma onda retangular certinha mas ela tem uma pequena rampa de
subida e descida entre cerca de 20 a 50 ns.
Quando o MOSFET inferior conduz o diodo interno conduz e carrega Cb1 com 12 V. Quando
o MOSFET superior conduz, a tensão de saída 30 V soma-se à armazenada no capacitor e
alimenta o driver e o gate com 42 V. É o melhor método de se obter a tensão necessária à
alimentação do MOSFET superior nos amplificadores classe D. O diodo rápido fica dentro do
CI e o capacitor de poliéster ligado entre a saída e o pino de alimentação do driver.
Este tipo é mais comum em televisores LCD/LED. Ele usa o protocolo I2S ou IIS (Integrated
IC Sound), trilhas seriais para conectar periféricos de som. Nos pinos de entrada temos:
SD – Áudio digital;
BCLK – Bit clock ou serial clock para sincronismo do áudio digital. Vai de 1,4 a 3 MHz;
LRCLK – Word clock ou word selector para separar os canais L e R. 44,1 a 48 KHz;
MCLK – Master clock para converter o áudio digital em analógico. 11,28 a 12,28 MHz.
10) Qual tipo de amplificador classe D mais indicado para potências muito altas:
( a ) SE ou meia ponte
( b ) BTL ou ponte completa
( c ) PBTL ou ponte completa em paralelo