REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7370064
Deisson Rodrigues; Leonardo Morato Bence; Lucas Menezes Fernandes; Rodrigo Miranda Barbosa;
Orientador: Jeison Fonseca.
Resumo:
Com o crescimento da demanda por aparelhos compactos e cada vez mais potentes, surge a necessidade de sistemas cada vez mais eficientes. O amplificador de áudio nestes dispositivos é um ponto determinante para uma experiência desejada do usuário e é responsável por uma parte significativa do consumo de energia do aparelho. Amplificadores de áudio classe D possui uma máxima eficiência teórica alcançando 100% ao realizar a modulação do sinal de áudio, sendo os mais indicados para aplicação apresentada na demanda atual. Com o intuito de reduzir o consumo de energia desses aparelhos, a proposta deste projeto é fabricar um amplificador de áudio classe D com baixa dissipação térmica, mantendo a fidelidade e atendendo as especificações mínimas exigidas. Amplificadores classe D, também conhecidos como amplificadores digitais, funcionam por meio da amostragem de um sinal de entrada gerando-se um PWM (Pulse-Width Modulation) através do chaveamento de transistores em conjunto com um filtro na saída do sinal, reduzindo assim as perdas por dissipação, e consequentemente, aumentando a sua eficiência, permitindo a redução do espaço ocupado pelo amplificador simplificando muitos projetos em PCB (Printed Circuit Board). Pelo motivo desta redução de tamanho permite-se muitas vezes o encapsulamento de um circuito quase que por inteiro, assim sendo, reduz o uso de componentes externos a apenas alguns capacitores e resistores na maioria dos casos que são aplicados. Utilizando o software EasyEDA foi feito o arranjo de componentes na PCB, Após o recebimento do circuito integrado, os testes foram realizados comparando os resultados obtidos com o “datasheet” [ficha de dados] do TPA3116D2 onde obteve-se uma corrente de 60mA em repouso e um ganho de aproximadamente 32dB utilizando dois alto-falantes de 4 ohms, estando assim dentro das especificações.
Palavras-chave: Classe D, PWM, Custos, Proteção e Encapsulamento.
Low cost Class D Amplifier
Abstract:
With the growth in demand for compact and increasingly powerful devices, requires de necessity for increasingly efficient systems. The audio amplifiers in these devices are a determinant key of a desired user experience and are responsible for a significant portion of the device’s power consumption. Class D audio amplifiers have maximum efficiency when performing 100% of the audio signal modulation, being indicated for applications in current demand. In order to reduce the consumption of appliances, a power design proposal to manufacture a class D audio amplifier with thermal dissipation, maintain fidelity and meet minimum quality specifications.Class D amplifiers, also known as digital amplifiers, work by sampling an input signal, generating a PWM (Pulse-Width Modulation) by switching transistors together with a filter at the output of the signal, thus reducing losses by dissipation, consequently increasing its efficiency, allowing the reduction of the space occupied by the amplifier, simplifying many PCB (Printed Circuit Board) projects. Because of this size reduction, it is often possible to encapsulate a circuit almost entirely, thus reducing the use of external components to just a few capacitors and resistors in most cases that are applied. Using the EasyEDA software, the components were arranged on the PCB, which was made by the JLCPCB company, after receiving the integrated circuit, the tests were performed comparing the results obtained with the datasheet [data sheet] of the TPA3116D2 where we got: a current of 60mA at rest and a gain of approximately 32dB using two 4 ohm speakers, thus being within specifications.
Keywords: Class D, PWM, Costs, Protection and Encapsulation
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Amplificador Classe A, configuração seguidor de emissor…………….………….7
Figura 2 – Amplificador Classe B, configuração push-pull………….………………………….8
Figura 3 – Esquema de Amplificador Classe AB………………………………………………..9
Figura 4 – Esquema de Amplificador Classe C………………………………………………….9
Figura 5 – Amplificador Classe D………………………………………………….……..……..10
Figura 6 – Pinagem do TPA3116D2……………………………………….…………..………..11
Figura 7 – Tabela de demonstração dos ganhos em dB………………………………………12
Figura 8 – Sistema genérico com realimentação negativa……………………………………13
Figura 9 – Topologias do estágio de saída (a) Half-Bridge (b) Full Bridge……………….…14
Figura 10 – Sistema genérico com realimentação negativa……………..……………..…….15
Figura 11 – Filtro de saída LC passivo………………………………………………………….16
Figura 12 – Resposta em frequência de filtros LC passa baixa com fatores de qualidade diferentes.…………………………………………………………………………………………17
Figura 13 – Relação capacitores cerâmicos X7R com múltiplas frequências..…………….18
Figura 14 – Lista de componentes……………..………………………………………………..19
Figura 15 – Circuito da PCB….……………………………………………………….…………20
Figura 16 – Desenvolvimento da PCB – Top..………………………………………….………20
Figura 17 – Desenvolvimento da PCB – Bottom……………………………………….………21
Figura 18 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Bottom………………………………………21
Figura 19 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Top…………………………………………..21
Figura 20 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Top…………………………………………..22
Figura 21 – Placa sem os componentes………………………………………………………..22
Figura 22 – Circuito impresso com os componentes………………………………………….23
Figura 23 – Sinal de Entrada…………………………………………………………………….24
Figura 24 – Sinal de Saída……………………………………………………………………….24
Figura 25 – PWM………………………………………………………………………………….25
Figura 26 – Eficiência energética TPA3116D2…………………………………………………25
Figura 27 – Distorção da harmônica TPA3116D2……………………………………………..26
Lista de Equações
Equação 1 – Distorção Harmônica Total (THD)………………………………………………………….12
Equação 2 – Razão de Rejeição de Fonte (PSR)………………………………………………………12
Equação 3 – Razão de Rejeição de Fonte (PSR)………………………………………………………12
Equação 4 – Razão de Rejeição de Fonte (PSR)………………………………………………………12
Equação 5 – Cálculo de Potência………………………………………………………….……13
Equação 6 – Cálculo de Potência……………………………………………………………….13
Equação 7 – Cálculo de Potência……………………………………………………………….13
Equação 8 – Cálculo de Potência……………………………………………………………….13
Equação 9 – Fontes de Perdas…………..………………………………………………………14
Equação 10 – Fontes de Perdas…………………………………………………………………15
Equação 11 – Filtro de Saída…………………………………………………………………….16
Equação 12 – Filtro de Saída…………………………………………………………………….16
Equação 13 – Filtro de Saída…………………………………………………………………….17
Equação 14 – Filtro de Saída…………………………………………………………………….17
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Hz: Hertz
CC: Corrente Contínua
SNR: Taxa de sinal de ruído
W: Watts
kW: Kilowatts
FFT: Transformada rápida de Fourier
DB: Decibel
NFB: Feedback negativo
mW: Miliwatt
V: Volt
mV: Milivolt
A: Ampère
mA: Miliampère
THD: Distorção harmônica total
N: Ruído
SR: Taxa de giro
CA: Corrente alternada
Vrms Tensão eficaz
Vp Tensão de pico
Vpp Tensão de pico a pico
Iq Corrente quiescente
Vbe Tensão base-emissor
LC Indutor capacitor
VAS Estágio de amplificação de tensão
Ta Temperatura ambiente
Tj Temperatura de junção
Introdução
Amplificadores de sinal são dispositivos eletrônicos que são utilizados com muita frequência, pois eles têm como função amplificar os sinais elétricos recebidos na entrada dos equipamentos. Neste trabalho de conclusão de curso será apresentado os tipos de amplificadores existentes e demonstraremos na prática como ele pode ser utilizado para melhorar o sinal de áudio e som.
Nas décadas passadas, amplificadores de áudio eram utilizados basicamente em sistemas de rádio e grandes sistemas de som para eventos. Com o passar dos anos, os sistemas de áudio foram adicionados nos mais variados dispositivos, como reprodutores de música, notebooks, telefones, etc. Dessa maneira, fez-se necessária a diminuição do tamanho e aumento da eficiência, já que muitas das aplicações tornaram-se portáteis (RUMSEY; MCCORMICK, 2009).
Os amplificadores conhecidos como lineares, que engloba as classes de amplificação A, B, AB e suas variações, foram os primeiros a serem desenvolvidos. São capazes de amplificar sinais elétricos com altíssima fidelidade, principalmente por serem completamente analógicos, além de terem passado por diversas melhorias ao longo dos anos. Por outro lado, a eficiência energética desses circuitos é um ponto que é insuficiente, sendo a melhor delas entre 60 e 70% (SELF, 2002).
Por fim o Classe D que são amplificadores digitais. Os amplificadores de áudio de classe D possuem uma eficiência teórica de 100% e prática entre 80 e 90%. Esse nível de eficiência é obtido através da modulação do sinal de áudio, ou seja, as chaves de saída são ligadas e desligadas em uma frequência ultrassônica, sendo assim, a carga é conectada alternadamente a cada barramento de alimentação. Quando a tensão de entrada varia no tempo, a tensão média de saída varia com ela, sendo a média feita por um filtro de saída ou diretamente pela carga. As frequências de chaveamento usadas variam de 50 kHz a 1 MHz. Uma frequência mais alta torna o filtro de saída mais simples e menor, mas tende a aumentar as perdas no circuito de saída e a distorção do sinal (SELF, 2009).
Será apresentado cada uma das classes de amplificadores com maior detalhamento no amplificador Classe D que foi utilizado para confecção deste trabalho, em razão do baixo custo e melhor eficiência em relação às demais classes.
Os amplificadores de áudio são muito utilizados em aparelhos de som e instrumentos musicais quando se faz necessário potencializar o volume para uma melhor performance.
A ideia foi desenvolvida com o intuito de demonstrar com um fácil entendimento, como o sinal eletrônico pode ser alterado de acordo com a necessidade das pessoas, demonstrando que podem ser utilizados para diversas aplicações como aparelhos sonoros.
2 Justificativa
Em se tratando de amplificação de sinais, uma das aplicações mais comuns existentes é a de áudio. Devido a constante necessidade de se criar dispositivos com máxima eficiência e menor custo possível, a escolha da classe D se destaca em relação a todas as outras.
Trata-se de uma classe que tem uma enorme eficiência energética em relação às outras, simplicidade, agilidade, atingindo as especificações mínimas para operação utilizando um baixo custo de produção. Permitindo, sobretudo, a demonstração de seu funcionamento através de um teste prático e que atinja todas as especificações dos objetivos propostos.
3 Objetivo Geral
O objetivo principal deste Trabalho de Conclusão de Curso é projetar um amplificador de áudio operando em classe D de 15 Watts RMS para uma carga de 4 Ω por canal, com resposta em frequência de 20 Hz a 20 kHz
3.1 Objetivos Específicos
I. Determinar a topologia de circuito;
II. Realizar o projeto dentro dos parâmetros pré-definidos;
III. Projetar uma placa de circuito impresso única para todo o amplificador;
IV. Testar potência e eficiência energética para comprovar a teoria;
V. Realizar ensaios de fidelidade de áudio.
4 Revisão Teórica
O amplificador de áudio foi inventado pelo Dr. Lee De Forest no início do século XX utilizando de sua recém invenção – a válvula de triodo, em que os amplificadores utilizam de técnicas analógicas convertendo energia elétrica em ondas de som. A reprodução sonora tinha um grau de fidelidade bastante alta, porém havia muita perda de energia em forma de calor. Com o surgimento dos transistores, as válvulas começaram a ser substituídas devido ao seu menor custo, tamanho, consumo de energia e maior durabilidade gerando um grande salto na evolução dos amplificadores. Houve algumas classes, tais como: A, B e AB, que sofriam ainda com uma considerável perda de energia e eficiência. Em meados dos anos 90, o amplificador de classe-D começou a ser utilizado com maior frequência e atualmente o seu resultado final gera um som limpo e rico em detalhes, com uma eficiência e simplicidade muito mais satisfatória comparada às demais classes de amplificadores citadas anteriormente.
Fonte Site: https://www.amplificadoresnextpro.com.br
4.1 Introdução Amplificação de áudio
4.1.1 Classe A
Dentre as classes tratadas essa é a mais antiga, que surgiu em meados de 1917. Esta classe apresenta a melhor característica de linearidade entre todas, apresentando baixa distorção, mas também possui o menor rendimento que, idealmente, não passa de 50%, quando se utiliza a configuração push-pull. (BORTONI, 2007)
O baixo rendimento ocorre devido ao fato de que os transistores de saída estão sempre em condução, pois existe uma corrente de polarização constante, com valor no mínimo igual a metade da máxima corrente de carga. Esta polarização está presente mesmo quando o sinal de entrada é nulo, ou seja, mesmo quando não solicitado potência na saída do amplificador, este consome um valor bastante significativo de energia do sistema. (BORTONI, 2007)
Devido a essa baixa eficiência energética, o uso de amplificadores classe A é inviável na parte de potência de equipamentos alimentados por baterias. Geralmente é utilizado em etapas intermediárias, onde a potência dissipada é pequena, por exemplo, em pré-amplificadores. A figura 1 apresenta um modelo do circuito que utiliza a configuração seguidor de emissor, muito utilizada em amplificadores classe A.
Figura 1 – Amplificador Classe A, configuração seguidor de emissor
4.1.2 Classe B
Na classe B, conforme Bortoni (2007), o período em que os transistores estão conduzindo é menor que na classe A. Os transistores conduzem somente quando há presença de sinal na entrada. Porém, por esse motivo é necessário o uso de um par de transistores, já que cada um fica destinado a conduzir somente em um dos semicíclos do sinal de entrada.
Devido a essa configuração, a classe B apresenta um ótimo rendimento, podendo chegar na ordem de 78.5. Porém, esse aumento de rendimento tem o seu preço. Durante a transição da operação de um transistor para outro há uma interrupção do sinal de saída, pois o nível do sinal de entrada não é suficientemente grande para por os transistores em condução. Ocorre nesse intervalo, uma distorção de cruzamento, chamada de distorção de crossover, que prejudica a linearidade do sinal de saída em função do sinal de entrada. (BORTONI, 2007)
Esta classe apresenta um ótimo rendimento, porém, ao mesmo tempo, uma distorção de crossover em sua saída. A figura 2 apresenta o circuito comum utilizado na classe B em configuração push pull.
Figura 2 – Amplificador Classe B, configuração push-pull
4.1.3 Classe AB
O estágio de saída do tipo classe AB, como o próprio nome sugere, utiliza princípios das duas classes antecessoras, classe A e B. Figura 3.
Basicamente, é utilizado o princípio de funcionamento da Classe A, de amplificar o sinal sem introduzir distorção e o princípio utilizado na classe B, que utiliza dois dispositivos que se revezam na condução do ciclo do sinal de entrada. (BORTONI, 2007) Na classe AB, os dois transistores se encontrar ligados (em condução) ao mesmo tempo por um curto período, como uma tentativa de se evitar a distorção de crossover, fazendo com que o sinal amplificado continue a ser linear durante a passagem por zero no sinal de entrada. (PIRES, 2010)
Figura 3 – Esquema de Amplificador Classe AB
Na figura 3, existem duas fontes entre os transistores utilizadas para a polarização dos mesmos, Vpol1 e Vpol2, que garantem a condução no intervalo onde anteriormente, na classe B, os transistores entrariam em corte, evitando assim a distorção de crossover.
4.1.4 Classe C
A classe C não é usualmente utilizada na linha de áudio, e sim mais utilizada em circuitos transmissores de radiofrequência. Essa topologia é polarizada de forma que amplifica menos de 180º do sinal de entrada. Geralmente o transistor amplificador é associado a um circuito oscilante ou circuito tanque, e o mesmo possui uma eficiência entre 70 %.
Segundo Slone (1999), os amplificadores classe C, vide figura 4, usam como carga no coletor do transistor circuitos que ressonam na frequência que o ramo LC está oscilando, e por isso, a maioria dos amplificadores de classe C são amplificadores sintonizados. A amplitude do sinal de saída de um amplificador classe C irá depender da amplitude e da frequência do sinal de entrada, pois o circuito tanque ou capacitor indutor (LC) irá se comportar como um filtro de atenuação.
Figura 4 – Esquema de Amplificador Classe C
4.1.5 Classe D
Com o propósito de otimizar a performance energética dos amplificadores, foi desenvolvida uma nova classe, a classe D, que tem se tornado muito difundida nos últimos anos.
Os amplificadores classe D, ou também chamados, amplificadores chaveados, utilizam interruptores de potência controlados, acionados por uma modulação baseada em largura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), resultante da comparação de um sinal de entrada (sinal a ser amplificado) com uma onda triangular de frequência no mínimo dez vezes maior que a frequência máxima do sinal de entrada.(PIRES, 2010)
Conforme Bortoni (2007), o valor teórico para a frequência da onda triangular da etapa de comparação, é de 20 KHz.
A classe D apresenta um rendimento muito alto, próximo à 90%, porém não possui a qualidade de baixa distorção, relativa, que um amplificador contínuo classe A e AB possui, variando de acordo com projetos. (BORTONI, 2007)
Os amplificadores lineares como os classe A e AB possuem uma baixa eficiência devido a operação dos transistores ser na região linear no estágio de potência, ocorre uma queda de tensão enquanto correntes altas passam pelos transistores, tendo como consequência
a perda na forma de calor e diminuição da eficiência, sendo necessário utilizar dissipadores de calor.
Já nos amplificadores de classe D, os transistores operam como chaves, operando somente na região de corte-saturação. Quando uma alta corrente passa pelo transistor, a queda de tensão é nula e quando há uma expressiva perda de tensão não há passagem de corrente, portanto não existem perdas. Para que isso aconteça é necessário modular o sinal de entrada em um trem de pulso de níveis de tensão discretos passando pelas chaves e determinando o estado de “Desligado” e “Ligado”.
Os transistores utilizados nos amplificadores de classe D para áudio são os MOSFET que são controlados pela tensão. Após a amplificação dos pulsos, o sinal de saída contém componentes de alta frequência devido a modulação e devem ser filtradas, utilizando um filtro passa-baixa. A base do amplificador classe D é composta pelas etapas de modulação, amplificação de pulsos e demodulação através do filtro, o esquema de blocos do amplificador classe D é representado na figura 5.
Figura 5 – Amplificador classe D
4.2 – Métricas e Desempenho
É preciso tratar as não linearidades do amplificador classe D apropriadamente para que não haja distorção no sinal de saída, para isso utilizamos um filtro passa-baixas na saída fazendo que o sinal retorne a ser uma senóide, assim diminuindo sua distorção.
Com o TPA3116D2 da Texas Instruments, mostrado na figura 6, é um amplificador digital classe D para alto falante de 100W / 2 Ohm no modo MONO. Para duas saídas de 15W este componente não pede um dissipador de calor robusto, tornando o projeto mais acessível, compacto e com baixo custo de construção. (Texas Instruments, 2013,p.1)
Figura 6 – Pinagem do TPA3116D2
4.2.1 – Distorção Harmônica Total (THD)
Quando se realiza a amplificação de um sinal de áudio, o produto final além da amplificação em si, é o bom aproveitamento energético do sistema utilizado, ou seja, é visado que grande parte da energia utilizada na operação seja destinada diretamente à carga, ao mesmo tempo buscando a menor distorção possível na onda de saída, buscando uma alta linearidade do amplificador. (MARKUS, 2002)
Se falando de qualidade de áudio, quanto menor a distorção de um amplificador, melhor será sua qualidade. Entende-se de maneira geral, que a distorção é qualquer alteração introduzida no sinal que não seja apenas e só na amplitude da onda, ou seja, diferenças presentes entre sinal de entrada e saída excluindo a diferença de amplitude do sinal. (BORTONI, 2007)
Uma das maneiras de se medir a distorção presente em um sinal de áudio, é o cálculo da distorção harmônica total, a THD. (BORTONI, 2007)
A THD é caracterizada pelo valor eficaz dos componentes harmônicos do sinal de saída, excluindo o fundamental, expresso com uma porcentagem eficaz do fundamental. Um amplificador de potência de alta fidelidade deve apresentar um THD da ordem de uma fração de 1%. (SEDRA E SMITH, 2007)
A THD (Total Harmonic Distortion) distorção harmônica total é definida como a razão entre a raiz da soma do quadrado do valor RMS de cada componente harmônico e a frequência fundamental .Equação (1).
A equação mostrada acima é um dos principais parâmetros utilizados para verificar o desempenho de um amplificador.
Na prática, as medições de THD incluem a componente de ruído(N) do sistema, que pode ter diversas origens, sendo uma delas o ruído de fonte, resultando na medida THD+N, que representa a fidelidade com a qual um amplificador reproduz o sinal de entrada, que convencionalmente é um senoidal de 1kHz. (KANG et al., 2016).
4.2.2 – Razão de Rejeição de Fonte (PSRR)
O PSRR é um parâmetro que indica a estabilidade da saída de uma fonte de alimentação, que por sua vez possuem variações de tensão e harmônicas em sua saída, se não forem apropriadamente reguladas. Este parâmetro representa o quão bem um circuito rejeita estas oscilações da fonte, ele pode ser calculado com a equação (2) abaixo retornando o seu valor em dB. Na figura 7 podemos verificar a demonstração dos ganhos em dB.
Figura 7 – Tabela de demonstração dos ganhos em dB
Em nosso protótipo foram feitos os cálculos e o ganho é de aproximadamente 32 dB. conforme resultados apresentados nas equações (3) e (4).
Nosso protótipo tem realimentação através de um resistor de realimentação interna.
4.2.3 – Realimentação
Segundo OGATA (2010), a realimentação é uma operação que ocorre num sistema, onde na presença de distúrbios, tende a diminuir a diferença entre a saída e uma entrada de referência e age baseado nesse erro. Uma das técnicas de realimentação mais comuns é a realimentação negativa, mostrada na Figura 8.
Figura 8 – Sistema genérico com realimentação negativa
4.2.4 – Cálculo de Potência
O cálculo de potência foi feito conforme equações 5,6,7 e 8
Onde:
VP → Tensão de pico
Ip → Corrente de pico
RL→ Carga
O trem de pulsos deve ser amplificado sempre que gerado, qualquer que seja a técnica de modulação utilizada. Algumas topologias de circuitos inversores podem ser aplicadas para amplificar o sinal, sendo que as mais comuns são a Meia Ponte (Half-Bridge) e a Ponte Completa (Full-Bridge) como mostrado na figura 9.
Independentemente da configuração escolhida, os transistores MOSFET e os gate drivers, são responsáveis por comutá-los entre corte e saturação. Estes são os principais componentes do amplificador classe D.
Figura 9 – Topologias do estágio de saída (a) Half-Bridge (b) Full Bridge
Em se tratando de uma condição ideal, o estágio de saída não aplica distorções ou ruídos na faixa de frequência audível no sinal de saída, juntamente com o fornecimento de 100% de eficiência, algo que não ocorre devido a características reais dos componentes utilizados.
Os MOSFET são transistores que não são chaves ideais, possuindo uma resistência finita quando ligados, podendo sofrer oscilações durante o chaveamento devido aos componentes parasitas, além do tempo de comutação entre saturação e corte finito. Caso um dos MOSFETs de um dos braços seja acionado enquanto o outro estiver conduzindo, ocorrerá um curto entre as fontes de alimentação e terá altas correntes surgindo o fenômeno “Shoot-Through”. Nos casos menos severos os pulsos de corrente ocasionarão altas perdas de condução devido a resistência das chaves, podendo causar danos aos transistores devido às altas correntes. (ALMEIDA, 2020)
4.3 – Fontes de Perdas
Como os MOSFETs possuem tempo de transição entre corte e saturação finito, existe um intervalo de tempo em que há tensão e corrente no transistor, causando perdas a cada ciclo de chaveamento, que podem ser estimadas através da equação 10, a partir das especificações do amplificador e de informações obtidas no datasheet da chave (CEREZO, 2016).
4.4 – Modulação (PWM)
Em eletrônica de potência, o PWM (Pulse Width Modulation) é o tipo de modulação mais utilizada pela sua simplicidade de implementação e complexidade baixa, esta modulação consiste em pulsar um sinal digital. Neste projeto, a modulação do sinal é obtida por meio de comparação feita entre o sinal modulador, triangular, ou dente de serra de alta frequência, e o sinal de áudio a ser modulado. A figura 10 demonstra essa comparação, a qual irá gerar um trem de pulsos que controla os MOSFETs de saída.
Figura 10 – Sistema genérico com realimentação negativa
4.5 – Filtro de saída
Uma vez o sinal amplificado pelo estágio de potência, se faz necessário remover os componentes de alta frequência do sinal PWM no mesmo momento em que a frequência audível deve passar sem sofrer atenuações, isto pode ser realizado com um filtro passa-baixas passivo.
Devido às restrições de custo e espaço, a maioria dos amplificadores classe D utiliza um filtro de segunda ordem LC como o visto na figura 11, onde Rload é a impedância aproximada do alto falante. Um filtro Butterworth normalmente é utilizado, devido a sua característica de resposta em frequência sem ondulações para a banda de áudio e um aumento de atenuação suave da banda de corte.(GAALAAS, 2006)
Figura 11 – Filtro de saída LC passivo
É possível representar o filtro acima por meio de uma função de transferência de segunda ordem, não possuindo zeros e em seus pólos um par complexo conjugado. A equação 11 demonstra como deve ser o cálculo do filtro.
A equação 12 demonstra a frequência de corte Fc. Frequência pelo qual o filtro atenua o sinal de entrada em dB.
A figura 12 demonstra a resposta em frequência para dois filtros, como os da figura 11, para os dois valores de Q.
Figura 12 – Resposta em frequência de filtros LC passa baixa com fatores de qualidade diferentes
Os valores do capacitor e indutor são calculados a partir da frequência de corte, conforme as equações 13 e 14.
5. Revisão Bibliográfica
Nos primórdios da reprodução de áudio por meios eletrônicos os amplificadores de áudio, se fazem necessários para permitir que os sinais possam ser apropriadamente reproduzidos por alto falantes variando de acordo com suas aplicações, com a criação dos amplificadores lineares, onde eram utilizadas válvulas termiônicas, que foram sustituidas por transistores BJT e MOSFET deram origem a outras técnicas de amplificação que foram divididas em classes A, B, AB, C, D entre outras, cada uma com sua especificação de aplicação. Como a eficiência energética se tornou importante principalmente devido a dispositivos portáteis, os amplificadores classe D são os que mais são pesquisados ultimamente, devido a sua operação na região de corte e saturação que é controlado um PWM (modulação por largura de pulsos) tendo uma eficiência superior a 90%.
6. Materiais e Métodos
6.1 – Metodologia
Foi desenvolvido o esquema elétrico para a construção de um aparelho sonoro, em que uma PCB (placa de circuito impresso) foi montada e os componentes soldados. Utilizamos softwares como EasyEDA para a montagem e esquematização da placa eletrônica.
Após o levantamento dos componentes, será realizado o projeto da placa de circuito impresso. Os ensaios do amplificador após a montagem da placa de circuito impresso serão realizados utilizando gerador de funções, osciloscópio e multímetro. Verificando o funcionamento dos estágios e do amplificador finalizado utilizando alto-falantes de 4 ohms.
6.2 – Escolha de Capacitores
A escolha dos capacitores se deu com o objetivo de atender as demandas e evitar possíveis problemas do protótipo. Os capacitores eletrolíticos de 1000uF e
10uF foram escolhidos com o propósito de manter uma maior estabilidade na alimentação, já os capacitores cerâmicos foram escolhidos com base em sua impedância com relação às faixas de frequência, como mostrado na figura 13, e sua estabilidade em manter suas características em uma ampla faixa de temperatura. Devido a tais circunstâncias requeridas optou-se pelo uso de capacitores cerâmicos multicamadas SMD de tamanho 0805 e de tipo X7R.
Figura 13 – Relação capacitores cerâmicos X7R com múltiplas frequências
6.3 – Lista de componentes
Na figura 14, temos a lista dos componentes utilizados no projeto.
Figura 14 – Lista de componentes
Confecção da PCB
Com a utilização do software EasyEDA nós montamos o circuito que é utilizado para a confecção da placa PCB como demonstrado na figura 14.
Figura 15 – Circuito da PCB
Terminado este circuito demos início a construção da placa, utilizando o mesmo software é possível organizar os componentes de maneira mais adequada. As figuras 15 e 16 demonstram como o PCB foi desenvolvido.
Figura 16 – Desenvolvimento da PCB – Top
Figura 17 – Desenvolvimento da PCB – Bottom
As figuras 17, 18 e 19 demonstram o PCB já com os componentes em formato SMD (Surface Mounted Device) posicionados em seus devidos locais.
Figura 18 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Bottom
Figura 19 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Top
Figura 20 – PCB com circuito integrado (C.I.) – Top
Feitas as simulações de como a placa ficaria, fizemos o pedido para a confecção da placa para a empresa JLCPCB onde recebemos o circuito impresso conforme figura 20.
Figura 21 – Placa sem os componentes
Com isto realizamos a fixação dos componentes em smd na placa com ferro de solda e
estanho, obtendo o resultado que pode ser observado na figura 21.
Figura 22 – Circuito impresso com os componentes
8. Resultados e Discussão
Após desenvolver o circuito no software EasyEDA, o arquivo contendo o lay-out da PCB foi enviado para a empresa JLCPCB para a confecção da placa de circuito impresso. Os ensaios com o amplificador classe D após a montagem da placa impressa, foram realizados utilizando osciloscópio, multímetro, gerador de sinal e fonte de alimentação regulável.
O funcionamento dos estágios e do amplificador após finalizado foi feito utilizando alto-falantes de 4 ohms. Os valores encontrados foram comparados com os valores fornecidos no “datasheet” do CI TPA3116D2. Os resultados encontrados estão dentro das especificações do “datasheet” da Texas Instruments que podem ser encontrados no site da empresa.
Os testes foram realizados no laboratório da Universidade São Judas Tadeu. Para a medição das formas de onda e das grandezas, foram utilizados um multímetro, um osciloscópio, um gerador de sinal e uma fonte de alimentação regulável.
Os sinais mostrados na figura 22 representam os sinais de entrada. Os sinais de saída são mostrados na figura 23, sendo a entrada verificada de 480 mV e o sinal de saída já amplificado de 18,6V de pico a pico sem carga acoplada a ele. Os testes foram realizados a uma frequência fixa de 60Hz para a análise da resposta do amplificador e verificados com o uso de um osciloscópio para que fossem comparados os sinais entre eles.
Figura 23 – Sinal de Entrada
Figura 24 – Sinal de Saída
Ao visualizar o sinal amplificado, antes de passar pelo filtro passa-baixas, acabamos por observar o PWM gerado pelo sistema, o que comprovou o funcionamento esperado do amplificador proposto e construído.
Figura 25 – PWM
A figura 25 demonstra a eficiência energética pela potência de saída que o TPA3116D2 apresenta e dentro de nossas especificações, em que PVcc = 12V, nós temos uma eficiência de 90%.
Figura 26 – Eficiência energética TPA3116D2
(Texas Instruments)
A figura 26 demonstra a máxima distorção harmônica e o ruído pela frequência em que o TPA3116D2 trabalha Foram feitos testes com 60 Hz de frequência os resultados apresentados pelo osciloscópio ficam dentro da especificação da Texas Instruments. Foi obtido um ganho de 32 dB com os alto-falantes de 4 ohms, resultado este já esperado.
Figura 27- Distorção da harmônica TPA3116D2
(Texas Instruments)
9. Considerações Finais/Conclusões
O Trabalho de Conclusão de Curso apresenta o projeto de um amplificador de potência de classe D, tendo como objetivo amplificar um sinal de áudio a uma potência de 15 watts rms por canal sob uma tensão de alimentação de 12-24 Volts com baixo custo de montagem. O projeto é construído com o circuito integrado TPA3116D2, um amplificador de áudio classe D altamente eficiente. Com base nos resultados obtidos, observados nas figuras 23 e 24 e calculados nas equações 3 e 4, comprova-se a validade das especificações apresentadas pelas fontes da Texas Instruments, já que estão dentro da margem de variação prevista pela folha de dados.
O dimensionamento dos capacitores presentes na PCB foram de suma importância, tanto os cerâmicos quanto os eletrolíticos, devido as suas funcionalidades como estabilidade no fornecimento de energia (no caso dos eletrolíticos) e desacoplamento de ruídos (no caso dos cerâmicos 0805 e 1206). A escolha dos capacitores de desacoplamento do tipo X7R foi devido as impedâncias apresentadas a determinadas faixas de frequência e a capacidade de manter suas características em uma ampla faixa de temperatura.
Colocando o protótipo para ser utilizado nas condições de uso projetadas, não em uma frequência fixa, mas para amplificar áudios formados por diversas frequências, foi observado um resultado satisfatório considerando a ausência da necessidade de um dissipador, o que certamente encareceria o projeto, comprovando assim o objetivo proposto.
10. Referências Bibliográficas
Monografia, dissertação e tese
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