DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF A LOW-POWER AUDIO AMPLIFIER INTEGRATED WITH A VU LEVEL METER
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/dt10202511291920
Maurício Araújo Pereira1; David Lucas Rego Ferreira2; Pietro Silva Rodrigues3; Carlos Vinícius Albuquerque Ferreira Valente4; João Victor Praseres Sousa5; Victor Matheus Machado Vieira6; Jonathan Araújo Queiroz7
RESUMO
A reprodução sonora em dispositivos móveis enfrenta frequentemente problemas de baixa potência e ruídos indesejados, o que compromete a fidelidade e a inteligibilidade do áudio. Visando mitigar essas limitações de amplitude e, simultaneamente, fornece uma ferramenta didática interativa para o ensino de eletrônica analógica, este trabalho desenvolveu um amplificador integrado a um medidor de nível visual (VU Meter). A metodologia consistiu na implementação experimental de um circuito em matriz de contatos, empregando o CI LM386 configurado com ganho de 200 para o estágio de potência e o CI LM3915 para o monitoramento logarítmico. Os resultados obtidos demonstraram a capacidade do protótipo em elevar o sinal acima do ruído de fundo, atingindo cerca de 700mW, além de estabelecer uma correlação visual precisa onde o acionamento dos LEDs indica linearmente a tensão de entrada até a saturação em 0,5V. Conclui-se que a integração do feedback visual ao auditivo enriquece a aprendizagem prática, permitindo a identificação intuitiva de conceitos como clipping e ganho sem a dependência exclusiva de osciloscópios.
Palavras-chave: Amplificador de Áudio; VU Meter; Eletrônica Analógica.
ABSTRACT
Audio reproduction on mobile devices often faces problems of low power and unwanted noise, compromising the fidelity and intelligibility of the audio. Aiming to mitigate these limitations and simultaneously provide an interactive didactic tool for teaching analog electronics, this work developed an amplifier integrated with a visual level meter (VU meter). The methodology consisted of the experimental implementation of a circuit on a breadboard, employing the LM386 IC configured with a gain of 200 for the power stage and the LM3915 IC for logarithmic monitoring. The results obtained demonstrated the prototype’s ability to raise the signal above background noise, reaching approximately 700mW, in addition to establishing a precise visual correlation where the activation of the LEDs linearly indicates the input voltage up to saturation at 0.5V. It is concluded that the integration of visual feedback with auditory feedback enriches practical learning, allowing the intuitive identification of concepts such as clipping and gain without exclusive reliance on oscilloscopes.
Keywords: Audio Amplifier. VU Meter. Analog Electronics.
RESUMO
A reprodução sonora em dispositivos móveis enfrenta frequentemente problemas de baixa potência e ruídos indesejados, o que compromete a fidelidade e a inteligibilidade do áudio. Visando mitigar essas limitações de amplitude e, simultaneamente, fornece uma ferramenta didática interativa para o ensino de eletrônica analógica, este trabalho desenvolveu um amplificador integrado a um medidor de nível visual (VU Meter). A metodologia consistiu na implementação experimental de um circuito em matriz de contatos, empregando o CI LM386 configurado com ganho de 200 para o estágio de potência e o CI LM3915 para o monitoramento logarítmico. Os resultados obtidos demonstraram a capacidade do protótipo em elevar o sinal acima do ruído de fundo, atingindo cerca de 700mW, além de estabelecer uma correlação visual precisa onde o acionamento dos LEDs indica linearmente a tensão de entrada até a saturação em 0,5V. Conclui-se que a integração do feedback visual ao auditivo enriquece a aprendizagem prática, permitindo a identificação intuitiva de conceitos como clipping e ganho sem a dependência exclusiva de osciloscópios.
Palavras-chave: Amplificador de Áudio; VU Meter; Eletrônica Analógica.
1. INTRODUÇÃO
A limitação de potência em sinais de áudio provenientes de dispositivos móveis é um problema comum que compromete a reprodução sonora adequada em alto-falantes. A necessidade de amplificar esses sinais para níveis audíveis em ambientes abertos ou para fins didáticos exige soluções que sejam, ao mesmo tempo, eficientes e de baixo custo.
Para atender a essa demanda, amplificadores baseados no Circuito Integrado LM386 são amplamente utilizados em contextos didáticos devido à facilidade de implementação e à capacidade de elevar a amplitude desses sinais fracos, baseando-se em conceitos clássicos de amplificação analógica (BOYLESTAD RL, NASHELSKY L, 2013; MALVINO AP, BATES DJ, 2016; SEDRA AS, SMITH KC, 2019; SILVA MB, 2021).
Paralelamente, sistemas de medição visual de nível, como os que utilizam o CI LM3915, fornecem uma representação logarítmica da intensidade do áudio, permitindo um monitoramento eficiente do comportamento dinâmico do sinal (GOMES LC, et al., 2024).
Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver e analisar um amplificador de áudio de baixa potência integrado a um medidor de nível VU (Volume Unit). O projeto busca oferecer uma solução prática para demonstrar conceitos fundamentais de eletrônica analógica, unindo a etapa de potência à instrumentação visual em um único dispositivo.
A proposta consiste em apresentar um sistema no qual o estágio de amplificação e o monitoramento visual atuem de forma complementar. Isso permite observar, em tempo real, a relação direta entre o ganho aplicado ao sinal sonoro e sua representação luminosa, facilitando a compreensão da relação entrada-saída do circuito.
A montagem e os testes foram realizados em matriz de contatos (protoboard), visando facilitar ajustes e experimentações durante o processo de validação. A integração entre amplificação e medição visual pretende não apenas solucionar a limitação inicial dos sinais de baixa potência, mas também oferecer aos estudantes uma ferramenta de aprendizagem acessível, robusta e eficaz para as bancadas de laboratório.
2. TRABALHOS RELACIONADOS
Diversos autores têm explorado a construção de amplificadores de áudio e instrumentos de medição visual tanto para aplicações industriais quanto para fins didáticos em cursos de engenharia e eletrônica.
2.1 Protótipo Didático de Amplificador com LM386
SILVA MB (2021) desenvolveu um protótipo didático de amplificador de som utilizando o Circuito Integrado (CI) LM386. O trabalho foi direcionado para aulas práticas de laboratório, com o objetivo de facilitar a compreensão de conceitos de ganho e impedância por parte dos estudantes de Engenharia Elétrica. O autor detalha o processo de construção e os possíveis modos de falha do componente, demonstrando a robustez e o baixo custo do LM386 para a criação de bancadas de teste. Contudo, o projeto limitou-se à amplificação sonora, sem a incorporação de um sistema visual de monitoramento de sinal (medidor VU), o que exigiu a utilização de equipamentos externos (osciloscópio) para a visualização da amplitude do sinal.
2.2 Amplificadores de Alta Eficiência
Em contraste com soluções de baixa potência, CAMBRAIA PHM (2017) apresentou um projeto detalhado e a construção de um sistema de potência para áudio utilizando a topologia Classe D. O foco principal do trabalho foi a alta eficiência energética, que minimiza a dissipação de calor, e a busca por alta fidelidade. Embora o trabalho apresente resultados de alta qualidade sonora, a complexidade de montagem, a necessidade de filtros de saída mais sofisticados e o maior custo de componentes tornam o projeto menos adequado para a replicação rápida e didática em protoboard. O estudo reforça a necessidade de soluções mais simples para introduzir conceitos fundamentais de eletrônica, como as abordadas neste trabalho.
2.3 Aplicação Didática Integrando LM386 e LM3915
Um trabalho relevante de GOMES LC, et al. (2024) utilizou a combinação dos CIs LM386 e LM3915 (os mesmos componentes centrais deste artigo), mas com foco em um experimento de Física (Tubo de Kundt). No estudo, o LM386 foi empregado para excitar um alto-falante, e o LM3915 visualizava a intensidade sonora para identificar a formação de ondas estacionárias. Este projeto demonstrou a versatilidade do conjunto de chips, porém, a análise principal estava concentrada no fenômeno físico (acústica e ondas), e não na eletrônica do áudio ou na calibração do medidor VU para monitoramento musical.
2.4 Diferencial deste Trabalho
O presente artigo se distingue dos estudos citados pela integração funcional e didática completa. O objetivo aqui é unir o amplificador de baixa potência (LM386) e o medidor visual logarítmico (LM3915) em um único sistema de baixo custo, otimizado para o ensino de eletrônica analógica. Enquanto outros trabalhos focaram na amplificação isolada ou em aplicações tangenciais, este projeto permite aos estudantes visualizar, em tempo real, a correlação exata entre o ganho do sinal no LM386 e a flutuação do nível exibida pelo LM3915, validando simultaneamente dois estágios cruciais do processamento de áudio.
3. MÉTODOS E MATERIAIS
A metodologia do presente trabalho baseou-se em três etapas principais: a seleção dos componentes eletrônicos de baixo custo com foco didático, o dimensionamento do circuito a partir de folhas de dados oficiais (datasheets) e a montagem física do protótipo em uma matriz de contatos (protoboard) para validação experimental.
3.1 Seleção de Componentes
Para o desenvolvimento do projeto, foram selecionados os seguintes componentes, com base na sua simplicidade de uso, disponibilidade no mercado e adequação para demonstrações didáticas em laboratório:
• Amplificador de Potência: Circuito Integrado LM386. Utilizado por sua capacidade de operar com baixa tensão (4V a 12V) e por exigir um número mínimo de componentes externos para alcançar um ganho de 20 (internamente) ou até 200 (com capacitor externo).
• Indicador de Nível de Áudio (VU Meter): Circuito Integrado LM3915. Optou-se pelo LM3915 (escala logarítmica) para converter o sinal de áudio em uma representação visual por barra de LEDs.
• Elementos de Visualização: 6 LEDs (diferentes cores para indicar a faixa de volume, por exemplo, verde, amarelo e vermelho).
• Saída de Áudio: Alto-falante de 8 Ω.
• Controle: Potenciômetro de 10 kΩ para controle de volume (ajuste de nível na entrada do LM386).
• Alimentação: Bateria de 9V.
• Plataforma de Montagem: Protoboard (matriz de contatos) para permitir ajustes e experimentação rápida sem a necessidade de soldagem.
3.2 Design e Montagem do Circuito
O design do circuito foi desenvolvido para operar em dois estágios paralelos: amplificação e visualização. O sinal de áudio de entrada (proveniente de um celular ou MP3 player) é primeiramente acoplado a um capacitor cerâmico para remover a componente DC e em seguida, direcionado ao potenciômetro, que atua como divisor de tensão para o controle de volume.
3.2.1 Estágio de Amplificação (LM386)
O sinal de entrada (ajustado pelo potenciômetro) é injetado no pino 3 (entrada não-inversora) do CI LM386. O pino 2 (entrada inversora) é conectado ao terra (GND). O ganho padrão de 20x (26dB) foi mantido ao deixar os pinos 1 e 8 desconectados. A saída amplificada é retirada do pino 5 e acoplada ao alto-falante através de um capacitor eletrolítico (geralmente 220µF ou 470µF) para bloquear a componente DC de saída e proteger o alto-falante. Capacitores de decoupling foram adicionados entre a alimentação e o terra (pinos 4 e 6) para reduzir ruídos.
3.2.2 Estágio de Visualização (LM3915)
O medidor VU é acionado pelo mesmo sinal que entra ou sai do LM386 (o ponto ideal é o sinal de saída do pré-amplificador, antes do estágio de potência, para monitorar o nível RMS). O CI LM3915 foi configurado no modo barra (bar mode), conectando-se o pino 9 à tensão de alimentação positiva. Esta configuração permite que todos os LEDs abaixo do nível do sinal permaneçam acesos, facilitando a visualização da intensidade sonora. A tensão de referência interna foi calibrada através de resistores nos pinos 6 e 7 para ajustar a sensibilidade do sistema aos níveis de sinal de áudio esperados. O circuito completo para a montagem em protoboard é detalhado na Figura 1.
Figura 1 – Diagrama Esquemático do Amplificador de Áudio com Medidor VU.
3.3 Testes e Validação do Protótipo
A montagem do circuito foi realizada integralmente em protoboard, o que possibilitou a rápida verificação das conexões e a depuração de eventuais erros de montagem antes da validação final. A validação do projeto envolveu as seguintes etapas:
1. Teste de Alimentação: Verificação da tensão de 9V e da continuidade do circuito em relação ao terra (GND) e VCC.
2. Teste de Amplificação: Aplicação de um sinal de áudio de baixa amplitude na entrada para verificar o ganho e a clareza do som na saída (alto-falante).
3. Teste do Medidor VU: Calibração do resistor de ajuste do LM3915 para garantir que o primeiro LED acenda com sinais de baixo nível e que os LEDs vermelhos acendam apenas quando o som atingir picos de volume que se aproximam da saturação (clipagem) do amplificador.
4. Teste Funcional Integrado: Avaliação do controle de volume e sua correlação simultânea com a indicação luminosa do medidor VU.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos comprovam o funcionamento integrado e interdependente dos dois principais estágios do circuito: amplificação de potência e monitoramento visual. A montagem final do projeto foi realizada em matriz de contatos (protoboard), o que possibilitou a verificação rápida das conexões e a depuração de erros antes da validação final. O protótipo montado e operante pode ser observado na imagem a seguir (Figura 2).
Figura 2 – Protótipo Montado na Protoboard
4.1 Desempenho do Estágio de Amplificação (LM386)
O Circuito Integrado LM386 demonstrou cumprir plenamente sua função primária de elevar a amplitude de sinais de áudio de baixa potência. A configuração com um capacitor posicionado entre os pinos 1 e 8 garantiu o ganho de 200, essencial para maximizar a potência de saída (aproximadamente 700 mW com alimentação de 9V), corroborando as especificações técnicas fornecidas pelo fabricante (TEXAS INSTRUMENTS, 2017). Adicionalmente, o potenciômetro de volume atuou eficazmente como um divisor de tensão na entrada, proporcionando ao usuário um controle linear e preciso da intensidade sonora reproduzida pelo alto-falante.
4.2 Eficácia do Estágio de Monitoramento Visual (LM3915)
O medidor VU, baseado no CI LM3915, operou de forma eficaz como um comparador de tensão multinível, utilizando 6 dos 10 segmentos disponíveis para a visualização. A escolha pela escala logarítmica justificou-se pela sua correspondência direta com a percepção humana de volume em decibéis (dB), conforme especificações do fabricante (TEXAS INSTRUMENTS, 2003). Testes simulados e práticos definiram a relação entre a tensão de entrada e o acionamento dos LEDs, onde o sexto LED foi calibrado para acender em 0,5V, indicando o ponto de pico ou saturação do amplificador. Os dados de resposta do medidor estão detalhados na tabela a seguir (Tabela 1).
Tabela 1 – Resposta do Medidor VU de 6 Segmentos à Tensão de Entrada (Simulado em 9V)
O ajuste do potenciômetro de sensibilidade foi crucial para definir este ponto de pico (6 LEDs), garantindo que a indicação visual coincidisse com o limiar de clipping (distorção) do amplificador. A relação direta e proporcional entre a tensão de entrada RMS e a quantidade de LEDs acesos demonstra a linearidade da resposta visual do sistema, facilitando a leitura por parte do usuário (Gráfico 1).
Gráfico 1 – Relação Tensão de Entrada vs. Nível de Visualização (LM3915 – 6 Segmentos).
4.3 Discussão e Implicações Didáticas
A análise dos resultados obtidos permite situar este projeto como uma evolução didática em relação aos estudos citados na seção de Trabalhos Relacionados, especificamente pela integração de feedback visual que faltava nas abordagens anteriores.
Ao contrastar com o trabalho de SILVA MB (2021), que utilizou o LM386 apenas para amplificação sonora, a principal limitação apontada pelo autor foi a dependência de osciloscópios para que o aluno visualizasse a amplitude do sinal. O presente trabalho supera essa barreira ao incorporar o monitoramento visual direto. A eficácia dessa integração é evidenciada na Tabela 1 e no Gráfico 1, que demonstram a conversão da tensão elétrica (invisível a olho nu) em uma escala luminosa quantificável. Diferente da bancada de Silva, onde a saturação é apenas ouvida, aqui o aluno pode correlacionar o dado da Tabela 1 (0,5V de entrada) com o acendimento do sexto LED, compreendendo o conceito de clipping sem instrumentos externos.
Em relação à complexidade construtiva apresentada por CAMBRAIA PHM (2017), que desenvolveu um amplificador Classe D de alta eficiência, nota-se que a montagem exigia filtros de saída sofisticados e layout de placa crítico. Em contrapartida, a Figura 1 deste artigo ilustra a simplicidade do diagrama esquemático proposto, que utiliza uma topologia linear com contagem reduzida de componentes. A validação prática apresentada na Figura 2 (montagem em protoboard) confirma que, ao contrário da proposta de Cambraia, este projeto permite que estudantes iniciantes montem e testem o circuito em uma única aula, favorecendo a fixação dos conceitos básicos de amplificação descritos por BOYLESTAD RL e NASHELSKY L (2013), em detrimento da complexidade de engenharia de alto desempenho.
Comparando ainda com GOMES LC, et al. (2024), que também uniram o LM386 e o LM3915, observa-se que a aplicação deles se restringiu à visualização de fenômenos físicos (nós de ondas acústicas). O presente trabalho reorienta o uso desses componentes para a análise eletrônica. Enquanto Gomes utilizou a barra de LEDs de forma qualitativa para ver ondas, este projeto calibrou o sistema para uma resposta quantitativa de ganho. Os dados da Tabela 1 comprovam essa distinção, mostrando uma relação de tensão versus visualização (0,05V a 0,5V) que serve especificamente para ensinar escalas logarítmicas e sensibilidade de entrada, algo não explorado na abordagem de física de Gomes.
Portanto, a contribuição inédita deste protótipo para o ensino, quando comparada aos trabalhos correlatos, é a materialização visual simultânea do ganho. A Figura 2 não representa apenas um circuito montado, mas uma estação de trabalho autônoma onde o aluno recebe feedback auditivo (pelo alto-falante) e visual (pelos LEDs do LM3915), preenchendo a lacuna de instrumentação acessível apontada na literatura (MALVINO AP, BATES DJ, 2016).
Do ponto de vista didático, este projeto apresenta três contribuições principais:
1. Simplificação da aprendizagem: A utilização de dois CIs amplamente difundidos, de baixo custo e com circuitos minimalistas permite aos estudantes compreender conexões, tensões e funcionamento de forma descomplicada.
2. Feedback visual imediato: A visualização do nível do sinal facilita a identificação da clipagem, dos limites de operação e do comportamento dinâmico, reduzindo a necessidade inicial de instrumentos como osciloscópio.
3. Integração entre teoria e prática: O aluno observa simultaneamente o efeito do ganho, o comportamento da amplitude do sinal e a resposta em LEDs do medidor logarítmico. Isso reforça a compreensão dos conceitos em tempo real, tornando a aprendizagem mais concreta e envolvente.
Portanto, a integração do amplificador com o VU Meter representa um avanço significativo em relação aos trabalhos analisados, pois combina baixo custo, simplicidade construtiva e alta relevância didática. O protótipo não apenas cumpre sua função técnica, mas também se destaca como um instrumento pedagógico capaz de aprimorar a formação prática de estudantes, oferecendo uma abordagem visual e interativa para o estudo da eletrônica analógica.
5. CONCLUSÃO
A implementação do amplificador de áudio de baixa potência integrado ao medidor VU, baseada nos Circuitos Integrados LM386 e LM3915, revelou-se um projeto funcional e de relevante valor didático. O objetivo central de amplificar sinais de áudio de baixa amplitude foi plenamente atingido, comprovando a eficácia da configuração de ganho máximo adotada para o estágio de potência, permitindo a reprodução sonora satisfatória a partir de fontes móveis.
A integração do sistema de monitoramento visual, mesmo operando com uma escala reduzida de 6 segmentos, ofereceu um feedback logarítmico preciso para a calibração do volume. O dispositivo permitiu a identificação visual clara do ponto de saturação (clipagem) do amplificador, validando a interdependência proposta entre os estágios. Ademais, a validação experimental em matriz de contatos (protoboard) confirmou a viabilidade do circuito para aplicações em bancadas educacionais, onde a flexibilidade de montagem e a facilidade de testes são prioritárias.
Como direcionamento para trabalhos futuros, sugere-se a expansão da interface visual para utilizar a totalidade dos 10 segmentos do driver LM3915, visando maior resolução na leitura da intensidade sonora. Recomenda-se, ainda, a migração da montagem prototipada para uma Placa de Circuito Impresso (PCI), melhoria que mitigaria a incidência de ruídos eletromagnéticos e aumentaria a robustez mecânica do sistema para uso contínuo.
REFERÊNCIAS
BOYLESTAD RL, NASHELSKY L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013.
CAMBRAIA PHM. Projeto e construção de um sistema de potência para áudio utilizando amplificadores classe D. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, 2017.
GOMES LC, OLIVEIRA LL, COELHO GRO. O Tubo de Kundt como ferramenta para o desenvolvimento de uma atividade experimental problematizadora. Revista de Produtos Educacionais e Pesquisas em Ensino (REPPE), 2024; 8(1): 100-117. MALVINO AP, BATES DJ. Eletrônica: Volume 1. 8. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.
SEDRA AS, SMITH KC. Microeletrônica. 7. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2019.
SILVA MB. Protótipo Didático de Amplificador de Som para Utilização em Aulas de Laboratório. Projeto de Graduação (Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória, 2021.
TEXAS INSTRUMENTS. LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier Datasheet. Dallas: Texas Instruments, 2017.
TEXAS INSTRUMENTS. LM3915 Dot/Bar Display Driver Datasheet. Dallas: Texas Instruments, 2003.
1Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: mauricio08122@gmail.com
2Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: ferreiradavid2306@gmail.com
3Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: pietrosilva.sr@gmail.com
4Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: ferreiravalenete@gmail.com
5Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: joaovictorpraseres0@gmail.com
6Graduando em Engenharia de Computação pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail:victormatheusvieira1@gmail.com
7Docente pela Universidade Ceuma. Endereço: Rua Josué Montello, n°1, Renasença II, São Luís- MA, CEP 65.075-120. E-mail: queirozjth@gmail.com