Amplificador de Áudio - Classe B Push-pull 6W

Amplificador Classe B Push-pull

Amplificador é qualquer circuito eletrônico que a partir de um sinal colocado em sua entrada, fornece em sua saída este mesmo sinal ampliado. Neste trabalho, focaremos nossa atenção em amplificador de áudio do tipo B Push-Pull. Este projeto, será composto de quatro partes principais: Fonte de alimentação; equalizadores; pré-amplificador e o amplificador de áudio de potência tipo B push-pull. Todas as etapas do projeto serão explicados com detalhes a seguir, confiram!

Fonte Simétrica de alimentação para o Amplificador

A fonte de alimentação, transformará a entrada senoidal de 127V/60Hz em uma tensão continua. O circuito da fonte é apresentado na figura 1. A fonte deverá ser do tipo simétrica (fornecer +Vcc e -Vcc) para o correto funcionamento das etapas de equalização e amplificação de potência. A alimentação simétrica permite amplificar tanto a parte positiva do sinal de áudio quanto a negativa. 
 

Figura 1-Fonte simétrica com retificação e filtragem.

O transformador é de 9V + 9V com corrente de 1,5A e deverá conter uma derivação central como mostrado na figura 2.

Figura 2 - Transformador 9V + 9V

Neste trabalho consideramos +Vcc=9V e -Vcc=-9V. 

Equalizador de Três Faixas

O equalizador de áudio é um dispositivo que permite alterar a intensidade de certas frequências contidas no sinal. O equalizador modifica sua resposta em frequência por meio de ajustes feitos pelos usuários o que possibilita ajustar e corrigir os efeitos sonoros indesejáveis. 

Figura 3 - Equalizador de três faixas

 
Um equalizador possui faixas de equalização, isto é, controle de intensidade (amplitude) do sinal para as diversas frequências. O equalizador do nosso amplificador possuirá três faixas de equalização (agudo, médio, grave). As três faixas de frequência usadas serão: 20Hz à 880Hz para o grave, de 880Hz a 5Khz para o médio, e  acima de 5Khz para o agudo. O funcionamentos do circuito equalizador é baseado em 3 filtros, um Passa-Baixa, um Passa-Faixa e um Passa-Alta, conforme a figura 3. O circuito de cada filtro será  mais detalhado a seguir. 

Frequência de Corte para os filtros
	Fc1	Fc2
Filtro Passa-Baixa	884.19	-
Filtro Passa – Faixa	884.19	4973.59
Filtro Passa - Alta	-	4973.59

Na figura 4, temos o circuito base dos filtros sallen-key Passa-Baixa e Passa-Alta de segunda ordem respectivamente. A vantagem de utilizar os filtros Sallen-Key's se reflete no projeto (que é bem simples) e de fácil dimensionamento. Nos filtros Sallen-key R1=R2 e C=C1, essa relação facilita o calculo da frequência de corte que é igual a: Fc=1/(2piCR).

Figura 4 - Filtros Sallen-Key, Passa-Baixa (a) Passa-Alta (b)

*Obs: Os filtros sallen-key padrão possuem ganho unitário. O ganho proporcionado pelos resistores R3 e R4 muda um pouco a frequência de corte, assim as formulas citadas oferecem aproximações. Valores exatos podem ser obtidos por técnicas de analise de circuito.

O filtro para as médias frequências é uma Passa-Faixa de primeira ordem como apresentado na figura 5. Esse filtro é constituído por dois filtros, um Passa-Faixa e um Passa-Baixa conectados em cascata. A frequência de corte inferior (primeiro estágio Passa-Alta) é Fci=1/(2piCR) e a frequência de corte superior (segundo estágio Passa-Baixa) é Fcs=1/(2piCR).

Figura 5 - Filtro passa Faixa de 1° ordem

  

Pré-amplificador para o Amplificador

Após o equalizador, teremos o estágio do pré-amplificador. Para este, será usado um amplificador operacional na configuração somador como na figura 6.

Figura 6 - Circuito pré-amplificador somador

A utilização desse circuito é essencial, pois além de proporcionar um ganho de tensão, ele também permite unir os três sinais de áudio equalizados provenientes de cada filtro e somá-los sem que haja grandes perdas por efeito de carga. Os amplificadores operacionais possui uma alta impedância de entrada que minimiza os efeitos de carga de entrada. A equação 1 relaciona o ganho de tensão oferecido pelo circuito.

Eq. 1 - Relação de ganho do pré-amplificador somador

Funcionamento do Amplificador de Áudio Classe B Push-pull

Temos na figura 7a o estágio do amplificador de saída push-pull operando em classe B, construído com transistores TBJ complementares. Cada transistor conduz apenas durante 180° de um sinal senoidal, ou seja, no semiciclo positivo o transistor NPN Q1 fornece uma corrente IL para a carga RL e no semiciclo negativo o transistor PNP Q2 drena uma corrente IL da carga RL. Nessa configuração, a ausência de um sinal na entrada, deixa os dois transistores cortados, pois IC1=IC2=IQ=0. Amplificadores classe B transmite com maior eficiência a potência proveniente da fonte DC -+Vcc para a carga RL. Sua eficiência máxima teórica é de 78,5%.

Figura 7b - Distorção de cruzamento na configura Push-pull

Figura 7a - Amplificador Classe B Push-pull.

Essa configuração push-pull consegue desenvolver um ciclo completo do sinal de entrada na saída. Um ponto negativo desse circuito é a necessidade de uma fonte simétrica para o seu funcionamento, outra desvantagem menos evidente, é a distorção de cruzamento (crossover) que aparece no sinal de saída (figura 7b). Essa distorção acontece devido as características não lineares dos dispositivos próxima a zero volts. Os transistores não conduzem corretamente entre 0V a 0,7V. Para correção da distorção por cruzamento na configuração push-pull podemos utilizar dois diodos para polarizar os transistores (Figura 8) de tal forma que a distorção no cruzamento se sobreponha minimizando seu efeito.

Figura 8 - Amplificador Classe B Push-pull.

As equações necessárias para os cálculos das potências se encontram abaixo. Uma consideração importante para os amplificadores de potência é a potência dissipada nos transistores. A dissipação de calor é elevada e pode danificar os transistores se esse calor não for corretamente irradiado, portanto um bom dissipador de calor deverá ser acoplado aos TBJ's.

(Obs: Se os transistores forem colocados em um mesmo dissipador metálico, eles deverão ser fixados por intermédio de isolantes elétricos e que sejam ao mesmo tempo um bom condutor térmico,  como a Mica ou Thermal Pad).

 

Montagem e Resultados

Na figura 9 temos o amplificador desenvolvido. O diagrama eletrônico pode ser baixado no link abaixo.  

Projeto: Diagrama_Layout

Figura 9 - Amplificador Classe B Push-pull final

O circuito eletrônico final do amplificador se encontra na figura 10.

Figura 10 - Diagrama elétrico completo do amplificador

Os ganhos relacionados aos estágios de equalização e pré-amplificador são dados na tabela a baixo. 

Ganho Devido Aos Filtros [Af]
Passa Baixa		2
Passa Alta		2
Passa Faixa		4
Ganho Devido Ao Circuito Somador [ACS]
R2/Ra		66,66
Ganho Global (Filtros + Circuito Somador), já Corrigido Devido Ao Rb
Af*ACS		133,33

No estágio final (amplificador de potência) teremos um ganho de tensão unitário e um alto ganho de corrente. Se a amplitude do sinal na entrada do amplificador for de 9V teremos a máxima potência entregue para a carga (Alto falantes de 8 ohms). Na tabela abaixo temos os cálculos de potência para esse amplificador em questão.

Tabela - Memória de Cálculos
	Calculados	Medidos
Potência de Entrada.	6,44W	6,07W
Potência de Saída.	5,06W	4,25W
Eficiência.	78,56%	70,00%
Potência máxima dissipada nos transistores.	2,05W	--

A seguir na figura 11 e 12 temos uma sugestão de layout para o circuito impresso desse amplificador. O leitor pode baixar no link acima os PDF's do projeto para a confecção da placa eletrônica. 

A entrada de áudio para o amplificador é da forma apresentada na figura 3 a ligação do potenciômetros é da forma "controle de tensão" que pode ser entendida no pote: Como funciona o potenciômetro.

Figura 11 - Layout completo

Figura 12 - Layout somente componentes

Lista de componentes

Resistores
R1,R2	2,2k Ω   1/4W
R4,R3,R8,R11,R14,R21	10K Ω   1/4W
R5,R6,R9,R10,R12,R13,R15,R16	47k Ω    1/4W
R18,R20	2,7K Ω  1/4W
R17,R19	1,8K Ω  1/4W
R7	120K Ω 1/4W
4 Potenciômetros	100K Ω
Capacitores
C1,C2,C3	15nF                 - Capacitor cerâmico ou poliéster
C4, C5, C6	3,3nF                - Capacitor cerâmico ou poliéster
C7, C8	47uF / 25V       - Capacitor eletrolítico
C9	1000uF / 25V   - Capacitor eletrolítico
C10,C11	4700uF / 25V   - Capacitor eletrolítico
C12,C13	100nF               - Capacitor cerâmico ou poliéster
Semicondutores
D1,D2,D3,D4	1N5060
D5,D6	1N4148
Q1	TIP41
Q2	TIP42
CI 1	LM324
CI 2	LM741
LED 5mm
Diversos
1 Transformador 9V + 9V corrente 1,5 A
Fios para Jamps
1 Conector de três vias
1 Plug P2 (plug de fone de ouvido)
1 Dissipador de calor (Encontrado em fontes de PC)
1 Alto falante de 8 Ω
2 Parafuso com buchas isolantes
2 Thermal Pad (para os transistores)

Funcionamento do amplificador:

Agradecimento aos Colaboradores.

Agradeço ao meu amigo Naraiel Ferrai pelo trabalho em grupo na disciplina de eletrônica 2 na universidade federal de viçosa.