•Projecto
Amplificador de potência
para áudio Q-Watt
Muita potência com baixa distorção
Boas notícias para todos os entusiastas do áudio: orgulhamo-nos de apresentar
mais outro circuito totalmente analógico, desenvolvido totalmente de raiz.
Apesar do projecto simples deste amplificador de áudio de potência, com apenas
um par de transístores no andar de saída, o Q-Watt consegue fornecer mais de
200 W sobre 4 Ω, com qualidade e com uma distorção excepcionalmente reduzida,
devido à utilização de um circuito integrado controlador de áudio especial.
Ton Giesberts
(Elektor)
A Elektor já tem um grande historial de amplificadores de áudio de potência. Alguns exemplos
das nossas “relíquias douradas” são os amplificadores Edwin, Elkin e Crescendo, dos anos 70,
que muitos entusiastas do áudio construíram.
Nos anos mais recentes as coisas têm sido mais
calmas nesta área, o que não indica falta de interesse. É exactamente o oposto – muitas pessoas
estão a redescobrir o prazer de soldar circuitos
e montar amplificadores de excelência com uma
qualidade de som excepcional.
Como é quase impossível inventar algo original no universo dos amplificadores de áudio de
potência construídos com componentes discretos
(excepto ligar em paralelo algumas dúzias de
ampops NE5532…), foi decidido ir pelo caminho
Medições de Desempenho do Q-Watt
(Medições efectuadas com uma fonte de alimentação que consiste num transformador
de potência de 500 VA com dois secundários de 40 V (tipo 0500P1-2-040 da Nuvotem)
e quatro condensadores externos de 10000 µF/100 V)
• Sensibilidade de entrada:
• Impedância de entrada:
• Potência de saída contínua:
• Potência musical de pico:
(Tensão de alimentação DC ±56,8 V)
• Largura de banda de potência:
• Taxa de subida:
• Tempo de subida:
• Relação sinal/ruído:
(referência 1 W/8 Ω)
• Distorção harmonica + ruído:
(B = 80 kHz)
12 | Setembro 2013 | www.elektor-magazine.pt
0,88 V (137 W / 8 Ω, THD+N = 0,1%)
0,91 V (145 W / 8 Ω, THD+N = 1%)
15 kΩ
137 W sobre 8 Ω (THD+N = 0,1%)
145 W sobre 8 Ω (THD+N = 1%)
220 W sobre 4 Ω (THD+N = 0,1%)
233 W sobre 4 Ω (THD+N = 1%)
218 W sobre 8 Ω (THD+N = 10%)
175 W (8 Ω, THD + N = 1%)
165 W (8 Ω, THD + N = 0,1%)
395 W (4 Ω, THD + N = 10%)
316 W (4 Ω, THD + N = 1%)
299 W (4 Ω, THD + N = 0,1%)
2,1 Hz a 125 kHz (50 W / 8 Ω)
26,7 V/µs
2,4 µs
> 94 dB (linear, B = 22 Hz a 22 kHz)
> 97 dBA
0,0033% (1 kHz, 1 W / 8 Ω)
0,0006% (1 kHz, 50 W / 8 Ω)
Amplificador de Áudio de Potência Q-Watt
• Distorção de intermodulação:
(50 Hz : 7 kHz = 4 : 1)
• Distorção de IM dinâmica:
((Onda rectangular de 3,15 kHz) +
Onda sinusoidal de 15 kHz:)
• Factor de amortecimento:
0,006% (20 kHz, 50 W / 8 Ω)
0,0047% (1 kHz, 1 W / 4 Ω)
0,0009% (1 kHz, 100 W / 4 Ω)
0,009% (20 kHz, 100 W / 4 Ω)
0,002% (1 W / 8 Ω)
0,0009% (50 W / 8 Ω)
0,003% (1 W / 4 Ω)
0,0026% (100 W / 4 Ω)
0,0033% (1 W / 8 Ω)
0,0022% (50 W / 8 Ω)
0,0045% (1 W / 4 Ω)
0,0027% (100 W / 4 Ω)
560 (1 kHz / 8 Ω)
311 (20 kHz / 8 Ω)
• Eficiência:
(alimentação DC)
• Protecção DC:
• Tensão DC de desvio de saída:
• Atraso de arranque:
70,6% (8 Ω, THD+N = 0,1%)
72,5% (8 Ω, THD+N = 1%)
68,5% (4 Ω, THD+N = 0,1%)
70,5% (4 Ω, THD+N = 1%)
+0,55 V / -0,86 V
0,2 mV (máximo 0,6 mV)
6s
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•Projecto
Origem
semi-discreto. Isto tem como vantagem a facilidade de construção, e tem como resultado um
projecto muito compacto. Escolhendo cuidadosamente os componentes, com esta abordagem
é possível criar um amplificador de potência com
especificações e qualidade de som excepcionais.
Tudo começou com o Filtro de Medição para
Amplificadores classe D que foi publicado na
edição de Julho/Agosto de 2012 [1]. Este filtro
foi desenvolvido no laboratório da Elektor para
que fosse possível medir as tensões de saída
R4
15k
4700u
100V
C3
1k2
13
0R2
R7
4u7
R11
100n
100R
10
C7
+15V
+15V
8
7
4
-15V
+V
2x
1N4004
R21
R23
IC3
5
C14
RE1=RT314048
T9
T10
1k2
4
2
T8
1u 250V R20
4N25
R22
R24
C15
220u
16V
T6 ... T10 =
C16
10u 100V
5 x 2N5550
RE1A
D5
R26
T7
T6
6
27k
R19
R29
R30
1N4148
1
D6
R25
1k
D3
40V
14 | Setembro 2013 | www.elektor-magazine.pt
OPA177
33n
D4
Figura 1.
Esquemático do
amplificador de áudio de
potência Q-Watt da Elektor.
Apesar da simplicidade do
projecto, as especificações
deste amplificador são
verdadeiramente excelentes.
R14
220k
3
C11
10u
100V
2
6
15k
0
IC2
R27
1k2
K7
-V
820k
-V
40V
R15
10M
470k
56V
10u
100V
C13
R18 15V 0W5
15k
1
2
MJE15033
1
15V 0W5
D2
K6
MG9410-R
15k
1
2
R16
C12
1M
K5
1
2
2u2
D1
LS+
LS1
47n
C10
R17
15k
10M
56V
1
2
15k
K4
4700u
100V
K2
C5
T5
T3
C9
100n
+V
R9
LME49811
1
2
R13
820k
1n
8k2
390R
15k
C2
R5
3
470R
R3
RE1B
L1
BD
139 C4
P1
2
R2
R12
3R9
3R9
4
R10
0R2
R1
390R
T1
68k
1
14
T4
R8
220R
6
15
2
5
C1
T2
R6
5-57p
MG6330-R
100R
100n
K1
MJE15032
C8
C6
IC1
+V
R28
110656 - 11
K3
LS-
Amplificador de Áudio de Potência Q-Watt
de amplificadores de classe D até 70 Vrms. Contudo, este filtro nunca foi testado com estas tensões devido à falta de amplificadores de potência
adequados. Quando há um problema, podemos
confiar sempre nos projectistas da Elektor para
encontrar uma solução, pelo que eles começaram a projectar um amplificador de alta tensão
com 23 transístores de alta tensão (MJE340,
MJE350, MPSA42 e MPSA92), que se pretendia
que funcionasse com uma alimentação simétrica
de ±110 V. O projecto revelou-se extremamente
complicado, e as coisas descontrolaram-se um
pouco. Embora tivesse sido construída uma placa
de circuito impresso para um protótipo inicial,
perguntou-se se valia a pena despender tanto
esforço apenas para testar um filtro.
As especificações do projecto para o amplificador eram verdadeiramente impressionantes. Este
tinha de fornecer um sinal de saída de 70 Vrms
até 20 kHz, com uma distorção extremamente
reduzida. A impedância mínima do filtro de medição é de 1 kΩ, o que resulta numa especificação
de 100 mA (de preferência até mais) para a corrente de pico de saída.
De acordo com isto decidiu-se utilizar uma alternativa mais simples, tal como um circuito integrado que conseguisse fornecer uma tensão de
saída dessa magnitude e com uma potência suficiente. A pesquisa revelou o LME49811 da Texas
Instruments. O título da folha de características,
“Série de Amplificadores de Áudio de Potência
– Andar de Saída de um Amplificador de Potência de Alta-fidelidade, de 200 V, com Desligamento”, pareceu promissor. As especificações
eram excelentes, mas não era claro se as figuras
de desempenho medidas foram obtidas com ou
sem o andar de potência externo. No entanto,
pareceu valer a pena desenvolver um amplificador baseado neste circuito integrado.
Escolher os transístores correctos
O passo seguinte foi seleccionar os transístores
de potência (T4 e T5) para o amplificador de
potência. Uma das características principais dos
transístores de potência utilizados em amplificadores de áudio é a grande área de funcionamento seguro (SOA). Existem uns dispositivos
muito interessantes na Semelab: o MG6330-R
(NPN) e o seu complementar MG9410-R. Estes
dispositivos conseguem suportar uma corrente
de colector de mais de 600 mA, com uma tensão colector-emissor de 200 V. Esta condição
ocorre quando o amplificador, sem carga, fornece
a máxima amplitude na saída. Isto permite configurar o amplificador para um funcionamento em
classe AB com uma região em classe A relativamente grande. O ganho DC destes transístores
de potência é relativamente linear até alguns A
(ligeiramente menos com a versão PNP), o que
se traduz num bom ponto de partida para um
andar de saída linear. Aplicam-se especificações
semelhantes aos transístores de controlo (T2 e
T3). Foram seleccionados os MJE15032 (NPN) e
MJE15033 (PNP), que são adequados para tensões
até 250 V, sendo a característica de ganho DC
relativamente linear. Os transístores de controlo
e de potência têm frequências de transição relativamente elevadas: 30 MHz para os dispositivos
MJE, 60 MHz para o MG6330-R e 35 MHz para o
MG9410-R. Um simples BD139 encarrega-se da
corrente do ponto de funcionamento em repouso.
Versão de áudio
Quando um dos editores estrangeiros viu o projecto, questionou-se se este podia ser adaptado
para ser utilizado como um amplificador “normal”.
Isto iria atrair uma maior audiência do que um
amplificador de medida para tensões de saída elevadas. A resposta foi que era possível, e não eram
necessárias muitas alterações ao projecto inicial.
Tinham de ser ajustados os valores de alguns componentes, e a tensão de alimentação teria de ser
reduzida. O resultado final é o diagrama esquemático apresentado na Figura 1. Com uma tensão de
alimentação mais baixa (±56 V, fornecidos por um
transformador com dois enrolamentos secundários
de 40 V AC), o amplificador de potência consegue
fornecer bastante potência com apenas um par de
transístores de saída complementares – mais de
300 W de potência musical sobre 4 Ω.
Em conjunto com o LME49811 (IC1), o amplificador de potência consiste em quatro transístores
(T2-T5), uma malha de controlo da corrente no
ponto de funcionamento em repouso com um
transístor (T1), e outros componentes discretos.
A malha de realimentação negativa R4/R3 foi
dimensionada para fornecer uma sensibilidade
de entrada de aproximadamente 1 Vrms para uma
amplitude máxima de saída de ±55 V, com uma
tensão de alimentação de ±60 V. Esta tensão de
entrada pode facilmente ser fornecida por qualquer pré-amplificador moderno. Os valores das
resistências foram escolhidos para assegurar que
a dissipação de potência de R4 permaneça imediatamente abaixo 0,25 W à máxima potência de
saída. Os valores das resistências R1 e R2 são
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•Projecto
iguais aos das resistências R3 e R4, para manter o melhor factor de rejeição em modo comum
possível na entrada do LME49811. A impedância
de entrada resultante é de aproximadamente
15 kΩ. A largura de banda do sinal de entrada
está limitada na frequência de corte inferior pelo
condensador C1 (com uma frequência teórica de
2,2 Hz) e na frequência de corte superior por C2.
Para além de eliminar qualquer ruído de HF que
esteja presente, isto limita a taxa de subida para
prevenir que o amplificador tenha problemas com
sinais de entrada demasiado abruptos. É apenas
necessário um condensador (C3) para a compensação de frequência do circuito integrado. Para
facilitar as experiências dos utilizadores, foi utilizado um condensador variável com dieléctrico
de PTFE (Teflon) para este propósito (o Teflon é
uma excelente escolha para circuitos de áudio).
A placa de circuito impresso também é adequada
para condensadores de mica prateada com um
passo de 5,9 mm. Durante os testes, os melhores
resultados de medição foram obtidos regulando
o condensador para um terço do valor máximo
(aproximadamente 18 pF).
A malha de realimentação construída em torno de
IC2 estabiliza a tensão de saída DC do amplificador. Esta compara a tensão de saída com o valor
de referência (terra) e corrige-a injectando uma
corrente muita baixa na entrada não inversora
do LME49811 (pino 4). A entrada não inversora
é utilizada para esta correcção, porque a impedância neste ponto é mais elevada do que a da
entrada inversora, que é largamente dependente
do valor de R3 (apenas 390 Ω). O tempo de resposta é de algumas centenas de ms. Foi escolhido um OPA177 para o amplificador de controlo
devido às suas especificações DC (corrente de
polarização máxima de 1,8 nA, tensão de desvio
máxima de 0,6 µV). A tensão de desvio teórica
máxima resultante na saída do amplificador de
potência é de 0,6 mV, que é desprezável para
os altifalantes utilizados. A tensão de desvio de
saída do protótipo foi de apenas 0,2 mV.
O ampop pertencente ao circuito de correcção
DC tem as suas próprias tensões de alimentação
de ±15 V, produzidas a partir dos barramentos
de alimentação principais com a ajuda de alguns
díodos Zener e resistências (R17, R18, D1 e D2).
Os valores de R17 e de R18 têm de ser ajustados
se for utilizada uma fonte de alimentação com
valores mais baixos. Nesta ligação tem de se ter
em conta a corrente adicional de 1,5 mA retirada
do barramento de +15 V pelo pino 2 de IC1.
É incluída uma rede de Zobel (R13-C5) na saída
do amplificador. Esta assegura a estabilidade
do amplificador com cargas indutivas, ou sem
carga. A bobina L1 fornece uma protecção adicional contra cargas capacitivas, e a resistência R12 atenua quaisquer oscilações ou tensões
excessivas. Na placa de circuito impresso, R12 é
montada no interior de L1 para poupar espaço.
A placa de circuito impresso também está equipada com dois grandes condensadores (4700 µF
cada) com a função de reservatório, tendo estes
Linhas de alimentação
Nos amplificadores de potência ocorrem picos de corrente de amplitude muito elevada. Para filtrar a tensão de alimentação, são
montados dois condensadores com uma baixa ESR junto aos transístores de saída, na placa de circuito impresso, para além dos
condensadores externos da fonte de alimentação.
Num amplificador de áudio é essencial que as linhas de alimentação para e na placa de circuito impresso não causem interferências
electromagnéticas, que podem aumentar a distorção ao induzir correntes na malha de realimentação negativa, e em outras
partes do amplificador. Uma forma de suprimir este efeito indesejável é colocar as linhas de alimentação o mais juntas possível e
desacoplá-las o mais perto possível do andar de saída. Devido à configuração em classe AB deste amplificador, só há circulação
de correntes unidireccionais nas linhas de alimentação da placa de circuito impresso. Juntar o mais possível as pistas das linhas
de alimentação positiva e negativa, faz com que o campo magnético resultante seja quase sinusoidal, causando menos distorção.
Com uma placa de dupla face, estas duas pistas podem ser colocadas em lados opostos, alinhadas exactamente uma com a outra.
Estas considerações de projecto são muito importantes para amplificadores de potência com figuras de distorção muito reduzidas.
Fazer a ligação de massa em apenas um ponto também é muito importante para este aspecto. Aqui o ponto de massa está
localizado perto de C5. As linhas de massa da entrada, da realimentação negativa, da rede de Zobel, da saída para o altifalante,
e da fonte de alimentação juntam-se todas neste ponto.
A placa de circuito impresso foi especialmente desenhada para ser utilizada como um amplificador mono. Para um amplificador
estéreo pode simplesmente construir dois destes módulos e montá-los numa caixa juntamente com a fonte de alimentação.
Preferencialmente deve utilizar duas fontes de alimentação separadas (uma para cada canal).
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Amplificador de Áudio de Potência Q-Watt
uma baixa resistência série equivalente (ESR).
Este circuito também necessita de uma fonte
de alimentação externa, de um rectificador em
ponte, e quatro condensadores para a fonte de
alimentação com 10000 µF/100 V, cada.
Foi escolhido um transformador com dois enrolamentos secundários de 40 V. Para o protótipo
construído no laboratório da Elektor foi utilizado
um transformador de 500 W de baixo custo,
tendo como resultado a grande diminuição da
tensão de saída com cargas elevadas. É possível obter uma maior potência na saída do que
referido nas especificações se for utilizado um
transformador com uma melhor estabilidade de
tensão.
Protecção
É esperado que o amplificador funcione sempre
correctamente, mas qualquer circuito electrónico
pode falhar (especialmente os amplificadores de
áudio, como a nossa experiência nos diz). Quando
a saída está à potência máxima, a temperatura
dos transístores de saída pode subir abruptamente (acima de 70 ºC), o que pode reduzir
dramaticamente o tempo de vida destes dispositivos semicondutores. A nossa experiência diz-nos que quando um transístor falha, fá-lo com
um curto-circuito. Neste caso, se um fusível não
actuar algures, vai aparecer uma grande tensão
DC na saída do amplificador, o que não é a forma
mais correcta de tratar os nossos preciosos altifalantes. Por esta razão, a protecção DC é actu-
almente indispensável em qualquer amplificador
de áudio de potência.
Depois de ser ligado, o amplificador necessita de
alguns segundos para que a tensão DC presente
na saída estabilize. Como habitualmente, o altifalante é ligado à saída através de um relé. Este relé
pode ser ligado quando estiver presente a tensão
de alimentação do amplificador, e quando não
existir uma tensão DC na saída do amplificador.
Neste projecto, é apenas monitorizada a tensão
de alimentação positiva, utilizando-a para alimentar o circuito de protecção construído em torno
dos transístores T6-T10. Se não estiver presente
nenhuma tensão de alimentação, é simplesmente
impossível ligar o relé. A protecção DC é fornecida
por um par de transístores e por um filtro passa-baixo (R23/C15) com uma constante de tempo
de 3,3 s. Pode parecer muito tempo, mas o tempo
necessário para que T7 e T8 comecem a conduzir
e descarreguem C16 diminui com a diminuição da
tensão DC presente na saída. Se estiver presente
um desvio de tensão DC positivo maior do que
0,55 V na saída, T8 vai conduzir e faz desligar o
relé através dos transístores T9/T10. O transístor T7 responde de forma semelhante se o desvio
de tensão DC for negativo e menor que -0,85 V.
Mais, ambas as tensões dos secundários do transformador são monitorizadas para que o relé possa
ser desligado imediatamente quando o transformador de potência for desligado, ou quando
um fusível actua. Para evitar anéis de massa, as
tensões dos secundários do transformador são
Arrefecimento
Deve ser fornecido um arrefecimento adequado aos transístores de controlo, aos transístores de saída e a IC1. Para IC1 isto
consiste numa chapa de alumínio de 2 mm de espessura, com 2,5x8 mm, que é montada em IC1 com um par de parafusos e
porcas. Este dissipador de calor é suficiente para que o circuito integrado suporte aproximadamente 2 W, com uma tensão de
alimentação de aproximadamente ±56 V.
Escolher o dissipador de calor para os transístores de saída envolve um compromisso entre as dimensões do dissipador e a
potência de saída média estimada do amplificador. Vai ser necessário um dissipador de grandes dimensões ou arrefecimento
forçado para suportar uma potência de saída máxima em contínuo, mas isto raramente ocorre na prática. Foi então decidido
utilizar um dissipador de calor que é suficientemente grande para suportar uma potência de saída máxima durante pouco
tempo (alguns minutos). Foi encontrado um dissipador adequado na Fischer Elektronik, na Alemanha. Não é pequeno, mas
não há como contornar uma baixa resistência térmica se quiser evitar sobreaquecimentos com uma potência de saída elevada.
O dissipador seleccionado tem 10 cm de altura e uma resistência térmica de 0,7 ºK/W. Para ter uma ideia: com uma fonte de
alimentação regulada de ±56,8 V, o amplificador consegue fornecer quase 300 W a uma carga de 4 Ω, com 0,1% de distorção.
Com uma eficiência de 68,5% dissipa cerca de 137 W. Com um sinal sinusoidal contínuo, à potência de saída máxima, a
temperatura sobe mais de 90 ºC acima da temperatura ambiente. As resistências de emissor R10 e R11 (de 5 W) estão mesmo
no limite neste ponto. Contudo, como foi mencionado, isto nunca acontece numa utilização normal com sinais de música. Já
agora, não há virtualmente nenhum fabricante de amplificadores de áudio que dimensione os seus dissipadores de calor para
uma potência máxima contínua.
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•Projecto
LISTA DE COMPONENTES
Resistências
(5%, 0,25W, a não ser que seja indicado o contrário)
R1,R3 = 390 Ω
R2,R4,R17,R18,R22,R23,R30 = 15 kΩ
R5 = 8,2 kΩ
R6,R20,R28 = 1,2 kΩ
R7 = 220 Ω
R8,R9 = 100 Ω
R10,R11 = 0,2 Ω/5 W, 1%, baixa indutância
(LVR05R2000FE73 da Vishay Dale)
R12,R13 = 3,9 Ω/5 W, 5%
R14 = 220 kΩ
R15,R16 = 10 MΩ
R19 = 27 kΩ
R21 = 470 kΩ
R24 = 1 MΩ
R25,R26 = 820 kΩ
R27 = 68 kΩ
R29 = 1 kΩ
P1 = potenciómetro 470 Ω, horizontal
Condensadores
Semicondutores
D1,D2 = díodo zener 15 V/0,5 W
D3,D4 = 1N4004
D5 = 1N4148
D6 = LED vermelho, 3mm
T1 = BD139
T2 = MJE15032
T3 = MJE15033
T4 = MG6330-R
T5 = MG9410-R
T6–T10 = 2N5550
IC1 = LME49811TB/NOPB
IC2 = OPA177GPG4
IC3 = 4N25
Diversos
K1 = barra de terminais 2 vias
K2–K6 = conector do tipo Faston (lâmina), PCI,
passo 5,08 mm
K7 = bloco de terminais de aperto de 3 vias para PCI,
passo 5 mm
RE1 = relé, PCI, SPCO, 16 A, bobina de 4 8V, 5,52 kΩ
(tipo RT314048 da TE Connectivity/Schrack)
Isolador TO-220 para T1, T2, T3, película Kapton MT,
0,15 mm, 6 kV
Isolador TO-3P para T4,T5, película Kapton MT,
0,15 mm, 6 kV
Isolador TO-220 3-mm para T2,T3
Dissipador de calor, 0,7 K/W (por exemplo SK 47/100
SA da Fischer)
Dissipador para IC1, 25x80 mm, alumínio
com 2 mm de espessura
Placa de circuito impresso # 110656-1, ver
www.elektor.com.pt/110656
C1 = 4,7 μF/63 V, MKT (metal/polyester), passo 5mm
ou 7,5mm
C2 = 1 nF/400 V, MKT (metal/polyester), passo 5mm
ou 7,5mm
C3 = condensador variável 5-57 pF/250 V, horizontal
(BFC280908003 da Vishay BCcomponents)
C4,C6,C7 = 100 nF/100 V, passo 5 mm ou 7,5 mm
C5 = 47 nF/400 V, passo 5 mm ou 7,5 mm
C8,C9 = 4700 µF/100 V, passo 10 mm, snap-in, 30
mm diâmetro (ECOS2AP472DA da Panasonic)
C10 = 2,2 µFC/63 V, passo 5 mm ou 7,5 mm
C11 = 33 nF/63 V, passo 5 mm ou 7,5 mm
Fonte de Alimentação (para um amplificador)
C12,C13,C16 = 10 µF/100 V, passo 2,5 mm, 6,3 mm
Transformador de potência: secundário 2x40 V, 500
diâmetro
VA (por exemplo 0500P1-2-040 para 230 VAC da
C14 = 1 µF/250 V, passo 2, 5mm, 6,3 mm diâmetro
Nuvotem)
C15 = 22 0µF/16 V bipolar, passo 5 mm, 10 mm diâmetro
Ponte rectificadora: 200 V/35 A (por exemplo
Bobinas
GBPC3502) (Fairchild)
L1 = 450 nH: 13 espiras fio de cobre envernizado
Quatro condensadores electrolíticos de 10000 μF/100 V
14AWG (1,5 mm), diâmetro interior 7 mm
(2 em paralelo com cada barramento de alimentação)
Figura 2.
A placa de circuito impresso
contém todo o amplificador
de potência, incluindo
os condensadores
de reservatório
e circuitos de protecção.
18 | Setembro 2013 | www.elektor-magazine.pt
Amplificador de Áudio de Potência Q-Watt
monitorizadas utilizando o optoacoplador IC3,
que injecta o seu sinal de saída em T6, no circuito de protecção. Os díodos D3 e D4, em combinação com o condensador C14, actuam como
um rectificador de onda completa para o LED
presente no optoacoplador. O divisor de tensão
R4/R3 foi dimensionado para que o LED se apague imediatamente se qualquer das tensões do
transformador cair.
O condensador C16, em conjunto com as resistências R25 e R26, determina o atraso temporal
para ligar o relé depois de a tensão de alimentação ser ligada (aproximadamente 6 s). O relé
aqui utilizado tem uma bobina de 48 V. É ligada
ao barramento de alimentação de 56 V através
de uma resistência de 1 kΩ em série (R29). Se
tiver dificuldades em encontrar um relé de 48 V,
pode utilizar um relé de 24 V. Nesse caso, R29
tem de ser de 2,2 kΩ/1 W.
O circuito de protecção foi dimensionado para
uma fonte de alimentação de ±56 V. Se utilizar
uma fonte de alimentação de menor valor, têm de
ser alterados os valores de algumas resistências.
Isto também se aplica às resistências na malha
de realimentação negativa, se pretender manter
uma sensibilidade de entrada de cerca de 1 V.
Tenha em conta que o ganho do LME49811 tem
de ser de 20 (26 dB), pelo menos.
Construção
A Figura 2 apresenta a placa de circuito impresso
desenhada para este amplificador. Como prometido no título deste artigo, tudo foi mantido
bastante compacto.
Construir este amplificador não é difícil, mas existem alguns pontos que requerem mais atenção.
A maior parte dos componentes podem ser soldados directamente na placa, com a excepção
de T1-T5, IC1 e os condensadores de fonte de
alimentação C8 e C9. São soldados conectores
em lâmina (6,3x0,8 mm do tipo Faston) à placa
de circuito impresso para ligar a tensão de alimentação e o altifalante.
A bobina L1 consiste em 13 espiras de fio de
cobre envernizado 14AWG (aproximadamente 1,5
mm), enroladas em torno de uma broca de 7 mm.
Deixe os terminais suficientemente compridos
para permitir montar a bobina a uma pequena
distância da placa. Os terminais da bobina devem
ser dobrados para apontar para fora directamente
do meio da bobina. Coloque a resistência R12 no
interior da bobina L1 e dobre os seus terminais
para que estes se alinhem com as correspon-
dentes ilhas da placa de
circuito impresso. Monte
estes dois componentes
na placa ao mesmo tempo
e, quando os soldar, assegure-se que a bobina fica
um pouco levantada em
relação à placa, e que
a resistência fica localizada no centro da bobina
(Figura 3).
Antes de avançar mais,
necessita de saber que
tipo de caixa vai utilizar
para que possa determinar
como fixar nesta o dissipador de calor e a placa de
circuito impresso. A solução mais conveniente
é utilizar dois pedaços de alumínio em C para
fixar a placa de circuito impresso. Desta forma
ainda consegue manipular a placa de circuito
impresso depois de montar os transístores no
dissipador de calor.
A placa de circuito impresso tem de ser montada
no dissipador de calor para que os terminais dos
transístores estejam o mais perto possível das correspondentes ilhas na placa. Utilizando um alicate
de pontas, dobre os terminais dos transístores
T1-T5 em forma de S para que enfiem nas ilhas
da placa sem stress mecânico. Faça a primeira
dobra o mais perto possível do encapsulamento.
Nunca dobre os terminais directamente; coloque
sempre uma pequena chapa metálica contra os
pinos, perto do encapsulamento, para prevenir a
formação de micro-fissuras no encapsulamento.
Faça a segunda dobra ao nível das ilhas da placa.
A Figura 4 apresenta o
resultado final desejado.
Os isoladores podem ser
colocados temporariamente entre os transístores e o dissipador de calor
para determinar a posição
exacta da segunda dobra.
Isto não é crítico a não ser
que utilize isoladores cerâmicos. Fixe bem os transístores ao dissipador de
calor (com os isoladores no
lugar) antes de soldar os
terminais destes à placa.
A seguir vem IC1. Comece
por fixar uma chapa dis-
Figura 3.
Detalhe da bobina de saída
L1 com a resistência de
potência R12 montada
coaxialmente.
Figura 4.
Os terminais de todos os
transístores montados no
dissipador de calor sofrem
duas dobragens para que
caibam precisamente nas
ilhas correspondentes da
placa de circuito impresso
sem stress mecânico.
www.elektor-magazine.pt | Setembro 2013 | 19
•Projecto
Figura 5.
O dissipador de calor
a montar em IC1 cabe
mesmo à conta na placa
de circuito impresso.
sipadora de calor, que consiste numa chapa de
alumínio com 2,5x8 mm, ao circuito integrado
com um par de parafusos e porcas. Monte o
dissipador de calor para que esteja um pouco
acima da placa quando o circuito integrado for
montado, para evitar que faça contacto com R1,
R4 e R5. Cuidado: a superfície metálica traseira
deste componente está ligada à tensão de alimentação negativa. Isto significa que se não utilizar um isolador, o dissipador de calor vai estar
ao potencial negativo da fonte de alimentação.
Por segurança, recomenda-se a utilização de um
isolador neste caso. Depois solde o circuito integrado à placa de circuito impresso com espaço
suficiente para que o dissipador não toque em
nada na placa (Figura 5). Afaste ligeiramente
L1 do dissipador.
A última tarefa é montar os dois grandes condensadores C8 e C9. Assim não atrapalham as
operações anteriores.
Ajustar o Q-Watt
Antes de ligar o seu amplificador Q-Watt directamente à fonte de alimentação, tem de ajustar a
corrente de funcionamento em repouso do andar
de saída. Para isto, em primeiro lugar, ligue duas
resistências de potência de 47 Ω/5 W, em série
com os terminais positivo e negativo da fonte
de alimentação. Isto previne que o circuito seja
danificado se algo correr mal, como por exemplo
um curto-circuito algures. O pior que pode acontecer é as resistências de potência se queimarem.
Outra opção é utilizar uma fonte de alimentação
regulada com limite de corrente, mas nem todos
20 | Setembro 2013 | www.elektor-magazine.pt
têm uma fonte de alimentação deste tipo para ±56
V. Ligue um amperímetro
em série com o terminal
positivo da fonte de alimentação. Antes de ligar
a alimentação, regule P1
completamente no sentido
contrário ao dos ponteiros
do relógio, e lembre-se
de ligar os enrolamentos
secundários do transformador ao bloco de terminais K7, na placa de circuito impresso. Depois de
ligar a alimentação, a corrente debitada pelo terminal positivo da fonte deve
ser de aproximadamente
30 mA, quando o relé de saída estiver ligado.
Regule lentamente P1 no sentido dos ponteiros
do relógio até a corrente atingir os 60 mA. Esta
relativamente pequena corrente de funcionamento em repouso é mais que adequada. Esta
vai aumentar ligeiramente com o aumento da
temperatura do dissipador de calor. No entanto,
esta corrente permanece abaixo dos 90 mA. Com
potências de saída muito elevadas, as temperaturas das junções dos dois transístores de saída
vão subir mais rapidamente do que a temperatura
do dissipador, pelo que o transístor que controla
a corrente de funcionamento em repouso não vai
conseguir compensar este aumento. Isto provoca
um breve incremento na corrente de funcionamento em repouso para várias centenas de mA,
mas quando a temperatura cai novamente a corrente cai rapidamente. Esta é uma característica
extra interessante deste amplificador, porque a
gama de classe A do amplificador de potência é
efectivamente incrementada com o aumento do
nível de potência de saída.
(110656)
Mais detalhes sobre este
amplificador de potência em
www.elektor-labs.com/node/3247
Internet
[1] Filtro de Medição para Amplificadores
classe D, Julho/Agosto 2012,
www.elektor.com.pt/100540
Amplificador de Áudio de Potência Q-Watt
Curvas Características Medidas no Q-Watt
Equipamento de teste: Audio Precision System Two Cascade Plus 2722 Dual Domain
Curva A
THD+N a uma potência de saída de 1W/8Ω e 50W/8Ω,
B=80kHz. A curva de 1 W consiste principalmente em
ruído (THD+N=0,0034%). A distorção não é maior do
que o ruído até cerca de 20 kHz (THD+N=0,0052%).
A 50 W (que corresponde exactamente a 20 V,
para que os resultados possam ser comparados
directamente com as figuras de desempenho
presentes na folha de características do LME49811)
o nível de ruído é muito menor em relação à tensão
de saída. Aqui pode ver que a distorção começa
a aumentar mais cedo a frequências mais altas.
A 1 W a distorção ainda está abaixo do ruído.
A distorção acima de 10 kHz é semelhante à da curva
de 1 W. a curva de 100 W não é apresentada aqui,
porque é virtualmente igual à curva de 50 W.
A distorção é muito baixa em todas as potências
de saída até ao nível de saturação de amplitude.
1
0.5
0.2
0.1
0.05
%
0.02
0.01
0.005
0.002
0.001
0.0006
20
50
100
200
500
1k
2k
5k
10k
Hz
A
20k
110656 - 12
10
5
Curva B
THD+N em ordem à potência de saída (1kHz/8Ω,
B=22kHz). A largura de banda de medição foi aqui
reduzida para melhorar a visibilidade no ponto onde
a distorção aumenta. Aqui, novamente, pode ver
que a distorção continua a ser muito baixa,
enquanto o nível de ruído diminui com o aumento
da tensão de saída.
O ponto de saturação de amplitude é atingido a
127 W, e a distorção cresce rapidamente para além
deste ponto. A 137 W a THD+N atinge 0,1%, o que
ainda é um nível utilizável para uma boa qualidade
sonora. Note que com o transformador de potência
de baixo custo utilizado no protótipo, a tensão de
alimentação cai significativamente à potência máxima
(com uma THD de 10% cai para ±51,5 V). É possível
obter ainda mais potência com um transformador
que forneça uma tensão de alimentação mais estável.
2
1
0.5
0.2
0.1
% 0.05
0.02
0.01
0.005
0.002
0.001
0.0003
1m
2m
5m 10m 20m
50m 100m 200m 500m
1
2
5
10
20
W
B
50
100
300
110656 - 13
+0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
d
B
r
Curva C
FFT de um sinal de 1 kHz a 50W/8Ω (20 V rms).
Os níveis das harmónicas residuais da tensão
de alimentação e as harmónicas do sinal de 1 kHz
têm um nível muito baixo e, na prática, são
inaudíveis. A terceira harmónica tem um nível de -113
dB, equivalente a apenas 0,0002%. A THD+N
a este nível de potência é de 0,0006% (B=80kHz).
A
-70
-80
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
C
-160
10
20
50
100
200
500
1k
Hz
2k
5k
10k
20k
50k
100k
110656 - 14
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