100 W PMPO com Power-FET (ART299)

Detalhes: Escrito por: Newton C. Braga

UM AMPLIFICADOR DE ALTÍSSIMA QUALIDADE

Alta potência, com pequeníssima distorção, define o que há de melhor num amplificador usando transistores de efeito de campo de potência. As características dos transistores de potência comum são superadas de longe pelos transistores de efeito de campo quando a aplicação é áudio. Neste artigo descrevemos um circuito básico de amplificador de potência que pode servir para formar um sistema de som de altíssima qualidade.

Dizem os entendidos em som que os transistores comuns ficam longe das válvulas quando devem amplificar sinais de áudio, pois suas características fazem com que introduzam uma elevada taxa de distorção na amplificação.

De fato, se levarmos em conta que os transistores bipolares apresentam uma região de não condução entre 0 e 0,6 volts aproximadamente, conforme mostra a figura 1, a sua resposta na passagem dos sinais por esta faixa deixa de ser linear havendo a introdução de uma forte distorção.

No entanto, os transistores bipolares não são a única alternativa para os que desejam ter um amplificador de potência de áudio usando semicondutores.

Com a possibilidade de se encontrar no mercado transistores de efeito de campo de potência (Power FETs) com capacidade de conduzir correntes da ordem de dezenas de ampères, a construção de um amplificador de áudio de alta qualidade, sem os problemas dos transistores comuns torna-se uma realidade.

O que ocorre é que a curva característica de um transistor de efeito de campo de potência é semelhante, não a de um transistor bipolar comum, mas sim a de uma válvula pentodo, exatamente como as usadas nos potentes amplificadores de áudio sem distorção (ou com mínima distorção) que os mais tradicionalistas gostam.

Na figura 2 mostramos as curvas típicas de um FET de potência quando comparadas a de uma válvula pentodo comum usada na saída de um amplificador ultra-linear antigo.

Estes transistores, além de terem um custo bastante acessível hoje, pois são largamente usados nas fontes chaveadas de computadores, monitores de vídeo, televisores e muitos outros aparelhos de uso comum, podem manusear potências muito altas, levando assim a possibilidade de se construir excelentes amplificadores.

O amplificador que propomos neste artigo usa estes transistores numa configuração básica tradicional que pode ser aperfeiçoada.

A vantagem do circuito está no fato de que os transistores de efeito de campo de potência são dispositivos com uma impedância de entrada muito alta o que significa que eles precisam de muito pouca potência para serem excitados.

Assim, no nosso projeto, um simples amplificador operacional integrado de alta tensão é capaz de excitar dois transistores numa saída complementar fornecendo a uma carga de 8 ohms uma potência da ordem de 100 watts PMPO o que está em torno de 25 W RMS. Dois amplificadores deste tipo, formando um sistema estéreo podem fornecer uma potência de 200 watts de excelente qualidade de som, com uma distorção harmônica inferior a 0,01%.

Evidentemente, projetos de áudio de alta potência que operam com correntes intensas que podem facilmente danificar os componentes mais delicados exigem experiência prévia do montador. Assim, este projeto só é recomendado aos leitores que possuam experiência prévia com a montagem de amplificadores de alta potência.

COMO FUNCIONA

Na figura 3 temos o princípio básico de funcionamento do circuito em que os dois transistores operam de modo que um deles funcione como uma fonte de corrente que entra em funcionamento nos semiciclos do sinal de áudio.

Esta configuração em classe A permite que o transistor opere com um mínimo de distorção pois não há a polarização no ponto da curva característica que não seja linear. Entretanto, como o transistor está sempre em condução a dissipação de calor é razoável o que exige o emprego de radiadores de calor grandes para estes componentes.

Quando não há sinal na entrada a fonte de corrente constante deve equilibrar sua condução com o amplificador operacional de tal modo que os transistores sejam polarizados igualmente e com isso a tensão na sua junção seja nula. Isso garante que não haja corrente circulando pelo alto-falante o que poderia causar sua queima.

Esta tensão é conseguida realimentando-se o sinal de saída via R9 para a entrada inversora do amplificador operacional usado na excitação.

Com um sinal de entrada a tensão de polarização de comporta do transistor Q1 varia e com isso sua condução.

Esta condução, dependendo da polaridade do sinal aplicado a Q1 reflete também na condução do transistor Q2 que funciona como fonte de corrente constante e com isso varia a corrente no alto-falante. Assim, o alto-falante será percorrido por correntes num sentido e noutro conforme a polaridade do sinal, obtendo-se desta forma a reprodução do som.

Para uma potência de saída de 100 W PMPO (25 WRMS) a corrente de saída dos transistores é da ordem de 1,8 ampères em média. No entanto os picos podem chegar a 2,5 ampères. Isso significa que o transformador deve ter a disponibilidade de fornecer uma corrente de pelo menos 3,5 A para uma versão mono e 7 A para uma versão estéreo.

Praticamente qualquer FET de canal N com uma corrente de dreno de pelo menos 4 ampères pode ser usado neste circuito, já que a maioria dos tipos suporta tensões acima de 40 volts.

Evidentemente, com o manuseio de potências elevadas uma grande quantidade de calor é gerada pelos transistores as quais devem ser transferidas para o meio ambiente. Assim, um ponto crítico do projeto é o radiador de calor que deve ser de grandes dimensões e montado de modo a poder transferir todo o calor para fora da caixa do amplificador.

Existem diversas possibilidades para se obter sua refrigeração como por exemplo a montagem externa e até mesmo a ventilação forçada por meio de um ventilador que pode ser aproveitado de uma fonte de alimentação de computador. De qualquer forma as dimensões mínimas sugeridas para o dissipador devem ser seguidas.

A fonte de alimentação não precisa ser estabilizada, no entanto os capacitores de filtro devem ter valores suficientemente altos para que tenhamos uma excelente filtragem. De fato, os projetos originais para amplificadores com FET com esta ordem de potência exigem transformadores com pelo menos 15 000 uF.

Para que não se tenha uma corrente excessiva no momento em que o circuito é ligado e que os capacitores estejam descarregados, funcionando como verdadeiros curto-circuitos que poderiam causar a queima dos diodos, resistores de limitação de 0,1 ohm são usados.

O circuito possui um acionador temporizado para o alto-falante que o liga somente depois de alguns segundos que o amplificador é alimentado. Este recurso é necessário para dar tempo ao circuito de entrar o ponto de equilíbrio na saída em que a tensão se anula. Se o alto-falante estiver ligado antes disso, as pequenas diferenças de características dos componentes podem fazer com que circulem fortes correntes pelo alto-falante capazes de provocar sua queima.

Uma outra proteção importante para os transistores de saída é a formada pelos diodos zener em oposição na comporta de cada um dos transistores de saída. A finalidade destes diodos é evitar que tensões elevadas, da ordem dos 30 V que a fonte fornece sem sinal sejam aplicadas aos transistores o que poderia causar sua queima.

A etapa de excitação que tem como base um amplificador operacional de alta tensão e os transistores de efeito de campo é excitada por um pré-amplificador de áudio com base num amplificador operacional com transistores de efeito de campo TL082. O ganho deste amplificador e também sua frequência de corte são determinados tanto pelo resistor R3 como pelo capacitor de 47 pF em paralelo. No caso, o ganho desta etapa é da ordem de 22 vezes e a frequência de corte estará um pouco acima de 22 kHz.

MONTAGEM

Na figura 4 temos o diagrama completo do amplificador, correspondendo a um canal.

A montagem dos componentes principais na placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.

Observe as trilhas mais largas que devem operar com as correntes intensas tanto da fonte de alimentação como dos sinais de áudio de saída. Os transistores de potência são ligados a esta placa por meio de fios grossos e curtos.

A montagem dos transistores nos radiadores de calor é mostrada na figura 6.

Observe que podem ser usados tanto transistores em invólucros TO-3 (metálicos) como TO-220 (plásticos) desde que tenham as características mínimas exigidas pelo projeto.

O relé pode ser de qualquer tipo que tenha uma bobina de 24 volts e uma corrente de acionamento inferior a 50 mA. Os contactos do relé devem ser capazes de operar com correntes de pelo menos 4 ampères.

A fonte de alimentação do circuito é mostrada na figura 7.

O transformador tem uma tensão de primário de acordo com a rede de energia e secundário duplo (com tomada central) de 22 + 22 volts com uma corrente de 3,5 A se sua versão for mono, ou de 7 A se a fonte for usada para alimentar os dois canais de uma versão estéreo.

Os diodos devem ter correntes de pelo menos 10 A se a versão for mono e 20 A se a versão for estéreo, em ambos os casos com tensão mínima de operação de 100 V.

O resistor R8 deve ser de fio e os capacitores eletrolíticos devem ter tensões mínimas de trabalho conforme indicado na lista de material.

PROVA E USO

Será conveniente usar um resistor de carga para os testes iniciais ligado em lugar do alto-falante. Um resistor de 10 ohms x 50 watts ou então 5 resistores de 47 ohms x 10 watts ligados em paralelo servem.

Depois de conferir cuidadosamente a montagem com atenção especial para eventuais curtos, ligue a alimentação.

Com um multímetro meça a tensão na saída (entre os pontos A e B). Se tudo estiver em ordem esta tensão deve ser nula.

Depois, meça a tensão sobre o resistor de 0,22 ohms (R12). Esta tensão vai indicar a corrente de repouso do circuito que deve ser da ordem de 1,8 ampères ou pouco menos.

Ajuste P2 para que a corrente tenha este valor. Num resistor de 0,22 ohms, esta corrente significa que a tensão medida deve ser de 0,396 volts.

Comprovado o funcionamento é só fazer uso do aparelho. Será interessante incorporar ao projeto, alimentado pela mesma fonte, um bom pré-amplificador com controle de tom.

O circuito também pode ser adaptado para funcionar com cargas de 4 ohms, caso em que a potência dissipada exigirá o emprego de radiadores de calor maiores. No entanto, a potência de saída deverá ser maior ainda.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores:

Q1, Q2 - IRF150 ou equivalentes - transistores de efeito de campo de potência canal N - ver tabela de equivalentes

CI-1 - TL082 - amplificador operacional

CI-2 - HA2645H - amplificador operacional

D1 - 1N4148 - diodo de uso geral

Z1, Z2 - 15 V x 1 W - diodos zener

Z3, Z4, Z5, Z6 - 10 V x 1 W - diodos zener

Z7 - 4,7 V x 1 W - diodo zener

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1, R2 - 4,7 k ohms

R3, R5, R7, R9, R10 - 100 k ohms

R4, R8 - 470 ohms x 2 W

R6 - 47 k ohms

R11 - 10 k ohms

R12 - 0,22 ohms x 10 W - fio

R13 - 15 k ohms

R14 - 1 k ohms

R15 - 5,6 k ohms

P1 - 10 k ohms - potenciômetro

P2 - 100 k ohms - trimpot

Capacitores:

C1 - 1 uF - poliéster

C2 - 47 pF - cerâmico

C3, C4, C11, C13 - 100 nF - cerâmicos

C5 - 470 nF - cerâmico ou poliéster

C6 - 47 uF/ 25 V - eletrolítico

C7 - 120 pF - cerâmico

C8 - 150 nF - cerâmico

C9 - 1 500 uF a 2 200 uF/25 V - eletrolítico

C10, C12 - 1 000 uF/ 40 V

Diversos:

K1 - Relé de 24 V - ver texto

F1 - Fusível de 3 A

Placa de circuito impresso, radiadores de calor para os transistores, material para a fonte de alimentação, botão para o potenciômetro, jaque de entrada, bornes de saída para o alto-falante, suporte de fusível, caixa para a montagem, fios, solda, etc.

TRANSISTORES QUE PODEM SER USADOS NESTE PROJETO:

a) Invólucro metálico:

MTM5N40 (400 V/5 A)

MTN5N35 (350 V/5 A)

MTN7N12 (120 V/7 A)

MTN5N20 (200 V/8 A)

IRF120 (100 V/8 A)

IRF140 (100 V/27 A)

IRF220 (200 V/5 A)

IRF240 (200 V/18 A)

IRF130 (100 V/ 14 A)

IRF150 (100 V/ 40 A)