Uma tecnologia de amplificação de sinais de áudio que oferece um excelente rendimento é a que faz uso do PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso). Estes amplificadores também são denominados Classe D. Se bem que os projetos práticos para este tipo de amplificador não sejam muitos usando componentes comuns, poisexistem integrados específicos para esta finalidade, damos neste artigo aos leitores interessados a possibilidade de testar uma configuração que pode ser ampliada para potências mais elevadas.
Na configuração comum de um amplificador de áudio o que se faz é aumentar a amplitude do sinal de modo que na saída tenhamos uma corrente suficientemente elevada para excitar um alto-falante, conforme mostra a figura 1.
Nestes circuitos os transistores usados devem ser polarizados na região linear de sua curva característica e com isso acabam por ter de dissipar uma boa quantidade de calor.
O resultado final é que, por melhor que seja o amplificador sempre teremos um rendimento relativamente baixo com uma potência dissipada na forma de calor que se aproxima bastante da potência de áudio.
Uma configuração interessante que permite obter rendimento muito mais alto é a que faz uso das técnicas de PWM ou Modulação de Largura de Pulso.
Levando em conta que um transistor não dissipa calor quando está no corte e muito pouco quando está saturado (a dissipação depende da queda de tensão no transistor multiplicada pela corrente), se evitarmos a operação nos estados intermediários, diminuiremos a quantidade de energia convertida em calor.
É claro que isso implicará em trabalhar com sinais retangulares e os sinais de áudio não possuem esta característica, sendo apresentados com as formas mais variadas e também precisamos levar em conta que para passar do corte à saturação o transistor tem um pequeno periódo na região intermediária de maior dissipação.
No entanto, podemos usar de um artifício que é o mesmo usado nos controles de potência e fontes chaveadas.
O que fazemos é controlar a corrente média na carga aplicando um sinal retangular de alta frequência com ciclos ativos variáveis.
Por exemplo, se o ciclo ativo for 50% a corrente média será 0. No entanto, quando o ciclo ativo cai para menos de 50% ou sobe além de 50% a corrente na carga se torna negativa ou positiva, conforme mostra a figura 3.
Se modularmos o sinal retangular com 50% de ciclo ativo com um sinal de áudio, a corrente média na carga subirá e descerá reproduzindo a forma de onda original.
Basta então filtrar a portadora de frequência mais alta e ficar apenas com a envolvente do sinal para termos na carga a reprodução do sinal original, conforme mostra a figura 4.
A grande vantagem deste sistema é que os transistores de uma etapa de saída como a mostrada na figura 5 não trabalham com o sinal analógico de áudio que faria com que eles dissipassem uma potência elevada, mas sim com sinais retangulares modulados em frequência.
O resultado final deste procedimento é que o circuito tem um rendimento muito mais alto com a possibilidade de se obter potências de áudio mais alta com menor consumo e o uso de transistores de menor dissipação.
Evidentemente, para melhores resultados a frequência de operação deve ser bem mais alta que a maior frequência de áudio a ser amplificada. No nosso circuito a operação ocorre entre 60 e 80 kHz e a faixa passante de áudio é de 20 a 20 000 Hz com uma potência de saída da ordem de 10 W PMPO em alimentação de 12 V.
Características:
* Frequência de operação: 600 a 800 kHz
* Potência de saída: 10 W PMPO (12 V x 4 Ω)
* Faixa de áudio: 20 a 20 000 Hz
* Faixa de Tensões de alimentação: 5 a 15 V
* Impedância de carga: 4 a 8 Ω
* Taxa de distorção harmônica: 0,3%
Como Funciona:
Na etapa de entrada temos um amplificador operacional com transistores de efeito de campo que opera tanto como préamplificador como oscilador para a frequência de aproximadamente 800 kHz.
A realimentação deste oscilador é feita aplicando-se parte do sinal de saída através do resistor de 1 M Ω à entrada não inversora. O capacitor de 100 pF juntamente com o resistor determinam a frequência de oscilação do circuito, podendo ser feitas allterações.
O oscilador é modulado em frequência pelo sinal de áudio que é aplicado via uma rede RC de entrada que corta as componentes de alta frequência, limitando assim a faixa passante e pelo potenciômetro de ajuste de entrada.
Temos então na saída do amplificador operacional um sinal modulado em frequência pelo sinal de áudio de entrada.
Este sinal é aplicado a 4 disparadores de um circuito integrado 4093 que tornam o sinal modulado retangular com um ciclo ativo que vai depender justamente da profundidade da modulação.
A partir deste ponto temos uma etapa de saída em simetria complementar com transistores de média potência NPN e PNP. Qualquer par de transistores de média potência com corrente de coletor de pelo menos 1 A pode ser usado no circuito como por exemplo o par BD135/BD136, TIP31/TIP32, etc.
Nesta etapa os transistores conduzem alternadamente conforme a saída do circuito integrado vá ao nível alto ou ao nível baixo, gerando portanto a alta corrente retangular modulada que deve ser aplicada ao alto-falante.
Para cortar a componente de alta frequência e deixar apenas a envolvente que deve ser aplicada ao alto-falante temos umfiltro formado pelo indutor L1 e c apacitores junto ao alto-falante.
Este componentes da saída também são importantes para se evitar a irradiação de sinais na faixa de AM o que poderia causar interferências em aparelhos próximos.
A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V e a corrente drenada será da ordem de algumas centenas de miliamperes.
Montagem
Na figura 6 temos o diagrama completo do amplificador.
Uma sugestão de placa de circuito impresso para este projeto é mostrada na figura 7.
O cuidado maior na montagem é com os fios de entrada do sinal que devem ser blindados para que não ocorram zumbidos.
Os componentes usados não são críticos e os transistores de saída devem ser dotados de pequenos radiadores de calor, já que a potência dissipada não é elevada.
A bobina L1 é de fabricação caseira: enrole 20 espiras de fio 28 num bastão de ferrite de 0,5 mm de diâmetro e 4 cm de comprimento.
Para a entrada deve ser usado jaque de acordo com a fonte de sinal.
O potenciômetro de ajuste deve ser logarítmico e os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho pelo menos 50% maiores que as tensões de alimentação usadas.
Prova e Uso
Para se verificar se o circuito está oscilando pode-se usar um osciloscópio ligado à saída do amplificador operacionbal ou mesmo à base dos transistores.
Se a frequência estiver muito abaixo de 600 kHz devido a tolerâncias dos componbentes, reduza o valor de C4.
Depois, aplique um sinal de áudio de pequena intensidade na entrada do circuito para verificar a sua reprodução.
O alto-falante deve ser instalado em caixa acústica apropriada para melhor qualidade de reprodução e rendimento.
Comprovado o funcionamento é só usar o amplificador.
Semiconductores:
CI-1 - CA3140 - amplificador operacional com JFET
CI-2 - 4093 - quatro portas NAND disparadoras CMOS
Q1 - BD135 ou equivalente - ver texto
Q2 - BD136 ou equivalente - ver texto
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 22 kΩ
R2 - 1,2 MΩ
R3, R4 - 1,8 kΩ
R5 - 1 MΩ
R6 - 10 Ω
P1 - 100 kΩ - potenciômetro LOG
Capacitores:
C1 - 2,7 nF - cerâmico
C2 - 150 nF - poliéster ou cerâmico
C3 - 220 nF - poliéster ou cerâmico
C4 - 100 pF - cerâmico
C5 - 100 µF/ 16 V - eletrolítico
C6 - 68 nF - poliéster ou cerâmico
C7 - 47 nF - poliéster ou cerâmico
C8 - 1 000 µF x 25 V - eletrolítico
C9 - 470 µF x 25 V - eletrolítico
Diversos:
L1 - Bobina - ver texto
FTE - 4 ou 8 Ω x 10 cm ou maior - alto-falante
Placa de circuito impresso, caixa para montagem, fonte de alimentação, botão para o potenciômetro, fios, solda, etc.
