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Circuito Amplificador Classe D Usando IC 555

Um amplificador Classe D também denominado como amplificador digital usa modulação de largura de pulso ou tecnologia PWM para amplificar o sinal de música analógico de pequena amplitude alimentado.

Por que um amplificador classe D

Os principais benefícios deste tipo de amplificador são alta eficiência, baixo custo, tendo como único inconveniente a associação de distorção se não for limpo com filtros corretamente calculados na saída.

Normalmente, todos os amplificadores são baseados em analógicos, onde a música ou frequência de entrada é amplificada de acordo com o mesmo padrão que está sendo alimentado na entrada.

Uma vez que uma música pode ter em grande parte conteúdos exponencialmente ascendentes e descendentes e também frequências acompanhadas de todos os tipos de amplitudes, provoca o aquecimento dos dispositivos.

Isso acontece porque BJTs e mosfets não “gostam” de entradas de transição onde o sinal não tem subida e descida repentinas, mas transita gradualmente pelos pontos onde os dispositivos não estão totalmente ligados ou desligados, isso causa muita geração de calor e perda de energia

Em um tipo de amplificador de classe D, a entrada de música é comparada com ondas triangulares de alta frequência e convertida em uma “linguagem” PWM na saída. O conteúdo PWM armazena todas as informações da música e as traduz de volta para o alto-falante conectado de forma amplificada.

No entanto, como os PWMs consistirão em pulsos não exponenciais, onde os pulsos estão na forma de pilares retangulares, ligar/desligar repentinamente sem transições pode resultar em distorções significativas na saída.

A fim de suavizar o problema acima, um filtro passa-baixa é geralmente incorporado em que os picos são suavizados para gerar uma replicação amplificada razoavelmente boa e clara.

O projeto proposto de um circuito amplificador digital classe D utiliza o famoso 555 IC para as comparações pretendidas.

Em vez do método PWM, usamos um modo alternativo chamado PPM ou modulação de posição de pulso que pode ser considerado tão bom quanto um PWM.

Usando a modulação de posição de pulso

O PPM também é conhecido como modulação de densidade de pulso devido à natureza específica de seu funcionamento.

Aqui a entrada de modulação é comparada com ondas triangulares de alta frequência e a saída é otimizada variando a posição ou a densidade da saída de pulso gerada/comparada.

Como pode ser visto no projeto do circuito amplificador classe D abaixo, o IC 555 é configurado como um modo MV astável padrão, onde os resistores Ra, Rb e C determinam a frequência das ondas triangulares geradas no pino 6/7 do IC.

As ondas triangulares de alta frequência acima são comparadas com a entrada de música aplicada no pino de entrada de controle 5 do IC.

Aqui, o sinal de música de baixa tensão é primeiro amplificado para um nível de tensão ideal e, em seguida, aplicado no pino 5 de entrada de controle do IC555.

Isso resulta na saída PPM discutida no pino 3 do IC. Este é amplificado por T1 para uma saída de alta corrente e é alimentado a um alto-falante para a amplificação do tipo classe D necessária.

O trafo de áudio faz algumas funções interessantes, ele amplifica a saída para o LS e também suaviza os harmônicos que normalmente fazem parte de todos os circuitos amplificadores do tipo classe D.

Um capacitor de filtro (não polar) pode ser testado no LS para obter saídas de som mais limpas.

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Pinagem IC 555

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Pinagem IC LM386

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Circuito Amplificador de Comutação

Amplificadores lineares Classe A e Classe B são comumente empregados para amplificar sinais de áudio. Por outro lado, também pode ser viável amplificar sinais de áudio usando um amplificador não linear.

Este tipo de amplificadores não lineares são geralmente chamados de amplificadores de “comutação” ou Classe-D, uma vez que os transistores de saída encontrados nesses dispositivos alternam ligando ou desligando completamente. Em um amplificador chaveado, quase toda a energia elétrica é transferida para a carga (alto-falante) durante os períodos em que os transistores do amplificador estão totalmente ligados.

O maior volume de potência é dissipado através dos transistores enquanto os dispositivos estão nas transições de ligar e desligar. Quanto mais rápida a transição, menor a quantidade de energia fornecida pelos transistores de saída. Devido ao layout dos amplificadores de comutação, o nível de eficiência de um amplificador de comutação pode ir muito além de 90%.

Em contraste, os amplificadores Classe A e B fornecem eficiências máximas de cerca de 20% e 78,5%, respectivamente. Uma vantagem adicional da alta eficiência dos amplificadores de comutação é que essas unidades têm dimensões menores, mais leves e tendem a ser muito mais baratas do que as classes A e B.

Os amplificadores de comutação fazem uso de um modulador de largura de pulso para obter os procedimentos de comutação necessários. Os sinais de áudio são primeiro transformados em um trem de pulsos, cada um dos pulsos sendo diretamente proporcional às amplitudes instantâneas do sinal de áudio em comparação com a frequência fixa, amplitude fixa, da forma de onda triangular que é usada como referência.

Assim, com referência à frequência fixa, a amplitude do sinal altera o PWM (duty cycle) da saída. A diferença comparada é então amplificada e alimentada a um poderoso alto-falante de 8 ohms, que responde demodulando os PWMs e reproduzindo uma saída de áudio comutada amplificada.

CIRCUITO AMPLIFICADOR DE COMUTAÇÃO
CIRCUITO AMPLIFICADOR CLASSE D USANDO IC 555 11

Circuito de Fonte de Alimentação

FONTE DE ALIMENTAÇÃO DO AMPLIFICADOR DE COMUTAÇÃO
CIRCUITO AMPLIFICADOR CLASSE D USANDO IC 555 12

O diagrama de circuito para o amplificador de comutação pode ser visto na imagem acima. Uma alimentação independente de 51 V DC é necessária para energizar o circuito Amplificador.

A fonte de alimentação de 51 V é aplicada a um conjunto de diodos Zener, D5 e D6, e é suavizada através dos capacitores C11 e C12 para obter uma fonte de 12 V DC para o circuito amplificador. Além disso, parte da fonte de 51 V CC sobrepõe os Zeners para fornecer os estágios do circuito que devem funcionar diretamente com 51 V CC.

Como funciona o circuito

As frequências de áudio direita e esquerda são aplicadas ao circuito amplificador de comutação através dos conectores J1 e J2, respectivamente. Alguns estágios de um amplificador operacional TL074, IC1c e IC1d, produzem uma forma de onda de referência triangular de 4 V pico a pico, 50 kHz.

A forma de onda produzida é posteriormente aplicada ao potenciômetro R19, que fornece um ponto de referência variável aos comparadores de tensão. Isso possibilita que o amplificador utilize os sinais de entrada com amplitudes que variam de 1 volt pico a pico a 4 volt pico a pico.

O par adicional de seções de amplificador operacional, IC1a e IC1b, funcionam como comparadores para gerar a saída moduladora de largura de pulso para os canais esquerdo e direito do amplificador. No canal direito do amplificador, a saída do comparador de tensão é conectada ao circuito de conversão bipolar através de um resistor limitador de corrente, R5.

O circuito de conversão possui um “terminal” positivo e negativo; Q1, D1 e R1, que atuam como o terminal positivo, e Q3, D3 e R11, que formam o terminal negativo. Ambos os terminais são ligados ao terra por meio dos emissores dos transistores Q1 e Q3, fornecendo um nível de referência para o conversor.

A configuração do conversor leva a 17 volts aparecendo em Q1, Q3 e diodos Zener D1 e D3. Uma quantidade adequada de corrente está, portanto, disponível para anular a capacitância da porta MOSFET de potência; que liga e desliga o estágio de saída push-pull complementar do MOSFET Q5 e Q7, a uma taxa muito rápida.

As saídas direita e esquerda do amplificador são obtidas dos conectores J3 e J4, respectivamente. A saída é capaz de entregar uma potência total de 60 watts RMS para os alto-falantes de 8 ohms conectados, os alto-falantes permitem a demodulação do sinal e geram uma saída de áudio amplificada. Com a potência de saída no pico, o consumo de corrente de alto-falantes dinâmicos de 8 ohms será de aproximadamente 1,2 amperes a 51 V DC.

Fonte de energia

A seguir, falaremos sobre a fonte de alimentação. A segunda figura mostra o diagrama de circuito do circuito da fonte de alimentação. A tensão CA obtida de PL1 alimenta a ponte retificadora BR1, que fornece uma saída de onda completa de aproximadamente 165 V CC.

A configuração construída em torno das partes R1, R2, D1, D3 e D4 produz um trem de pulsos de 5 V que fornece algumas características essenciais: Primeiro, os pulsos são utilizados como uma fonte de alimentação de 5 V destinada a personalizar a forma do pulso e circuito monoestável por meio de D2 e ​​C1.

2º, os pulsos ativam o optoacoplador IC1 e o triac TR1 através da configuração de modelagem de pulso criada usando Q1, Q2 e R3 R5, e o circuito monoestável estruturado em torno de C2 e R6.

O resistor R2 fixa o PWM mais alto e, consequentemente, o nível mais alto de tensão de saída. Se nenhum feedback for usado, a tensão de pico não filtrada pode ser de aproximadamente 90 volts.

Para obter a saída de 51 V necessária para o circuito amplificador de comutação, a configuração de feedback construída usando R6, R7 e C3 polariza inversamente o acoplador óptico sempre que a tensão de saída se tornar maior que 51 volts. Isso subsequentemente empurra o TR1 para desligar à medida que a tensão não filtrada corre para zero volts. O circuito de feedback RC, portanto, ajusta a tensão de saída fazendo um esforço para alterar o status de condução do IC1.

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FONTE


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