Amplificador de áudio Classe B

PEÇAS E MATERIAIS

• Quatro baterias de 6 volts
• Amplificador operacional duplo, modelo TL082 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-1715)
• Um transistor de potência NPN em um pacote TO-220— (catálogo Radio Shack nº 276-2020 ou equivalente)
• Um transistor de potência PNP em um pacote TO-220— (catálogo Radio Shack # 276-2027 ou equivalente)
• Um diodo de comutação 1N914 (catálogo Radio Shack # 276-1620)
• Um capacitor, 47 µF eletrolítico, 35 WVDC (catálogo Radio Shack nº 272-1015 ou equivalente)
• Dois capacitores, 0,22 µF, não polarizados (catálogo Radio Shack # 272-1070)
• Um potenciômetro de 10 kΩ, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)

Certifique-se de usar um amplificador operacional que tenha uma alta taxa de variação . Evite o LM741 ou LM1458 por esse motivo.

Quanto mais próximos os dois transistores forem, melhor. Se possível, tente obter transistores TIP41 e TIP42, que são transistores de potência NPN e PNP semelhantes com classificações de dissipação de 65 watts cada. Se você não conseguir um transistor NPN TIP41, o TIP3055 (disponível na Radio Shack) é um bom substituto. Não use transistores de potência muito grandes (ou seja, caixa TO-3), pois o amplificador operacional pode ter problemas para direcionar corrente suficiente para suas bases para uma boa operação.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 4:"Transistores de junção bipolar"

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionais"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para ilustrar como construir um amplificador classe B “push-pull” usando transistores bipolares complementares
• Para ilustrar os efeitos de "distorção cruzada" em um circuito amplificador push-pull
• Para ilustrar como usar feedback negativo por meio de um amplificador operacional para corrigir as não linearidades do circuito

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Este projeto é um amplificador de áudio adequado para amplificar o sinal de saída de um pequeno rádio, toca-fitas, CD player ou qualquer outra fonte de sinais de áudio. Para operação em estéreo, dois amplificadores idênticos devem ser construídos, um para o canal esquerdo e outro para o canal direito. Para obter um sinal de entrada para este amplificador amplificar, basta conectá-lo à saída de um rádio ou outro dispositivo de áudio como este:







Este circuito amplificador também funciona bem na amplificação de “ nível de linha ”Sinais de áudio de componentes estéreo modulares de alta qualidade. Ele fornece uma quantidade surpreendente de potência sonora quando tocado em um alto-falante grande e talvez funcione sem dissipadores de calor nos transistores (embora você deva experimentar um pouco antes de decidir abandonar os dissipadores de calor, já que a dissipação de energia varia de acordo com o tipo de alto-falante usava).

O objetivo de qualquer circuito amplificador é reproduzir a forma de onda de entrada com a maior precisão possível. A reprodução perfeita é impossível, é claro, e quaisquer diferenças entre as formas de onda de saída e entrada são conhecidas como distorção . Em um amplificador de áudio, a distorção pode fazer com que tons desagradáveis ​​sejam sobrepostos ao som real. Existem muitas configurações diferentes de circuitos amplificadores de áudio, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens. Este circuito específico é chamado de “classe B”, push-pull o circuito.

Mais “ potência de áudio ”Os amplificadores usam uma configuração de classe B, onde um transistor fornece energia para a carga durante a metade do ciclo da forma de onda (ele empurra ) e um segundo transistor fornece energia para a carga para a outra metade do ciclo (ele puxa ) Neste esquema, nenhum transistor permanece “ ligado ”Para todo o ciclo, dando a cada um um tempo para“ descanso ”E esfriar durante o ciclo da forma de onda. Isso cria um circuito amplificador com eficiência de energia, mas leva a um tipo distinto de não linearidade conhecido como “ distorção cruzada . ”

Aqui é mostrada uma forma de onda senoidal, equivalente a um tom de áudio constante de volume constante:







Em um circuito amplificador push-pull, os dois transistores se revezam amplificando os meios-ciclos alternados da forma de onda como este:







Se o “ transferência ”Entre os dois transistores não está precisamente sincronizado, no entanto, a forma de onda de saída do amplificador pode ser parecida com esta, em vez de uma onda senoidal pura:







Aqui, a distorção resulta do fato de que há um atraso entre o momento em que um transistor é desligado e o outro transistor é ligado. Este tipo de distorção, onde a forma de onda “ nivela ”No ponto de cruzamento entre semiciclos positivos e negativos, é chamado de distorção de cruzamento . Um método comum de mitigar a distorção cruzada é polarizar os transistores de modo que seus pontos de liga / desliga realmente se sobreponham, de modo que ambos os transistores estão em um estado de condução por um breve momento durante o período de crossover:







Esta forma de amplificação é tecnicamente conhecida como classe AB em vez da classe B porque cada transistor está “ ligado ”Por mais de 50% do tempo durante um ciclo completo da forma de onda. A desvantagem de fazer isso, porém, é o aumento do consumo de energia do circuito do amplificador, porque durante os momentos em que ambos os transistores estão conduzindo, há corrente conduzida através dos transistores que não passando pela carga, mas está meramente em “curto” de um barramento de fonte de alimentação para o outro (de -V para + V).

Isso não é apenas um desperdício de energia, mas também dissipa mais energia térmica nos transistores. Quando os transistores aumentam de temperatura, suas características mudam (V _be queda de tensão direta, β, resistências de junção, etc.), dificultando a polarização adequada.

Neste experimento, os transistores operam em modo puro de classe B. Ou seja, eles nunca estão regendo ao mesmo tempo. Isso economiza energia e diminui a dissipação de calor, mas pode causar distorções cruzadas. A solução tomada neste circuito é usar um amplificador operacional com feedback negativo para conduzir rapidamente os transistores através do “ morto ”Zona produzindo distorção cruzada e reduzir a quantidade de“ achatamento ”Da forma de onda durante o cruzamento.

O primeiro op-amp (mais à esquerda) mostrado no diagrama esquemático nada mais é do que um buffer. Um buffer ajuda a reduzir a carga da rede do capacitor / resistor de entrada, que foi colocada no circuito para filtrar qualquer tensão de polarização CC do sinal de entrada, evitando que qualquer tensão CC seja amplificada pelo circuito e enviada para o alto-falante onde pode causar danos.

Sem o amplificador operacional de buffer, o circuito de filtragem do capacitor / resistor reduz a baixa frequência (“ baixo ”) Resposta do amplificador e acentua a alta frequência (“ agudos ”).

O segundo op-amp funciona como um amplificador inversor cujo ganho é controlado pelo potenciômetro de 10 kΩ. Isso não faz nada mais do que fornecer um controle de volume para o amplificador. Normalmente, os circuitos do amplificador operacional de inversão têm seus resistores de feedback conectados diretamente do terminal de saída do amplificador operacional ao terminal de entrada de inversão como este:







Se fôssemos usar o sinal de saída resultante para conduzir os terminais de base do par de transistores push-pull, entretanto, teríamos uma distorção de crossover significativa, porque haveria um “ morto "Zona na operação dos transistores quando a tensão de base passou de + 0,7 volts para - 0,7 volts:







Se você já construiu o circuito do amplificador em sua forma final, pode simplificá-lo para esta forma e ouvir a diferença na qualidade do som. Se você ainda não começou a construção do circuito, o diagrama esquemático mostrado acima seria um bom ponto de partida. Isso amplificará um sinal de áudio, mas terá um som horrível!

A razão para a distorção cruzada é que quando o sinal de saída do amp op está entre + 0,7 volts e - 0,7 volts, nenhum transistor estará conduzindo, e a tensão de saída para o alto-falante será 0 volts para todo o intervalo de 1,4 volts da base oscilação de tensão. Portanto, existe uma “ zona ”Na faixa do sinal de entrada, onde nenhuma mudança na tensão de saída do alto-falante ocorrerá. É aqui que as técnicas de polarização intrincadas são geralmente introduzidas no circuito para reduzir esta “ lacuna de 1,4 volts ”Na resposta do sinal de entrada do transistor. Normalmente, algo assim é feito:







Os dois diodos conectados em série cairão aproximadamente 1,4 volts, equivalente ao V _be combinado quedas de tensão direta dos dois transistores, resultando em um cenário em que cada transistor está prestes a ligar quando o sinal de entrada é zero volts, eliminando o 1,4 volt “ morto ”Zona de sinal que existia antes.

Infelizmente, porém, esta solução não é perfeita:conforme os transistores aquecem ao conduzir a energia para a carga, sua V _ser as quedas de tensão direta diminuirão de 0,7 volts para algo menos, como 0,6 volts ou 0,5 volts. Os diodos, que não estão sujeitos ao mesmo efeito de aquecimento porque não conduzem nenhuma corrente substancial, não experimentarão a mesma mudança na queda de tensão direta.

Assim, os diodos continuarão a fornecer a mesma voltagem de polarização de 1,4 volts, embora os transistores exijam menos voltagem de polarização devido ao aquecimento. O resultado será que o circuito passará para a operação de classe AB, onde ambos os transistores estarão em um estado de condução parte do tempo. Isso, é claro, resultará em mais dissipação de calor pelos transistores, exacerbando o problema da mudança de queda de tensão direta.

Uma solução comum para este problema é a inserção do “ feedback de compensação de temperatura ”Resistores nas pernas emissoras do circuito de transistor push-pull:







Esta solução não impede a ativação simultânea dos dois transistores, mas apenas reduz a gravidade do problema e evita o descontrole térmico. Ele também tem o infeliz efeito de inserir resistência no caminho da corrente de carga, limitando a corrente de saída do amplificador. A solução que optei neste experimento é aquela que capitaliza o princípio do feedback negativo do amplificador operacional para superar as limitações inerentes do circuito de saída do transistor push-pull. Eu uso um diodo para fornecer uma tensão de polarização de 0,7 volts para o par push-pull. Isso não é suficiente para eliminar os “ mortos ”Zona de sinal, mas reduz em pelo menos 50%:







Uma vez que a queda de tensão de um único diodo será sempre menor do que as quedas de tensão combinadas das junções base-emissor dos dois transistores, os transistores nunca podem ligar simultaneamente, evitando assim a operação de classe AB. Em seguida, para ajudar a se livrar da distorção cruzada restante, o sinal de feedback do amplificador operacional é retirado do terminal de saída do amplificador (os terminais emissores dos transistores) como este:







A função do amplificador operacional é a saída de qualquer sinal de tensão necessário para manter seus dois terminais de entrada na mesma tensão (0 volts diferencial). Ao conectar o fio de feedback aos terminais do emissor dos transistores push-pull, o op-amp tem a capacidade de detectar qualquer “ morto ”Zona onde nenhum transistor está conduzindo, e a saída de um sinal de tensão apropriado para as bases dos transistores para conduzi-los rapidamente à condução novamente para“ manter o ritmo ”Com a forma de onda do sinal de entrada.

Isso requer um amplificador operacional com uma alta taxa de variação (a capacidade de produzir uma tensão de saída de aumento ou queda rápida), razão pela qual o TL082 op-amp foi especificado para este circuito. Amplificadores operacionais mais lentos, como o LM741 ou LM1458 pode não ser capaz de acompanhar o alto dv / dt (taxa de variação da tensão ao longo do tempo, também conhecida como de / dt ) necessário para operação de baixa distorção.

Apenas alguns capacitores são adicionados a este circuito para trazê-lo à sua forma final:um capacitor de 47 µF conectado em paralelo com o diodo ajuda a manter a tensão de polarização de 0,7 volts constante, apesar das grandes oscilações de tensão na saída do amplificador operacional, enquanto um O capacitor de 0,22 µF conectado entre a base e o emissor do transistor NPN ajuda a reduzir a distorção cruzada em configurações de baixo volume:









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