Projeto de um Amplificador de Potência Classe D Destinado a Guitarra Elétrica

PROJETO DE UM AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA CLASSE D DESTINADO A GUITARRA ELÉTRICA

Tubarão 2019

PROJETO DE UM AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA CLASSE D DESTINADO A GUITARRA ELÉTRICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Luís Fernando Ferreira de Campos Me.Eng.

Tubarão 2019

PROJETO DE UM AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA CLASSE D DESTINADO A GUITARRA ELÉTRICA

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina.

proporcionado a chance de realizar um sonho. E a todos envolvidos durante esta caminhada.

Deixo meus sinceros agradecimentos primeiramente à Deus, por minha vida e pela oportunidade de realizar um sonho.

À minha família que mesmo em frente a muitas dificuldades, sempre mostrou grande empenho para que eu conseguisse meus objetivos.

Agradeço ao professor Luís Fernando Ferreira de Campos pelo apoio e disponibilidade mostrados durante a execução deste trabalho.

Agradeço aos meus amigos e colegas a motivação e ajuda fornecida durante a concretização deste projeto, sem as quais não seria possível chegar ao seu término

Deixo também, meus sinceros agradecimentos a todos professores que contribuíram em meu aprendizado durante toda vida acadêmica.

O presente trabalho apresenta o projeto de um amplificador classe D destinado a guitarras elétricas. O amplificador projetado, tem uma potência de saída de aproximadamente 200WRMS com carga de 4 Ohms, além de baixa distorção harmônica menor que 1% e eficiência energética próxima dos 90%. Para conseguir chegar a esse resultado, foi realizado um estudo com o objetivo de compreender o funcionamento do amplificador classe D e o funcionamento dos componentes usados neste amplificador. No trabalho são calculados os valores dos componentes que são usados no amplificador. Na parte da implementação o amplificador foi montado com componentes de alta tecnologia disponíveis no mercado, também se fez uso do sistema de modulação PWM tornando o circuito menor utilizando menos componentes reduzindo seu custo e ainda propiciando uma ótima qualidade sonora. Por fim foram realizados testes e medições com o objetivo de verificar seu funcionamento e especificar suas características.

Palavras-chave: Semicondutores. Amplificadores chaveados. Guitarras Elétricas. Modulação PWM.

The present work presents the design of a class D amplifier for electric guitars. The designed amplifier has an output power of approximately 200WRMS with a 4 Ohm load, low harmonic distortion of less than 1% and close to 90% energy efficiency. To achieve this result, a study was conducted to understand the operation of the class D amplifier and the operation of the components used in this amplifier. In the work are calculated the values of the components that are used in the amplifier. In the implementation part the amplifier will be assembled with high technology components available in the market, will also make use of the PWM modulation system making the circuit smaller using fewer components reducing its cost and providing excellent sound quality. Finally, tests and measurements were performed to verify its operation and to specify its characteristics.

Figura 1- Traste de uma Guitarra Elétrica...21

Figura 2- Válvula Audio de Lee Forest...22

Figura 3- Circuito Básico de um Amplificador Valvulado...24

Figura 4- Estrutura das Válvulas...24

Figura 5- Princípio de Operação do Amplificador Classe D...26

Figura 6- Modulação por Largura de Pulso...26

Figura 7- Modulação PWM...28

Figura 8- Diagrama de Blocos Modulador Delta-Sigma...29

Figura 9- Resposta em Frequência de Magnitude...33

Figura 10- Resposta em Frequência de Fase...34

Figura 11- Transístor BJT...36

Figura 12- BJT Dopado com N-P-N...37

Figura 13- BJT Dopado com P-N-P...37

Figura 14- Estrutura e Símbolo do MOSFET...38

Figura 15- Tipos Básicos de MOSFET’S...39

Figura 16- Topologia de Meia Ponte...39

Figura 17- Topologia de Ponte Completa...40

Figura 18- Circuito Driver com Bootstrap...41

Figura 19- Diagrama de Bode do Filtro LC...42

Figura 20- Filtro Passa-Baixa...43

Figura 21- Esquemático do Amplificador Projetado...45

Figura 22- Estrutura Típica Utilizada com o IRS2092...46

Figura 23- Funções do IRS2092...46

Figura 24- Índice de THD de Algumas Topologias...48

Figura 25- Componentes do Circuito de modulação PWM...53

Figura 26- Circuito Divisor de Tensão...55

Figura 27- Circuito de Proteção Superior...56

Figura 28- Circuito de VAA,VSS, VCC e Bootstrap...61

Figura 29- Filtro Passivo Segunda Ordem...63

Figura 30- Resposta em Frequência do Filtro no SCILAB...64

Figura 31- Resposta em Frequência do Filtro...64

Figura 35- Máximo Sinal de Entrada...68

Figura 36- Sinal de Saída do Amplificador...68

Figura 37- Frequência de Comutação Máxima...69

Figura 38- Espectro de Frequência do Sinal de Saída...70

Figura 39- Harmônicas do Sinal de Saída do Amplificador...71

Tabela 1- Dead Time...59

Tabela 2-Eficiência do Amplificador...73

Tabela 3- Análise dos Resultados...73

1 INTRODUÇÃO...14 1.1 JUSTIFICATIVA...15 1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA...15 1.3 OBJETIVOS...15 1.3.1 Objetivo Geral...15 1.3.2 Objetivos Específicos...16 1.4 DELIMITAÇÕES...16 1.5 METODOLOGIA...16 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO...17 2 AMPLIFICAÇÃO DE ÁUDIO...19 2.1 O SOM...19

2.2 AMPLIFICAÇÃO DOS SINAIS DE ÁUDIO...20

2.2.1 Nível De Microfone ou De Baixo Sinal...20

2.2.2 Nível de Linha...20

2.2.3 Nível de Alto-Falante...21

2.2.4 Sinal de Entrada (Guitarra Elétrica)...21

2.3 INTRODUÇÃO A ESTRUTURA DOS AMPLIFICADORES...22

2.3.1 Amplificador Valvulado...23 2.3.2 Amplificador Classe D...25 2.3.2.1 Modulação...27 2.3.2.1.1 PWM...27 2.3.2.1.2 Delta-Sigma...29 2.4 PARAMETROS DO AMPLIFICADOR...29 2.4.1 Potência de Saída...29 2.4.1.1 Potência RMS...30 2.4.1.2 Potência PMPO...30 2.4.2 Distorção...31 2.4.2.1 THD...31

2.4.3 Relação Sinal Ruido...32

2.4.4 Resposta em frequência...32

2.4.4.1 Magnitude...33

3 RACTERIZAÇÃO DO AMPLIFICADOR CLASSE D...36

3.1.1 Interruptores (Transístor BJT, MOSFET)...36

3.1.1.1 BJT (Transístor Bipolar de Junção)...36

3.1.1.2 MOSFET (Metal-Oxide Field Effect Transistor)...38

3.1.2 Topologias de Amplificadores Classe D...39

3.1.2.1 Meia Ponte (Half Bridge)...39

3.1.2.2 Ponte Completa (Full Bridge)...40

3.1.3 Circuito Driver...41

3.1.4 Filtros de Saída...42

4 DIMENSIONAMENTO E ESCOLHA DOS COMPONENTES...45

4.1 CIRCUITO DE CONTROLE (DRIVER)...45

4.1.1 O IRS2092...46

4.2 ESCOLHA DA TOPOLOGIA...47

4.3 MOSFET...48

4.3.1 Temperatura da Junção do MOSFET...49

4.4 DIMENSIONAMENTO DO CIRCUITO DE MODULAÇÃO PWM...52

4.5 CIRCUITO DE PROTEÇÃO...53

4.5.1 Dimensionamento do Circuito de Proteção Inferior...54

4.5.2 Dimensionamento do Circuito de Proteção Superior...56

4.6 DIMENSIONAMENTO DO CAPACITOR DE TEMPORIZAÇÃO...57

4.7 DIMENSIONAMENTO DO CIRCUITO DE TEMPO MORTO (DEAD TIME)...58

4.8 DIMENSIONAMENTO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO...59

4.8.1 Fontes Auxiliares...59

4.9 DIMENSIONAMENTO DOS CAPACITORES DE FILTRAGEM E DESACOPLAMENTO...62

4.10 DIMENSIONAMENTO DO CAPACITOR, RESISTOR DE ENTRADA E RESISTOR DE GATE...62

4.11 FILTRO DE SAÍDA...63

4.12 ELABORAÇÃO DA PCB “PRINTED CIRCUIT BOARD”...65

5 RESULTADOS ENCONTRADOS...67

5.1 SENSIBILIDADE DE ENTRADA...67

5.5 POTÊNCIA DE SAÍDA...71

5.6 EFICIÊNCIA...72

5.7 ANÁLISE DOS RESULTADOS...73

5.8 ESPECIFICAÇÕES DO AMPLIFICADOR...74

6 CONCLUSÃO...75

1 INTRODUÇÃO

Os amplificadores de potência, são usados em sinais de áudio para fornecer ao sinal de baixa potência de entrada a energia necessária para alimentar os alto-falantes ligados na saída. “Assim tendem a elevar o nível de um sinal de entrada muito baixo, como é o caso das guitarras elétricas. O som da guitarra elétrica é produzido manualmente pela vibração das cordas, porém, é transformado em sinal elétrico devido a ação de captadores magnéticos” (BERTOLDI, 2016). Esses dispositivos operam como transdutores, convertendo a energia sonora em energia elétrica, no entanto, produzem um sinal muito baixo, o qual precisa ser amplificado.

“No início do século XX, Lee De Forest patenteou o Audion, reconhecido como o primeiro tríodo da história. O Audion, foi a primeira válvula eletrônica usada na amplificação de sinais de áudio e de telégrafo” (FONSECA, 2013). As válvulas são dispositivos eletrônicos encapsulados com bulbo de vidro, trabalham aquecidas por um filamento semelhantes a uma lâmpada incandescente, eram os únicos dispositivos ativos da época, dando assim, início à chamada era da eletrônica, pois permitiam a possibilidade de amplificar sinais. Válvulas ainda são utilizadas em aparelhos High End (Alta Fidelidade) e em amplificadores para instrumentos musicais, em especial a guitarra elétrica e sua contrapartida grave, o contrabaixo elétrico (FONSECA, 2013).

Em 1940, surgiram os transistores, dispositivos eletrônicos constituídos de materiais semicondutores, também utilizados para amplificar sinais, eles foram os principais responsáveis pela revolução da eletrônica (SANTOS, 2016). Com isso, as válvulas começaram a ceder espaço para esses novos dispositivos. No entanto, em paralelo à evolução dos transístores, os amplificadores valvulados ficaram cada vez mais apreciados no mundo da música, pois apresentava maior qualidade sonora quando comparados aos amplificadores transistorizados. Os amplificadores valvulados tornaram-se populares na década de 1950, época que o rock and roll começava a virar febre no mundo, assim as válvulas ganharam o mercado naquela época e são bastante influentes no setor de amplificadores de áudio até os dias de hoje (SOLLO, 2016).

Os amplificadores de estado sólido (transistorizados), são construídos utilizando diversas estruturas, as quais são classificadas em classes nomeadas com letras do alfabeto. Devido a quantidade de classes, serão abordados neste trabalho apenas o princípio da estrutura de um amplificador valvulado e também o projeto e a caracterização do amplificador de estado sólido classe D.

1.1 JUSTIFICATIVA

Nos últimos anos, notou-se um grande avanço tecnológico oriundo de pesquisas nas áreas de eletrônica digital, analógica e de rádio frequência (BERTOLDI, 2016). Porém, com relação ao som proveniente da guitarra, este avanço não foi tão significativo pois ainda continua à preferência dos guitarristas pelo som gerado por amplificadores valvulados, devido sua qualidade de reprodução de áudio e baixíssima distorção harmônica, entretanto, são pesados, frágeis e tem baixa eficiência energética.

“Na prática, um classe D tem eficiência próxima aos 90% e pode ultrapassar os 95% ficando bem acima das outras topologias” (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008). Assim, projetar um amplificador de potência classe D, consiste numa alternativa interessante para elaboração desse trabalho, visto que os amplificadores classe D utilizam componentes mais pequenos e robustos.

1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA

Amplificadores de guitarra protagonizam uma discussão histórica entre amplificadores valvulados e de estado sólido (SOLLO, 2016) . Todavia os músicos ainda preferem os amplificadores valvulados, devido sua qualidade sonora, com distorção harmônica próxima de 1%, no entanto os valvulados são pesados, frágeis, caros e tem eficiência energética muito baixa. Um amplificador valvulado comum utilizado em guitarras elétricas é o LANEY-VC30 com potência de 30W RMS, este amplificador possui eficiência próxima de 30%, distorção Harmônica menor que 1% e pesa cerca de 28,5kg com alto falante já acoplado.

Os amplificadores de estado sólido (transistorizados), são mais leves, menores, robustos e tem eficiência energética muito superior ao amplificador valvulado, no entanto torna-se difícil obter a mesma qualidade sonora proporcionada pelo amplificador valvulado.

Será possível projetar um amplificador de estado sólido classe D que proporcione características semelhantes ao LANEY, porém com mais eficiência?

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Avaliar e quantificar a qualidade sonora e eficiência de um amplificador sólido classe D .

1.3.2 Objetivos Específicos

Para conseguir alcançar o objetivo geral, deve-se realizar os seguintes objetivos específicos:

a) estudar a literatura acadêmica acerca do amplificador de potência classe D; b) caracterizar o amplificador classe D;

c) projetar um amplificador de potência classe D para guitarra elétrica; d) apresentar os resultados encontrados nos teste feitos no amplificador.

1.4 DELIMITAÇÕES

Este estudo terá como proposição projetar um amplificador classe D que tenha uma frequência de corte de 7 KHz, deverá ter uma potência de saída de aproximadamente 200WRMS com carga de 4 ohms, distorção harmônica menor que 1% medidos com um sinal de entrada na frequência de 1kHz e eficiência energética próxima dos 90%, utilizando apenas estruturas de amplificadores de estado sólido (transistorizados), buscando dessa forma atender as necessidades do som proveniente da guitarra.

1.5 METODOLOGIA

Para elaborar esse projeto, faz-se necessário uma pesquisa exploratória, a fim de levantar dados acerca dos tipos de amplificadores bem como de suas topologias. Todavia este trabalho consiste em estudar o problema de amplificação para guitarras elétricas e as classes de amplificadores de potência. Porém entre as várias classes disponíveis, um circuito em particular será projetado, no caso, o amplificador de potência classe D. Para isso este trabalho fará uso do método dedutivo, partindo das ideias gerais e chegando aos conceitos mais específicos. Assim alguns procedimentos se fazem necessários:

a) Estudo dos Amplificadores de Potência Classe D: Será realizado um estudo envolvendo o modo de operação dos amplificadores de potência classe D. Como existem diversas estruturas desses amplificadores de amplificadores, seja do ponto de vista de modulação, topologia do conversor, filtro de saída, entre outros fatores, será realizada uma análise das topologias existentes a fim de entender seu princípio de funcionamento.

b) Estudo do sinal de entrada (Guitarra Elétrica): Em amplificadores de áudio de alta qualidade, busca-se reproduzir o sinal sem distorção (ruído) dentro de toda a faixa de frequências audíveis, uma guitarra não emite sinais em toda essa faixa de frequências, logo a fidelidade do áudio não agrada a maioria dos guitarristas (BERTOLDI, 2016). Portanto, um amplificador específico para uma guitarra não necessita ter uma banda passante tão elevada. Para definir uma banda ideal, faz-se necessária uma análise mais aprofundada desse instrumento musical.

c) Caracterização do Amplificador Classe D: Será descrito o princípio de funcionamento do amplificador Classe D, algumas topologias, suas vantagens e desvantagens. Será definido o modelo de amplificador, o tipo de filtro LC, a escolha da frequência de chaveamento, os circuitos de proteção e serão verificados todos os dados necessários para realizar os testes.

d) Testes: Nesta etapa, será apresentada a montagem do hardware para os testes que envolverem o amplificador Classe D. Serão apresentados os testes com cargas puramente resistivas.

e) Avaliação dos resultados e conclusões: Nesta última etapa serão analisados dados quantitativos e qualitativos obtidos no decorrer do trabalho e as medições experimentais. Também serão abordados os resultados obtidos, apresentadas as conclusões e proposta de continuidade desta pesquisa. Por fim, esperamos que a avaliação empírica do amplificador esteja dentro das especificações.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho apresenta 6 capítulos descritos da seguinte maneira:

a) Capítulo 1- Uma breve introdução aos amplificadores valvulados e amplificadores classe D é apresentada, também são abordados os objetivos deste trabalho bem como a metodologia para elaboração do mesmo.

b) Capítulo 2- Apresenta a fundamentação teórica para o procedimento de elaboração do amplificador, são levantados conceitos e os parâmetros que são analisados ao se projetar amplificadores de potência.

c) Capítulo 3- Descreve a estrutura do amplificador e apresenta os componentes utilizados em amplificadores de potência classe D.

d) Capítulo 4- Neste capítulo é modelado o amplificador, dimensionado todos os componentes de modulação, filtro e chaveamento dos MOSFET’S, bem como o dimensionamento da fonte de alimentação e das fontes auxiliares do circuito.

e) Capítulo 5- Apresenta os resultados obtidos nos testes feitos em laboratório e também é abordado uma relação entre os valores de projeto com os valores encontrados.

f) Capítulo 6- É apresentado a conclusão do trabalho e uma proposta de continuidade desde trabalho.

2 AMPLIFICAÇÃO DE ÁUDIO

No presente capítulo será apresentado uma revisão bibliográfica dos conceitos fundamentais associados ao som (sinal a ser amplificado), o que é o som e como é possível ouvi-lo, descreve ainda o sinal de entrada, os parâmetros dos amplificadores, e por fim será abordado uma breve introdução ao amplificador valvulado e o princípio de funcionamento do amplificador classe D.

2.1 O SOM

De forma simples o som é o que se ouve. No entanto, não e tão simples defini-lo. O som é caracterizado por dois aspectos, sendo eles um físico e um sensorial (BALLOU, 2002). No aspecto físico, o som é produzido por um objeto vibrando. Essa vibração resulta no deslocamento do ar, assim o som se desloca pelo ar como ondas, as chamadas “ondas sonoras”. As ondas sonoras são captadas pela audição e reconhecidas como som (o aspecto sensorial). Desta forma, o som pode ser criado por vários tipos de vibrações como, pela vibração das cordas vocais (voz), pela vibração de uma corda de guitarra, pelo bater da palma de uma mão, pelo vibrar de um alto-falante, etc. (BALLOU, 2002). No entanto, o que realmente dá vida a essas vibrações é o fato de que conseguimos ouvi-las, sendo o ouvido, o responsável por esse fenômeno.

O ouvido humano funciona como um transdutor de variações de pressão do ar, os sinais elétricos são processados pelo cérebro e posteriormente compreendidos pelo ouvinte. Porém as características físicas do ouvido impõem limitações em termos de resposta em frequência, o ouvido atua como um filtro passa banda, assim apenas frequências que se encontrem entre os 20Hz e os 20kHz aproximadamente são percepcionadas. A esta faixa de frequências dá-se o nome de espectro audível. Também se verifica que o aparelho auditivo não apresenta uma resposta uniforme às frequências presentes entre os 20Hz e os 20kHz (AMORIM, 2010, pág. 27).

A estrutura física do canal auditivo pode ser aproximada à de um tubo cilíndrico, que possui em média 0.7 cm de diâmetro e 3 cm de comprimento. Sabendo que para tubos cilíndricos, com uma das extremidades fechadas, se obtém uma frequência de ressonância cujo comprimento de onda é igual a quatro vezes o comprimento do tubo, para o caso do comprimento médio do canal auditivo isso corresponde à frequência de 2870Hz. O que não deixa de ser interessante, pois o ouvido humano é de fato mais sensível na gama de frequências compreendidas entre 2kHz e 5kHz (RUMSEY, 1997, apud AMORIM, 2010, pág. 28).

2.2 AMPLIFICAÇÃO DOS SINAIS DE ÁUDIO

A amplificação dos sinais de áudio, surgiu da necessidade de passar mensagens, sendo elas artísticas ou não. No meio musical, tem-se a necessidade de aumentar a intensidade dos sinais elétricos provenientes dos instrumentos musicais, como é o caso das guitarras elétricas que produzem um sinal musical muito baixo, assim sendo necessário amplificá-lo para que sua “mensagem” seja passada com melhor desempenho (BERTOLDI, 2016).

Dependendo da aplicação a que se destinam, os sinais elétricos podem ser de grande ou pequena intensidade. Em áudio podemos definir três níveis básicos de sinal: nível de microfone ou de baixo sinal, nível de linha e nível de alto-falantes ou alto sinal.

2.2.1 Nível De Microfone ou De Baixo Sinal

O nível de microfone é também conhecido como baixo nível, mic level (Nível de microfone) ou low level (Baixo nível). Segundo Bersam (2012), o nível mais baixo de um sistema de áudio e opera numa faixa que pode ir de – 52 dBu (2 mV) até – 10 dBu (245 mV). Como o nome já diz, é nesta faixa que os microfones trabalham.

Como o sinal é de baixíssima intensidade tem-se a importância em trabalhar com as linhas balanceadas, pois qualquer ruído é facilmente perceptível. Nas mesas de som e consoles, as entradas MIC estão preparadas para receber sinais neste nível de intensidade e por isto possuem baixa impedância de entrada (SOMAOVIVO, 2012).

2.2.2 Nível de Linha

O nível de linha, também conhecido como line level, é o nível de sinal onde operam os instrumentos musicais ativos (violão, guitarra, contrabaixo etc..) e eletrônicos (teclados). Os sinais trocados entre os equipamentos que compõem o sistema de som também trabalham em nível de linha, esta faixa de nível opera entre – 10 dBu (245 mV) até + 30 dBu (24,5 V) (SPADA, 2003).

As entradas Line das mesas são projetadas para suportar o nível de linha e por isto têm a impedância de entrada mais alta que as entradas de MIC. As entradas e saídas dos diversos componentes do sistema de som, com exceção da saída do amplificador, operam igualmente em nível de linha (BERSAN, 2013).

2.2.3 Nível de Alto-Falante

O nível de alto-falante, também chamado de alto nível ou High level, é o nível de operação de saída dos amplificadores. Estes sinais possuem amplitude maior que + 30 dBu (24,5 V) (SOMAOVIVO, 2012).

2.2.4 Sinal de Entrada (Guitarra Elétrica)

As guitarras elétricas nada mais são do que uma adaptação do próprio violão. As guitarras geram sons significativamente baixos, os quais precisam ser amplificados, deste modo para poder obter o sinal de áudio (som) das guitarras elétricas, as mesmas dispõem de captadores magnéticos, estes captadores convertem o som proveniente da vibração das cordas em sinais elétricos, porém com nível de amplitude muito baixos.

Comumente encontra-se guitarras de 21 a 24 trastes ao longo do seu braço. Os trastes visualizados na Figura 1 são pequenas divisões ao longo do braço da guitarra, com a função de dividir cada corda em intervalos, podendo assim gerar qualquer tom ao longo da corda. A afinação da guitarra é feita com a sexta corda em Mi, alguns guitarristas as afinam-na em tons abaixo, como Ré. São aumentados meio tom por cada traste da guitarra, o que significa um aumento da frequência do sinal de aproximadamente 1,0595 vezes por traste (BERTOLDI, 2016).

Figura 1- Traste de uma Guitarra Elétrica

Fonte: (FRATERMUSIC, 2012)

Em geral, os amplificadores buscam reproduzir o sinal de áudio dentro de toda a faixa de frequências audíveis, entretanto uma guitarra não emite sinais em toda essa faixa de frequência. Assim um amplificador destinado a guitarra elétrica não necessita ter uma banda

passante tão elevada. Para definir tal banda necessita-se fazer uma análise das frequências emitidas por este instrumento.

A frequência mais baixa é estipulada pela sexta corda solta. Assim, se esta estiver afinada em Mi, produzirá um sinal de 82,4 Hz. Se afinada em Ré, 73,4 Hz e em um caso mais extremo, caso seja afinada em Dó, 65,4 Hz. Já a frequência mais alta é definida pelo último traste da corda mais fina. Considerando uma guitarra com 24 trastes e sabendo que a corda mais fina também é afinada em Mi (329,6 Hz), encontra-se a frequência do 24° traste, que corresponde a 1318,5 Hz. Por fim, considerando um aumento máximo de 2 oitavas através de um pedal de efeitos, chega-se à uma frequência final de 5274 Hz (BERTOLDI, 2016, pág. 45).

Tendo essas informações, considera-se adequada uma frequência de corte de 7kHz, a qual se destinara a base do projeto deste trabalho, tal valor é capaz de suprir a necessidade para amplificação dos sinais das guitarras elétricas.

2.3 INTRODUÇÃO A ESTRUTURA DOS AMPLIFICADORES

As válvulas são dispositivos eletrônicos encapsulados com bulbo de vidro, trabalham aquecidas por um filamento semelhantes a uma lâmpada incandescente, eram os únicos dispositivos ativos da época, dando assim, início à chamada era da eletrônica, pois permitiam a possibilidade de amplificar sinais. Válvulas ainda são utilizadas em aparelhos High End (Alta Qualidade) e em amplificadores para instrumentos musicais, em especial a guitarra elétrica e sua contrapartida grave, o contrabaixo elétrico (FONSECA, 2013). Na Figura 2 pode-se visualizar como é fisicamente uma válvula eletrônica.

Figura 2- Válvula Audio de Lee Forest

Os transístores surgiram no final da década de 1940 e foram os principais responsáveis pela revolução da eletrônica (SANTOS, 2016). Como consequência disso, válvulas começaram a ser substituídas por esses novos dispositivos.

Os amplificadores de estado sólido podem ser construídos utilizando vários tipos de estrutura, as quais permitem classificar esses amplificadores em diferentes classes. O que determina o tipo de classe de operação de um amplificador é a maneira que os transistores do estágio de saída trabalham. Devido à grande variedade de amplificadores, essas classes e suas respectivas topologias não serão apresentadas no presente trabalho. No entanto, no decorrer do capítulo serão abordadas as estruturas de um amplificador valvulado e a estrutura de um amplificador classe D, que se fazem necessárias para elaboração do amplificador classe D.

2.3.1 Amplificador Valvulado

O presente trabalho, visa o projeto de um amplificador classe D, porém busca características semelhantes ao amplificador valvulado, portanto uma breve introdução aos amplificadores valvulados será abordada a fim de entender seu princípio de funcionamento.

Um amplificador valvulado de guitarra típico consiste de um pré-amplificador, um circuito para controle de tom, um amplificador de potência e um transformador de acoplamento entre o amplificador e o alto-falante (BERTOLDI, 2016).

O pré-amplificador dos valvulados geralmente é construído com válvulas do tipo tríodo, enquanto o estágio de potência costuma ser construída com válvulas do tipo pêntodo. Ainda existem alguns amplificadores híbridos, que usam tanto transistores como válvulas em sua composição. Os amplificadores inteiramente valvulados são chamados de all-tube, portanto, seu pré-amplificador e seu estágio de potência usam apenas válvulas para amplificar o sinal. Duas configurações podem ser usadas, a

single-ended e a push-pull, sendo esta última a mais comum. Na configuração single-ended o sinal de áudio é amplificado com apenas uma válvula. Na

configuração push-pull, um conjunto de duas válvulas de saída conduzindo em fases opostas é utilizado, onde a saída de uma das válvulas é invertida e combinada com a outra através do acoplamento transformador (PAKARINEN; YEH, 2009 apud BERTOLDI, 2016 pág. 23).

O circuito da Figura 3, representa uma configuração básica do estágio de potência de um amplificador valvulado com dois canais de entrada.

Figura 3- Circuito Básico de um Amplificador Valvulado

Fonte: (PAKARINEN; YEH, 2009).

O circuito da Figura 3 tem a configuração push-pull e as válvulas utilizadas são do tipo pêntodo. Na Figura 4 pode-se visualizar as estruturas das válvulas tríodo e pêntodo. “A válvula tipo tríodo Figura 4 (a) possui três terminais: placa, grade e catodo, já a válvula tipo pêntodo Figura 4 (b) possui duas grades a mais que a do tipo tríodo: grade supressora, grade auxiliar e grade de controle, onde esta última equivale-se à única grade da outra válvula” (BERTOLDI, 2016).

Figura 4- Estrutura das Válvulas

Na válvula pêntodo, a grade supressora é mantida a uma tensão negativa em relação à placa e à grade auxiliar, portanto, deve-se ligá-la ao catodo internamente ou externamente. A grade auxiliar deve ser polarizada com potencial sempre mais positivo que o catodo, não sofrendo com as alterações da tensão de placa, isso é feito através do pequeno circuito com os resistores Rscreen (BERTOLDI,2016, pág. 23).

Uma análise do circuito da Figura 3 pode ser feita, para facilitar o entendimento. Os capacitores Cb das entradas input 1 e input 2 inibem a passagem de componentes DC (Direct Current ou Corrente Contínua) formando um filtro passa-alta com os resistores Rg1 e Rg2 para os canais 1 e 2 respectivamente. Esse sinal alimenta a grade da válvula, que no caso da Figura é a grade de controle. Os resistores Rs1 e Rs2 podem ser utilizados para limitar a corrente da grade quando a tensão entre grade e catodo é positiva e para evitar instabilidades. Os resistores Rk1 e Rk2 que estão conectados ao catodo das válvulas são utilizados para realizar uma polarização negativa entre grade e catodo. Por fim, os capacitores Ck1 e Ck2 servem de by-pass, ou desvio, para Rk1 e Rk2 respectivamente (KARJALAINEN; PAKARINEN, 2006,

apud BERTOLDI, 2016, pág. 24).

2.3.2 Amplificador Classe D

O amplificador de classe D é também encontrado como amplificador de comutação. Este tipo de amplificador só funciona em estados on e off, enquanto outros operam em estados permanentemente chaveados, por isso, idealmente, a perda de energia é muito pequena. Em comparação com outros amplificadores lineares, a classe D é geralmente usado no sistema de áudio por causa de sua alta eficiência, alcançando niveis de até 90% de eficiência. O sinal de entrada do amplificador classe D pode ser digital ou analógico, como o som produzido pelas guitarras é analógico o sinal a ser amplificado será desse tipo.

O sistema consiste de um modulador PWM (modulação de largura de pulso) que é usado para gerar um sinal de controle de chaveamento dos transistores do estágio de potência. São aplicados a esta classe dois tipos de modulação, a modulação PWM e modulação Delta-Sigma. Na Figura 5 pode-se observar o princípio de funcionamento de um amplificador classe D.

Figura 5- Princípio de Operação do Amplificador Classe D

Fonte: (BATSCHAUER, 2015).

O modulador PWM irá gerar uma alta frequência com uma forma de onda dente de serra ou uma forma de onda triangular, geralmente de 400KHz a 1MHz (SCHWAAB, 2012). Este sinal é comparado com o sinal de entrada de áudio com uma frequência que varia de 20 Hz a 20 kHz tipicamente. Na Figura 6 observa-se as formas de onda da modulação de largura de pulso.

Figura 6- Modulação por Largura de Pulso

Fonte: (BATSCHAUER, 2015).

A saída do comparador é chamada de saída do sinal de PWM. Este sinal PWM é então usado para chavear os transistores do estágio de potência. Com este tipo de chaveamento o amplificador pode entregar grande energia para a carga. Finalmente, um filtro passa-baixo está aplicada à saída para filtrar as faixas de frequências indesejadas.

2.3.2.1 Modulação

A modulação do um amplificador classe D é um dos principais fatores que influenciam na qualidade do sinal de saída. Qualquer perda de informação do sinal original durante a modulação, provocará distorções na saída e consequentemente, afetará na qualidade do som (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008).

Nielsen (1998) fez uma comparação entre quatro métodos de modulação: modulação por amplitude de pulso (PAM), modulação por posição de pulso (PPM), modulação por densidade de pulso (PDM) e modulação por largura de pulso (PWM). Todas possuem algumas vantagens bastante atrativas. No entanto, a modulação PAM possui limitações quanto a precisão do sinal e a modulação PPM quanto aos níveis requeridos de amplitude de pulso, afetando a eficiência, nível de complexidade e desempenho de áudio. Desse modo, para obter resultados consideráveis, os dois métodos relevantes são o PDM e o PWM (NIELSEN, 1998). O sinal PDM é codificado por meio do processo de modulação delta-sigma (COX; DURST; SILVIA, 2008).

2.3.2.1.1 PWM

A modulação PWM, é uma das técnicas mais comuns, muito utilizada em inversores e outros conversores estáticos.

Em termos práticos a modulação por PWM compara o sinal de áudio com uma onda triangular, ou em dente de serra, que possui uma frequência fundamental que, no mínimo, tem de ser duas vezes superior à frequência máxima do sinal a modular (teorema de Nyquist). Esta comparação origina uma sequência de impulsos à frequência da portadora, em que o seu ciclo de trabalho (duty- cycle) é proporcional à amplitude do sinal de entrada (PIRES, 2010, pág. 44).

A Figura 7 apresenta como o sinal é modulado. Desta forma pode-se visualizar que durante o tempo em que amplitude da onda sinusoidal é superior à da triangular ocorre um impulso, se a onda triangular for superior em amplitude tal fato não acontece.

Figura 7- Modulação PWM

Fonte: (BERTOLDI, 2016).

Um dos elementos envolvidos na modulação por PWM, é a onda triangular, ou dente de serra, que deve ter uma frequência igual à que se deseja efetuar a modulação do sinal (BERTOLDI, 2016).

A frequência dos pulsos de saída é definida através da frequência do sinal de rampa. Assim, a escolha do tipo e o dimensionamento do tamanho do filtro de saída também são definidos através desse parâmetro. Desse modo, quanto maior a frequência, maior a facilidade de filtrar componentes harmônicas indesejáveis e menor o tamanho físico do filtro. Entretanto, devido a limitações tecnológicas de componentes utilizados, existe um limite máximo para essa frequência de operação (HEERDT, 1997, apud BERTOLDI, 2016, pág. 67).

Segundo Batschauer (2012) o número de níveis da modulação é definido pelo número de portadoras menos um, ou seja, na modulação de três níveis são necessárias duas portadoras. Entre os meios de aplicar essa última técnica, as portadoras podem estar com o mesmo nível DC, porém defasadas, ou estar com níveis DC diferentes, podendo neste último caso estar dispostas em fase, oposição de fases ou oposição alternada de fase (HEERDT, 1997). As vantagens e desvantagens dos meios de aplicação dessa técnica estão relacionadas com as perdas de comutação, a distribuição de perdas nos semicondutores e a THD (Distorção Harmônica Total), que é uma medida de distorção harmônica que contempla em seu cálculo a ordem das componentes harmônicas (BATSCHAUER, 2012).

2.3.2.1.2 Delta-Sigma

Essa técnica permite deslocar todo o ruído gerado durante a modulação para as altas frequências, tornando-o inaudível (SCHWAAB, 2012).

Um diagrama de blocos, de forma simplificada, pode ser visto na Figura 8. O sinal de áudio é ligado à entrada do integrador. Quando este sinal ultrapassa um determinado limite, a entrada do integrador é redefinida, devido à realimentação negativa. “Na saída do

latch D uma sequência de pulsos com larguras e espaçamentos variáveis entre si é criada, na

qual a distribuição do tempo de densidade representa a amplitude instantânea do sinal de entrada original” (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008). A implementação desta técnica não é tão simples comparada à modulação PWM. Como o objetivo deste trabalho não é o estudo de modulações, não será realizada uma análise mais aprofundada desta técnica. Figura 8- Diagrama de Blocos Modulador Delta-Sigma

Fonte: (BERTOLDI, 2016).

2.4 PARAMETROS DO AMPLIFICADOR

Para uma melhor avaliação do processo de desenvolvimento do amplificador, será abordado os temas mais comuns relacionado aos parâmetros do amplificador. Se fará uso dos métodos que expressam valores numéricos das características dos amplificadores tais como potência, resposta em frequência, distorção, sensibilidade, etc.

2.4.1 Potência de Saída

Potência de saída é um dos parâmetros mais importantes quando se fala de amplificação de sinais, no caso deste projeto à amplificação do som da guitarra elétrica, com ela se pode ter uma ideia do volume de som que o amplificador pode fornecer. No entanto existem diversas maneiras de especificar a potência de um amplificador, das quais serão

citadas apenas a potência RMS (Root Mean Square) e a potência PMPO (Máximo Pico de Potência de Saída) que são mais conhecidas comercialmente.

2.4.1.1 Potência RMS

É a potência eficaz RMS fornecida pelo amplificador, é definida pelo produto da média quadrática da tensão de saída, pela corrente extraída ao longo de um período que o amplificador opera sem distorção na saída, conforme equação (1).

P_saida=E 2

ef

R (1)

Onde:

P_saida = Potência na Carga

E2ef = Tensão de saída multiplicado pela raiz quadrada de 2 R= Resistencia da Carga

2.4.1.2 Potência PMPO

A potência PMPO foi uma medida muito utilizada nos modelos comerciais dirigidos à população em geral, hoje em dia se tornou mais habitual vermos as potências dos amplificadores como potência RMS, entretanto a PMPO é a medida mais arbitrária e duvidosa das que se tem conhecimento.

Em pesquisas realizadas, esta especificação atingiu de 2 a 22 vezes o valor RMS onde, quanto menor a qualidade do equipamento maior o multiplicador em relação à potência real que pode ser fornecida pelo mesmo. Em equipamentos profissionais esta medida é desconsiderada, utilizando-se então a potência RMS e uma especificação de reserva de potência (headroom)para exprimir a capacidade do amplificador em reproduzir picos musicais aleatórios (HEERDT, 1997, pág. 26).

Para poder ter uma noção básica da diferença entre as duas potências pode-se utilizar o seguinte exemplo:

Exemplo - Se um amplificador estiver sendo alimentado por uma tensão de barramento contínua de 12V e operando com um alto-falante de 8Ohms, este poderá fornecer à saída no máximo 12V, portanto utilizando a equação (2) clássica de circuitos calcula-se a potência máxima que o mesmo poderá fornecer ao alto-falante considerando este como um resistor:

Psaida=12 2

8 =18 W (2)

Esta seria então a potência máxima para o amplificador em questão e que poderia ser chamada de PMPO. Para a potência RMS teremos na equação (3):

P_saida=

(

√

)

Note que o valor RMS obtido, é muito mais baixo que o valor obtido com a potência PMPO.

2.4.2 Distorção

Em grande parte das aplicações dos circuitos amplificadores, temos a necessidade de amplificar sinais com um mínimo de distorção. Assim espera-se que seus dispositivos operem o mais linearmente possível.

Aplicando qualquer sinal em um amplificador, esperamos que este seja simplesmente amplificado. No entanto, se este sinal sofrer qualquer tipo de alteração (deformação), dizemos que sofreu uma "distorção".

Independentemente do modo como opera o amplificador, uma distorção pode ser avaliada de várias formas (SCHWAAB, 2012). Será citado suscintamente a THD.

2.4.2.1 THD

Um sinal periódico pode ser representado por uma composição de senos e cossenos (tons puros), denominados harmônicos (série de Fourier), os harmônicos são sinais distintos com frequências múltiplas inteiras de uma dada frequência, denominada fundamental (HEERDT, 1997).

Se provocado uma distorção em um sinal senoidal puro, aparecerão harmônicos cujas frequências e amplitudes serão proporcionais à quantidade e tipo desta distorção que foi provocada (SCHWAAB, 2012).

A Distorção harmônica total ou taxa de distorção harmônica e representada pela razão da raiz quadrada da soma do quadrado do valor eficaz de cada harmônica individual pelo valor eficaz da fundamental expressa na equação (4) (HEERDT, 1997).

Assim será obtido:

THD=

√

A THD normalmente é expressa em "%"ou em dB, então: THD% = THD ×100

THDdB = 20 × log (THD)

2.4.3 Relação Sinal / Ruido

Este parâmetro mostra a qualidade do amplificador em relação ao ruído. Se o que interessa é o sinal, quanto menor o ruído, melhor. Então, quanto maior a relação S/N (sinal/ruído), melhor será o amplificador em relação ao ruído. A relação sinal/ruído é na maioria das vezes expressa em dB (CEREZO, 2012).

Se S e N estão em volts a equação (5) que os solucionam.

S

N=20∗log

(

)

Se S e N estão em Watts a relação é expressa pela equação (6):

S

N=10∗log

(

)

A relação sinal ruído é idealmente mostrada como a relação, em dB, entre a potência do sinal de áudio com 1W de potência e a potência produzida pelo ruído.

2.4.4 Resposta em frequência

Quando se realiza a medição de potência de um amplificador, se faz em uma única frequência escolhida, mas se deseja que o amplificador tenha o mesmo comportamento em

toda faixa de áudio, deve-se reproduzir, com iguais características de magnitude e fase, os graves, médios e agudos de qualquer tipo de sinal de áudio (BORTONI, 2012).

2.4.4.1 Magnitude

A magnitude é a relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída do amplificador. Se para cada frequência contida no espectro de áudio forem feitas as medições de ganho e plotados esses valores numa escala mono-log, construísse o gráfico da resposta em frequência da magnitude (SCHWAAB, 2012).

A resposta em frequência da magnitude é especificada por uma determinada potência, que normalmente é à metade da potência máxima (-3dB) (HEERDT, 1997). Normalmente o valor do ganho é expresso em dB, conforme a equação (7):

GV_DB=20∗log(GV )(7)

A Figura 9 mostra um gráfico onde a resposta em frequência de magnitude na faixa de frequência audível é plana, fato desejável em um amplificador de áudio.

Figura 9- Resposta em Frequência de Magnitude

Fonte: (RODRIGUES, 2012).

2.4.4.2 Fase

Da mesma maneira que se tem a resposta em frequência da magnitude, também existe a resposta em frequência da fase. “Se para cada frequência contida no espectro de áudio, forem relacionados a fase do sinal de saída com a fase do sinal de entrada e plotados o

resultado numa escala mono-log, construísse o gráfico da resposta em frequência da fase” (SCHWAAB, 2012).

A resposta em frequência da fase deve ser especificada sob as mesmas condições que foi especificada a resposta em frequência da magnitude (BORTONI, 2013).

A Figura 10 mostra um gráfico da resposta em frequência de fase na faixa de frequência audível. A faixa na frequência audível é praticamente plana, algo desejável nos amplificadores.

Figura 10- Resposta em Frequência de Fase

Fonte: (RODIGUES, M 2012).

2.4.5 Fator de Amortecimento

O fator de amortecimento, ou Damping Factor, é, por definição, a relação entre a impedância da carga e a impedância de saída do amplificador, geralmente expressa pela equação (8). D=Z l Z 0 (8) Onde: D = Fator de amortecimento Zl=Impedância da carga

Z0= Impedância de saída do amplificador

Na prática, são usadas apenas os resistores envolvidos. Pode-se medir o fator de amortecimento através das tensões de saída do amplificador, com e sem carga conforme equação (9):

D= V l

V 0−V l

(9) Onde:

Vl =Tensão na carga (especificada).

V0 =Tensão de saída do amplificador, sem carga.

Se o fator de amortecimento for alto, isso indica uma baixa impedância de saída do amplificador, o que possibilita um bom controle da tensão sobre os alto-falantes, porém quando a impedância de saída é alta, esta interage com a impedância de carga (alto-falantes, filtros) prejudicando a definição de áudio. Em muitos amplificadores, na classe D, faz-se a realimentação no sinal de entrada através de uma amostra do sinal de saída. Nestes casos a impedância de saída depende diretamente do tipo de realimentação utilizado (HEERDT, 1997, pág. 35).

Para se descobrir a impedância de saída de um amplificador utiliza-se análise de circuitos elétricos. Em uma determinada frequência e amplitude do sinal de saída, mede-se a amplitude do sinal de saída a vazio e depois amplitude do sinal com a carga (BORTONI, 2012), obtendo-se então, a tensão do equivalente “Thévenin” a vazio e a diferença de potencial sobre a impedância de saída. Calcula-se então a impedância de saída através do divisor de tensão formado (HEERDT, 1997).

2.4.6 Sensibilidade

Esse parâmetro informa qual o nível do sinal de entrada que leva o amplificador à potência nominal. “Se o ganho do amplificador for constante, existirá um único valor de sinal de entrada que o levará à máxima potência, um amplificador mais sensível é aquele que necessita de menor nível de sinal de entrada para atingir a máxima potência” (SCHWAAB, 2012).

3 CARACTERIZAÇÃO DO AMPLIFICADOR CLASSE D

3.1.1 Interruptores (Transístor BJT, MOSFET)

O desempenho do amplificador em termos de eficiência energética e distorção harmônica, está diretamente relacionado com a escolha adequada dos interruptores de potência. Geralmente em Amplificadores Classe D são encontrados dois tipos de chaves (interruptores), O MOSFET e o transistor BJT.

3.1.1.1 BJT (Transístor Bipolar de Junção)

Uma chave (Interruptor) ideal é um perfeito curto-circuito quando ligada e uma impedância infinita quando desligada, além de comutar instantaneamente (BORTONI, 2016). O BJT é o tipo de chave mais utilizada em amplificadores, possui 3 terminais (Base,

Collector e Emitter) (AMORIM, 2012). Na Figura 11 pode ser visualizado a estrutura de um

transístor BJT.

Figura 11- Transístor BJT

Fonte: (AS220 Industries, 2008).

Existem dois tipos de BJT, os transístores NPN e os transístores PNP. Os NPN’s possuem semicondutor do qual são feitos à base, o collector (coletor) e o emitter (emissor) dopados com N-P-N, ou seja, são dopados com duas camadas negativas e uma positiva como pode ser visualizado na Figura 12.

Figura 12- BJT Dopado com N-P-N

Fonte: (Elaboração do Autor)

Os transístores PNP’s por sua vez, são dopados de forma inversa, o material com que é feito é dopado com PNP, o seja, duas camadas positivas e uma negativa. Na Figura 13 pode-se visualizar a dopagem PNP.

Figura 13- BJT Dopado com P-N-P

De forma simples o BJT opera como um interruptor controlado por corrente. Para entrar e se manter em condução, deve-se manter uma corrente constante em sua base. Também é necessário que o circuito que injeta corrente na base seja capaz de absorver a corrente para que possa entrar em corte de forma rápida.

3.1.1.2 MOSFET (Metal-Oxide Field Effect Transistor)

O MOSFET ou transistor de efeito de campo metal-óxido, utilizado neste projeto representa uma classe especial de transístores de efeito de campo tanto em circuito digitais ou analógicos (SCHWAAB, 2012). Como os BJT’s os MOSFET’s também são dopados tanto de maneira NPN, quanto PNP. Possuem 3 terminais (Gate, Drain e Source), funcionam de forma semelhante aos transistores bipolares, porém, são controlados por tensão. Na Figura 14 visualiza-se a estrutura e simbologia de um MOSFET.

Figura 14- Estrutura e Símbolo do MOSFET

Fonte: (Adaptado de AS220 Industries, 2008).

Assim, o circuito de controle (Driver) deve ser capaz de fornecer uma tensão entre os terminais Gate e Source com valor superior à tensão de limiar (VTH) e também deve ser capaz de fornecer e retirar corrente para que o MOSFET possa entrar em condução ou em corte (AMORIM, 2012).

A corrente que circulará entre o terminal Drain e o Source do MOSFET, é controlada pela tensão aplicada no terminal Gate. Este último possui uma separação dielétrica dos outros dois, gerando então uma corrente quase nula no Gate, e um campo elétrico que influencia no Drain e no Source (OLIVEIRA, 2016). Na Figura 15 visualiza-se a representação dos dois tipos básicos de MOSFET’s.

Figura 15- Tipos Básicos de MOSFET’S

Fonte: (Adaptado de Laboratório de Garagem, 2012). 3.1.2 Topologias de Amplificadores Classe D

As topologias empregadas no circuito influenciam estrutura e nos componentes que compõem o restante do amplificador. Comummente são encontrados dois tipos de topologias nos Amplificadores Classe D, sendo elas topologias de meia ponte e de ponte completa (AMORIM, 2012).

3.1.2.1 Meia Ponte (Half Bridge)

A topologia de meia ponte, que será utlizada neste trabalho é mais simples que a de ponte completa, utiliza apenas dois interruptores (Q1 e Q2) como mostrado na Figura 16. Figura 16- Topologia de Meia Ponte

O circuito de meia ponte utiliza para alimentação do amplificador e dos interruptores uma fonte simétrica, que nada mais é que uma fonte com duas tensões de saída de iguais valores, porém, uma positiva e uma negativa.

O que implica na utilização da topologia de meia ponte, é o fato de ocorrer o fenômeno de Bus Pumping, que é identificado quando uma carga indutiva devolve sua energia armazenada para fonte de alimentação (AMORIM, 2012). No entanto em baixas potencias esse fenômeno não é muito significativo.

A configuração em meia ponte é atraente por muitos motivos, com ela pode-se alcançar eficiência próxima dos 90% em baixas potências. Também devido ao fato de utilizar apenas dois interruptores seu circuito utiliza poucos componentes, o que minimiza o espaço utilizado por drivers e por dissipadores de calor na placa do circuito impresso (AMORIM, 2012).

3.1.2.2 Ponte Completa (Full Bridge)

A topologia de ponte completa utiliza 4 interruptores como mostrado na Figura 17, porém, diferentemente da topologia de meia ponte não necessita de uma fonte simétrica. Figura 17- Topologia de Ponte Completa

Fonte: (Elaboração do Autor)

O circuito de ponte completa utiliza 4 interruptores dispostos dois a dois em cada braço. Com uma modulação adequada, o circuito de ponte completa não apresenta o fenômeno de Bus Pumping, e pode-se contar com a vantagem de se conseguir em seus terminais de saída a tensão fornecida pela fonte (AMORIM, 2012). A topologia ponte

completa é melhor no desempenho de áudio. Uma topologia em ponte completa permite a

utilização de um melhor esquema de modulação, como PWM de três níveis, que permite a redução do filtro de saída (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008).

3.1.3 Circuito Driver

O circuito de driver é utilizado para o controle e acionamento dos interruptores. Este deve ser capaz de fornecer a energia necessária para carregar as capacitâncias internas do MOSFET com uma velocidade capaz de carregá-las dentro de um tempo estipulado (PIRES, 2010). Em amplificadores modernos, são utilizados como drivers circuito integrados, pois permitem controlar o tempo que um MOSFET leva para entrar em condução assim que o MOSFET que estava conduzindo deixe de conduzir e vice-versa, ou seja o tempo “morto” (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008).

O ajuste do tempo morto entre valores pré-definidos, proporciona um controle mais preciso da distorção harmônica e diminui as chances de ocorrer o fenômeno denominado shootthrough. Esse fenômeno é o curto-circuito de braço, muitas vezes ocasionados devido à um atraso no comando das chaves, o que faz com que uma chave feche antes que a outra abra. (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008, apud BERTOLDI, 2016, pág. 71).

Um dos problemas que ocorrem em topologias meia ponte ou ponte completa é o fato do interruptor superior do braço do inversor não ser referenciado em relação à terra do circuito, assim, este é referenciado à um ponto de tensão variável (PIRES, 2010).

Uma solução para este problema é utilização do circuito Bootstrap, composto basicamente por um diodo e um capacitor, como visto no circuito da Figura 18.

Figura 18- Circuito Driver com Bootstrap

O funcionamento desse circuito é relativamente simples. O capacitor C1 é carregado com a tensão Vcc através de D1 enquanto o interruptor Q2 está fechado. Quando Q2 é aberto, C1 fornece uma tensão de referência correta para o driver acionar Q1. É necessário ter uma diferença de potencial positiva entre os pinos de gate e source do MOSFET. Como o capacitor tem o modelo de uma fonte de tensão, essa diferença de potencial é garantida através do driver. É importante observar que o capacitor não deve ter um valor muito baixo, de modo que possa fornecer a energia necessária para Q1 permanecer em condução durante todo o tempo necessário. Alguns CI’s de driver já contém o circuito bootstrap internamente (SCHWAAB, 2012, apud BERTOLDI 2016, pág. 73).

3.1.4 Filtros de Saída

O filtro de saída é utilizado para demodular o sinal de saída, ou seja, eliminar a frequência de comutação. O filtro mais utilizado em Amplificadores Classe D é o filtro Passa-Baixa, tal filtro permite a passagem da frequência que corresponde ao sinal de áudio e atenua as frequências relativas da frequência de comutação.

O filtro Passa-Baixa é comummente utilizado, pois apresenta uma resposta de frequência plana na banda de passagem e uma atuação de -40dB/década na banda de transição (SCHWAAB, 2012). Na Figura 19 pode-se visualizar o diagrama de Bode com a resposta em frequência em diferentes níveis de fator de amortecimento.

Figura 19- Diagrama de Bode do Filtro LC

Nesse filtro, um capacitor é colocado em paralelo com a carga, e em série com o indutor. A maioria dos projetos é feita desconsiderando o modelo da carga, onde utiliza-se apenas a resistência fornecida pelo fabricante, que geralmente é medida em 1kHz, frequência na qual não ocorre o pior caso em termos de porcentagem de ondulação de corrente (BERTOLDI, 2016).

O circuito ilustrado na Figura 20, apresenta um filtro Passa-Baixa de segunda ordem. Considerando o alto falante como a “carga” em seu modelo resistivo e trabalhando com impedâncias no domínio da frequência, através do teorema de Laplace, faz-se, o paralelo entre o alto falante (carga) e o capacitor de saída, para que possa-se aplicar o divisor de tensão para então ser obtida a relação da tensão de saída V0 em função da tensão de entrada Vab e dos parâmetros do circuito. Tal relação é chamada de função de transferência, essa função é utilizada para se determinar a resposta em frequência e a frequência de corte do filtro (HEERDT, 1997).

Figura 20- Filtro Passa-Baixa

Fonte: (ADAPTADO DE SCHWAAB, 2012).

Realizando-se os devidos cálculos a função de transferência pode ser expressa pela equação (10): V 0 Vab= 1 S2∗L∗C+S∗L R +1 (10)

Com as equações (11) e (12) pode-se determinar a frequência de corte e o fator de amortecimento do filtro respectivamente:

W f = 1

√

É comum se utilizar o fator de amortecimento igual a 0,7 a fim de se obter uma resposta mais próxima do comportamento assintótico de um filtro passa baixa de segunda ordem sem elevação de amplitude na frequência de ressonância do filtro (SCHWAAB, 2012).

4 DIMENSIONAMENTO E ESCOLHA DOS COMPONENTES

As especificações básicas do amplificador projetado compreendem uma potência de saída de 200W, impedância de saída de 4 Ohms, baixo índice de distorção harmônica, menor que 1%, eficiência próxima dos 90% e pouco espaço utilizado, visando também um menor custo do amplificador. Para que seja possível chegar a tais resultados, o dimensionamento dos componentes do circuito se faz necessário. Na Figura 21 encontra-se o esquemático do amplificador projetado.

Figura 21- Esquemático do Amplificador Projetado

Fonte: (Elaboração do Autor).

4.1 CIRCUITO DE CONTROLE (DRIVER)

No decorrer deste trabalho encontrou-se a estrutura IRAUDAMPS, uma estrutura que utiliza um circuito integrado muito eficiente, e que pode ser utilizado para vários destinos, desde modulação auto oscilante para amplificadores, como também controle de motores. Essa estrutura utiliza o CI (Circuito Integrado) Driver IRS2092 como circuito de controle dos MOSFET’s. Na Figura 22 encontra-se a estrutura típica utilizada com o IRS2092.

Figura 22- Estrutura Típica Utilizada com o IRS2092

Fonte: (APLICATION NOTE AN1138).

O Amplificador trabalha com modulação auto oscilante, assim o IRS2092 se encarrega não só de fazer a modulação do sinal, como também atua como driver controlando os MOSFET’s. O CI disponibiliza circuitos para controle de sobrecorrente nos MOSFET’s de saída, tal corrente deve ser dimensionada conforme as especificações fornecidas pelo fabricante do MOSFET.

4.1.1 O IRS2092

Como todo circuito integrado, cada pino do IRS2092 tem uma função, as quais são utilizadas para modular o sinal de entrada, controlar os MOSFET’s de saída dentre outras coisas que serão mencionadas no decorrer do trabalho. Na Figura 23 pode-se visualizar como estão dispostas as funções do CI IRS2092.

Figura 23- Funções do IRS2092

As funções dos pinos IRS2092 são fornecidas pelo fabricante, as quais são:

Ficam responsáveis pela alimentação da parte analógica do IRS2092, os pinos 1 (VAA) e 6 (VSS), tendo como tensão nominal o valor de +5V e -5V respectivamente, e corrente máxima de 20mA sendo o valor nominal 10mA.

O pino 2 (GND) é o terminal de terra comum das tensões de +5V e -5V.

Os pinos 3 (IN-) e 4 (COMP) respectivamente são, a entrada inversora de sinal analógico e entrada de sinal para comparação ou entrada de compensação de fase.

O pino 5 (CSD) é o terminal de conexão do capacitor para a base de tempo do

reset e base de tempo para acionamento após atuação da proteção.

O pino 7 (VREF) fornece uma tensão de 5V para referência do ajuste do ponto de proteção.

O pino 8 (OCSET) é o terminal usado para se ajustar o ponto de atuação da proteção de sobre corrente do MOSFET inferior.

O pino 9 (DT) é o pino usado para se configurar o tempo morto.

O pino 10 (COM) é o pino onde é conectada a tensão –B (negativa) da fonte e que serve como retorno da alimentação da parte inferior do driver do IRS2092.

O pino 11 (LO) é o terminal do sinal de saída para o gate do MOSFET inferior. O pino 12 (VCC) é o terminal de alimentação da parte inferior do driver do IRS2092, tendo como valor nominal +12V.

O pino 13 (VS) serve como retorno da alimentação da parte superior do driver do IRS2092.

O pino 14 (HO) é o terminal do sinal de saída para o gate do MOSFET superior. O pino 15 (VB) é o terminal de alimentação da parte superior do driver do IRS2092, tendo como valor nominal +12V.

E finalmente o pino 16 (CSH) é o pino usado para o sensoriamento da corrente de carga do MOSFET superior para a configuração da proteção de sobre corrente.

4.2 ESCOLHA DA TOPOLOGIA

A escolha da topologia foi baseada em alguns fatores, dentre eles o fenômeno Bus

Pumping, THD (%) e custo total do circuito, fatores que são objetivos desde projeto. A

Bruno Bertoldi (2016), esta topologia apresenta maior índice de distorção do sinal de entrada, aproximadamente 2,13%, conforme gráfico da Figura 24.

Figura 24- Índice de THD de Algumas Topologias

Fonte: (Adaptado de Bertoldi, 2016).

A topologia de meia ponte (Half Bridge), no entanto, mostrou-se com um índice muito menor, com uma THD de 1,70%, praticamente a metade da distorção gerada pela topologia de ponte completa. O fenômeno Bus Pumping por sua vez, diferentemente da topologia de ponte completa se faz presente, porém em baixas potências esse fenômeno pode ser desprezado.

Com relação ao custo a topologia de meia ponte é muito mais vantajosa, tendo em vista a aplicação de apenas um driver de controle em conjunto com 2 MOSFET’s que seriam os componentes mais caros do circuito, já na topologia de ponte completa são empregados 4 MOSFET’s tornando o projeto um pouco mais caro. Havia também a opção de duplo meia ponte, porém apresenta o maio índice de distorção e apresenta o fenômeno Bus Pumping inviabilizando sua utilização. Assim, optou-se por utilizar a topologia de meia ponte devido aos fatores citados, bem como maior facilidade de construção do amplificador.

4.3 MOSFET

Os MOSFET’s são responsáveis por grande parte da perda de eficiência de energia. Assim, alguns aspectos devem ser analisados para a escolha do componente a ser utilizado. O MOSFET escolhido foi o IRFB4019. Tal escolha se explica devido alguns fatores que otimizam sua aplicação em amplificadores de áudio, dentre eles pode-se citar:

• Baixa resistência de condução RDS(on) de 80mΩ; • Parâmetro de carga de gate (Qg) de 13nC;

• Corrente contínua no Drain (Continuous Drain Current) de 17A a 25° C ; • Corrente contínua no Drain (Continuous Drain Current) de 12A a 100° C ; • Carga de recuperação reversa (Qrr) de 160nC;

• Tempo de recuperação reversa (trr) de 64ns;

• Tempo de subida e descida da corrente de 13ns e 7,8ns respectivamente; • Resistência interna de 2,4 Ω;

• Máxima tensão entre dreno e fonte (BVDSS) de 150V; e • Temperatura de junção máxima (TJmax) de 175°C.

Definido o MOSFET a ser utilizado, consegue-se calcular as perdas no componente.

4.3.1 Temperatura da Junção do MOSFET

Quando uma corrente circula por qualquer componente, uma potência é dissipada. Essa potência é igual ao produto do quadrado da corrente pela resistência pela qual a corrente está percorrendo (BERTOLDI, 2016). Tal potência dissipada é convertida essencialmente em calor, o que se denomina de efeito Joule.

O cálculo da tempera da junção do MOSFET, se faz necessário para saber se há necessidade de utilizar dissipadores de calor para ajudar a dissipar a potência em cima do MOSFET.

O IRFB4019 tem como temperatura de junção máxima o valor de 175° C. Para se saber a tempera na junção necessita-se saber as perdas totais do MOSFET e o valor da resistência térmica da junção até o ambiente. Como torna-se difícil chegar-se ao valor exato das perdas, segundo Edison Schwaab (2012) são considerados dois tipos de perdas em aplicações de áudio, sendo elas, perdas por condução e perdas na comutação, esta é dividida em perdas no bloqueio e perdas na entrada em condução.

Para o cálculo das perdas por condução, é preciso identificar o valor da resistência de condução ( RDS_on ), que após ser submetido ao aumento da temperatura seu valor é alterado. O IRFB4019 varia sua resistência de condução de 80mΩ a temperatura ambiente (25°C) até 95mΩ á 175°C. Para fazer os cálculos será utilizado uma temperatura de 130°C onde o valor de RDSon é aproximadamente 87mΩ.

Para se fazer os cálculos preciso saber da frequência de comutação do circuito, que neste caso é de 400kHz, definidos pelo fabricante do CI e por consequência um período

(Tfs) de 2,5us, e também se supõe que a razão cíclica seja de 0,5 se o sinal de entrada for 0 e de 1 se o sinal de entrada tiver seu valor máximo. Assim os cálculos devem ser realizados considerando um sinal senoidal de 1kHz, valor esse que ocorre o pior caso de distorção do sinal de entrada.

Sabendo de todos estes parâmetros pode-se dar início ao cálculo das perdas, que primeiramente precisa-se saber o valor da corrente de pico do projeto. A corrente de pico pode ser expressa pela equação (13).

I_p=

√

Rcarga

∗

√

√

4 Ω ∗

√

A perda por condução é calculada pela equação (14), (15) e (16), onde se encontra um valor aproximado da energia em um determinado período do sinal de entrada e por fim calcula-se o valor da perda por condução.

Rds (on)∗(Ip∗sen(¿i∗π 200)) 2 ∗(0,5+0,5∗sen(i∗π 200))∗Tfs(14) E=

_∑

_∑

Pcond=E∗Fsenoide=2,01 mJ∗1 kHz=2,01 W (16) Onde:

Ip = Corrente de pico de condução. Rds(on) = Resistência de condução. Tfs = Período da frequência de comutação. E = Energia.

F_senoide = Frequência da senoide (1kHz).

P_cond = Perdas de condução.

R_carga = Impedância de saída do amplificador.

Para o cálculo da perda por comutação, devem ser conhecidos os valores de corrente que circula pelo MOSFET, ou seja, a corrente que passa entre o Drain e Source do componente, o valor de tr (Tempo de Subida) que é o tempo que o MOSFET leva para mudar o estado de bloqueio para o estado de condução e também o valor de tf (Tempo de Descida) que é o tempo que ele leva para mudar o estado de condução para o estado de bloqueio. O valor da corrente de condução é definido pela equação (17).

I_cond=Ip

π =

10

π =3,18 A (17)

Os valores de tr e tf para o IRFB4019 são respectivamente 13ns e 7,8ns. A tensão do MOSFET para este tipo de circuito é igual a tensão da fonte 50V e a corrente é igual a corrente de pico calculada em (18). Assim a perda por bloqueio é calculada por:

P_bloq=1

2∗Vcc∗Icond∗tf ∗fc= 1

2∗100∗3,18∗7,8 n∗400 k =0,49W (18)

Para o cálculo da perda por entrada em condução, deve ser levado em consideração o valor das perdas causadas tempo de recuperação reversa do diodo do MOSFET, ou seja, o valor de Qrr, que para o IRFB4019 é de 160nC. O valor da perda por entrada em condução e calculado pelas equações (19) e (20).

P_econd=1

2∗Vcc∗Icond∗tr∗fc+Qrr∗Vcc∗fc(19)

P_econd=1

2∗100∗3,18∗13 n∗400 k +160 n∗100∗400 k=7,22 W (20) Onde:

I_cond = Corrente de condução.

Pbloq = Perdas por bloqueio.

P_econd = Perda por entrada em condução.

fc = Frequência de comutação tr = Tempo de subida da corrente.