Projeto de amplificador de áudio utilizando Amplificador Operacional LM358 PDF

Preview

Summary

Relatório de Eletrônica básica. Experimento: Amplificador Operacional de áudio com op-amp LM358...

Description

Universidade Federal do Oeste do Pará Instituto de Engenharia e Geociências Programa de Ciência e Tecnologia

Projeto de amplificador de áudio com circuito classe B e Amplificador Operacional LM358 Equipe: Georgios Ninos Everton Torres

Santarém – PA 2014

APRESENTAÇÃO

Este projeto visa atender os critérios da terceira avaliação da disciplina de Eletrônica Básica do Bacharelado Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia, ministrada para a turma de 2011. O objetivo é elaborar um circuito eletrônico, onde haja uma amplificação de potência através da utilização de um arranjo classe B de transistores com operação push-pull, auxiliado por um amplificador operacional de modelo LM358. Um sinal de áudio deve ser amplificado e sair através de um speaker (caixa de som) com resistência de 8 Ω. A montagem deste circuito deve ser testada em laboratório para comprovação de funcionamento do mesmo.

INTRODUÇÃO

Segundo BOYLESTAD & NASHELSKY (1998), um amplificador recebe um sinal de um determinado transdutor ou outra fonte de entrada, e fornece uma versão amplificada desse sinal para um dispositivo de saída ou outro estágio amplificador. No caso deste projeto, o sinal de entrada, a priori foi transmitido a partir de um gerador de sinais logo em seguida foi gerado da conexão de saída de áudio de um celular, e o dispositivo de saída amplificada foi um speaker de 8 Ω. No circuito se utilizou um arranjo classe B entre dois transistores, um do tipo NPN e outro PNP, onde cada um fornece uma saída durante cada ciclo positivo ou negativo. A combinação dos meios ciclos fornece, então, uma saída para os 360° completo de operação. Este tipo de conexão é chamado push-pull. Porém, este tipo de arranjo causa uma distorção na forma de onda de saída, no cruzamento (crossover) entre os dois meios-ciclos. Como solução para isso, utiliza-se um amplificador operacional (amp-op) de modelo LM358, com realimentação negativa, para reduzir o achatamento da forma de onda durante este crossover.

Figura 1 – Representação do circuito utilizado na amplificação do sinal de áudio. Q 1 e Q2 são, respectivamente, os transistores NPN e PNP. O dispositivo LM358AD representa o amp-op LM358. Fonte: Elaborada pelos autores.

Circuito classe B Embora um único sinal de entrada seja aplicado na base de ambos os transistores, cada um conduzirá em um meio ciclo oposto ao outro, devido às suas características. O transistor NPN será polarizado pelo meio ciclo positivo do sinal, já o PNP será polarizado pelo meio ciclo negativo de sinal. A carga ligada à saída de ambos os emissores receberá um sinal completo e amplificado. Uma desvantagem na utilização deste circuito é a necessidade de fontes de tensão simétricas para a polarização do sinal. Este tipo de circuito apresenta também a desvantagem da distorção de crossover, que BOYLESTAD & NASHELSKY (1998) definem como uma não linearidade do sinal de saída durante a passagem do sinal positivo para o negativo (ou vice-versa). A distorção resulta do fato de haver um atraso entre o tempo em que um transistor é cortado e o outro começa a conduzir. Este tipo de distorção ocasiona um achatamento na forma de onda durante o crossover, como mostrado na figura 2.

Figura 2 – Representação de uma distorção de crossover. Fonte: BOYLESTAD & NASHELSKY (1998). Há soluções para este problema, como polarizar os transistores na classe AB, onde ocorre condução por mais da metade de um ciclo, o que não é o caso neste projeto. O circuito opera totalmente em regime classe B, os transistores nunca conduzem ao mesmo tempo. Isto economiza energia e diminui a dissipação de calor. Com o uso de um amp-op com realimentação negativa, podem-se diminuir as distorções de crossover, devido às características desse tipo de realimentação operar em

regime linear. Além de o projetista poder controlar o ganho através do resistor presente na malha de realimentação.

Amp-Op LM358 De acordo com o datasheet deste dispositivo (TEXAS INSTRUMENTS, 2002), ele consiste de dois amplificadores operacionais independentes de alto ganho, com frequência compensada, projetados para operar desde uma única fonte de alimentação até uma ampla variedade de tensões. As aplicações deste amp-op incluem amplificações de transdutores, blocos de amplificação DC e todos demais circuitos de amplificação convencionais.

Amplificador Inversor A disposição do sistema mostra que o amplificador está no modo inversor, o mais amplamente utilizado. A saída é obtida pela multiplicação da entrada por um ganho fixo ou constante, fixado pelo resistor de entrada, R1, e o resistor de realimentação, R2. A saída é invertida em relação à entrada. O ganho de tensão pode ser calculado através da equação 1. 𝑉0 = −

𝑅2 𝑉1 𝑅1

Equação 1 – Relação do ganho de tensão. KUPHALDT (2009) explica que ao se aterrar a entrada não inversora, a realimentação negativa busca manter a entrada inversora em 0 volts. Por essa razão, a entrada inversora é referida neste circuito como um terra-virtual, sendo mantida ao potencial terra pela realimentação.

Funcionamento do Sistema O sinal de áudio ao entrar no sistema, passa através de um capacitor de 10 𝜇𝐹 , que filtra qualquer sinal DC (direct current – corrente contínua), prevenindo que estes sinais sejam amplificados e repassados ao speaker, o que pode causar danos ao mesmo. A função do amp-op é externar qualquer sinal de tensão que manterá os dois terminais de entrada em uma mesma tensão (d.d.p. de 0 volts neste caso). Ao conectarse o fio de realimentação a partir do terminal dos emissores dos transistores em push-

pull, o amp-op tem a capacidade de identificar qualquer zona “morta” onde nenhum dos transistores está conduzindo, e gerar uma saída de tensão apropriada às bases dos transistores para direcioná-los novamente a uma condução que aumentará o sinal de entrada. Este processo requer um amp-op com grande taxa de variação. A partir da montagem do circuito, pôde-se notar uma amplificação do sinal de áudio do celular utilizado no experimento, embora a amplificação tenha sido pequena. Calculando o ganho a partir da equação 1, teve-se um aumento de 470. 𝑉0 470𝑘Ω 𝑅2 = 470 = 𝐴𝑉 = =− 𝑅1 𝑉1 1𝑘Ω

Conclusão Este projeto cumpriu com o objetivo de se analisar o funcionamento de amplificadores de áudio a partir de arranjos classe B de transistores com o auxílio de uma amp-op. Notaram-se como os efeitos da distorção de crossover de um circuito push-pull podem ser minimizados com uma realimentação negativa em um amp-op, corrigindo as não linearidades do circuito. Outro ponto a ser considerado é como a manipulação do resistor de realimentação influencia no ganho de tensão do sistema. Este estudo mostrou a importância de circuitos eletrônicos para a construção de amplificadores de áudios, que podem ser utilizados em diversos campos de atuação.

Referências BOYLESTAD, Robert e NASHELSKI, Louis. “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”. Editora LTC, 6ª Edição, 1998. Rio de Janeiro – RJ TEXAS INSTRUMENTS. “Dual Operational Amplifiers”. Dallas, Texas – EUA. 2002.

KUPHALDT, Tony R. “Lessons In Electric Circuits. Vol III. Chapter 8”. 2009. Disponível em: www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/...