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A intenção era continuar no tópico anterior mas depois percebi que já não podia re-editar o tópico para adicionar mais texto. se calhar não sei como se faz...
Talvez até seja melhor assim, o tópico não fica muito longo. Portanto vamos ter mais partes: Esta, Parte 2 que vai descrever o circuito electrónico com esquema, depois construção de placas, fonte de alimentação e a montagem de tudo.
IMPORTANTE: Ao tempo que estou a escrever estes tópicos, o amplificador já está montado e a tocar. Foi montado muito antes sequer de eu pensar em escrever alguma coisa àcerca dele, portanto as fotos poderão não ser muito elucidativas mas vou fazer o possível. E claro podem sempre fazer perguntas.
Seguindo a primeira parte agora é calcular o dissipador de calor para o LM3886
Determinar o tamanho do dissipador
O LM3886 precisa de um dissipador de calor para poder trabalhar na sua zona térmica de conforto. Tem, no entanto, um circuito interno de segurança que ‘corta’ e/ou reduz a potência de saída quando a temperatura crítica é atingida. Os fabricantes chamaram SPiKe a este circuito de proteção.
Para calcular o dissipador precisamos de saber qual é a Máxima Dissipação em Potência (P
dmax) do amplificador que estamos a desenhar. Esta P
dmax depende da máxima voltagem da fonte de alimentação (V
max PS) e da impedância das colunas (Rl).
A fórmula é:
O dissipador deverá ser capaz de dissipar no mínimo 40W. De notar que estes cálculos se aplicam a um canal. Para este projeto vou precisar de 2 dissipadores.
O LM3886 é fabricado em dois tipos de package: LM3886T e LM3886TF.
A diferença é que um, o LM3886TF tem a base de apoio do dissipador isolada e o outro não. O ‘F’ significa base isolada.
Este detalhe é importante porque a base não isolada está ligada eletricamente ao polo negativo da alimentação e não deve estar em contacto com o dissipador sob pena de haver um curto-circuito e algo queimar.
Neste projeto vou usar a versão ‘F’, portanto a versão isolada e que não precisa de nenhuma atenção na ligação até porque os dissipadores que tenho vão estar ligados à caixa, logo ao potencial 0 Volts.
Recomendo esta versão para quem tem pouca experiência em montagens eletrónicas.
IMPORTANTE: para facilitar a passagem do calor (dissipação) do LM3886 para o dissipador é necessário usar pasta térmica entre o integrado e o dissipador.
Os dissipadores têm uma classificação de acordo com a sua resistência térmica. Os metais têm maior ou menor resistência térmica dependendo da sua composição.
Esta resistência térmica é medida em
oC/W (graus centígrados por watt de potência).
Para não tornar esta descrição demasiado técnica vou omitir os cálculos da resistencia térmica do dissipador e vou apenas dizer que é necessário um dissipador que tenha uma resistência igual ou menor que 1
o/W (1 grau Centígrado por Watt).
Cálculo dos componentes do circuito
A datasheet do LM3886 mostra um circuito básico que vai servir de ponto de partida para o desenho do circuito. Vou adicionar circuitos de estabilização de funcionamento e melhoria de desempenho.
Para desenhar o esquema uso um programa de computador chamado EasyEda (EasyEda.com). Este programa permite não só desenhar o circuito esquemático, mas também, a partir do esquema compor o circuito impresso e produzir os ficheiros que depois podem ser usados na execução das placas.
Este programa pode ser usado online ou depois de fazer o download local/offline no computador.
Definir o ganho mínimo necessário do amplificador
Por definição, Ganho (G
v) é a relação entre a voltagem à entrada e a voltagem produzida à saída do amplificador, também chamado fator de amplificação. O LM3886, por razões de estabilidade, tem que ter um ganho mínimo de 10Vo/Vi, abaixo do qual poderá criar distorção. Isto é, se injetarmos 1 volt na entrada teremos 10 volts na saída.
Nem todos os equipamentos de áudio tem a mesma voltagem de saída. Por exemplo os telemóveis têm 1V p.p. (1 Volt peak to peak), os equipamentos de Hi-Fi nas suas saídas RCA (tuner, tape recorder, CD) têm 2,2V p.p.. Recentemente os aparelhos portáteis vêm com uma voltagem superior, 4 e até 8V p.p.. Tudo isto por que nunca houve uma standardização do protocolo RCA.
Mas eu pretendo ouvir musica do meu telemóvel e vou definir o ganho mínimo (G
vMin)para 1V p.p.
Como defini que queria 50W de potencia tenho que calcular qual vai ser o ganho para a potencia requerida.
A formula é:
Portanto preciso de ter um ganho acima de 17 V
o/V
i se eu quiser ter 50W de saída com 6 Ohms quando usar o telemóvel ligado ao amplificador.
Definir o ganho do amplificador
O ganho é, em geral, um meio termo entre o alto que pode causar distorção e o baixo que torna o amplificador ineficiente. Genéricamente, para um amplificador de potência, um ganho entre 27 e 30 dB é uma boa escolha.
O ganho no LM3886 é definido pelas resistências R4 e R3. Estas resistências formam um divisor de tensão na entrada invertida (pino 9) do LM3886.
Considerando um ganho (Gv) de 27dB (22,4 V
o/V
i) e para manter os valores das resistências o mais baixo possível (para reduzir um fenómeno chamado ruido Johnson-Nyquist) começo por definir primeiro um valor para R3 de 1k de depois calculo o valor de R4.
A fórmula é:
IMPORTANTE: As resistências a usar num amplificador de áudio devem ser de precisão para evitar que um canal fique diferente do outro, assim vou usar resistências Vishay-Dale de filme de metal de 0,1% de tolerância.
O valor mais próximo que consigo arranjar é 20k.
Vamos confirmar se este valor dá o ganho pretendido:
A fórmula é:
O que está bastante perto dos 27dB pretendidos e acima do ganho mínimo definido atrás.
Equilibrar a corrente de polarização de entrada
Depois de definir o ganho, a próxima etapa é equilibrar as correntes de polarização de entrada escolhendo valores para R1 e R2:
Se as correntes na entrada não-inversora (pino 9) e na entrada inversora (pino 10) forem diferentes, uma tensão se desenvolverá entre elas. Esta diferença de voltagem será amplificada como ruído.
Na entrada inversora a corrente passa pela resistência R4 e na entrada não-inversora a corrente passa pelas resistências R1 e R2 em série.
Já está encontrado o valor de R4 ao definir o ganho do amplificador. Assim os valores de R1 e R2 são escolhidos de forma a que juntos eles sejam iguais ao valor de R4. Isso tornará a corrente na entrada não-inversora igual à corrente na entrada inversora.
Esta é afórmula para encontrar os valores de R1 e R2 para um R4 específico:
O valor mais próximo de 19k é 20k e é este que vou usar.
Definir o limite de baixa frequência na entrada do amplificador
A função principal de C1 em série com a entrada de audio é bloquear qualquer Corrente Contínua (CC) presente na entrada de áudio, enquanto permite a passagem de Corrente Alternada (CA) que é o sinal de áudio. Qualquer CC eventualmente presente na entrada de áudio precisa ser bloqueada ou será amplificada junto com o sinal de áudio e criará um offset CC nas colunas, provocando distorção (audível ou não).
Além da função de bloqueio da CC, C1 e a resitência R2 formam um filtro RC passa-alto que define a extremidade inferior da largura de banda do amplificador na entrada não-inversora, isto é a frequencia mais baixa que o amplificador recebe.
A frequência de corte deste filtro (também conhecida como ponto de -3dB) é a frequência na qual o filtro começa a funcionar.
- Num filtro passa-alto, as frequências abaixo da frequência de corte serão atenuadas (silenciadas).
- Num filtro passa-baixo, todas as frequências acima da frequência de corte serão silenciadas.
Várias combinações de filtros passa-baixo e passa-alto vão ser usadas para definir a largura de banda do amplificador e melhorar a sua estabilidade.
A fórmula para calcular a frequencia de corte (F
c) deste filtro (C1 e R2) é:
Encontrado o valor de R2 quando as correntes de polarização de entrada foram equilibradas, então tudo que é preciso agora é escolher uma frequência de corte. O limite inferior da audição humana é de 20 Hz, então o F
c deve estar bem abaixo disso para evitar a atenuação das frequências graves. Entre de 2 a 4 Hz é o ideal.
Eu gosto ouvir música com baixo algo presente, por isso decidi por um F
c bastante baixo para o amplificador. Comecei com 2 Hz, mas pode-se usar valores mais altos ou mais baixos. Apenas tem de ficar bem abaixo de 20 Hz ou os graves serão fracos.
Com um F
c de 2 Hz, o valor do meu C1 precisa ser:
O que dá um condensador de 3,9uF que é um valor comum.
Vamos verificar com este condensador qual será a frequencia de corte real:
Perfeito! :-)
Como C1 está diretamente na linha do sinal de áudio, o tipo de condensador usado tem muita influência na qualidade do som. Condensadores eletrolíticos, cerâmicos e de tântalo devem ser evitados. Um condensador de filme de metal de polipropileno de boa qualidade, ou melhor ainda, um condensador filme de metal de polipropileno em óleo soará melhor aqui.
Eu usei um condensador Jantzen Audio Superior Z-Cap.
Será bom ter em mente que é dando atenção aos pequenos detalhes que se consegue uma qualidade final acima da média.
Defina o limite de baixa frequência no circuito de feedback
Um segundo filtro passa-alto existe no circuito de feedback com R3 e C4:
A frequência de corte desse filtro deve ser de 3 a 5 vezes menor que o F
c do filtro passa-alto C1 e R2 na entrada. Se o F
c deste filtro for maior do que o do filtro de entrada, o amplificador passará baixas frequências para o loop de feedback que depois não pode controlar. Isso criará uma tensão em C1 e fará com que a tensão CC apareça na entrada inversora, que será amplificada e causará distorção. Portanto, será o filtro de entrada (C1 e R2) que deve determinar a frequência de largura de banda inferior do amplificador, não o filtro de loop de feedback (C4 e R3).
O filtro de entrada define o limite inferior da largura de banda, mas C4 ainda tem um efeito na resposta de graves do LM3886. Com valores menores de C4, os graves serão mais suaves e terão menos punch, mas com valores maiores de C4, os graves serão mais compactos e terão mais impacto.
A fórmula abaixo fornece um ponto de partida para o valor de C4:
O arredondamento para o próximo valor de condensador comum resulta em 220 µF. Vamos ver qual seria a frequência de corte com isso. Podemos usar a equação F
c com R3 e C4:
É 2,8 vezes menor, portanto abaixo das 3 a 5 requeridas.
Vou tentar alguns valores maiores para C4 para ver se não podemos melhorar.
Repeti o cálculo de F
c para um condensador de 330µF dá 0,48Hz que é 4,5 vezes menor e que está dentro do que procuro.
Portanto vou usar 330µF para C4.
C4 também está na linha do sinal de áudio embora não no caminho principal, portanto, um condensador de boa qualidade deve ser usado. O valor do condensador é muito alto para usar polipropileno, por isso vou usar um eletrolítico. Existem condensadores eletrolíticos audio grade de boa qualidade, como Elna Silmic II ou Nichicon KZ, que não afetam adversamente a qualidade do som.
Definir a frequência de corte superior na entrada do amplificador
R1 e C2 formam um filtro RC passa-baixo que define o limite superior da largura de banda do amplificador na entrada não-inversora:
O F
c deste filtro deve ser definido bem abaixo da frequência de transmissão de rádio mais baixa e bem acima do limite superior de 20 kHz da audição humana. As frequências de rádio mais próximas das frequencias de áudio é a Onda Longa que começa nos 153KHz, portanto vou definir a frequencia de corte deste filtro passa alto para 100KHz, assim terei uma largura de banda de audio que vai dos 2Hz aos 100Khz. :-)
Para encontrar um valor para C4 que forneça um F
c de 100 kHz, vou reorganizar a fórmula da frequência de corte (Fc):
Perfeito!
C4 vai ter o valor de 1500pF e pode ser de mica ou polistireno.
Elementos de estabilidade R8 e C13
Este filtro R4, C13 e R8 serve para amortecer a resonancia do circuito de realimentação (feedback loop) do LM3886. O cáculo da F
c para este filtro é complexo e portanto vou usar os valores que definidos no datasheet
Definir o filtro Zobel
C6 e R6 formam uma rede Zobel na saída do amplificador:
A rede Zobel é usada para prevenir oscilações causadas por cargas indutivas. Também evita que as frequências de rádio captadas pelos cabos das colunas voltem para a entrada inversora do amplificador através do loop de feedback.
Em frequências altas, a impedância de C6 é muito baixa, então a corrente de alta frequência está em curto-circuito com a terra. R6 limita a corrente de alta frequência para que não haja um curto-circuito direto com a terra, o que poderia exceder o limite de corrente do LM3886. Portanto, valores menores de R6 tornam a rede Zobel mais eficiente na filtragem de frequências de rádio, mas também aumenta a frequência de corte, o que por sua vez reduz sua eficácia.
O datasheet fornece um valor de 2,7 Ω para R6 e um valor de 100 nF para C6. Isso faz com que o F
c seja:
589 kHz é bastante alto, especialmente porque a frequência mais baixa de transmissão de rádio OL é 153 kHz. A fim de reduzir isso a um nível mais razoável, decidi usar 4,7 Ω para R6 e 220 nF para C6, o que reduz o F
c para 154 kHz:
154 kHz está bem acima do limite de 20 kHz da audição humana e perto da frequencia base das OL. Julgo que 1KHz de sobreposição não terá impacto. Não conheço nenhuma estação de rádio, em Portugal, a transmitir em OL que use 153 kHz.
Uma vez que R6 precisará desviar elevadas correntes para a terra se o amplificador oscilar, a potência nominal deve ser de pelo menos 1 Watt. C6 deve ter baixo ESR e baixo ESL, com uma classificação de tensão maior do que a diferença de tensão entre positivo e negativo da fonte de alimentação. neste caso deve ser no mínimo 80Volts. Para minimizar a indutância, a rede Zobel deve ser colocada perto do pino de saída (pino 3) e as ligações o mais curtas possíveis.
A rede Thiele
Enquanto a rede Zobel reduz as oscilações causadas por cargas indutivas, a rede Thiele reduz as oscilações causadas por cargas capacitivas, geralmente devido a longos cabos de colunas. Também evita que as frequências de rádio captadas cabos das colunas voltem para a entrada inversora do amplificador através do loop de feedback.
Os indutores têm baixa impedância para correntes de baixa frequência e alta impedância para correntes de alta frequência. Os sinais de áudio são de frequência relativamente baixa e fluirão através do indutor sem problemas. As correntes de oscilação de alta frequência serão impedidas pelo indutor e forçadas a fluir através da resitência que as amortecerá.
O datasheet recomenda uma resitência de 10 Ohms, 5 Watt em paralelo com um indutor de 0,7 µH.
Num amplificador, haverá uma rede Thiele por canal. Estas redes devem estar localizados longe dos circuitos de entrada do amplificador para evitar interferência dos campos magnéticos gerados pelo indutor. Um bom local é próximo aos terminais de saída das colunas, separados um pouco ou em ângulos de 90° entre si para evitar o acoplamento magnético entre eles.
A construção destes indutores, uma vez que não são fáceis de encontrar no mercado, será descrita mais tarde quando falar da montagem.
Condensadores de desacoplamento da fonte de alimentação
O LM3886 tem um pino negativo da fonte de alimentação (pino 4) e dois pinos positivos da fonte de alimentação (pinos 1 e 5). O pino negativo precisa de seu próprio conjunto de condensadores de desacoplamento e os pinos positivos partilham um conjunto separado de condensadores de desacoplamento.
Os grandes condensadores de desacoplamento fornecem uma fonte duradoura de corrente de reserva quando a saída de baixa frequência do amplificador é alta. Valores maiores melhorarão a resposta de graves. Os valores típicos estão entre 470 µF e 2200 µF.
Os condensadores de desacoplamento de valor médio fornecem corrente extra para saída de frequência média. Eles devem estar entre 10 µF e 220 µF.
Os condensadores de desacoplamento de pequeno valor fornecem corrente muito rapidamente para ajudar o amplificador a produzir frequências de áudio mais altas. Eles também filtram ruído e interferência de radiofrequência na fonte de alimentação.
Os condensadores de desacoplamento também compensam a indutância e resistência parasitas dos fios da fonte de alimentação e traços no circuito impresso que levam aos pinos de alimentação do LM3886. A indutância e a resistência inibem o fluxo de corrente, que aumenta com fios e traços mais longos. Como a fonte de alimentação está relativamente longe do LM3886, a indutância e a resistência poderão ser um problema. Para maximizar o fluxo de corrente, os condensadores de desacoplamento devem ser colocados o mais próximo possível dos pinos de alimentação.
Condensadores com resistência de série equivalente inferior (ESR) e indutância de série equivalente inferior (ESL) são os melhores tipos para usar aqui, como Elna Silmic II ou Nichicon KZ.
O circuito Mute
R5, C5 e D1 formam o circuito mute:
Quando a corrente fluindo para fora do pino de mute (pino 8 ) é menor que 0,5 mA, a saída do amplificador é silenciada, e quando a corrente é maior que 0,5 mA, a saída não é silenciada.
Para ativar o mute do amplificador, precisamos encontrar um valor para R5 de forma que a corrente permitida fluir para fora do pino 8 seja maior que 0,5 mA. Isso pode ser encontrado com esta fórmula:
Portanto, a minha R5 precisará ser menor que 63,8 k para que a corrente no pino 8 seja maior que 0,5 mA.
R5 e C5 criam uma constante de tempo que diminui lentamente a corrente no pino de mute quando a alimentação do amplificador é desligada e aumenta lentamente a corrente quando o amplificador é ligado. O diodo Zener de 16 V (D1) bloqueia a corrente que flui para fora do pino 8 até que a tensão de ruptura do diodo (16 V) seja atingida. Isso produz um efeito de start / stop suave que aumenta ou diminui gradualmente o volume em vez de cortá-lo abruptamente.
O tempo que leva para a corrente aumentar e diminuir pode ser ajustado alterando os valores de R5 ou C5 de acordo com a fórmula para a constante de tempo RC:
Um segundo parece-me ideal para o circuito de mute.
Esquema final do amplificador usando o LM3886
Agora que vimos como calcular os valores dos componentes, podemos começar a projetar o layout do circuito impresso. Se não quiser fazer todos os cálculos que fizemos acima, pode usar os valores que eu usei. Aqui está o esquema final:
24/11/2021
Por agora fico por aqui. A placa de circuito impresso, fonte de alimentação e montagem final seguem assim que possível
