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Amplificador BTL (ART074)

Uma configuração muito importante para os amplificadores de áudio, usada quando se deseja potências elevadas, ou quando se deseja o máximo de desempenho para circuitos amplificadores de áudio lineares, é a BTL ou Bridge Tied Load, mais conhecida de nossos leitores como "em ponte". Neste artigo mostramos como este tipo de circuito funciona e damos algumas configurações práticas com circuitos integrados de potência bastante conhecidos.

 



Uma das deficiências dos amplificadores de áudio analógicos ou lineares comuns, com saída em simetria complementar ou quase complementar, é‚ o seu modo de funcionamento, em que dois transistores conduzem alternadamente a corrente conforme os semiciclos do sinal. Assim, conforme mostra a figura 1, um dos transistores é polarizado num semiciclo de modo que a corrente que carrega o capacitor, circula através do alto-falante e com isso a energia entre os dois se divide com a reprodução do som.



Figura 1 – O capacitor carrega-se e descarrega-se através do capacitor.


Em suma, num semiciclo, a corrente de carga do capacitor ‚ a responsável pela reprodução do som no alto-falante correspondente a este semiciclo. No semiciclo seguinte conduz o outro transistor de tal forma a curto-circuitar através do alto-falante o capacitor carregado, conforme mostra a figura 2.


Figura 2 – No processo de carga e descarga o sinal original é reproduzido.


Nessas condições, não é a fonte do amplificador que fornece energia ao circuito, mas sim o próprio capacitor que foi carregado no semiciclo anterior do sinal. O desempenho deste tipo de circuito é razoável, no entanto, a potência entregue ao alto-falante fica limitada pelo fato da fonte só fornecer energia ao circuito em um dos semiciclos do sinal.

Se ligarmos dois amplificadores que tenham este tipo de configuração de saída, de tal forma que quando um deles estiver recebendo um semiciclo, o outro amplificador esteja recebendo o outro semiciclo, teremos uma solução interessante para este problema, com um aumento considerável da eficiência dos circuitos. O que fazemos então é ligar os amplificadores em ponte, ou na configuração BTL, do inglês “Bridge Tied Output” ou Saída Ligada em Ponte, se fizermos a tradução ao pé da letra. Na figura 3 mostramos como isso é feito e, a partir desta figura, explicamos o que ocorre.

Figura 3 – Ligação BTL (Bridge Tied Load) ou em ponte.


Enquanto um amplificador recebe os sinais para serem amplificados pela entrada normal não inversora, o outro recebe o sinal pela entrada inversora ou com a fase invertida através  de um circuito apropriado.
Assim, eliminamos a necessidade de usar o capacitor para se carregar e descarregar através do alto-falante em cada semiciclo de modo a se obter a reprodução. Quando o semiciclo positivo do sinal é aplicado à entrada, conduzem os transistores Q1 e Q3 de modo que a corrente que flui é fornecida pela fonte de energia do aparelho. Da mesma forma, quando o semiciclo negativo ‚ aplicado à entrada, conduzem os transistores Q2 e Q3 e a corrente também é fornecida pela fonte do aparelho.

Isso significa que a fonte fornece energia nos dois semiciclos do sinal, diferentemente do que ocorre com a configuração normal em que a corrente é fornecida pela fonte apenas num dos semiciclos. O resultado final disso é interessante: supondo que a impedância do alto-falante seja constante, e tivermos uma potência X na saída de um amplificador comum único, ligando dois destes amplificadores em ponte não teremos simplesmente o dobro da potência, mas sim duas vezes o dobro, ou quatro vezes mais! Esse é o motivo pelo qual a configuração em ponte torna-se tão atraente quando desejamos altas potências, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – A corrente circula pelo alto-falante nos dois semiciclos do sinal de áudio.


Usando dois amplificadores obtemos a mesma potência de quatro deles, o que é muito interessante, isso sem precisar acrescentar muitos componentes ou ter configurações complicadas. Na verdade, o circuito fica até simplificado pela não necessidade de se usar o grande capacitor eletrolítico em série com o alto-falante, que é um componente caro. 
 


BTL NA PRÁTICA
A maioria dos amplificadores de áudio disponíveis na forma de circuitos integrados possui duas entradas (uma inversora e outra não inversora) e características tais que permitem sua ligação em ponte ou BTL. Alguns circuitos integrados possuem até dois amplificadores internos que já estão preparados para funcionar nesta configuração.

Assim, um amplificador que seria normalmente de 10 + 10 watts, já é indicado como um amplificador de 40 watts na configuração BTL.  A seguir mostramos alguns circuitos de amplificadores BTL obtidos com circuitos integrados comuns de áudio, em circuitos que são sugeridos pelos próprios fabricantes. O leitor deve estar atento para os sufixos dos integrados usados que devem ser os mesmo indicados, pois existem diferenças para outros tipos que podem impedir um funcionamento normal na configuração BTL.
 
   a) 16 WATTS COM DOIS TDA2002 BTL

Um dos circuitos integrados de baixo custo mais populares em equipamentos de som ‚ o TDA2002, uPC2002 ou LM2002 que pode fornecer 4 watts RMS em sistemas de som simples como os usados em automóveis. No entanto, a ligação de dois TDA2002 em ponte, para um sistema de reforço no carro pode fornecer 16 watts, o que significa mais de 50 watts PMPO por canal o que significa um bom som para qualquer carro. Na figura 5 mostramos como deve ser feita a conexão em ponte para os TDA2002 e seus equivalentes.

Figura 5 – Amplificador em ponte com circuitos integrados TDA2002.

Lembramos que as conexões das linhas de alimentação e saída para o alto-falante devem ser feitas com trilhas grossas e todas as conexões de sinais devem ser curtas, para que não ocorram realimentações ou oscilações. Os resistores são de 1/8W e os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho de 16 V ou mais. O alto-falante deve ter potência compatível com a aplicação e os circuitos integrados devem ser montados em bons radiadores de calor. O trimpot de 100k é usado para se ajustar a polarização do segundo amplificador de modo a se ter uma perfeita simetria do sinal. Use uma carga resistiva na saída e com um osciloscópio e gerador de sinais em 1 kHz ajuste este potenciômetro para ser a simetria ideal do sinal.
   

   b) AMPLIFICADOR DE 20 W BTL COM O LM2005T-M
Os circuitos integrados LM2005T e LM2005-M também são bastante conhecidos dos nossos leitores que fazem manutenção de equipamentos ou montagem de circuitos de áudio tradicionais. O circuito que damos na figura 6 fornece uma potência de saída de 20 W rms numa carga de 4 ohms com alimentação de 14,4 V da bateria de um carro.



Figura 6 – Amplificador de 20 W em ponte com o circuito integrado TDA2005.


Trata-se, portanto de amplificador sugerido para formar sistemas de som de carro ou de reforço. Dois amplificadores destes, um para cada canal fornecem uma potência total de 40 watts rms ou mais de 80 watts PMPO.Como são usados poucos elementos pode-se ter uma montagem simples e compacta. As trilhas de alimentação e para saída do alto-falante devem ser largas em vista da intensidade da corrente exigida. Os cabos de sinais devem ser curtos ou blindados. Os circuitos integrados devem ser montados em bons radiadores de calor e os capacitores eletrolíticos devem ter uma tensão de trabalho de 16 V ou mais. O alto-falante deve ter potência compatível com a aplicação. Não deve ser usado alto-falante de menos de 4 ohms ou associações que resultem em impedância inferior a este valor, pois os circuitos integrados poderão ter suas saídas sobrecarregadas e com isso sofrer danos.

   c) AMPLIFIACDOR DE 24 W COM O TDA1510A ou TDA1515A
Este amplificador‚ sugerido pela Philips Components, faz uso de um único TDA1510 ou TDA1515 que já possui em seu interior dois amplificadores que tanto podem ser usados separadamente como na configuração em ponte. Na figura 7 temos o modo de se fazer a ligação desses amplificadores de modo a se obter a configuração em ponte.

Figura 7 – Amplificador de 24 W em ponte, utilizando o TDA1510Q.

Observe que este circuito possui uma chave SB (Stand By) que, quando acionada faz com que os amplificadores sejam levados a uma condição de muito baixo consumo de energia. Este tipo de configuração é especialmente interessante quando o amplificador deve ser alimentado pela bateria de um carro. As diferenças entre o amplificador com o TDA1510A e o TDA15B estão nas características adicionais do TDA1515B que são:

Corrente em standby muito baixo, da ordem de 100 uA que permite o chaveamento via circuitos TTL.
Saídas protegidas contra curtos-circuitos AC e DC em relação à terra (o TDA1510 tem proteção apenas AC).
Saídas protegidas contra curto-circuito em relação à terra na configuração BTL.
Proteção contra inversão acidental de polaridade.

Neste circuito também deve ser observada a utilização de trilhas largas para as linhas de alimentação e saída do alto-falante. O circuito integrado deve ser montado em bom radiador de calor. Os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho de pelo menos 16 V. Os resistores são todos de 1/8W com 5% ou mais de tolerância. A impedância mínima do alto-falante é 4 ohms, para se obter a potência indicada. Além disso ele deve ser capaz de manusear a potência de saída do amplificador. A alimentação é feita com 14,4 V da bateria de carro.

   d) AMPLIFICADOR DE 10 W BTL SANYO
O quarto circuito que apresentamos utiliza um componente da Sanyo. Trata-se do circuito integrado LA4500 que fornece uma potência RMS de 10 W na configuração em ponte, que é mostrada na figura 8.

Figura 8 – Amplificador BTL com o circuito integrado LA4500 da Sanyo. Potência de 10 W.


O circuito integrado LA4500 é apresentado em invólucro DIL e não precisa de radiador de calor. Uma região da placa de circuito impresso ée prevista para fazer contato com o componente e servir como radiador de calor. O circuito é projetado para ser alimentado por tensões de 12 V, e a impedância de carga deve ficar na faixa indicada no diagrama para melhor desempenho. As tensões mínimas de trabalho dos capacitores eletrolíticos são indicadas no próprio diagrama. A potência do alto-falante deve ser compatível com a aplicação e as trilhas de alimentação e saída de áudio devem ser largas, como nos demais projetos. Os capacitores menores devem ser cerâmicos, para melhor desempenho do amplificador.

Conclusão
A configuração em ponte ou BTL permite obter muito maior rendimento de amplificadores de áudio analógicos comuns, sendo por esse motivo adotada em muitos equipamentos comerciais. Além disso, temos a possibilidade de economizar o capacitor eletrolítico de saída que é um componente caro e responsável por problemas de funcionamento. Muitos fabricantes disponibilizam circuitos integrados específicos para uso em ponte o que facilita bastante o projetista que deseja montar seu próprio equipamento de áudio ou mesmo manter uma pequena linha de montagem desse tipo de equipamento. As informações que demos neste artigo podem ser de grande utilidade para os leitores que desejam trabalhar com amplificadores em ponte ou simplesmente conhecer mais sobre seu princípio de funcionamento.

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