Amplificador Estéreo de 300 W com o LM12 (ART2188)

Os amplificadores operacionais evoluíram a tal ponto que hoje existem unidades com características fantásticas como a empregada neste projeto. Um único amplificador operacional de potência capaz de trabalhar com tensões de 90 V e correntes de 10 A, quando usado num excelente amplificador de áudio pela baixa distorção, pode entregar a uma carga de 4 ohms x 150 Watts de potência RMS. É claro que as aplicações de áudio não são as únicas possíveis para o componente básico de nosso projeto e isso não será esquecido neste artigo. Fontes de alimentação, plotters, controle de servomotores são alguns exemplos de aplicações para o LM12, um amplificador operacional de potência da National Semicondutor. O projeto básico de áudio é a nossa capa, mas as outras aplicações são igualmente importantes para os leitores interessados nas aplicações industriais deste componente.

Atenção: este artigo é de 1991. O circuito LM12 não é um componente fácil de obter. Apenas pense em alguma montagem se tiver o circuito integrado em mãos. A National Semiconductor é agora uma empresa do grupo da Texas Instruments.

A evolução dos amplificadores operacionais alcançou um estágio impressionante. Partindo das simples unidades de baixa potência, destinadas à realização de operações matemáticas em computadores analógicos, logo chegamos aos amplificadores operacionais com transistores de efeito de campo, largamente usados em instrumentação, controle de processos e mesmo para o grande consumidor, chegando finalmente aos fantásticos amplificadores operacionais de alta potência como o LM12 da National.

Baseados nas características deste componente, descrevemos um amplificador de áudio com 150 W por canal, com apenas 0,01% de distorção, e que pode servir como ponto de partida para sonorização de ambiente em larga escala (estádios, auditórios) com a sua instalação em módulos.

Outras aplicações, já citadas, podem ser facilmente implementadas a partir das características deste componente dadas a seguir.

 

O LM12 (L/C/CL)

O L.M12 consiste num amplificador operacional de potência de 150 W fornecido pela National Semicondutor em invólucro TO-3 com 4 pinos (o quinto terminal de ligação, corresponde ao V- é o invólucro).

Na figura 1, temos a pinagem deste componente. O LM12 consegue fornecer uma corrente de +/- 10 A a uma carga com tensão de alimentação de 35 V.

 

Figura 1 – Pinagem do LM12
Figura 1 – Pinagem do LM12

 

Numa carga de 4 ohms, ele pode fornecer um sinal senoidal com potência de 150 watts. A faixa de freqüência de operação para ganho unitário é de 60 kHz.

Uma capacidade de dissipação de 800 watts entretanto, permite que as cargas indutivas sejam excitadas sem problema, tais como: transdutores, atuadores, pequenos motores sem a perda das principais características.

Dentre as características positivas deste integrado a National Semiconductor destaca as seguintes:

Proteção de entrada

Tempo de ativação controlado

Limitação térmica

Limitação de corrente de saída

Proteção dinâmica da área de operação segura

O integrado fornece +/- 10 A de corrente na carga independente de sua tensão e é completamente protegido contra sobrecargas, incluindo curtos na fonte. As características de ligação são controladas de tal forma, que a saída torna-se um circuito aberto, até o momento em que a tensão de alimentação total chega aos 14 V.

A saída também abre se a temperatura do invólucro superar os 150°C ou se a tensão de alimentação se aproximar do BV/CEO dos transistores de saída.

O integrado é compensado de modo que o ganho unitário para os pequenos sinais tem uma faixa de 700 kHz.

A taxa de crescimento é de 9 V/us mesmo quando usado como seguidor.

As características de distorção e de acionamento de cargas capacitivas competem com os equivalentes usando transistores discretos complementares.

Os LM12 podem ser ligados ainda em paralelos de modo a se obter maior capacidade de excitação de cargas. As principais características do LM12 são dadas na Tabela 1.

 

 


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NOSSO AMPLIFICADOR

Operando com correntes intensas o layout de uma placa de circuito impresso para um amplificador exige cuidados especiais do projetista, o mesmo ocorre em relação a outros circuitos, principalmente os que excitam placas capacitivas e indutivas, sendo por isso o leitor alertado para eventuais dificuldades que pode encontrar neste ponto.

A utilização de um terra comum, um terra de ponto único de modo a diminuir ao máximo resistências de trilhas ou fios que podem causar quedas de tensões importantes na instabilização da operação do circuito.

A utilização de um radiador de calor compatível com a potência a ser dissipada é outro ponto importante a ser considerado e que será abordado neste artigo.

O LM12 tem características que possibilitam a sua operação a partir de fontes de alimentação sem regulagem, no entanto, as correntes elevadas exigem especial cuidado com filtragem.

Especial atenção deve ser dada à qualidade de eletrolíticos usados.

Por outro lado, o uso de fontes reguladas permite aumentar o rendimento, principalmente em condições desfavoráveis de operação. Fontes de alimentação chaveadas podem ser usadas para a operação a partir de tensões menores como, por exemplo, em aplicações automotivas onde os 12 V disponíveis podem ser aumentados e também simetrizados para alimentação destes componentes.

O amplificador que apresentamos é bastante simples e tem urna configuração bastante familiar aos que trabalham com amplificadores operacionais de baixa potência.

A realimentação feita pela entrada inversora via capacitor de 1,5 nF e resistor de 3,3 k ohms determina o ganho do amplificador, conjuntamente com o resistor de 1,1 k ohms. Este resistor de 1,1 k ohms também influi na impedância de entrada.

Os diodos são importantes quando o circuito tem de excitar cargas indutivas com sua potência máxima. Estes diodos curto-circuitam a corrente induzida na carga durante a comutação evitando que ela retorne ao amplificador.

Se bem que o LM12 possua diodos internos para esta função (clamp diodes) capazes de drenar correntes de alguns ampères durante alguns milissegundos, condições extremas podem causara destruição do circuito integrado.

O uso de diodos externos, principalmente com tensões mais altas de alimentação é recomendado pelo fabricante do integrado.

Testes mostram que se os fios de saída forem curto-circuitados, podem ocorrer falhas aleatórias nos componentes se os diodos externos não forem usados e a tensão de alimentação superar os 20 V.

Com cargas capacitivas ou indutivas podem provocar uma interação com a resistência de saída sem realimentação muito baixa , da ordem de 1 ohms e com isso alterar a fase do sinal a ser reaplicado na entrada, causando como consequência final oscilações.

A utilização de um indutor proporciona baixa impedância para os sinais de baixa frequência mas alta impedância para os sinais de alta frequência que pode causar a realimentação.

O resistor, em paralelo com o indutor, por outro lado, diminui a seletividade do indutor, proporcionando assim uma linearidade na faixa de operação.

Para o nosso amplificador, como para a maioria das cargas indutivas e capacitivas o fabricante recomenda um indutor de 4 uH que pode ser obtido com 14 espiras de fio, esmaltado 18, num enrolamento cerrado sobre forma de 1 polegada (2,5 centímetros) sem núcleo, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – O indutor de saída
Figura 3 – O indutor de saída

 

O projeto sugerido pela National Semiconductor usa fonte simétrica e, portanto, não exige o capacitor de acoplamento no alto-falante.

No entanto, o LM12 também pode funcionar com fonte não simétrica conforme sugestão de aplicação que daremos mais adiante neste mesmo artigo.

 

MONTAGEM

Na figura 4, temos o diagrama de um canal de nosso amplificador, sem a fonte de alimentação.

 

Figura 4 – Diagrama do amplificador
Figura 4 – Diagrama do amplificador

 

Uma sugestão de placa de circuito impresso, que deve ser elaborada com cuidado é mostrada na figura 5.

 

Figura 5 – Sugestão de placa para a montagem
Figura 5 – Sugestão de placa para a montagem

 

L1 consiste em 14 espiras de fio 18 com diâmetro de 1 polegada (2,5 cm), sem núcleo. Caso o leitor encontre dificuldade em adquirir o resistor de R1 de 1,1 ohms, sugerimos optar em fazer uma associação série de dois resistores, sendo um de 1 k ohms e o outro de 100 ohms, obtendo-se assim o valor desejado, conforme o nosso protótipo.

Os resistores são de 1/2 W e os capacitores eletrolíticos devem ter uma tensão de trabalho de 50 V ou mais.

O radiador de calor deve ser de no mínimo de 160 x 100 x 65 mm, dada a potência elevada do circuito. Para ajudar na transferência de calor, o uso da pasta térmica entre o radiador e o componente é indispensável.

A excitação do circuito deve ser feita com um pré-amplificador que inclua o controle de volume ou tom.

Outra possibilidade num sistema de distribuição de som é fazer a excitação por um amplificador de menor potência que poderá alimentar diversos estágios como o descrito obtendo-se assim potências de alguns quilowatts com poucas unidades.

A fonte de alimentação é mostrada na figura 6.

 

  Figura 6 – Fonte de alimentação para o circuito
Figura 6 – Fonte de alimentação para o circuito

 

 

O transformador tem enrolamento secundário de 10 A para aplicação mono e o dobro para aplicação estéreo.

O enrolamento primário deve ser de acordo com a rede local.

Dada a potência elevada e as intensidades de corrente envolvidas no projeto, os testes de bancada devem ser feitos com cuidado, utilizando-se cabos de conexão com espessura de acordo com as intensidades de corrente envolvidas.

Isto é especialmente válido para a conexão da caixa acústica, já que na impedância de 4 ohms, uma pequena queda de tensão que ocorra no cabo já é suficiente para causar problemas tanto de perdas como até de aquecimento.

Evidentemente, o alto-falante usado deve estar apto a suportar a potência deste amplificador.

Como explicado na introdução, a finalidade básica do artigo não é apenas descrever um amplificador de áudio de alta potência mas sim levar as inúmeras possibilidades de aplicação do LM12.

Damos então a seguir uma série de informações e aplicativos obtidos a partir do próprio manual do fabricante e que serve de orientação para o leitor que deseja aplicá-lo em outros projetos.

a) Compensação de entrada

Na figura 7, temos o modo de se compensar oscilações de baixa amplitude quando o ganho em alta frequência é próximo de 1.

 

Figura 7 – Compensação de entrada
Figura 7 – Compensação de entrada

 

A configuração mostrada na figura reduz a alimentação nas altas frequência, sem, entretanto, afetar de modo apreciável a resposta abaixo dos 100 kHz. A impedância do circuito que excita esta etapa deve estar abaixo de 1 k ohms para operação satisfatória até uma frequência de alguns quilohertz.

Na figura 8, temos uma ampliação da compensação de entrada para utilização do circuito com cargas capacitivas de até 1 uF sem a necessidade de um circuito LR de isolação.

 

   Figura 8 – Compensação para cargas capacitivas
Figura 8 – Compensação para cargas capacitivas

 

 

b) Drive de corrente

Na figura 9, temos um circuito que fornece a uma carga, corrente proporcional a tensão de entrada.

 

Figura 9 – Driver de corrente
Figura 9 – Driver de corrente

 

 

A fórmula que permite calcular as características de ganho do circuito pode ser feita a partir da fórmula junto ao diagrama.

Nas aplicações em que temos altas resistências de saída, como fontes operando na modalidade de corrente constante, é muito importante que os resistores de precisão sejam casados com tolerância de 0,01%, ou então, que sejam usados resistores variáveis para o devido casamento de características.

 

c) Ligação em paralelo o

Na figura 10, temos o modo de utilizarmos dois LM12 em paralelo para duplicar a capacidade de corrente de saída.

 

Figura 10 – Ligação em paralelo
Figura 10 – Ligação em paralelo

 

 

Os LM12 são ligados como seguidores de tensão (ganho unitário) e acoplados com resistores de equalização.

O ganho de tensão é proporcionado por um amplificador operacional de alta tensão convencional. Para ainda maiores intensidades de corrente, outros amplificadores podem ser ligados em paralelo sempre com os resistores de equalização.

Na figura 11, temos o LM12 usado como um 'buffer' de alta potência com um amplificador operacional de alta tensão.

 

Figura 11 – Buffer de alta potência
Figura 11 – Buffer de alta potência

 

O capacitor C1 restringe a faixa passante.

 

d) Operação com fonte simples

Da mesma forma que amplificadores operacionais de menor potência, o LM12 também pode ser utilizado com fontes simples, como mostra o aplicativo da figura 11, onde um motor é a carga.

 

Figura 12 – Operação com fonte simples
Figura 12 – Operação com fonte simples

 

Neste circuito temos o controle bidirecional de um servomotor com a utilização de dois LM12. Esta configuração é um drive de corrente mas pode ser facilmente convertida num drive de tensão curto-circuitando-se para isso R6 e conectando-se R7 à saída de A2 ou A1 .

Qualquer entrada pode ser aterrada conforme a referência desejada.

Também é possível conectar uma entrada e uma referência positiva, com o sinal de entrada variando em função desta referência. Se a tensão de referência for inferior a 5 V os resistores R2 e R3 não são necessários.

 

e) Amplificador de alta tensão

Na figura abaixo temos uma configuração que permite dobrar a excursão da tensão de saída com a utilização de dois LM12 e uma ponte de diodos.

 

Figura 13 – Amplificador de alta tensão
Figura 13 – Amplificador de alta tensão

 

Na configuração em ponte temos uma limitação que é uma impossibilidade de um retorno à terra. Isso pode ser eliminado com o circuito da figura abaixo.

 

Figura 14 – Circuito que elimina a ponte de diodos
Figura 14 – Circuito que elimina a ponte de diodos

 

Para uma operação com polaridade única na excitação, uma das entradas pode ser aterrada.

Outra maneira de se dobrar a excursão de saída é conseguida com o circuito em cascata da figura 15.

 

   Figura 15 – Dobrando a excursão de saída
Figura 15 – Dobrando a excursão de saída

 

A principal vantagem desta configuração é que podemos aumentar ainda a corrente de saída com a ligação em cascata de quantos estágios forem necessários, se bem que fontes separadas sejam necessárias para cada um.

Na figura 16, temos uma configuração que usa transistores discretos para se obter um circuito capaz de fornecer correntes de +/- 10 A sob uma tensão de +/- 90 V a uma carga externa.

 

Figura 16 – 10 A de saída com excursões de 90 V
Figura 16 – 10 A de saída com excursões de 90 V

 

O ganho de tensão é 30.

Com um projeto térmico apropriado, o integrado pode proporcionar uma operação dentro da área segura para os transistores externos.

 

f) Fonte para operacionais

Na figura 17, temos um projeto com limitação de corrente.

 

Figura 17 – Fonte
Figura 17 – Fonte

 

Os limites para as correntes positivas e negativas podem ser fixados de forma precisa e independente. Resposta rápida é assegurada por D1 e D2.

A faixa de ajustes pode chegar facilmente a zero com os potenciômetros R3 e R7. Os operacionais LM318 são alimentados com +/- 15 V.

 

g) Amplificadores para servos

Na figura 18, temos um controle para servomotor.

 

Figura 18 – Controle para servo
Figura 18 – Controle para servo

 

Existem tendências para se utilizar a frequência gerada no circuito para estabilizar a velocidade quando se opera com amplificadores operacionais de potência. No entanto, nem sempre isto é interessante ou funciona de maneira esperada.

Nesta aplicação a velocidade é estabilizada pela tensão de entrada.

Um amplificador operacional de baixa potência é usado para trabalhar a frequência do sinal gerado pelo servo, enquanto que o LM12 proporciona a corrente final para o motor.

Drive de corrente elimina problemas de deslocamento de fase na realimentação dada a indutância do motor, possibilitando assim uma estabilidade maior para o funcionamento do sistema.

Para um servo de posição temos o circuito da figura 19.

 

Figura 19 – Servo de posição
Figura 19 – Servo de posição

 

Este sistema tem como sensor de posição um sistema de foto-diodos e não, como normalmente se faz, via um potenciômetro.

Dois amplificadores são usados, um de baixa potência para proporcionar o acionamento a partir dos sensores de posição e outro de potência para controlar o motor.

 

h) Reguladores de tensão

Na figura 20, temos um regulador de tensão que opera na faixa de 0 a 70 V usando um LM12.

 

Figura 20 – Regulador de tensão
Figura 20 – Regulador de tensão

 

O LM12 pode ser usado tanto como regulador positivo como negativo de tensão. Outro regulador de tensão interessante é mostrado na figura 21, para o caso de não se necessitar de uma tensão nula na saída no mínimo de ajuste, eliminando-se também a necessidade de alimentação simétrica.

 

Figura 21 – Regulador de 4 a 70 V
Figura 21 – Regulador de 4 a 70 V

 

Este circuito fornece tensões de saída ajustáveis entre 4 e 70 V e como o integrado não opera com proteção para absorver energia, um SCR atua como proteção Crowbar para a saída.

 

i) Sensoriamento remoto

O circuito da figura 22 é para o sensoriamento remoto, onde quedas de tensão ou mesmo a impedância do cabo pode afetar a velocidade de resposta.

 

   Figura 22 - Sensoriamento remoto
Figura 22 - Sensoriamento remoto

 

O uso de cabos trançados reduz os problemas de resposta.

 

BIBLIOGRAFIA:

Motion Control Handbook – National Semiconuctor

 

 


Opinião

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