Apresentamos um projeto experimental de um amplificador PWM (Pulse Width Modulation) ou por Modulação de Largura de Pulso que se caracteriza pelo elevado rendimento e que pode servir de base para um projeto mais audacioso, usando transistores de efeito de campo de potência por exemplo. A configuração que trabalha chaveando os transistores de potência de saída lembra muito as fontes chaveadas. Assim, podemos dizer que este amplificador está para os amplificadores tradicionais como as fontes chaveadas atuais dos computadores e outros aparelhos está para as fontes analógicas ou lineares. Será interessante, de qualquer maneira, o leitor ler o princípio de funcionamento deste circuito que permite obter boas potências de áudio com componentes comuns.
Modulando a largura dos pulsos aplicados a uma etapa de potência com sinais de áudio podemos fazer oscilar a tensão aplicada ao alto-falante. Os pulsos, por estarem numa frequência acima da faixa audível e ainda serem bloqueados por um circuito de elevada reatância não chegam ao alto-falante, mas a modulação não.
Desta forma, a tensão oscila no alto-falante apenas com a modulação de áudio havendo a reprodução do sinal.
No entanto, o mais importante nisto tudo é que os transistores trabalham em apenas duas condições possíveis: saturados (quando conduzem os pulsos) e no corte (quando não conduzem os pulsos). Isso significa que não havendo estado intermediário em que há dissipação de potência os transistores dissipam uma potência muito baixa o que não ocorre com a configuração tradicional em simetria complementar.
O resultado final é um elevado rendimento onde muito pouco da energia é perdida em forma de calor no circuito de potência e com isso transistores relativamente "pequenos" podem controlar potências elevadas de carga.
Evidentemente, os circuitos deste tipo não primam pela fidelidade e existem possibilidades de se aumentar sua performance em todos os sentidos. Assim, o projeto que descrevemos é básico, e pode perfeitamente servir de ponto de partida para os leitores que gostam de "inventar" novas configurações.
Nossa sugestão é justamente a de se trabalhar com etapas de potência com transistores de efeito de campo de potência que podem fornecer potências muito altas de saída com facilidade.
Outra possibilidade seria utilizar outros circuitos de modulação e controle diferentes dos sugeridos, de modo a se obter menor distorção e outras características que levem o amplificador a um desempenho muito melhor.
De qualquer forma, vale a sugestão para os leitores curiosos que desejam ter em mãos um projeto de um verdadeiro amplificador PWM.
COMO FUNCIONA
Conforme explicamos no item anterior a idéia básica deste projeto é produzir um sinal com ciclo ativo de 50% (perfeitamente quadrado) que pode ser modulado e que é aplicado ao alto-falante passando por um circuito de elevada reatância (no caso L1 e o próprio capacitor em série com o alto-falante).
Operando com uma frequência acima da faixa audível (algo em torno de 20 kHz) o sinal com ciclo ativo de 50% faz com que a tensão média na saída seja nula e com isso nenhum sinal é reproduzido no alto-falante. Veja que o alto-falante não consegue reproduzir o sinal de alta frequência pois ele não passa pelo circuito reativo que existe entre ele e a saída, conforme mostra a figura 1.
Com ciclo ativo de 50% não há sinal no alto falante.
Para produzir este sinal em nosso circuito usamos um amplificador operacional com transistores de efeito de campo na entrada e que excita quatro inversores CMOS do tipo 4093.
A realimentação para fazer com que este circuito oscile é obtida pelo resistor R6 ligado entre a saída e a entrada não inversora do operacional. O capacitor C6, em conjunto com R6 formam o circuito de tempo responsável pela frequência de oscilação.
A entrada não inversora, que determina a tensão de referência para as oscilações e, portanto o ciclo ativo do sinal é polarizada exatamente com metade da tensão de alimentação graças ao divisor resistivo de alta impedância formado por R2 e R3.
Na oscilação, o 4093 funcionando como disparador-inversor garante que as bases dos transistores sejam levadas alternadamente ao nível alto e baixo de tensão saturando-os ou cortando-os de modo perfeitamente alternado, conforme o desejado.
A modulação é feita aplicando-se o sinal de áudio justamente na entrada inversora em que temos a tensão de referência.
Conforme este sinal oscila a tensão de referência se modifica e com isso a largura dos pulsos ou seu ciclo ativo, conforme mostra a figura 2.
Formas de onda no circuito.
O resultado desta mudança do ciclo ativo se reflete na tensão de saída entre os emissores dos transistores. A tensão média neste ponto vai então oscilar de acordo com o sinal de áudio e como esta variação é de frequência bem mais baixa que o próprio sinal do oscilador, ela consegue passar pelo circuito reativo e aparece no alto-falante, sendo reproduzida.
O amplificador apresentado fornece uma potência de poucos watts mas o que é importante é que seu rendimento é muito alto, ou seja, praticamente toda potência consumida da fonte se converte em áudio o que não acontece com configurações tradicionais como por exemplo as de simetria complementar na saía.
De uma forma bastante aproximada podemos dizer que este amplificador está para os amplificadores tradicionais como as fontes de alimentação chaveadas estão para as fontes de alimentação tradicionais do tipo analógico.
Uma alteração imediata que pode ser feita neste circuito é com o uso de FETs de potência, conforme mostra a figura 3.
Usando FETs de potência
As características de alta velocidade de chaveamento destes transistores e seu ganho, além da sensibilidade de comporta que responde aos sinais CMOS com muita facilidade possibilitarão a obtenção de potências maiores do que as obtidas com transistores comuns. No entanto, lembramos que os transistores usados devem ser complementares, ou seja, um de canal N e outro de canal P.
FETs canal N e P
MONTAGEM
O diagrama completo do amplificador chaveado ou PWM é mostrado na figura 5, sem a fonte de alimentação.
Diagrama completo do amplificador chaveado
A disposição dos componentes na placa de circuito impresso é mostrada na figura 6.
Placa de circuito impresso para o amplificador chaveado
Se bem que o aquecimento seja pequeno, os transistores de potência devem ser dotados de pequenos radiadores de calor.
O reator XRF é formado por aproximadamente 20 espiras de fio 22 ou 24 num resistor de 100 ? x 1 W ou num tubinho de papelão de aproximadamente 0,4 cm de diâmetro e uns 3 ou 4 cm de comprimento.
Os circuitos integrados, para maior segurança de funcionamento e troca podem ser montados em soquetes DIL.
Os resistores são de 1/8W ou maiores e os capacitores podem ser todos cerâmicos ou de poliéster exceto C4, C7 e C8 que são eletrolíticos com as tensões mínimas de trabalho indicadas na relação de materiais.
As trilhas de áudio devem ser curtas e o cabo de entrada de sinal deve ser blindado. O potenciômetro P1 que controla o volume pode incluir a chave que liga e desliga a alimentação do amplificador.
O alto-falante deve ter pelo menos 10 cm de diâmetro e deve ficar numa pequena caixa acústica para melhor rendimento. Podem ser usados alto-falantes maiores.
Equivalentes dos transistores podem ser usados como outros da série TIP ou mesmo pares complementares da série BD com correntes de coletor a partir de 1 ampère.
PROVA E USO
Para provar o amplificador basta ligar sua alimentação e aplicar um sinal de áudio em sua entrada. Deve haver sua reprodução no alto-falante.
Se o leitor quiser pode observar a forma de onda tanto do sinal gerado pela etapa osciladora, ligando um osciloscópio no ponto entre os emissores dos dois transistores e em suas bases, como pode também observar o sinal de áudio após o choque de RF.
Aplicando um sinal senoidal de 1 kHz ou de outra frequência que o leitor julgue importante saber a resposta, será possível verificar o desempenho deste amplificador e fazer alterações em alguns componentes do projeto.
Lembramos que, para observação de formas de onda na saída, será interessante substituir o alto-falante (que é uma carga indutiva) por um resistor de mesmo valor e dissipação).
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI-1 - CA3140 - amplificador operacional com FET de entrada
CI-2 - 4093B - circuito integrado CMOS
Q1 - TIP31 - transistor NPN de potência
Q2 - TIP32 - transistor PNP de potência
Resistores: (1/8W, 5%)
R1 - 4,7 k ?
R2, R3 - 1 M ?
R4 - 470 ?
R5 - 2,2 k ?
R6 - 820 k ?
R7 - 10 ?
P1 - 100 k ? - potenciômetro
Capacitores:
C1, C6 - 100 nF - cerâmico ou poliéster
C2 - 120 pF - cerâmico
C3 - 56 nF - cerâmico ou poliéster
C4 - 100 uF/16V - eletrolítico
C5 - 470 nF - cerâmico ou poliéster
C7, C8 - 1 000 uF/ 16 V - eletrolítico
Diversos:
XRF - 47 uH - choque de RF - ver texto
FTE - 4 ou 8 ? x 10 cm - alto-falante
Placa de circuito impresso, jaque de entrada, botão para o potenciômetro, radiadores de calor para os transistores, caixa para montagem, soquetes para os circuitos integrados, material para fonte de alimentação, fios, solda, etc.
Obs: Atualmente ( depois de 2010) estes amplificadores são mais conhecidos como "Classe D" e constituem-se na maioria nos equipamentos modernos, principalmente portáteis, pelo seu alto-rendimento.
