Construir um amplificador de áudio é um excelente projeto para quem está começando na eletrônica. Com relativamente poucos componentes podemos pegar um sinal de áudio de baixa potência e amplificá-lo suficientemente para acionar um alto-falante.
Neste projeto mostro a construção de um amplificador de som utilizando o circuito integrado TDA2003, um componente desenvolvido especificamente para amplificação de potência em áudio.
O TDA2003 ficou bastante conhecido por aplicações automotivas e por permitir a construção de amplificadores simples utilizando poucos componentes externos.
O que é o TDA2003?
O TDA2003 é um circuito integrado amplificador de potência de áudio originalmente especificado pela STMicroelectronics como um amplificador de 10 W para rádio automotivo. Ele possui saída single-ended, pode fornecer corrente elevada e incorpora diferentes mecanismos de proteção.
Seu encapsulamento Pentawatt possui cinco terminais, o que ajuda a manter o circuito relativamente simples.
Isso significa que boa parte da eletrônica necessária para realizar a amplificação está dentro do próprio CI.
Podemos pensar no sistema desta maneira:
fonte de áudio → TDA2003 → alto-falante
Naturalmente existem capacitores e resistores ao redor do integrado para definir ganho, acoplamento, estabilidade e filtragem, mas o componente central é o TDA2003.
Qual é a potência do TDA2003?
Aqui precisamos tomar cuidado com números apresentados sem as respectivas condições.
O datasheet clássico do TDA2003 especifica, com alimentação de 14,4 V, frequência de 1 kHz e 10% de distorção, aproximadamente:
| Impedância da carga | Potência de saída |
|---|---|
| 4 Ω | 6 W típicos |
| 2 Ω | 10 W típicos |
| 3,2 Ω | 7,5 W típicos |
| 1,6 Ω | 12 W típicos |
Portanto, dizer simplesmente que o TDA2003 é um “amplificador de 10 W” é uma simplificação. A potência obtida depende da tensão de alimentação, impedância do alto-falante e nível de distorção considerado.
Essa é uma observação importante porque encontramos na internet muitos circuitos integrados anunciados por uma potência única, como se ela fosse uma característica independente do restante do circuito.
Não é.
Alimentação do TDA2003
Uma das razões para o TDA2003 ter sido utilizado em aplicações automotivas é sua compatibilidade com sistemas alimentados em torno de 12 V.
No datasheet clássico, as características elétricas são especificadas com alimentação entre 8 e 18 V, sendo 14,4 V utilizada como condição típica em muitos testes. O valor de 18 V é a tensão máxima normal de operação especificada — os valores maiores encontrados na tabela de máximos absolutos não devem ser confundidos com tensão normal de funcionamento.
Assim, uma alimentação de aproximadamente 12 V é bastante conveniente para experiências com esse componente.
Do sinal pequeno para o alto-falante
Imagine que temos um sinal de áudio vindo de uma fonte qualquer.
Ele contém a informação musical, mas não necessariamente potência suficiente para movimentar adequadamente um alto-falante.
O amplificador realiza justamente essa etapa:
SINAL DE ÁUDIO
↓
TDA2003
↓
AMPLIFICAÇÃO
↓
ALTO-FALANTE
↓
SOMÉ importante entender que o amplificador não cria energia.
A energia necessária para movimentar o alto-falante vem da fonte de alimentação.
O pequeno sinal aplicado à entrada controla como essa energia será entregue à carga.
Um amplificador de potência
Essa diferença também ajuda a entender por que o TDA2003 não é apenas um amplificador de tensão para sinais pequenos.
Estamos falando de um amplificador de potência.
Sua saída precisa fornecer corrente suficiente para trabalhar com cargas de baixa impedância, como alto-falantes.
A ST especifica capacidade de corrente de pico repetitiva de até 3,5 A para o dispositivo.
É uma condição muito diferente daquela encontrada na entrada de um amplificador, onde os sinais normalmente envolvem correntes muito menores.
O alto-falante faz parte do projeto
A impedância do alto-falante não deve ser escolhida aleatoriamente.
Como vimos nos próprios dados do fabricante, a potência disponível muda bastante conforme a carga.
Diminuir a impedância tende a exigir mais corrente do estágio de saída.
Isso também significa:
maior corrente → maior dissipação → maior exigência térmica.
Portanto, não devemos simplesmente colocar uma impedância cada vez menor tentando obter mais potência.
Precisamos permanecer dentro das condições para as quais o circuito foi projetado.
O dissipador de calor é importante
O TDA2003 não transforma toda a potência retirada da fonte em som.
Parte dela inevitavelmente se transforma em calor dentro do circuito integrado.
É por isso que encontramos o TDA2003 em um encapsulamento que permite sua instalação em um dissipador.
O datasheet informa resistência térmica máxima entre junção e encapsulamento de aproximadamente 3 °C/W e prevê montagem em dissipador. O componente também possui limitação térmica interna.
Essa proteção é importante, mas não deve ser usada como substituta de um bom projeto térmico.
O objetivo é evitar que o componente chegue constantemente ao ponto em que a proteção térmica precise atuar.
Por que o TDA2003 esquenta?
Considere um exemplo simplificado.
Se a fonte estiver fornecendo:
e tivermos:
isso não significa que teremos necessariamente 12 W de áudio no alto-falante.
Uma parte da potência será entregue à carga e outra será dissipada pelo circuito.
O próprio datasheet mostra curvas de eficiência e dissipação em função da potência de saída, justamente porque esse comportamento é relevante no dimensionamento térmico.
A fonte de alimentação também influencia o resultado
Um amplificador depende bastante de sua alimentação.
Uma fonte inadequada pode resultar em:
ruído, ronco, queda de tensão, distorção ou potência menor que a esperada.
Isso cria uma ótima ligação com vários projetos que já fizemos para a bancada.
Uma fonte de 12 V com capacidade adequada pode ser utilizada para alimentar experiências com amplificadores desse tipo.
Mas capacidade de corrente da fonte e consumo do amplificador são coisas diferentes.
Se tivermos uma fonte:
12 V / 30 A
isso não significa que o TDA2003 receberá 30 A.
Significa apenas que aquela fonte possui capacidade de fornecer até essa corrente dentro de sua especificação. O circuito consumirá a corrente determinada pelas suas condições de funcionamento.
Capacitores têm funções importantes no circuito
Ao observarmos um circuito com TDA2003 encontramos diversos capacitores.
Eles não estão ali apenas porque “amplificadores precisam de capacitores”.
Dependendo da posição, podem participar de funções como:
acoplamento do sinal, desacoplamento da alimentação, rejeição de ripple, estabilidade e resposta em frequência.
O circuito de aplicação do fabricante utiliza justamente uma pequena quantidade de componentes externos, uma das características que tornou o TDA2003 atraente para projetos compactos.
Atenção à polaridade dos capacitores eletrolíticos
Quando utilizamos capacitores eletrolíticos polarizados, a orientação precisa ser respeitada.
Antes de energizar o circuito, vale conferir:
polaridade dos eletrolíticos, pinagem do TDA2003, alimentação, terra e conexão do alto-falante.
Essa conferência simples pode evitar muitos problemas.
O aterramento é especialmente importante em áudio
Um circuito pode estar eletricamente correto e ainda produzir ruído.
Isso ocorre porque o caminho das correntes de terra influencia bastante um amplificador.
O próprio fabricante chama atenção para o layout: se não for utilizado o desenho recomendado, os pontos de terra da entrada devem permanecer adequadamente separados do caminho de terra da saída, onde circulam correntes muito maiores.
Isso nos ensina uma coisa importante:
em áudio, montagem física também faz parte do circuito.
Não basta reproduzir o esquema elétrico sem pensar por onde as correntes realmente circulam.
Evitando ruído no amplificador
Algumas práticas ajudam bastante:
entrada de áudio
↓
fiação curta
↓
bom aterramento
↓
desacoplamento da fonte
↓
separação da saída de potência
↓
menor possibilidade de ruídoTambém é conveniente manter cabos de entrada afastados dos fios que conduzem correntes elevadas para o alto-falante.
Em montagens definitivas, cabos blindados podem ser úteis nas conexões de sinal.
O TDA2003 é mono
Outro detalhe importante: um TDA2003 corresponde a um canal de amplificação.
Portanto:
1 × TDA2003
↓
1 CANAL
↓
MONOPara um sistema estéreo precisaríamos de dois canais independentes.
Isso não é um problema para experiências.
Na realidade, começar com um amplificador mono é uma excelente maneira de entender o funcionamento antes de partir para sistemas mais complexos.
O ganho não é a mesma coisa que potência
Esse é outro conceito que costuma causar confusão.
O ganho indica quanto o sinal é amplificado.
A potência máxima que conseguimos entregar ao alto-falante depende também da:
alimentação, carga e capacidade do estágio de saída.
O circuito de teste do fabricante utiliza ganho fechado de aproximadamente 40 dB, mas aumentar indiscriminadamente o ganho não faz o integrado produzir potência ilimitada.
Chega um momento em que o sinal de saída encontra os limites do circuito.
A partir daí aparece a saturação e aumenta a distorção.
O que acontece quando aumentamos demais o volume?
Se aumentarmos progressivamente o sinal de entrada:
volume baixo
↓
saída limpa
volume maior
↓
maior potência
volume excessivo
↓
limite da saída
↓
clipping / distorçãoPortanto, ouvir distorção não significa necessariamente que o circuito precisa de ainda mais ganho.
Pode significar justamente que chegamos ao limite que aquele conjunto de alimentação e carga consegue fornecer.
Um circuito excelente para aprender eletrônica aplicada ao áudio
Um projeto com TDA2003 permite estudar várias coisas ao mesmo tempo:
alimentação, amplificação, impedância, potência, dissipação térmica, aterramento, capacitores, alto-falantes e sinais de áudio.
E ainda temos a satisfação de terminar a montagem e efetivamente ouvir o resultado.
É uma característica muito interessante dos projetos de áudio.
Em vez de observarmos apenas uma tensão no multímetro ou uma forma de onda no osciloscópio, o resultado final é algo que conseguimos escutar.
Veja a montagem do amplificador com TDA2003
No vídeo abaixo mostro o projeto do amplificador de som utilizando o TDA2003.
Para quem está começando, este é um projeto especialmente interessante porque permite sair de componentes isolados e construir um sistema completo:
entrada → amplificação → potência → alto-falante → som.
Do TDA2003 para outros amplificadores
Depois de entender um circuito desse tipo, fica muito mais fácil avançar para outros projetos de áudio.
Podemos comparar diferentes circuitos integrados, estudar amplificadores transistorizados, experimentar pré-amplificadores e até compreender melhor os amplificadores valvulados.
O importante é perceber que os princípios vão se conectando.
Quando entendemos por que precisamos do dissipador, por exemplo, estamos aprendendo sobre potência e calor.
Quando investigamos o ruído, entramos em aterramento e alimentação.
Quando alteramos o alto-falante, começamos a estudar impedância e potência.
É exatamente por isso que construir um amplificador simples com o TDA2003 pode ensinar muito mais do que simplesmente montar um circuito que produz som.