No projeto anterior mostrei a construção de um amplificador para guitarra e baixo utilizando o TDA7294 e o LM741. Mas um amplificador de potência não funciona sozinho: precisamos fornecer a ele uma alimentação adequada.
E aqui existe uma diferença importante em relação a muitos pequenos projetos eletrônicos alimentados com 5 V, 9 V ou 12 V.
O TDA7294 normalmente trabalha com uma fonte simétrica, ou seja, precisamos de uma tensão positiva, um ponto de referência de 0 V e uma tensão negativa.
Neste projeto mostro justamente a construção dessa parte fundamental do amplificador: uma fonte simétrica de alta potência para alimentar o TDA7294.
O que é uma fonte simétrica?
Em uma fonte simples podemos encontrar:
+12 V
│
CIRCUITO
│
0 VJá em uma fonte simétrica temos três referências:
+V
│
│
0 V
│
│
−VPor exemplo:
+35 V
│
0 V
│
−35 VEntre +35 V e 0 V temos 35 V.
Entre 0 V e −35 V também temos 35 V.
Mas entre os dois extremos encontramos:
Portanto, uma fonte ±35 V possui 70 V entre os dois trilhos extremos.
Essa distinção é fundamental.
Por que o TDA7294 utiliza fonte simétrica?
O TDA7294 é um amplificador de potência classe AB com estágio de saída DMOS. A STMicroelectronics especifica uma faixa operacional de alimentação de ±10 V a ±40 V, dependendo naturalmente da aplicação e das condições de carga.
A alimentação simétrica facilita ao amplificador produzir uma forma de onda que oscila tanto para o lado positivo quanto para o negativo em torno da referência de 0 V.
De maneira simplificada:
+V
│
/‾\ │ /‾\
0 V ── \_/ ──
│
−VIsso é muito conveniente em amplificadores de potência de áudio.
Não confunda ±35 V com 35 V
Essa é uma confusão muito fácil de acontecer.
Quando dizemos:
fonte de ±35 V
não estamos falando simplesmente de uma fonte de 35 V.
Temos:
+35 V / 0 V / −35 V
e, consequentemente, aproximadamente 70 V entre os trilhos positivo e negativo.
Esse detalhe também precisa ser considerado na escolha dos capacitores e demais componentes.
A fonte começa no transformador
Em uma fonte linear tradicional para esse tipo de amplificador, o primeiro elemento é o transformador.
De maneira simplificada:
REDE ELÉTRICA
↓
TRANSFORMADOR
↓
TENSÃO AC REDUZIDA
↓
RETIFICAÇÃO
↓
FILTRAGEM
↓
+V / 0 V / −VO transformador cumpre duas funções extremamente importantes: reduz a tensão para o valor necessário e fornece isolamento galvânico da rede, quando utilizado corretamente.
O secundário com tomada central
Uma maneira tradicional de construir a fonte é utilizar um transformador com secundário simétrico.
Podemos encontrar uma especificação como:
25 V – 0 – 25 V AC
ou simplesmente:
25-0-25 VAC
Temos então:
25 VAC
│
│
0 ← tomada central
│
│
25 VACA tomada central fornece a referência utilizada para obter os trilhos positivo e negativo depois da retificação e filtragem.
25-0-25 VAC não produz simplesmente ±25 VCC
Esse é outro ponto importante.
Depois da retificação e da filtragem por capacitores, a tensão contínua aproxima-se do valor de pico da senoide, descontadas as quedas nos diodos e considerando também a regulação do transformador e a carga.
A relação básica é:
Para 25 VAC:
Portanto, um transformador 25-0-25 VAC pode produzir algo próximo de:
+35 V / 0 V / −35 V sem carga, aproximadamente.
Um projeto de referência para TDA7294, por exemplo, utiliza transformador de 50 V com tomada central, ou ±25 VAC, para obter aproximadamente ±35 VCC após retificação e filtragem.
Na prática, o valor varia com a carga, a rede elétrica, as perdas nos diodos e a regulação do transformador.
A ponte retificadora
A saída do transformador ainda é corrente alternada.
Precisamos retificá-la.
Uma solução comum é utilizar uma ponte retificadora de onda completa.
Ela pode ser construída com quatro diodos ou adquirida como um único componente:
TRANSFORMADOR
↓
PONTE RETIFICADORA
↓
TENSÃO RETIFICADAMas essa tensão ainda apresenta uma grande variação.
É aí que entram os capacitores.
Os grandes capacitores de filtragem
Em fontes para amplificadores de potência encontramos frequentemente capacitores eletrolíticos relativamente grandes.
Sua função é armazenar energia e reduzir a ondulação da tensão retificada.
Temos então:
AC
↓
RETIFICADOR
↓
∩_∩_∩_∩_
↓
CAPACITORES
↓
──────────
DCNaturalmente, a tensão real não se torna uma linha perfeitamente plana. Continua existindo uma ondulação, ou ripple.
O que é ripple?
Depois que a tensão atinge um pico, o capacitor começa a fornecer energia à carga até chegar o próximo ciclo de recarga.
Sua tensão cai ligeiramente durante esse intervalo.
Quanto maior a corrente exigida pelo amplificador, maior tende a ser essa queda.
Uma aproximação bastante útil é:
onde:
- é a corrente da carga;
- é a frequência dos pulsos após a retificação;
- é a capacitância.
Em uma rede de 50 Hz com retificação de onda completa, temos pulsos a 100 Hz.
Isso ajuda a entender por que amplificadores de maior potência normalmente utilizam capacitores de filtragem grandes.
Quanto maior o capacitor, melhor?
Não indefinidamente.
Aumentar a capacitância reduz o ripple e aumenta a reserva de energia, mas também provoca correntes maiores durante a carga inicial e nos picos de recarga.
Portanto, precisamos considerar:
transformador, ponte retificadora, capacitores, fusíveis e corrente de partida.
Em fontes tradicionais para TDA7294 encontramos frequentemente capacitores na ordem de milhares de microfarads por trilho. Um projeto de referência de 50 W, por exemplo, recomenda 4.700 µF em cada trilho, enquanto outros projetos utilizam valores maiores conforme a potência pretendida.
A tensão dos capacitores merece atenção especial
Imagine que nossa fonte forneça aproximadamente ±35 V.
Não seria uma boa escolha utilizar um capacitor eletrolítico especificado para apenas 35 V.
Precisamos de margem.
Em uma aplicação de aproximadamente ±35 V, é comum encontrarmos capacitores especificados para 50 V ou mais, dependendo das condições reais do projeto. O próprio circuito de fonte recomendado no exemplo citado utiliza capacitores de 4.700 µF / 50 V.
Também devemos lembrar que a tensão sem carga pode ser superior à tensão observada durante o funcionamento normal do amplificador.
A polaridade dos capacitores é crítica
Como estamos trabalhando com fonte simétrica, a orientação dos capacitores pode parecer estranha para quem está acostumado apenas com fontes positivas.
No trilho positivo:
+V
│
+ capacitor
- capacitor
│
0 VNo trilho negativo, a orientação se inverte em relação à referência:
0 V
│
+ capacitor
- capacitor
│
−VIsso ocorre porque 0 V é mais positivo que −V.
Um capacitor eletrolítico invertido pode ser danificado e representar risco, especialmente quando estamos trabalhando com grandes capacitâncias e dezenas de volts.
A fonte precisa fornecer corrente
Não basta obter a tensão correta.
Um amplificador de potência pode exigir vários ampères em determinadas condições.
A ST especifica o TDA7294 para cargas de 4 Ω e 8 Ω e destaca sua elevada capacidade de corrente de saída.
Por isso o transformador precisa ser dimensionado também em VA.
Temos:
Em uma fonte simétrica, o dimensionamento precisa considerar o secundário completo e a potência necessária para o número de canais que serão alimentados.
Um amplificador estéreo, por exemplo, exigirá uma fonte mais robusta que um único canal operando nas mesmas condições.
Fonte de alta potência não significa que o amplificador consumirá tudo continuamente
Se o transformador possuir determinada capacidade, isso não significa que o amplificador estará consumindo essa potência o tempo inteiro.
A música é um sinal dinâmico.
Temos momentos de baixa potência e picos muito maiores.
Os capacitores da fonte também participam justamente dessa dinâmica, armazenando energia para ajudar a atender às variações de demanda.
O ponto de 0 V é muito importante em áudio
Em um amplificador, o ponto central não é apenas “mais um fio”.
Ele se torna a referência para diferentes partes do circuito.
Uma organização inadequada das correntes de terra pode provocar:
ronco, ruído e instabilidade.
Uma estratégia bastante utilizada em amplificadores é concentrar os retornos de correntes importantes em um ponto comum, formando o chamado star ground.
O próprio projeto de referência de fonte para TDA7294 destaca que os terras devem convergir para o mesmo ponto.
Fonte e amplificador precisam trabalhar juntos
Agora podemos conectar este projeto ao anterior.
No amplificador com TDA7294 e LM741 tínhamos:
GUITARRA / BAIXO
↓
PRÉ-AMPLIFICADOR
↓
TDA7294
↓
ALTO-FALANTEMas faltava mostrar de onde vinha a energia.
Agora temos:
REDE
↓
TRANSFORMADOR
↓
FONTE SIMÉTRICA
+V 0 −V
↓
GUITARRA → PRÉ → TDA7294 → ALTO-FALANTEA fonte não é um acessório do amplificador.
Ela é parte do projeto do amplificador.
Por que uma fonte ruim pode produzir ronco?
Se houver ripple excessivo na alimentação, parte dessa variação pode aparecer no circuito de áudio.
O resultado pode ser aquele conhecido hum.
Em Portugal e no Brasil, onde a rede opera a 50 Hz e 60 Hz respectivamente, uma fonte com retificação de onda completa terá componentes de ripple fundamentais tipicamente em 100 Hz ou 120 Hz, respectivamente.
Por isso, quando investigamos ronco em um amplificador, precisamos olhar não apenas para o circuito de áudio, mas também para:
filtragem, aterramento, transformador e organização física da montagem.
Antes de ligar o TDA7294, teste a fonte
Esse é um procedimento que considero especialmente importante.
Primeiro podemos testar a fonte sem o amplificador conectado.
Com o multímetro:
+V → 0 V = tensão positiva
0 V → −V = tensão positiva equivalente
+V → −V = aproximadamente o dobroPor exemplo, poderíamos encontrar:
+34,8 V
│
0 V
│
−34,6 VUma pequena diferença entre os trilhos não significa necessariamente um problema.
O importante é confirmar que a polaridade e os valores estão dentro do esperado antes de conectar o circuito amplificador.
Cuidado: aqui existe tensão de rede
Este projeto exige uma atenção que não aparece em muitos circuitos alimentados por bateria.
O primário do transformador está ligado à rede elétrica.
Portanto, essa parte da montagem envolve risco de choque elétrico grave.
O circuito deve utilizar proteção e isolamento adequados, conexões de rede inacessíveis ao toque, fusível corretamente dimensionado, aterramento de proteção quando aplicável e gabinete apropriado.
Mesmo depois de desligado, os grandes capacitores da fonte podem permanecer carregados durante algum tempo.
Por isso não devemos assumir que o circuito está imediatamente sem tensão simplesmente porque retiramos o plugue da tomada.
Veja a montagem da fonte simétrica
No vídeo abaixo mostro a construção da fonte simétrica destinada ao amplificador de alta potência com TDA7294.
No primeiro projeto vimos principalmente:
sinal → pré-amplificação → potência.
Agora estamos tratando de:
transformação → retificação → filtragem → alimentação simétrica.
Um amplificador é muito mais do que o CI de potência
Quando olhamos apenas para o TDA7294, podemos ter a impressão de que construir um amplificador significa simplesmente montar alguns componentes em torno do integrado.
Mas um equipamento completo envolve:
pré-amplificador + amplificador de potência + fonte + dissipador + alto-falante + gabinete + conexões + aterramento.
A fonte simétrica é uma dessas partes fundamentais.
E entender como ela funciona ajuda não apenas a montar este amplificador, mas também a diagnosticar problemas de ruído, queda de potência, aquecimento e distorção em muitos outros equipamentos de áudio.