Mini amplificador de áudio na lata de sardinha com MOSFET IRF630

Eletrônica tem uma característica de que gosto muito: podemos pegar componentes relativamente simples, experimentar algumas ideias e acabar construindo algo realmente funcional.

E, algumas vezes, até a caixa do projeto pode surgir de onde menos esperamos.

Foi exatamente o que aconteceu com este pequeno amplificador.

Eu tinha montado algum tempo antes um amplificador Classe A utilizando um MOSFET IRF630. Em determinado momento, olhando para uma lata de sardinha vazia, resolvi utilizá-la como gabinete para o circuito.

O resultado foi um pequeno amplificador de áudio funcional, com poucos componentes e uma aparência bastante diferente.

Além de servir como gabinete, a própria lata metálica acabou tendo outra função interessante no projeto: atuar como blindagem e como parte da conexão de terra do circuito.

Um amplificador pode ser muito mais simples do que parece

Quando ouvimos a palavra amplificador, podemos imaginar imediatamente um equipamento cheio de componentes.

Mas um estágio amplificador básico pode ser construído com muito pouco.

Neste projeto utilizei essencialmente:

1 MOSFET IRF630;

3 resistores;

1 capacitor eletrolítico;

1 capacitor cerâmico.

Naturalmente também temos conectores, alimentação, LED, dissipador e a parte mecânica da montagem.

Mas o núcleo eletrônico do amplificador é bastante simples.

Veja abaixo o aspecto do amplificador na lata de sardinha.

Repare que poucos componentes são necessários para montar o amplificador. Precisamos além do MOSFET de 3 resistores e 2 capacitores (1 eletrolítico e 1 cerâmico).

O que é um amplificador de áudio?

O sinal proveniente de uma fonte de áudio possui determinada amplitude.

Podemos ter como fonte:

celular;

MP3 player;

instrumento;

pré-amplificador;

outro equipamento de áudio.

Esse sinal pode não possuir potência suficiente para movimentar adequadamente um alto-falante.

O amplificador utiliza energia proveniente de sua fonte de alimentação para produzir na saída um sinal relacionado ao sinal de entrada, porém capaz de entregar maior potência à carga.

De maneira bastante simplificada:

Sinal de áudio

↓

Amplificador

↓

Caixa de som

Mas é importante perceber que a energia adicional não surge do sinal de áudio.

Ela vem da fonte de alimentação.

Neste projeto utilizei um MOSFET IRF630

O componente principal do circuito é o IRF630, um MOSFET.

MOSFET significa Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor.

Assim como outros transistores, ele pode ser utilizado em diversas aplicações eletrônicas, inclusive amplificação e chaveamento.

No circuito que montei, o IRF630 trabalha como elemento ativo do amplificador Classe A.

O MOSFET possui três terminais principais

Em um MOSFET encontramos:

Gate — G

Drain — D

Source — S

Podemos fazer uma comparação conceitual com os terminais de um transistor bipolar, embora os dispositivos funcionem de maneiras diferentes.

No MOSFET, o terminal Gate exerce o controle sobre a condução entre Drain e Source.

No circuito do amplificador, portanto, precisamos identificar corretamente a pinagem do IRF630 antes de realizar as conexões.

Cuidado ao olhar a pinagem

Nunca é uma boa ideia assumir que todos os transistores possuem a mesma disposição dos terminais.

Antes de montar:

identifique o componente;

consulte sua pinagem;

confira a orientação física.

Trocar Gate, Drain e Source pode impedir completamente o funcionamento e até provocar danos dependendo da montagem.

No artigo original também coloquei a indicação da pinagem do IRF630 junto ao esquema do circuito.

O circuito trabalha em Classe A

O amplificador que construí utiliza uma configuração Classe A.

Essa classe de amplificação é muito interessante para estudar porque permite compreender vários fundamentos de eletrônica analógica.

Em uma configuração Classe A, o dispositivo ativo permanece polarizado durante todo o ciclo do sinal.

Isso significa que existe corrente circulando mesmo quando não estamos reproduzindo áudio.

Essa característica tem consequências importantes.

Classe A é simples, mas não é eficiente

Um amplificador Classe A pode apresentar uma topologia relativamente simples e é muito interessante para experimentação.

Por outro lado, eficiência energética não é seu ponto forte.

Parte considerável da energia fornecida pela fonte acaba sendo convertida em:

calor.

Isso explica uma característica que observei claramente nesse projeto:

o IRF630 esquenta bastante.

Por isso, no artigo original faço uma recomendação muito importante: não utilize o MOSFET sem um bom dissipador de calor.

Por que o transistor esquenta?

Podemos pensar na potência dissipada aproximadamente como:

P = V × I

Se existe uma tensão significativa sobre o dispositivo ao mesmo tempo em que uma corrente passa através dele, temos dissipação de potência.

Essa energia precisa ir para algum lugar.

Grande parte aparece na forma de calor.

Se o componente não consegue transferir esse calor adequadamente para o ambiente, sua temperatura aumenta.

É aí que entra o dissipador

O dissipador aumenta a área disponível para transferência de calor para o ambiente.

No meu projeto utilizei alumínio para realizar essa dissipação.

Esse tipo de dissipador pode ser encontrado facilmente em lojas de componentes eletrônicos e também pode ser reaproveitado de equipamentos antigos.

Mas é preciso verificar se a peça realmente é adequada à potência que será dissipada.

Não subestime a temperatura do MOSFET

Se você montar esse circuito e perceber que o transistor está aquecendo, não conclua imediatamente que existe um defeito.

Em Classe A, dissipação de potência é esperada.

Mas existe uma diferença entre:

aquecer dentro das condições previstas

e

superaquecer perigosamente.

Por isso, a montagem precisa utilizar dissipação adequada.

Não toque diretamente no componente para descobrir se ele está quente.

A fonte utilizada foi de 12 V

Para alimentar o circuito utilizei uma fonte de:

12 volts.

A fonte tinha capacidade de fornecer até:

4 ampères.

Escolhi essa capacidade para trabalhar com folga.

Isso não significa que o circuito obrigatoriamente consuma 4 A o tempo inteiro.

A capacidade da fonte indica aquilo que ela consegue fornecer dentro de suas especificações.

Fonte de 12 V e 4 A significa 48 W?

A capacidade teórica máxima indicada pela combinação seria:

P = V × I

P = 12 × 4

P = 48 W

Mas isso não significa que o amplificador entregue 48 W de potência de áudio.

Esse é um erro bastante comum.

Uma fonte capaz de fornecer até 48 W não transforma automaticamente o circuito conectado a ela em um amplificador de áudio de 48 W.

A potência efetivamente consumida e a potência entregue à carga dependem do circuito e de suas condições de funcionamento.

Abaixo está o diagrama do circuito que montei.

O ponto de polarização é fundamental

Para um transistor trabalhar como amplificador, não basta simplesmente conectar o sinal ao componente.

Precisamos estabelecer suas condições de operação.

É aí que entram os resistores utilizados no circuito.

Eles ajudam a determinar a polarização do MOSFET e, consequentemente, seu ponto de funcionamento.

Isso permite que as variações do sinal de entrada produzam variações correspondentes no circuito.

Polarização parece complicada até vermos funcionando

Uma boa maneira de entender é imaginar que precisamos colocar o transistor em uma determinada condição antes de o áudio chegar.

Não queremos simplesmente:

desligado → ligado.

Queremos que pequenas variações do sinal possam produzir variações na saída.

Para isso, estabelecemos um ponto de operação.

Depois o sinal de áudio varia em torno dessa condição.

O MOSFET é diferente do transistor bipolar

No artigo original também comento uma diferença importante entre o transistor de efeito de campo e o transistor bipolar, inclusive em relação às características de condução e ao comportamento de distorção.

São dispositivos diferentes.

No transistor bipolar trabalhamos principalmente com:

base;

coletor;

emissor.

No MOSFET temos:

gate;

drain;

source.

Compreender essas diferenças é muito importante quando começamos a estudar amplificadores.

E o que é distorção de crossover?

Esse termo aparece bastante quando estudamos amplificadores de áudio, principalmente determinadas configurações em que diferentes dispositivos trabalham em partes distintas da forma de onda.

Na região de transição entre eles pode aparecer uma deformação conhecida como distorção de crossover.

Uma das características interessantes de estudar configurações Classe A é justamente que o dispositivo permanece conduzindo ao longo de todo o ciclo, não existindo a mesma transição entre dispositivos encontrada em determinadas topologias complementares.

Os capacitores também possuem funções importantes

Embora o circuito utilize poucos componentes, cada um deles está ali por algum motivo.

Temos um capacitor cerâmico e um capacitor eletrolítico.

Em circuitos de áudio, capacitores podem ser utilizados para permitir a passagem do componente variável associado ao áudio enquanto bloqueiam determinada componente contínua entre estágios.

Esse tipo de função é muito comum em amplificadores.

O capacitor de entrada é de 100 nF

Uma dúvida que apareceu nos comentários do projeto foi justamente sobre a conexão do capacitor de entrada.

No circuito mostrado, um terminal do capacitor de 100 nF está conectado à entrada do sinal e o outro vai ao Gate do transistor.

Existe um cruzamento de linhas no desenho que pode causar confusão.

Naquele ponto específico, os fios não estão eletricamente conectados entre si.

Esse detalhe é importante ao interpretar esquemas eletrônicos.

Cruzamento de linhas não significa necessariamente conexão

Em diagramas eletrônicos podemos encontrar duas linhas que se cruzam.

Dependendo da convenção utilizada, isso pode representar:

condutores conectados

ou:

um condutor passando sobre o outro sem conexão.

Por isso precisamos observar a representação utilizada no esquema.

No diagrama deste amplificador, o cruzamento mencionado no artigo não representa uma união elétrica.

Os resistores utilizados são de 1/4 W

Essa também foi uma dúvida respondida posteriormente no próprio artigo.

Os resistores utilizados no circuito são de:

1/4 W.

A potência nominal de um resistor indica quanto ele pode dissipar dentro das condições previstas.

Por isso, além do valor em ohms, precisamos observar também sua especificação de potência.

O gabinete foi uma lata de sardinha

Agora chegamos à parte mais curiosa do projeto.

Em vez de comprar uma caixa para montagem, utilizei uma lata de sardinha.

Ela estava disponível e o pequeno circuito precisava de uma “casa”.

Então pensei:

por que não?

O resultado ficou bastante interessante e demonstra algo de que gosto muito em projetos experimentais: não precisamos necessariamente comprar uma solução pronta para cada detalhe.

Podemos reaproveitar materiais.

A lata não serve apenas como decoração

Uma caixa metálica possui uma característica interessante em circuitos de áudio:

ela pode funcionar como blindagem eletromagnética.

Circuitos que trabalham com sinais de pequena amplitude podem captar interferências.

Uma estrutura metálica corretamente conectada ao terra pode ajudar a proteger o circuito contra determinados ruídos externos.

No meu amplificador, a própria lata participa dessa função.

A lata também foi utilizada como chassis

Na entrada P10 aparece aparentemente apenas um fio indo para o circuito.

Isso gerou uma pergunta no artigo.

Na realidade, a conexão de terra existe.

O que acontece é que a própria lata está sendo utilizada como chassis e como caminho para essa conexão, por isso o segundo fio não aparece da maneira que algumas pessoas esperariam.

Assim, a estrutura metálica possui função elétrica no projeto.

Isso explica por que vemos apenas um fio na entrada

Podemos representar conceitualmente:

Sinal do P10 → capacitor → Gate

enquanto:

Terra do P10 → chassis metálico

e o chassis participa da referência de terra da montagem.

Portanto, não significa que o áudio esteja funcionando sem referência elétrica.

A conexão simplesmente foi feita através da estrutura metálica.

A blindagem é muito importante em áudio

Quem já montou um pequeno amplificador provavelmente conhece aquele som desagradável:

HUMMMMMMMMM…

Existem várias possíveis origens para ruídos desse tipo.

Uma delas é a captação de interferências por regiões sensíveis do circuito.

Por isso, em equipamentos de áudio encontramos frequentemente:

cabos blindados;

gabinetes metálicos;

aterramento;

organização cuidadosa da fiação.

A pequena lata acaba demonstrando esse princípio de maneira muito prática.

Podemos utilizar um celular como fonte de áudio

Outra dúvida que apareceu no artigo foi se seria possível conectar um celular utilizando:

P2 → P2

ou:

P2 → P10.

Sim. Já utilizei muitas vezes em aulas de eletrônica um celular ou MP3 como fonte de sinal para experiências desse tipo.

Naturalmente, devemos começar com o volume baixo e aumentar progressivamente.

Por que começar com volume baixo?

O sinal proveniente do dispositivo de áudio já possui determinada amplitude.

Se colocarmos imediatamente o volume no máximo, podemos saturar o estágio de entrada.

O resultado pode ser:

distorção;

som desagradável;

comportamento diferente daquele esperado.

Portanto, comece baixo.

Depois aumente gradualmente enquanto observa o resultado.

A entrada utiliza conector P10

Na parte frontal do amplificador instalei um conector P10 para entrada.

Também coloquei:

LED indicador

e

cabo com P10 fêmea para a saída destinada à caixa de som.

Na parte traseira ficou a entrada da alimentação.

Assim, apesar de o gabinete ser extremamente simples, a montagem ficou organizada como um pequeno equipamento de áudio.

O LED ajuda a indicar que o circuito está energizado

É um detalhe simples, mas útil.

Quando temos um circuito dentro de uma caixa, nem sempre conseguimos saber visualmente se está recebendo alimentação.

Um LED no painel fornece uma indicação imediata:

aceso → equipamento energizado.

Isso é especialmente útil em projetos de bancada.

A saída vai para uma caixa de som

O amplificador precisa ser conectado a uma carga adequada.

No meu projeto deixei um cabo de saída com conector P10 fêmea para ligação à caixa de som.

Ao experimentar qualquer amplificador, entretanto, é importante observar a carga para a qual o circuito foi projetado.

Não devemos ligar aleatoriamente qualquer alto-falante apenas porque o conector encaixa.

Impedância é importante em amplificadores

Alto-falantes apresentam uma impedância nominal.

Valores como:

4 Ω;

8 Ω

são muito comuns.

A carga influencia corrente, potência e comportamento do estágio de saída.

Por isso, ao construir um amplificador, precisamos compreender para qual condição o circuito foi projetado.

A montagem pode ser feita sem placa de circuito impresso

Como existem poucos componentes, projetos experimentais desse tipo podem ser montados de maneiras bastante simples.

Mas simplicidade não significa desorganização.

Precisamos evitar:

curtos;

terminais encostando no chassis indevidamente;

soldas frágeis;

fios soltos.

Especialmente porque estamos utilizando uma caixa metálica.

A lata conduz eletricidade

Esse detalhe precisa estar sempre presente durante a montagem.

A lata não é apenas uma caixa.

Ela é metálica.

Portanto, qualquer terminal desencapado que encoste nela pode criar uma conexão elétrica.

No projeto isso é utilizado intencionalmente em determinadas partes.

Mas uma conexão não planejada pode provocar um curto-circuito.

Isole aquilo que não deve tocar no chassis

Antes de energizar, observe a parte inferior da montagem.

Confira se:

terminais;

soldas;

fios;

componentes

não estão tocando a lata em pontos indevidos.

Podemos utilizar materiais isolantes apropriados entre o circuito e a estrutura metálica quando necessário.

Atenção especial ao MOSFET e ao dissipador

Dependendo do componente e da maneira como o dissipador é montado, sua parte metálica pode possuir relação elétrica com determinado terminal do semicondutor.

Portanto, não devemos assumir que podemos aparafusar qualquer transistor diretamente a qualquer estrutura metálica aterrada.

É necessário conhecer o componente e decidir se será necessário utilizar:

isolador;

bucha;

mica;

material térmico apropriado.

Esse cuidado é particularmente importante quando chassis e dissipadores são metálicos.

A lata precisa ser preparada antes da montagem

Se você resolver fazer um projeto semelhante, cuidado ao cortar e furar a lata.

As bordas podem ficar extremamente afiadas.

Depois dos cortes:

remova rebarbas;

lixe as bordas;

verifique se não existem pontas cortantes.

Não vale a pena fazer um projeto divertido e terminar com um corte na mão.

Planeje os componentes antes de furar

Antes de fazer qualquer abertura, coloque tudo sobre a lata e pense na disposição.

Precisamos encontrar espaço para:

conector de entrada;

LED;

saída;

alimentação;

dissipador;

circuito interno.

Depois de furar, voltar atrás fica muito mais difícil.

Separe entrada e saída quando possível

Em amplificadores, a organização física pode influenciar o aparecimento de ruídos e realimentações indesejadas.

É interessante evitar que os fios de entrada de baixo nível fiquem desnecessariamente misturados com:

saída;

alimentação;

regiões de maior corrente.

Uma montagem fisicamente organizada também facilita muito a manutenção.

Faça o primeiro teste antes de fechar a lata

Monte o circuito.

Confira as conexões.

Utilize uma fonte adequada.

Faça o teste inicialmente com volume baixo.

Observe:

há som?

existe distorção excessiva?

há ruído?

o MOSFET está aquecendo como esperado?

o LED funciona?

Somente depois finalize a montagem.

Se não funcionar, não troque componentes aleatoriamente

Faça o diagnóstico por etapas.

Primeiro verifique:

a fonte realmente fornece 12 V?

Depois:

a alimentação chega ao circuito?

Depois:

o IRF630 está conectado na pinagem correta?

Depois:

os valores dos resistores estão corretos?

Depois:

os capacitores estão corretamente instalados?

Depois:

o sinal realmente está chegando à entrada?

Essa abordagem economiza muito tempo.

Um multímetro ajuda bastante

Com um multímetro podemos verificar:

tensão da fonte;

continuidade;

alimentação no circuito;

possíveis curtos;

pontos de polarização.

Antes mesmo de conectar uma caixa de som, várias falhas podem ser encontradas dessa maneira.

Um osciloscópio torna a experiência ainda mais interessante

Se você tiver acesso a um osciloscópio, podemos ir além.

Aplicamos um sinal conhecido na entrada.

Observamos:

forma de onda na entrada;

sinal no estágio amplificador;

forma de onda na saída.

Também podemos aumentar gradualmente o sinal até perceber o início da distorção.

Agora deixamos de apenas ouvir o amplificador e começamos a enxergar aquilo que está acontecendo eletricamente.

Podemos estudar ganho

Se medirmos a amplitude do sinal de entrada e compararmos com a saída, começamos a trabalhar com o conceito de ganho.

De maneira simplificada:

Ganho de tensão = tensão de saída / tensão de entrada

Isso permite transformar um projeto aparentemente informal em uma ótima experiência de laboratório.

Podemos estudar distorção

Também podemos observar o que acontece quando aumentamos demais o sinal.

Em algum momento, o circuito deixa de conseguir reproduzir a forma de onda adequadamente.

A saída começa a ser deformada.

Ouvimos isso como distorção.

No osciloscópio conseguimos enxergar essa alteração.

Podemos medir o consumo

Outro experimento interessante é medir a corrente consumida pelo circuito.

Como estamos trabalhando com um amplificador Classe A, perceberemos uma característica importante:

existe consumo significativo mesmo sem música sendo reproduzida.

Isso está diretamente relacionado ao princípio de funcionamento dessa classe.

Podemos comparar com outras classes de amplificadores

Depois de montar um Classe A, fica muito interessante estudar:

Classe B;

Classe AB;

Classe D.

Cada uma apresenta características diferentes em termos de:

eficiência;

distorção;

complexidade;

dissipação térmica.

Construir circuitos simples ajuda muito mais a compreender essas diferenças do que apenas decorar definições.

O projeto é ótimo para aprender MOSFET na prática

MOSFET pode parecer um componente abstrato quando estudamos apenas a teoria.

Falamos em:

Gate;

Drain;

Source;

tensão de limiar;

polarização.

Quando montamos um amplificador e ouvimos música saindo da caixa, esses conceitos passam a representar alguma coisa concreta.

O transistor deixa de ser apenas um símbolo em um esquema.

E a lata transforma o circuito em um equipamento

Existe uma diferença psicológica interessante entre um circuito espalhado sobre a bancada e o mesmo circuito instalado dentro de um gabinete.

Quando colocamos:

conectores;

LED;

alimentação;

saída;

chassis;

dissipador,

o projeto começa a parecer um equipamento de verdade.

Mesmo que o gabinete tenha começado sua vida armazenando sardinhas.

Reaproveitar materiais faz parte da experimentação

Não significa que uma lata seja a melhor caixa para qualquer projeto.

Mas ela mostra que podemos olhar para materiais disponíveis e pensar:

“Será que consigo utilizar isso?”

Esse tipo de raciocínio aparece constantemente em projetos caseiros.

Caixas de equipamentos antigos, pedaços de alumínio, conectores recuperados e outros componentes podem ganhar uma segunda vida na bancada.

O circuito utiliza poucos componentes, mas ensina muita coisa

Com esse pequeno amplificador podemos trabalhar conceitos como:

MOSFET;

Classe A;

polarização;

dissipação de potência;

dissipador de calor;

capacitores de acoplamento;

resistores;

aterramento;

blindagem;

sinal de áudio;

alto-falante;

fonte de alimentação.

Isso é muito conhecimento dentro de uma lata de sardinha.

Uma sequência interessante para montar e testar

Podemos organizar o projeto da seguinte maneira:

1. Separe o IRF630, resistores e capacitores.
2. Confira os valores dos componentes.
3. Identifique corretamente Gate, Drain e Source.
4. Monte inicialmente o circuito fora da lata.
5. Confira todas as conexões.
6. Instale um dissipador adequado no MOSFET.
7. Alimente o circuito com a fonte apropriada.
8. Utilize um sinal de áudio com volume inicialmente baixo.
9. Teste a saída com a carga adequada.
10. Verifique o funcionamento e a temperatura.
11. Prepare a lata removendo cuidadosamente qualquer borda cortante.
12. Planeje a posição dos conectores e do LED.
13. Faça os furos necessários.
14. Instale o circuito garantindo o isolamento dos pontos necessários.
15. Faça corretamente a conexão do chassis ao terra.
16. Confira novamente possíveis curtos.
17. Teste antes de fechar definitivamente.
18. Aumente o volume gradualmente e observe o comportamento.

Quer aprender mais sobre eletrônica aplicada ao áudio?

Construir um amplificador simples como esse é uma excelente porta de entrada para compreender assuntos que aparecem constantemente em equipamentos de áudio:

transistores e MOSFETs;

polarização;

capacitores;

resistores;

amplificação;

distorção;

alto-falantes;

fontes de alimentação;

aterramento e blindagem.

No meu Curso de Eletrônica Aplicada ao Áudio, esses conceitos são trabalhados com uma abordagem prática, voltada para quem quer compreender a eletrônica presente em amplificadores, instrumentos, circuitos e equipamentos de áudio.

A ideia é justamente sair do simples “monte assim” e começar a entender por que o circuito funciona, qual é a função de cada componente e como utilizar esse conhecimento para construir e analisar seus próprios projetos.