Amplificador Darlington até a té 500 Wpmpo (ART2025) (ART2025 )
Uma das vantagens da disponibilidade de transistores Darlington de alta potência é que podemos elaborar amplificadores de áudio com circuitos relativamente simples, de baixo custo e com potências de saída bastante elevadas. Os circuitos propostos neste artigo são um exemplo do que pode ser feito, tomando como base o par de transistores complementares Darlington TIP142 e TIP147. Os circuitos são relativamente simples, e suas saídas têm a mesma ordem de potência que os maiores amplificadores existentes atualmente no mercado. Uma das principais vantagens encontradas no projeto de amplificadores de áudio onde se usam transistores Darlington de potência na saída é a necessidade de etapas de pequena potência na excitação. O ganho elevado desses transistores elimina a necessidade de transistores intermediários, que, para os amplificadores de potências muito altas, podem significar um gasto considerável, dada a própria potência que eles precisam ter; isso sem se falar nos problemas de layout da placa de circuito impresso. Hoje podemos contar com transistores Darlington de potências muito altas e a um custo muito acessível como o par formado pelos tipos TlP142 e TlP147 (NPN e PNP, respectivamente). Estes transistores, para 100 V e 10 A com dissipação de 125 W, permitem a realização de bons projetos, como o que descrevemos. Uma possibilidade interessante para os leitores que necessitam de elevadas potências de áudio é usar estes circuitos em módulos. Assim, dois módulos formam um sistema estéreo de 500 W. Para a sonorização de grandes ambientes, podem ser usados diversos módulos, cada qual com uma potência PMPO de 250 W. O circuito básico é dado em duas versões, de potências diferentes, que depende justamente de onde o amplificador será utilizado. A fonte de alimentação é simétrica, eliminando-se assim a necessidade do capacitor eletrolítico de valor elevado para acoplamento ao alto-falante. Lembramos que neste tipo de projeto deve haver especial cuidado com as conexões de potência e a própria instalação do sistema, no que se refere à parte térmica. Os leitores que desejam montar com segurança o aparelho devem ter boa experiência com este tipo de circuito. Características
Potência de saída: versão 1: 180 W (PMPO) por canal (versão 2: 250 W (PMPO) por canal Corrente consumida a plena potência: 180 W (1 ,58 A), 250 W (2,5 A) Corrente de repouso: 17 a 25 mA Resistência de carga: 4 W Impedância de entrada: 39 k Ω
Distorção com 80% da potência máxima: menor que 0,5% Resposta de freqüência (-1 dB): 20 Hz a 60 kHz
COMO FUNCIONA
Os transistores Darlington na verdade são circuitos integrados que reúnem num único componente dois transistores e dois resistores, na configuração indicada na figura 1.
Figura 1 – Os transistores TIP142(NPN) e TIP147 (PNP)
O resultado é um circuito que se comporta como um único transistor, cujo ganho é o produto dos ganhos dos transistores usados separadamente, e que no caso é de pelo menos 1000. Isso significa que, na realidade, temos um “super -transistor” que pode controlar elevadíssimas correntes
de coletor a partir de tênues (1 000 vezes menores) correntes de base.
Os tipos TlP142 (NPN) e TlP147 (PNP) são transistores de potência onde a corrente de coletor pode chegar a 10 A. o que significa a possibilidade de serem usados em amplificadores de boa potência. A configuração empregada é a tradicionalmente utilizada na maioria maioria dos circuitos transistorizados com a saída complementar, com dois transistores, um NPN e outro PNP, conduzindo alternadamente, conforme mostra a figura 2.
Figura 2 – A etapa da saída de potência
Nesta configuração temos uma fonte de alimentação simétrica, que fornece uma tensão positiva e uma tensão negativa em relação à referência (terra) onde está ligada a carga (alto-falante). Considerando a elevada carga dos capacitores eletrolíticos da fonte de alimentação, estes funcionam como reservatórios de energia para atender às solicitações dos transistores na obtenção de correntes elevadas, e assim podem ser obtidas elevadas potências instantâneas de áudio (PMPO), como caracterizado neste projeto.
Assim, nos semiciclos positivos do sinal de áudio, c onduz o transistor NPN, de modo que a corrente fl ui do +Vcc. ao terra, passando pelo alto-falante. Nos semiciclos negativos, conduz o transistor PNP, de modo que a c ondução ocorre do terra ao - Vc.c., também passando pelo alto-falante. Veja que a potência final (dois semiciclos) é dada pela soma das correntes dos dois ramos da fonte. É muito importante neste tipo de circuito que as saídas sejam equilibradas de modo que, num sinal, um semiciclo não seja diferente do outro, pois isso significaria uma distorção. O ajuste do ponto de funcionamento desta etapa é importante, tanto em vista da necessidade de se manter a simetria do sinal, como também de um fator denominado "deriva térmica". Quando os transistores de saída se aquecem, com a operação a plena carga há uma tendência deste aquecimento mudar suas características, aumentando a corrente de fuga do coletor do primeiro elemento do par, conforme mostra a figura 3.
Figura 3 – A deriva térmica
Veja mais: A Deriva Térmica - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/571-a-derivatermica-art053
Essa corrente é amplificada pelo próprio transistor, e depois pelo segundo do par, e o resultado é um aumento substancial da corrente de repouso capaz de aumentar ainda mais o aquecimento do componente. E assim, mais fuga mais corrente, mais corrente mais calor, mais calor mais fuga, num processo cumulativo que, saindo do controle, leva o componente à destruição. Uma maneira de se fixar a polarização correta dos transistores de saída, e evitar o problema de deriva térmica é com a utilização de um transistor que estará em contato térmico com o radiador de calor dos transistores de saída. Este transistor "sente" as variações de temperatura do transistor de saída e reduz proporcionalmente a tensão entre as bases dos Darlingtons, de modo a reduzir assim a corrente de repouso. O ajuste do ponto de funcionamento deste transistor, feito por meio de um trimpot, é muito importante para se garantira estabilidade do circuito. A excitação dos Darlingtons é feita por um transistor PNP de média potência e alta tensão. O BC640 é ideal para esta aplicação, mas equivalentes de 80 V e 1 A podem ser usados.
Finalmente, temos a etapa de pré-amplificação, que consiste num par diferencial com transistores BC547B ou equivalentes. A configuração de par diferencial é especialmente atraente nos projetos em que se deseja uma excitação de alta potência com poucos elementos e a garantia da simetria do sinal, o que é importante no nosso circuito. O trimpot nos emissores do par diferencial têm por função ajustar a simetria de funcionamento. O melhor ajuste deve ser feito com a injeção de um sinal e observação por meio de um osciloscópio.
MONTAGEM
Na figura 4 temos o diagrama do amplificador básico.
Figura 4 – Diagrama do amplificador básico
Para as duas versões, de potências diferentes, muda apenas o valor do resistor R 3, (36 k Ω para 180 W e 47 k Ω para 250 W) e a tensão de alimentação, que será dada em função da fonte.
A disposição dos componentes principais numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.
Figura 5 – Placa para a montagem
Observe que os transistores Darlingtons de potência devem ser montados em excelentes dissipadores de calor. Estes dissipadores devem ficar isolados do coletor do transistor, que corresponde a sua aleta, por meio de uma folha de mica ou de plástico apropriado para esta finalidade. Junto a um dos transistores de saída é montado o transistor regulador Q 4.
Os fios de conexão aos transistores de saída, assim como ao positivo da alimentação, negativo e terra, além do alto-falante, devem ser grossos, dada a corrente intensa. As dissipações dos resistores são indicadas na lista de materiais,
com atenção especial para R 12 e R13, que devem ser de fio. As tensões dos capacitores eletrolíticos também são indicadas na lista.
Na figura 6 damos a disposição dos terminais dos transistores de modo a facilitar a sua montagem.
Figura 6 – Montagem dos transistores no dissipador
Os diodos D, e D2 tanto podem ser 1N4148 como de outro tipo, sendo uma boa prática que eles fiquem bem próximos de R7, de modo que o calor do resistor realimente-os no sentido de estabilizar o transistor excitador. Para entrada de sinal deve ser usado cabo blindado devidamente aterrado. O circuito não inclui um pré-amplificador mas qualquer um que tenha uma saída de pelo menos 500 mV deve excitar satisfatoriamente a saída a máxima potência. Na figura 7 temos o diagrama da fonte de alimentação, observando -se que a tensão de secundário do transformador depende da potência.
Figura 7 – Fonte de alimentação para o circuito
A corrente dependerá da versão. Para 180+18O W (PMPO) temos 4 A de secundário, e para a versão de 250+25O W (PMPO) temos 5 A. As tensões de trabalho dos eletrolíticos estão indicadas no diagrama, e os diodos admitem equivalentes. O fusível de proteção é importante no projeto para maior segurança. O conjunto pode ser usado em módulo ou montado em caixas metálicas que servirão de blindagem. O controle de volume e balanço será conjugado ao pré-amplificador.
Prova e Uso
Para testar o aparelho, inicialmente ligue o amplificador a uma fonte, sem carga (sem alto-falante). Meça as tensões da fonte e verifique a corrente de repouso, ajustando-a em P 2. Para a versão de menor potência ela pode ficar entre 10 e 18 m A, e para a versão maior, entre 15 e 25 m A. Verificado o funcionamento normal da fonte nestas condições, conecte uma carga e injete na entrada um sinal para verificar o funcionamento. Se tiver um osciloscópio, ligue-o na junção de R 12com R13 e, usando uma carga resistiva, ajuste P 1 para simetria do sinal. Comprovado o funcionamento é só utilizar o aparelho. Na figura 8 temos uma sugestão de pré -amplificador que pode ser usado com este aparelho.
Figura 8 – Pré-amplificador com controla de tom
Todas as ligações entre componentes e entradas devem ser blindadas para não ocorrer a captação de zumbidos.
Compre com confiança os componentes que precisa na Mouser Electronics. Clique aqui e visite o site.
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Amplificador Darlington até 500 Wpmpo (ART2025)
Uma das vantagens da disponibilidade de transistores Darlington de alta potência é que podemos elaborar amplificadores de áudio com circuitos relativamente simples, de baixo custo e com potências de saída bastante elevadas. Os circuitos propostos neste artigo são um exemplo do que pode ser feito, tomando como base o par de transistores complementares Darlington TIP142 e TIP147. Os circuitos são relativamente simples, e suas saídas têm a mesma ordem de potência que os maiores amplificadores existentes atualmente no mercado. Uma das principais vantagens encontradas no projeto de amplificadores de áudio onde se usam transistores Darlington de potência na saída é a necessidade de etapas de pequena potência na excitação. O ganho elevado desses transistores elimina a necessidade de transistores intermediários, que, para os amplificadores de potências muito altas, podem significar um gasto conside rável, dada a própria potência que eles precisam ter; isso sem se falar nos problemas de layout da placa de circuito impresso. Hoje podemos contar com transistores Darlington de potências muito altas e a um custo muito acessível como o par formado pelos tipos TlP142 e TlP147 (NPN e PNP, respectivamente). Estes transistores, para 100 V e 10 A com dissipação de 125 W, permitem a realização de bons projetos, como o que descrevemos. Uma possibilidade interessante para os leitores que necessitam de elevadas potências de áudio é usar estes circuitos em módulos. Assim, dois módulos formam um sistema estéreo de 500 W. Para a sonorização de grandes ambientes, podem ser usados diversos módulos, cada qual com uma potência PMPO de 250 W. O circuito básico é dado em duas versões, de potências diferentes, que depende justamente de onde o amplificador será utilizado.
A fonte de alimentação é simétrica, e liminando-se assim a necessidade do capacitor el etrolítico de valor elevado para acoplamento ao alto-falante. Lembramos que neste tipo de projeto deve haver especial cuidado com as conexões de potência e a própria instalação do sistema, no que se refere à parte térmica. Os leitores que desejam montar com segurança o aparelho devem ter boa experiência com este tipo de circuito. Características
Potência de saída: versão 1: 180 W (PMPO) por canal (versão 2: 250 W (PMPO) por canal Corrente consumida a plena potência: 180 W (1 ,58 A), 250 W (2,5 A) Corrente de repouso: 17 a 25 mA Resistência de carga: 4 W Impedância de entrada: 39 k Ω
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Os transistores Darlington na verdade são circuitos integrados que reúnem num único componente dois transistores e dois resistores, na configuração indicada na figura 1.
Figura 1 – Os transistores TIP142(NPN) e TIP147 (PNP)
O resultado é um circuito que se comporta como um único transistor, cujo ganho é o produto dos ganhos dos transistores usados separadamente, e que no caso é de pelo menos 1000. Isso significa que, na realidade, temos um “super -transistor” que pode controlar elevadíssimas correntes
de coletor a partir de tênues (1 000 vezes menores) correntes de base.
Os tipos TlP142 (NPN) e TlP147 (PNP) são transistores de potência onde a corrente de coletor pode chegar a 10 A. o que significa a possibilidade de serem usados em amplificadores de boa potência. A configuração empregada é a tradicionalmente utilizada na maioria dos circuitos transistorizados com a saída complementar, com dois transistores, um NPN e outro PNP, conduzindo alternadamente, conforme mostra a figura 2.
Figura 2 – A etapa da saída de potência
Nesta configuração temos uma fonte de alimentação simétrica, que fornece uma tensão positiva e uma tensão negativa em relação à referência (terra) onde está ligada a carga (alto-falante). Considerando a elevada carga dos capacitores eletrolíticos da fonte de alimentação, estes funcionam como reservatórios de energia para atender às solicitações dos transistores na obtenção de correntes elevadas, e assim podem ser obtidas elevadas potências instantâneas de áudio (PMPO), como caracterizado neste projeto. Assim, nos semiciclos positivos do sinal de áudio, conduz o transistor NPN, de modo que a corrente flui do +Vcc. ao terra, passando pelo alto-falante. Nos semiciclos negativos, conduz o transistor PNP, de modo que a c ondução ocorre do terra ao - Vc.c., também passando pelo alto-falante. Veja que a potência final (dois semiciclos) é dada pela soma das correntes dos dois ramos da fonte. É muito importante neste tipo de circuito que as saídas sejam equilibradas de modo que, num sinal, um semiciclo não seja diferente do outro, pois isso significaria uma distorção. O ajuste do ponto de funcionamento d esta etapa é importante, tanto em vista da necessidade de se manter a simetria do sinal, como também de um fator denominado "deriva térmica". Quando os transistores de saída se aquecem, com a operação a plena carga há uma tendência deste aquecimento mudar suas características, aumentando a corrente de fuga do coletor do primeiro elemento do par, conforme mostra a figura 3.
Figura 3 – A deriva térmica
Veja mais: A Deriva Térmica - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/571-a-derivatermica-art053
Essa corrente é amplificada pelo próprio transistor, e depois pelo segundo do par, e o resultado é um aumento substancial da corrente de repouso capaz de aumentar ainda mais o aquecimento do componente. E assim, mais fuga mais corrente, mais corrente mais calor, mais calor mais fuga, num processo cumulativo que, saindo do controle, leva o componente à destruição. Uma maneira de se fixar a polarização correta dos transistores de saída, e evitar o problema de deriva térmica é com a utilização de um transistor que estará em contato térmico com o radiador de calor dos transistores de saída. Este transistor "sente" as variações de temperatura do transistor de saída e reduz proporcionalmente a tensão entre as bases dos Darlingtons, de modo a reduzir assim a corrente de repouso. O ajuste do ponto de funcionamento deste transistor, feito por meio de um trimpot, é muito importante para se garantira estabilidade do circuito. A excitação dos Darlingtons é feita por um transistor PNP de média potência e alta tensão. O BC640 é ideal para esta aplicação, mas equivalentes de 80 V e 1 A podem ser usados. Finalmente, temos a etapa de pré-amplificação, que consiste num par diferencial com transistores BC547B ou equivalentes. A configuração de par diferencial é especialmente atraente nos projetos em que se deseja uma excitação de alta potência com poucos elementos e a garantia da simetria do sinal, o que é importante no nosso circuito. O trimpot nos emissores do par diferencial têm por função ajustar a simetria de funcionamento. O melhor ajuste deve ser feito com a injeção de um sinal e observação por meio de um osciloscópio.
MONTAGEM
Na figura 4 temos o diagrama do amplificador básico.
Figura 4 – Diagrama do amplificador básico
Para as duas versões, de potências diferentes, muda apenas o valor do resistor R 3, (36 k Ω para 180 W e 47 k Ω para 250 W) e a tensão de alimentação, que será dada em função da fonte.
A disposição dos componentes principais numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.
Figura 5 – Placa para a montagem
Observe que os transistores Darlingtons de potência devem ser montados em excelentes dissipadores de calor. Estes dissipadores devem ficar isolados do coletor do transistor, que corresponde a sua aleta, por meio de uma folha de mica ou de plástico apropriado para esta finalidade. Junto a um dos transistores de saída é montado o transistor regulador Q 4.
Os fios de conexão aos transistores de saída, assim como ao positivo da alimentação, negativo e terra, além do alto-falante, devem ser grossos, dada a corrente intensa. As dissipações dos resistores são indicadas na lista de materiais,
com atenção especial para R 12 e R13, que devem ser de fio. As tensões dos capacitores eletrolíticos também são indicadas na lista.
Na figura 6 damos a disposição dos terminais dos transistores de modo a facilitar a sua montagem.
Figura 6 – Montagem dos transistores no dissipador
Os diodos D, e D2 tanto podem ser 1N4148 como de outro tipo, sendo uma boa prática que eles fiquem bem próximos de R7, de modo que o calor do resistor realimente-os no sentido de estabilizar o transistor excitador. Para entrada de sinal deve ser usado cabo blindado devidamente aterrado. O circuito não inclui um pré-amplificador mas qualquer um que tenha uma saída de pelo menos 500 mV deve excitar satisfatoriamente a saída a máxima potência. Na figura 7 temos o diagrama da fonte de alimentação, observando -se que a tensão de secundário do transformador depende da potência.
Figura 7 – Fonte de alimentação para o circuito
A corrente dependerá da versão. Para 180+18O W (PMPO) temos 4 A de secundário, e para a versão de 250+25O W (PMPO) temos 5 A. As tensões de trabalho dos eletrolíticos estão indicadas no diagrama, e os diodos admitem equivalentes. O fusível de proteção é importante no projeto para maior segurança. O conjunto pode ser usado em módulo ou montado em caixas metálicas que servirão de blindagem. O controle de volume e balanço será conjugado ao pré-amplificador.
Prova e Uso
Para testar o aparelho, inicialmente ligue o amplificador a uma fonte, sem carga (sem alto-falante). Meça as tensões da fonte e verifique a corrente de repouso, ajustando-a em P 2. Para a versão de menor potência ela pode ficar entre 10 e 18 mA, e para a versão maior, entre 15 e 25 mA. Verificado o funcionamento normal da fonte nestas condições, conecte uma carga e injete na entrada um sinal para verificar o funcionamento. Se tiver um osciloscópio, ligue-o na junção de R 12com R13 e, usando uma carga resistiva, ajuste P 1 para simetria do sinal. Comprovado o funcionamento é só utilizar o aparelho. Na figura 8 temos uma sugestão de pré -amplificador que pode ser usado com este aparelho.
Figura 8 – Pré-amplificador com controla de tom
Todas as ligações entre componentes e entradas devem ser blindadas para não ocorrer a captação de zumbidos.
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