Apostila Amplificador Classe D

7/27/2019 Apostila Amplificador Classe D

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Universidade Federal de Minas Gerais

Escola de Engenharia

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Interface do Amplificador Classe D com Alto-falante: Estudo

e modelagem. Forma de interao destas unidades para

integrao em caixas ativas

Cludio Alexandre Pinto Tavares

Dissertao submetida banca examinadora

designada pelo Colegiado do Programa de Ps

Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal de Minas Gerais, como

parte dos requisitos necessrios obteno do

grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

Orientador: Prof. Pedro Francisco Donoso Garcia, Dr.

Belo Horizonte, 09 de fevereiro de 2010


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AGRADECIMENTOS

minha esposa Luciana, pelo amor incondicional, companheirismo e pacincia

infindvel.

Ao meu filho ou filha, que esta por chegar. Abenoado seja.

Aos meus pais pela vida e pela determinao,

Ao amigo e professor Elice pelo exemplo,

Ao Pedro Donoso, por ser professor no mais correto e profundo sentido desta profisso

A Deus ofereo minha f

Aos livros e discos, companheiros inseparveis...

i


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RESUMO

A maioria dos equipamentos de sonorizao existentes atualmente tem por base os

amplificadores lineares transistorizados (classes A, B e AB), uma tecnologia estabelecida que,entretanto, possui como desvantagens caractersticas a baixa eficincia na converso da

potncia, tamanho fsico e custos elevados.

Os atuais amplificadores chaveados ou classe D, que permitem o aumento da densidade

de potncia e eficincia, sem necessidade de volumosos dissipadores de calor e com sensvel

reduo do custo aproximam-se em qualidade sonora dos amplificadores lineares e os

superam em termos de eficincia energtica.

Os amplificadores classe D so ainda pouco aproveitados no campo das mdiaspotncias (tipicamente 25W a 250W). Nestes nveis podemos empregar o conceito de alto-

falante ativo, cujo amplificador de potncia colocado dentro da caixa acstica.

Especificamente, o uso em sistemas multicanais para Home Theater, som automotivo de alta

qualidade, aplicaes para sonorizao de ambientes como estdios (monitores de referncia),

ou pequenos auditrios e salas de aula, onde fatores como eficincia energtica, reduo do

volume, peso e custos se tornam prioridade, sem prejuzo da qualidade sonora.

Por outro lado, o desenvolvimento dos alto-falantes para reproduo de udio,permanece condicionado a pequenas melhorias nos conceitos elementares desenvolvidos no

comeo do sculo passado.

O filtro passa-baixas tipicamente LC, utilizado na sada dos amplificadores para

eliminar a onda portadora do sinal de udio, que geralmente um sinal PWM (Modulao por

Largura de Pulso), compromete diretamente o tamanho do amplificador, o seu custo e sua

qualidade sonora.

Este trabalho tem o objetivo especifico de estudar a interface amplificador/alto-falante,

para verificar em que condies possvel a retirada do filtro LC nesta escala de potncias.

descrito o princpio de funcionamento do amplificador classe D, em seguida

modelamos o alto falante como uma carga complexa para este amplificador. Realizamos

testes com uma topologia comercial, atravs da construo de um prottipo de amplificador e

a utilizao de diversos alto falantes comerciais para o estudo da interface alto

falante/amplificador. So comparados os resultados tericos e prticos para a conexo do

amplificador ao alto-falante com o filtro LC e sem este, para os diversos alto falantes com

caractersticas distintas

ii


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iii

ABSTRACT

Most of the sound equipments existent today has for base the transistorized linear

amplifiers (class A, B and AB), an established technology that, however, it possesses as

characteristic disadvantages the low efficiency in the conversion of the energy, physical size

and high costs.

The switched amplifiers or class D, that allow the increase of the power density, with

great increase in the efficiency, without need of heat transfers and with sensitive reduction of

the cost. They approach in sound quality of the linear amplifiers and they overcome them in

terms of energy efficiency.

The class D amplifiers are still little taken advantage of in the field of the averages

power (typically 25W to 250W). In these levels we can use the concept of active loudspeaker,

whose power amplifier is placed inside of the acoustic box. Specifically, the use in

multichannel systems for Home Theater, car sound, applications for Public Adress, in studios

(reference monitors), or small auditoriums and class rooms, where you factor as energy

efficiency, reduction of the volume, weight and costs become priority, without damage of the

sound quality.

On the other hand, the development of the loudspeakers for audio reproduction, stays

conditioned to small improvements in the elementary concepts developed at the beginning of

last century.

The low-pass filter, typically LC, used in the amplifiers to eliminate the carrier of the

audio signal, that is usually a PWM (Pulse Width Modulation), it commits the size of the

amplifier, your cost and your sound quality directly.

This work presents a study of the interface amplifier/loudspeaker, to verify in that

conditions are possible the retreat of the filter LC in this scale of power.

The operation of the amplifier class D is described, after that we modeled the speaker asa complex load for this amplifier. We accomplished tests with a commercial topology,

through the construction of an amplifier prototype and the high several commercial

loudsspeakers' use for the study of the interface amplifier/loudspeaker. Being compared the

theoretical and practical results for the connection of the amplifier to the loudspeaker with the

filter LC and without this, for the several loudspeakers with different characteristics.


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Sumrio

Resumo............................................................................................................................... ii

Abstract.............................................................................................................................. iii

Lista de Figuras................................................................................................................ vii

Lista de Tabelas............................................................................................................... x

Lista de smbolos......................................................................................... xi

1.Introduo..................................................................................................................... 11.1 - Apresentao e contexto.......................................................................................... 1

1.2 - Motivao: Objetivo Especfico.............................................................................. 4

1.3 - Metodologia: Objetivos Gerais................................................................................ 6

i - Caracterizao do amplificador classe D, baseado na descrio de um

amplificador comercial para estudos e experincias............................................................ 6ii - Estudo do alto falante (carga ativa)...................................................................... 6

iii Simulaes e testes............................................................................................. 7

iv- Concluso final e Proposta de continuidade......................................................... 7

2.O Amplificador Classe D.......................................................................................... 82.1 - Introduo.............................................................................................................. 8

2.2 - O amplificador Classe D bsico............................................................................. 10

2.2.1- Tipos de modulao....................................................................................... 10

2.2.1.1 - PWM.................................................................................................. 10

2.2.1.2 - Sigma Delta........................................................................................ 12

2.2.2 - Etapa de Sada............................................................................................... 14

2.2.3 - Filtro Passa Baixas........................................................................................ 18

2.3 - Mdulo de desenvolvimento classe D com potncia escalonada......................... 19

2.3.1 Modulo de desenvolvimento........................................................................ 20

iv


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2.3.2 Driver.......................................................................................................... 21

2.3.3 MOSFETs................................................................................................... 23

2.3.4 Filtro............................................................................................................ 25

2.4 - concluso.............................................................................................................. 26

3. Transdutor Eletro Acstico: Alto-falante.......................................................... 27

3.1 - Introduo............................................................................................................. 27

3.2 - Princpio de funcionamento do alto-falante.......................................................... 28

3.3 - Caixas acsticas.................................................................................................... 30

3.3.1 - Baffles.......................................................................................................... 30

3.3.2 - Gabinete de fundo aberto............................................................................. 31

3.3.3 - Gabinete fechado......................................................................................... 31

3.3.4 - Caixa ventilada............................................................................................ 31

3.3.5 - Labirinto acstico........................................................................................ 32

3.4 - Mtodo de Thiele-Small...................................................................................... 32

3.4.1 - Analogias Eletromecnicas.......................................................................... 34

3.4.2 - Baffle Infinito.............................................................................................. 39

3.4.3 - Fator de Qualidade....................................................................................... 453.4.4 No Linearidades do Alto-falante............................................................... 47

3.5- Concluso............................................................................................................ 504.Simulaes e testes..................................................................................... 51

4.1 Introduo........................................................................................................... 51

4.2 Parmetros Determinados.................................................................................... 52

4.2.1 - Potncia RMS.............................................................................................. 524.2.2 - BW Resposta em freqncia..................................................................... 53

4.2.3 Rendimento................................................................................................. 53

4.2.4 Sensibilidade............................................................................................... 53

4.3 Especificaes da Plataforma de Ensaios........................................................... 54

4.3.1 Dados do amplificador................................................................................ 54

4.3.2 Baffle........................................................................................................... 54

4.3.3 Equipamentos utilizados nos ensaios.......................................................... 56

v


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vi

4.3.4 Fonte de alimentao................................................................................... 57

4.3.5 Medio da temperatura.............................................................................. 58

4.3.6 Filtro para medio...................................................................................... 61

4.4 Simulaes.......................................................................................................... 62

4.4.1 Simulao do alto-falante 10CV4............................................................... 64

4.4.2 Simulao do alto-falante 10PW3............................................................... 65

4.5 Parmetros........................................................................................................... 66

4.5.1 Resposta em freqncia............................................................................... 66

4.5.2 - Corrente Quiescente..................................................................................... 67

4.5.3 Verificao do Chaveamento PWM............................................................ 67

4.6 Ensaios de rendimento........................................................................................ 68

4.6.1 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga resistiva 4 com filtro LC 69

4.6.2 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga resistiva 4 sem filtro LC 71

4.6.3 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga resistiva 8 com filtro LC 73

4.6.4 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga resistiva 8 sem filtro LC 75

4.6.5 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga alto-falante 10CV4 com

filtro LC................................................................................................................................ 77

4.6.6 - Ensaio de Rendimento vs Potncia para carga alto-falante 10CV4 sem

filtro LC................................................................................................................................78

4.7 Analise da potncia no amplificador na freqncia de chaveamento................. 81

4.8 Concluso............................................................................................................ 82

5, Concluso final e Proposta de continuidade................................................ 83

5.1 Concluso final................................................................................................... 83

5.2 Proposta de continuidade.................................................................................... 85

Referncias Bibliogrficas......................................................................... 86

Anexo 1................................................................................................................................ 89

Anexo 2................................................................................................................................ 90


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Lista de Figuras

Figura 1.1 Anncio do amplificador Sinclair X10 [1]...................................................... 2

Figura 1.2 Grfico do rendimento tpico de amplificadores Classe A, B e D[4].............. 3

Figura 2.1 Amplificador classe AB bi-amplificado (60+70Watts)................................... 9

Figura 2.2 Amplificador classe D bi-amplificado (250+250Watts).................................. 9

Figura 2.3 - Amplificador PWM Bsico.............................................................................. 10

Figura 2.4 - Formas de onda tpicas do PWM: na sada do comparador(A) e na entrada

do filtro (B).......................................................................................................................... 11

Figura 2.5 - Diagrama de blocos do modulador delta analgico......................................... 12

Figura 2.6 - Diagrama de blocos do modulador sigma delta analgico............................... 13

Figura 2.7 Formas de onda presentes no modulador sigma delta analgico..................... 13

Figura 2.8 Modulador sigma delta utilizado em um amplificador classe D..................... 14

Figura 2.9 - Comparao entre conversor Buck e amplificador Classe D........................... 15

Figura 2.10 - Filtro Passa Baixas 2 Ordem......................................................................... 18

Figura 2.11 - Amplificador digilite 6.4 (Empresa HotSound)............................................. 20Figura 2.12 Funes Principais: amplificador de erro, comparador PWM, gate driver e

circuitos de proteo [6]....................................................................................................... 22

Figura 2.13 Programao do Tempo Morto...................................................................... 23

Figura 2.14 Esquema simplificado de um canal do mdulo amplificador........................ 24

Figura 2.15 Filtro de sada do mdulo amplificador 25

Figura 3.1 Componentes de um Alto-falante.................................................................... 29

Figura 3.2 Curvas de impedncia e fase tpicas de um alto-falante montado no Baffle

infinito (exemplo)................................................................................................................. 29

Figura 3.3 Plano de irradiao do alto-falante ao ar livre (corte)..................................... 30

Figura 3.4 Baffle............................................................................................................... 30

Figura 3.5 Gabinete aberto................................................................................................ 31

Figura 3.6 Gabinete fechado............................................................................................. 31

Figura 3.7 Gabinete ventilado........................................................................................... 32

Figura 3.8 Labirinto acstico............................................................................................ 32

vii


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Figura 3.9 Analogia entre massa (M) e indutncia (L)..................................................... 35

Figura 3.10 Fora X Deslocamento.................................................................................. 35

Figura 3.11 Analogia entre Complincia mecnica (CM) e capacitncia (C).................... 36

Figura 3.12 Transformador acoplando lado acstico ao mecnico................................... 38

Figura 3.13 Circuito equivalente ao modelo eletro-mecano-acstico do alto-falante....... 39

Figura 3.14 - Circuito equivalente ao modelo eletro-mecnico do alto-falante................... 40

Figura 3.15 - Circuito equivalente ao modelo do alto-falante em Baffle Infinito................ 44

Figura 3.16 - Circuito equivalente na primeira ressonncia................................................. 45

Figura 3.17 Impedncia eltrica (RE) refletida no lado mecnico.................................... 46

Figura 3.18 Modelo completo do alto-falante em baffle infinito...................................... 49


infinito (exemplo)................................................................................................................. 52

Figura 4.2 - Confeco do Baffle......................................................................................... 55

Figura 4.3 setup de testes.................................................................................................. 57

Figura 4.4 Esquema da fonte utilizada nos testes.............................................................. 58

Figura 4.5 Tipos de alto-falantes: aberto (a) fechado (b).................................................. 58

Figura 4.6 Posio de insero dos termopares: aberto (a) fechado (b)............................ 59

Figura 4.7 (a) insero do termopar na cmara (b) insero do termopar no conjunto

magntico (c) conjunto montado para a medio de temperatura........................................ 60

Figura 4.8 Circuito do filtro para medio........................................................................ 61

Figura 4.9 Curvas de magnitude e fase vs. freqncia do filtro de testes......................... 62

Figura 4.10 Circuito equivalente ao alto-falante 10CV4.................................................. 64

Figura 4.11 Curvas de magnitude e fase vs. freqncia do alto-falante 10CV4............... 64

Figura 4.12 Circuito equivalente ao alto-falante 10CV4.................................................. 65

Figura 4.13 Curvas de magnitude e fasevs.

freqncia do alto-falante 10PW3............... 66Figura 4.14 Resposta em freqncia do Amplificador...................................................... 66

Figura 4.15 - PWM antes do filtro, amplificador conectado carga resistiva..................... 67

Figura 4.16 - Forma de onda de tenso (50V/div) amostras do pwm oscilando a 1kHz ... 68

Figura 4.17 Dados do ensaio para carga resistiva 4 com filtro LC................................ 69

Figura 4.18 Curva Rendimento vs.Potncia para o ensaio de 4 resistivo com filtroLC 70

Figura 4.19 Dados de rendimento fornecidos pelo fabricante [13,14].............................. 70

Figura 4.20 Dados do ensaio para carga resistiva 4, sem filtro LC............................... 71

viii


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ix

Figura 4.21 Curva Rendimento Potncia para o ensaio de 4 resistivo sem filtro LC.... 72

Figura 4.22 Comparao Rendimento vs. Potncia para o ensaio de 4 resistivo com e

sem o filtro LC..................................................................................................................... 72

Figura 4.23 Dados do ensaio para carga resistiva 8, com filtro LC............................... 73

Figura 4.24 Curva Rendimento vs.Potncia para o ensaio de 8 resistivo com filtroLC 74

Figura 4.25 Dados do ensaio para carga resistiva 8, sem filtro LC............................... 75

Figura 4.26 Curva Rendimento vs. Potncia para o ensaio de 8 resistivo sem filtroLC 76

Figura 4.27 Comparao Rendimento X Potncia para o ensaio de 8 resistivo com e

sem o filtro LC..................................................................................................................... 76

Figura 4.28 Dados do ensaio para carga alto-falante 10CV4 com filtro LC (a-h)............ 77

Figura 4.29 Curva Rendimento vs. Potncia para o ensaio com o alto falante 10CV4

com o filtro LC..................................................................................................................... 78

Figura 4.30 Dados do ensaio com sada de 20W para carga alto-falante 10CV4 sem

filtro LC.................................................................................................................................. 78

Figura 4.31 Curva Rendimento vs. Potncia para o ensaio alto-falante 10CV4 sem

filtro LC............................................................................................................................... 80

Figura 4.32 Comparao Rendimento vs. Potncia para o ensaio alto-falante 10CV4

com e sem o filtro LC........................................................................................................... 80

Figura 4.33 Etapa de filtragem do amplificador conectada ao alto-falante 10CV4.......... 81

Figura 4.34 Anlise da potncia fornecida pelo amplificador de 20Hz a 600kHz com o

filtro de sada........................................................................................................................ 81

Figura 4.35 Anlise da potncia fornecida pelo amplificador de 20Hz a 600kHz sem o

filtro de sada........................................................................................................................ 82


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Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Resistores recomendados para programao do Tempo Morto...................... 22

Tabela 2.2 MOSFETs para udio digital........................................................................... 23

Tabela 2.3 Relaciona potncia, tenso de alimentao e carga com os MOSFETs para

udio digital.......................................................................................................................... 24

Tabela 4.1 Corrente quiescente do amplificador............................................................... 67

Tabela 4.2 Dados do ensaio para carga resistiva 4 com filtro LC.................................. 69

Tabela 4.3 Dados do ensaio para carga resistiva 4 sem filtro LC.................................. 71

Tabela 4.4 Dados do ensaio para carga resistiva 8 com filtro LC.................................. 73

Tabela 4.5 Dados do ensaio para carga resistiva 8 sem filtro LC.................................. 75

Tabela 4.6 Dados do ensaio para alto-falante 10CV4 com filtro LC................................ 77

Tabela 4.7 Dados do ensaio para alto-falante 10CV4 sem filtro LC................................ 79

x


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Lista de Simbolos

A.F - Alto-falante

BVDSS - Mxima tenso Dreno-Fonte

- Densidade de fluxo na bobina do alto-falante

L - Fator de fora

CM - Complincia mecnica

Cms - Complincia mecnica do speaker

Coss - Capacitncia de sada do MOSFET

ct - Coeficiente de temperatura do fio

Eg - Fora eletromotriz que representa o amplificador

Erm - Constante adimensional

Esw - Energia de chaveamento

Exm - Constante adimensional

fsw - Freqncia de chaveamento

- Rendimento

% - Rendimento percentual

I(D RMS) -Mxima corrente de Dreno

ILPP - Ripple de corrente devido saturao do ncleo do indutor

I(s) - Corrente eltrica

K - Fator devido temperatura da juno do MOSFET

Krm - Constante expressa em ohm

Kxm - Constante expressa em Henrys

L - Comprimento da bobina dentro do campo magntico

Led - Comportamento no linear da indutncia da bobina

- Comprimento de onda

Mms - Massa mecnica do speaker

Pchaveamento - Perdas por chaveamento

Pconduo - Perdas por conduo

Pgate - Perdas no gate

xi


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xii

Qg - carga do gate

Qrr - Carga de recuperao reversa do diodo intrnseco

QTS - Fator de qualidade total do alto-falante

RDS(on) - Resistncia entre dreno e fonte

RE - Resistncia DC da bobina

Re - Resistncia total da bobina (parte real + reativa)

Red - Resistncia da bobina que depende da freqncia (reativa)

Rg - Resistncia interna do amplificador

Rm - Resistncia mecnica

Rms - Resistncia mecnica do speaker

Rp - Resistncia equivalente paralelaSd - rea do diafragma do alto-falante

Sd:1 - Transformador que acopla o lado acstico ao lado mecnico

TA - Temperatura ambiente

TB - Temperatura da bobina

tre tf - Tempos de subida e de queda do MOSFET

U(s) - Presso sonora

Vbus - Tenso do barramento de alimentao do amplificadorVdriver - Tenso no driver de gate

V(s) - Velocidade

Xc - Reatncia capacitiva

XL - Reatncia indutiva

XP - Reatncia equivalente paralela

ZA - Impedncia acstica

ZEM(s) - Impedncia eltrica que veio do lado mecnicoZm - Impedncia mecnica

Zvc(s) - Impedncia da bobina vista pelo amplificador


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CAPITULO 1

INTRODUO

1.1 APRESENTAO E CONTEXTO

Os equipamentos de udio destinados aos consumidores residenciais devem apresentar

como caracterstica bsica a fidelidade na reproduo sonora para qualquer tipo de programa.

Hoje, sistemas de udio que pretendem envolver o ouvinte ou o espectador, com o efeito

psicolgico de transport-lo para o ambiente onde a gravao foi realizada, esto presentes

nos equipamentos de udio destinados a uso residencial, em ambientes de espetculos ou em

veculos automotivos. Estes equipamentos utilizam 5, 6, 7 ou mais canais de udio,

consequentemente com um nmero semelhante de amplificadores e de caixas acsticas. Estes

equipamentos devem ser capazes de reproduo do som de mdias, tanto para filmes quanto

para msica com o maior realismo possvel.

A maioria dos equipamentos de sonorizao existentes venda no mercado atual tem

por base os amplificadores lineares transistorizados, desenvolvidos a partir de meados do

sculo passado, contrastando com o surpreendente desenvolvimento, nas ltimas dcadas, das

fontes de sinal, tais como o CD, DVD e SACD (super udio CD) e recentemente o Blu-Ray.

O desempenho dos amplificadores lineares atingiu a mais alta qualidade h apenas algumaspoucas geraes de equipamentos, porm as desvantagens caractersticas desse tipo de

amplificador, como a baixa eficincia na converso da potncia, tamanho fsico e custos

elevados, permanecem inalteradas.

As melhorias nos amplificadores de udio, por muito tempo estiveram focadas em

amplificadores lineares, mas utilizando os mesmos estgios de potncia baseados em

transistores, da metade do ltimo sculo (classes A, B, AB), estas melhorias ocorreram

principalmente a partir da integrao de dispositivos eletrnicos.

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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________

O conceito de amplificadores chaveados surgiu na dcada dos anos sessenta. A primeira

unidade comercial deste tipo de amplificador foi produzida em dezembro de 1964

denominada de Sinclair X10 e consistia em uma unidade do tipo faa voc mesmo,

fabricada pela Sinclair Radionics de Cambridge. Este amplificador produzia apenas 2,5Watts

e era instvel, devido s inconsistncias e as limitaes dos transistores de Germnio,

disponveis naquela poca. Este amplificador no teve grande influncia sobre o mercado

tecnolgico de amplificadores. A Figura 1.1 mostra o anuncio deste amplificador [1].

Figura 1.1 Anncio do amplificador Sinclair X10 [1]

Algumas possibilidades foram exploradas durante os anos 70 e a partir da dcada de

1980, com o desenvolvimento dos FETs e MOSFETs com tempo de chaveamento rpido,

que os amplificadores Classe D, se tornaram novamente uma proposio prtica. [2]

Com a tecnologia atual de componentes eletrnicos e transistores, utilizados na

implementao de amplificadores chaveados, onde esta includa a Classe D, cujo principio de

operao semelhante a um inversor sncrono tipo Buck com modulao PWM [5], os

sistemas de udio se beneficiaram significativamente. Com isto, os amplificadores tiveram

aumento da densidade de potncia, com grande aumento na eficincia, sem necessidade de

volumosos dissipadores de calor e com sensvel reduo do custo. Estes amplificadores

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aproximam-se em qualidade sonora dos amplificadores lineares e os superam em termos de

eficincia energtica, pois os amplificadores chaveados tm eficincia superior a 90%

enquanto os lineares por volta dos 70% [4], conforme mostra a figura 1.2.

Figura 1.2 Grfico do rendimento tpico de amplificadores Classe A, B e D[4]

Por outro lado, o desenvolvimento dos alto-falantes para reproduo de udio,

permanece condicionado a pequenas melhorias nos conceitos elementares, lembrando que

estes alto-falantes eletrodinmicos foram desenvolvidos no comeo do sculo passado.

Existem outros tipos de transdutores eletroacsticos presentes no mercado, especialmente os

eletrostticos, que so uma verso dual aos altofalantes eletrodinmicos. Estes dispositivos

eletrostticos possuem uma forte posio no mercado de alta fidelidade residencial [3,6].

J uma realidade, no seguimento de udio residencial a mudana de 2 canais da

reproduo em estreo, que caracterizou o mercado at a dcada dos anos noventa, para os

sistemas multicanais com 6, 7 e at mesmo 9 canais. A necessidade de mais canais de udio

favorece a comercializao dos sistemas de alto falantes ativos. Em um sistema deste tipo, o

amplificador de potncia colocado dentro da caixa acstica, associado a filtros ativosreduzindo o espao necessrio, adequando-o assim s necessidades do consumidor.

Alto-falantes ativos (com amplificador dedicado) associados crossovers ativos

apresentam vantagens quando comparados com os amplificadores separados dos alto-falantes

(sistemas convencionais). Estas vantagens podem ser listadas:

a)O crossoverpode ser implementado eletronicamente, atuando somente em nveis desinal. Esta caracterstica aumenta a liberdade de alcanar as funes de

aproximao dos filtros e equalizao;

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b)O fator de amortecimento (damping) deixa de existir, pois no h cabo dealimentao das caixas de som ou dos alto-falantes, conseqentemente eliminando

tambm as perdas de nvel de sinal no cabo;

c)Os amplificadores que alimentam estes alto-falantes podem ser de menor tamanho ede menor potncia (pela eliminao do fator de damping ou perdas no cabo);

d)Possibilidade de melhor distribuio dos amplificadores/alto-falantes peloambiente, devido ao menor tamanho e peso, permitindo a integrao correta com a

acstica do espao fsico;

e)A eliminao do cabeamento entre a fonte de sinal e o amplificador, possibilitandoo envio do sinal a estes por meio de dispositivos Wireless.

Pode-se utilizar este tipo de sistema em som automotivo, reduzindo o tamanho, o peso,

o cabeamento e aumentando-se desta forma a eficincia do sistema de sonorizao. Com a

implantao de crossovers precisos, ou pelo processamento de sinais atravs de um DSP,

podem-se implementar sistemas de sonorizao mais eficientes, de forma a obter maior

inteligibilidade, seja de um programa musical ou de fala. Topologias com 5 ou 6 canais, com

pequenos alto- falantes ativos alocados em pontos estratgicos determinados pela acstica da

carroceria dos veculos, podero dar contribuies na sonorizao automotiva. Alm disto,pode-se eliminar custo e peso do automvel devido aos fios ou cabos de cobre e do prprio

amplificador.

1.2 MOTIVAO: OBJETIVO ESPECIFICO

O amplificador Classe D tem atualmente, sua aplicao dividida em dois campos:

a) Baixa potncia alguns miliwatts at aproximadamente 5W, que so dispositivosutilizados em produtos portteis tais como celulares, players de mdia pessoal, PDA

(Personal Digital Assistant) e notebooks;

b) Alta potncia Amplificadores de P.A. (Public Adress) para sonorizao de grandesambientes, subwoofers de maior porte e ainda, aplicaes em udio automotivo,

onde minimizar o consumo de energia importante.

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Estes dois campos possuem justificativas distintas para o emprego desta topologia de

amplificadores. No primeiro, o consumo de energia e o tamanho so importantes, no segundo,

o problema do tamanho e peso menos considerado (mas ainda importante).

Os amplificadores classe D podem ainda, ser mais aproveitados em um terceiro campo

onde ainda pouco explorado, que o das mdias potncias (tipicamente 25W a 250W), onde

podemos empregar o conceito de alto-falante ativo. Especificamente, o uso em sistemas de

Home Theater, som automotivo de alta qualidade, aplicaes para sonorizao de estdios

(monitores de referncia), ou pequenos auditrios e salas de aula.

Neste caso, as quatro variveis apresentadas anteriormente tornam-se prioridade:

eficincia energtica, reduo do volume, peso e custos. Temos ainda uma varivel que deve

ser considerada em separado, por fazer parte de todo sistema de reproduo do udio, que aqualidade do sinal de udio entregue ao alto-falante.

O filtro passa-baixas tipicamente LC, utilizado na sada dos amplificadores para

eliminar a onda portadora do sinal de udio, que geralmente um sinal PWM (Modulao por

Largura de Pulso), compromete trs destas variveis, que so: o volume do amplificador, o

seu custo e sua qualidade sonora. Entretanto, mostra-se que o uso apropriado de um filtro de

sada em um amplificador classe D traz algumas vantagens, tais como: a limitao da corrente

no alto-falante, reduo significativa da interferncia eletromagntica (EMI) e proteo doalto-falante da ao das ondas quadradas do chaveamento [7].

Portanto, deve-se buscar uma soluo que possa promover o equilbrio entre as

caractersticas positivas e negativas, relacionadas com o uso do filtro no amplificador.

Existe um trabalho relevante neste sentido realizado na Dinamarca por um grupo de

pesquisas denominado ACT Active Transducers research Project na rsted-DTU,

Technical University of Denmark [4], que consiste em construir amplificador e alto-falante

totalmente dedicados entre si, pela modificao total dos parmetros da bobina, a partir de fiode seo quadrada e utilizando o conjunto magntico do alto-falante como dissipador de calor.

Pelo exposto anteriormente, esta dissertao tem o objetivo especifico de estudar a

interface amplificador/alto-falante, para verificar em que condies possvel a retirada do

filtro LC, bem como, os requisitos para que isto seja implementado nesta escala de potncias,

onde um primeiro critrio de anlise relativo ao rendimento do amplificador, como ele se

comporta neste contexto, sem que tenhamos que modificar o alto-falante, permitindo o uso de

componentes comerciais. Na continuidade deste trabalho pretende-se determinar atravs das

5


20/107


caractersticas fsicas e da curva da impedncia do alto-falante, quais seriam os parmetros

necessrios para que ele pudesse lidar com o contedo de alta freqncia sem ser danificado.

1.3 METODOLOGIA: OBJETIVOS GERAIS

A seguir apresentada a sequncia de procedimentos adotados para o desenvolvimento

desta dissertao:

i. Caracterizao do amplificador classe D, baseado na descrio de um amplificadorcomercial para estudos e experincias.

Nesta etapa ser descrito o princpio de funcionamento do amplificador Classe D, algumas

topologias e suas vantagens e desvantagens. Ser definido o modelo de amplificador, o tipo derealimentao, o tipo de filtro LC, a freqncia de chaveamento, os circuitos de proteo e

verifica-se todos os dados necessrios para referenciar nossos testes. O uso de um

amplificador j desenvolvido comercialmente justificado pelo objetivo de integrar

amplificador e alto-falante com um mnimo de modificaes, e permitir um levantamento das

caractersticas que devem ser observadas para a escolha dos dois dispositivos, de modo que

eles possam interagir sem prejuzo da eficincia e da qualidade sonora. Este primeiro item

ser apresentado no Capitulo 2.

ii. Estudo do alto falante (carga ativa).As especificaes de grande parte dos amplificadores de udio disponveis no mercado

consideram a cargas como sendo resistivas em seus testes, sendo os valores das resistncias

de 8, 4 ou 2. Esta situao confortvel para o amplificador, pois neste caso, ele

simplesmente fornece energia para a carga e seu desempenho funo apenas dele prprio,

com pouca importncia dada carga.Entretanto, os alto-falantes so cargas complexas, com baixa eficincia (cerca de 2%),

convertendo praticamente toda a energia eltrica dos amplificadores em calor. Os alto-falantes

podem se danificar facilmente se seus limites no forem respeitados. A impedncia do alto-

falante varia muito, sendo extremamente reativa, variando de capacitiva a indutiva

dependendo da freqncia em que esta operando, alm de sofrerem influncia da temperatura

ambiente, presso atmosfrica e umidade do ar.

6


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7

Neste estudo ser definido o modelo eltrico do alto-falante que ser usado nas

simulaes e nos testes prticos. Este modelo tem por base a teoria de Thiele-Small [8,9],

atravs desta teoria definimos as equaes que utilizaremos nas simulaes.

abordado apenas o modelo para o alto falante ao ar livre e aquele montado em caixas

acsticas do tipo fechadas, pois o diagrama fasorial destas caixas semelhante ao do falante

ao ar livre.

Esta dissertao pretende estabelecer bases para este tipo de anlise, fundamentando o

conhecimento para desenvolvimentos futuros, onde uma proposta de continuidade ser a de

utilizar outros modelos de caixas acsticas que apresentam diagramas fasoriais diversos. Este

estudo ser apresentado no Captulo 3.

iii. Simulaes e testes.Uma vez definidos os parmetros do amplificador e do alto-falante, a interface entre os

dois dispositivos ser abordada. realizado um conjunto de simulaes utilizando a funo

paramtrica do software Spice TM, que permitem uma anlise com insero de variveis nas

equaes que descrevem o circuito. Estas anlises ocorrem com varredura de toda a faixa de

freqncia audvel. Deste modo podemos avaliar comportamento do amplificador conectado

carga complexa, e como o comportamento da impedncia e fase do sinal nesta condio,com ou sem o filtro de sada LC.

Nesta etapa ser apresentada a montagem do hardware para testes que envolveram tanto

o amplificador Classe D escolhido, quanto os alto-falantes segundo as prescries da NBR

5308 [10]. Sero apresentados os testes com cargas resistivas e com os alto-falantes

comerciais, cujos parmetros foram utilizados nas simulaes. Em seguida so realizados

ensaios com as modificaes propostas na simulao e o levantamento dos dados pertinentes.

O Captulo 4 desta dissertao apresentar os resultados da simulao dos alto-falantes e osensaios realizados.

iv. Avaliao dos resultados e concluses.Nesta ltima etapa da pesquisa foram abordadas as tcnicas de avaliao e apresentados

os resultados obtidos, os quais formam o Captulo 5. Tambm sero apresentadas as

concluses e proposta de continuidade desta pesquisa.


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CAPITULO 2

O AMPLIFICADOR CLASSE D

2.1 INTRODUO

Como o prprio nome indica, o amplificador linear opera seus transistores de potncia

na regio ativa ou linear de funcionamento. Este fato caracteriza um amplificador com

eficincia por volta de 60%. Para o caso dos amplificadores chaveados, os transistores

continuamente esto operando como uma chave, ou seja, na regio de corte ou saturao. Isto

melhora a eficincia, elevando-a para cerca de 90% [4].

Outras vantagens so obtidas com este tipo de amplificador e, com o avano nas

tecnologias de controle do chaveamento e de construo das chaves, podemos destacar a

diminuio do peso e custo, que possibilitam a utilizao de mais canais por espao. Isto

favorece a aplicaes diversas tais como os equipamentos de udio destinados aos

consumidores residenciais, que devem apresentar como caracterstica bsica a fidelidade na

reproduo sonora para qualquer tipo de programa. Hoje, sistemas de udio que pretendem

envolver o ouvinte ou o espectador, com o efeito psicolgico de transport-lo para o ambiente

onde a gravao foi realizada, esto presentes nos equipamentos de udio destinados a uso

residencial, em ambientes de espetculos ou em veculos automotivos. Estes equipamentos

utilizam 5, 6, 7 ou mais canais de udio, com um nmero semelhante de amplificadores e de

caixas acsticas. Estes equipamentos devem ser capazes de reproduo do som de mdias,

tanto para filmes quanto para msica com o maior realismo possvel.Para comparao entre o amplificador linear e o Classe D, a figura 2.1, mostra um

monitor de referncia ativo para estdios bi-amplificado classe AB da marca M-Audio com

um canal de 60Watts para os altas freqncias e outro de 70Watts para as baixas freqncias.

O dissipador de calor comum aos dois amplificadores tem as dimenses 12cm de largura x

11cm de altura e 2,5cm de espessura, ou seja as dimenses do dissipador so maiores do que

as da placa principal, mais que dobrando a rea til necessria para acondicionar o

equipamento.

8


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Captulo 2 O Amplificador Classe D_________________________________________

9

Figura 2.1 Amplificador classe AB bi-amplificado (60+70Watts)

A figura 2.2 mostra o mdulo classe D utilizado neste trabalho, um amplificador

estreo que pode atingir 250W em 2 canais ou 500W operando como um canal nico em

configurao ponte, que poderia ser utilizado para a mesma finalidade, o dissipador medeapenas 3cm de altura x 10cm de comprimento e 1,5cm de largura.

Figura 2.2 Amplificador classe D bi-amplificado (250+250Watts)

A densidade de potncia aumentou cerca de 5 vezes; na foto pode-se perceber a regio

onde est localizado o filtro de sada corresponde a cerca de 40% do tamanho da placa deste


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amplificador classe D, portanto, um estudo sobre a viabilidade de reduo ou mesmo

supresso deste filtro, que o escopo deste trabalho plenamente justificado.

Como existem diversas tcnicas para a obteno da classe D, seja do ponto de vista do

tipo de modulao, topologia do conversor, filtro de sada, realizou-se uma anlise da

literatura existente sobre cada bloco que compe esta classe de amplificadores para

decidirmos qual seria a configurao escolhida para ser utilizada no estudo da interface

amplificador/alto-falante, com o objetivo de reduzir ou eliminar o filtro de sada.

2.2 O AMPLIFICADOR CLASSE D BSICO

2.2.1 Tipos de Modulao

A modulao definida como o processo pelo qual alguma caracterstica da onda

portadora variada de acordo com o sinal contendo a informao [17], o amplificador Classe

D utiliza este processo para introduzir o sinal de udio ao comando de suas chaves.

Neste tipo de amplificador, o sinal de udio somado largura de pulso de uma onda

quadrada. Duas tcnicas possveis para se obter esta soma so o PWM (Modulao por

Largura de Pulso) e SDM (Modulao Sigma-Delta), ambas foram estudadas e a modulao

PWM a que escolhemos para compor o amplificador classe D utilizado neste trabalho, em

funo do exposto a seguir.

2.2.1.1 - PWM

O sinal PWM nos amplificadores Classe D gerado por um comparador que,

simplesmente compara o sinal de udio com um sinal de referncia que tipicamente uma

onda triangular. A figura 2.3 mostra a estrutura bsica de um amplificador classe D com

modulao PWM

Figura 2.3 - Amplificador PWM Bsico

10


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Quando a amplitude do sinal de udio maior do que a amplitude do sinal de referncia,

o duty cycle do sinal PWM maior.

Para obtermos um sinal PWM apropriado visando representar uma entrada analgica, a

amplitude do sinal de referncia deve ser maior do que a amplitude mxima da entrada. Outro

fator importante a freqncia do sinal de referncia, que deve ser maior do que a do sinal de

entrada para que a sada possa reproduzir fielmente este sinal, a figura 2.4 ilustra os diversos

sinais que compem a modulao PWM bsica.

(A) (B)

Figura 2.4 - Formas de onda tpicas do PWM: na sada do comparador (A) e na

entrada do filtro (B)

Apesar da simplicidade, o circuito que gera a onda triangular, possui algumas

limitaes. Normalmente dois amplificadores operacionais so utilizados: um produz umaonda quadrada e outra faz a integrao desta para obter a forma de onda triangular.

Como a freqncia de chaveamento superior a 300kHz, necessitamos de AMP-OPs

rpidos (mais caros e difceis de se encontrar) ou realiza-semos a montagem do oscilador

utilizando transistores. Em ambos os casos deve-se garantir a estabilidade da freqncia e da

amplitude, pois quaisquer variaes iro afetar o espectro do sinal de sada do amplificador,

com duas conseqncias diretas: um aumento do nvel de interferncia eletromagntica (EMI)

e a possibilidade de surgimento do sinal de chaveamento dentro da banda passante do filtroLC de sada do amplificador, aumentando a distoro Harmnica (THD) [11].

Uma medida que se tornou possvel com o desenvolvimento dos dispositivos de estado

slido a utilizao dos moduladores PWM auto-oscilantes. Estes moduladores criam as

oscilaes internamente, utilizando o estgio de potncia como referncia, so usualmente

caracterizados com alto PSRR (Power Supply Rejection Ratio), limitando a possibilidade de

erros e garantindo boa estabilidade, desde que se mantenha o ndice de modulao inferior

unidade (tipicamente MMAX = 0,8), por exemplo, aumentando a tenso de alimentao em

11


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relao mxima tenso na carga [12]. Em virtude do exposto, consideramos como premissa

a utilizao de um amplificador que seja auto-oscilante, em nosso mdulo de testes.

2.2.1.2 Sigma Delta

A modulao Sigma-Delta uma derivao da modulao Delta (MD) muito utilizada

em transmisso digital de sinais pulsados. Na MD, um sinal de mensagem de entrada

superamostrado (ou seja, a uma taxa muito superior ao critrio de Nyquist) para aumentar

propositalmente, a correlao entre amostras adjacentes do sinal. O aumento da correlao

feito de forma a permitir a utilizao de uma estratgia de quantizao simples para a

construo do sinal codificado, desta forma a modulao delta fornece uma aproximao em

degrau para a verso superamostrada do sinal amostrado (udio no caso), o diagrama deblocos bsico deste tipo de modulador mostrado na figura 2.5.

A diferena entre o sinal de entrada e sua aproximao quantizada em apenas dois

nveis, representados por e correspondendo s diferenas positiva e negativa. Portanto, se

a aproximao est abaixo do sinal de entrada em qualquer instante amostrado, ela

aumentada por, e se est acima do sinal, ela diminuda por . Desde que o sinal de

entrada no varie muito rapidamente de uma amostra para outra (da a necessidade de

superamostragem), a aproximao em degrau permanece dentro de do sinal de entrada[17].

Figura 2.5 - Diagrama de blocos do modulador delta analgicoNa modulao Sigma-Delta, a integrao incorporada entrada do sinal, o que

promove uma pr-enfase e melhora a correlao entre amostras adjacentes da entrada do

modulador delta, o que tende a aumentar a performance total do sistema [17]. O sinal de udio

est contido em um nmero de ciclos de clock. Basicamente, para determinar qual o valor

do sinal de entrada em um dado instante, devemos determinar o valor mdio da forma de onda

SDM em um especfico nmero de ciclos de clock, onde cada valor mdio aproxima-se mais

do valor real do sinal de entrada.

12


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Figura 2.6 - Diagrama de blocos do modulador sigma delta analgico

A sada do circuito sample & hold, uma onda quadrada bitstream, ou seja, um sinal

serial de 1 bit com uma taxa de amostras muito maior do que o dado amostrado, sua

propriedade principal que seu nvel mdio representa o nvel mdio do sinal de entrada. Um

nvel alto ou baixo, que representam o maior ou menor valor possvel, no caso do modulador

analgico, um conversor DA de um bit converte a informao alta ou baixa em doisnveis precisos de tenso, por exemplo -1V e +1V e depois entrega ao somador.

A entrada do integrador recebe uma forma de onda senoidal recortada por uma onda

quadrada de alta freqncia. Aps o integrador, resulta em uma onda senoidal com uma onda

triangular de alta freqncia somada a ela, a polaridade deste sinal utilizada para gerar uma

onda quadrada que amostrada e retorna a entrada, fechando o lao de controle. As figuras

2.6 e 2.7 ilustram as diversas etapas do processo.

Figura 2.7 Formas de onda presentes no modulador sigma delta analgico

13


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Figura 2.8 Modulador sigma delta utilizado em um amplificador classe D

Quando utilizamos esta modulao em um amplificador classe D, podemos retirar o

conversor DA, pois ao invs de realimentarmos o bitstream via conversor, utilizamos

diretamente a sada do sinal resultante do chaveamento dos transistores. Deste modo,

asseguramos a independncia do modulador s variaes de tenso da fonte. O valor da

tenso na entrada do filtro LC exatamente proporcional ao sinal analgico da entrada o que

importante para o correto funcionamento sigma delta [16].

Esta tcnica de modulao possui algumas vantagens sobre o PWM, principalmente no

que diz respeito substituio do oscilador para criao da forma de onda triangular, por um

circuito de amostragem e reteno que pode utilizar um flip-flop tipo D para produzir uma

onda quadrada, obtida utilizando um cristal oscilador [11].

Entretanto, possui a desvantagem de necessitar de um filtro de sada de alta ordem etambm as altas freqncias de clock, que aumentam as perdas de chaveamento nos

transistores de sada [12].

Esta desvantagem da modulao SDM necessitar de um filtro de sada de ordem

superior foi decisiva para a nossa escolha em focar este trabalho em uma modulao PWM,

pois assim evitamos o aumento do volume e peso do amplificador.

2.2.2 Etapa de sadaAps a modulao, o sinal de onda quadrada resultante utilizado para comandar os

transistores de sada. Quando um destes transistores esta desligado, a corrente e

consequentemente a potncia dissipada zero. Quando ligado, a tenso sobre ele zero,

fazendo a perda de potncia tambm zero. Deste modo, teoricamente, a eficincia aproxima-

se de 100% .

14


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Um amplificador Classe D anlogo a um conversor Buck sncrono conforme mostra a

Figura 2.9:

Figura 2.9 - Comparao entre conversor Buck e amplificador Classe D

De fato, trata-se de uma aplicao diferente para um mesmo circuito, onde o sinal dereferncia para o conversor Buck uma tenso com pequena taxa de variao, proveniente do

circuito de realimentao e, no caso do amplificador Classe D, o sinal de referncia o sinal

de udio, que muda constantemente. Isto significa que o Duty Cicle relativamente fixo no

conversor Buck e esta constantemente mudando no amplificador Classe D, com valor mdio

de 50%. Outra diferena que os transistores MOSFET utilizados no conversor Buck podem

possuir caractersticas diferentes para os lados de cima e de baixo da ponte, com baixa

resistncia entre dreno e fonte (RDS(on)) para ciclos maiores e baixa carga de gate (Qg)para

ciclos curtos, enquanto o amplificador Classe D deve possuir os dois MOSFETs semelhantes,

com mesmo RDS(on) para os dois transistores de sada [5].

O MOSFET utilizado no amplificador inicialmente determinado pela Mxima Tenso

Dreno-Fonte (BVDSS), em funo da potncia desejada (Psada), da impedncia nominal da

carga, topologia da ponte (ponte completa ou meia ponte) e fator de modulao (M) [18].

Ponte Completa:

2

(2.1)

Meia Ponte:

(2.2)

O fator de segurana normalmente utilizado varia entre 10% e 50%.

15


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2

Deve-se escolher o menor valor possvel para BVDSS porque este parmetro est

diretamente relacionado com o RDS(on), ou seja, alto BVDSS significa alta RDS(on) e, portanto

aumenta as perdas de potncia.

A eficincia do amplificador classe D esta relacionada com as perdas totais nos

MOSFETs, que so as perdas por conduo, chaveamento e carga no gate. A temperatura da

juno e o tamanho do dissipador dependem destas perdas.

As perdas por conduo esto diretamente relacionadas RDS(on), que dependente da

temperatura e o clculo destas perdas deve ser realizado utilizando-se as condies mximas

de operao do amplificador, com a resistncia dreno-fonte, mxima temperatura da juno e

a mxima corrente de dreno I(D RMS):

(2.3)

A carga do gate (Qg) a carga necessria para o gate comutar a ton no MOSFET.

independente da temperatura est diretamente relacionado velocidade do dispositivo, ou

seja, baixa Qg favorece a velocidades maiores de chaveamento e baixas perdas no gate (Pgate),

diminuindo as perdas de chaveamento levando a maior eficincia.

(2.4)

Onde Vdriver a tenso de driver do gate

As perdas por chaveamento no MOSFET so resultado do tempo que o dispositivo leva

para comutar (ton) e (toff), podem ser determinadas pela relao entre a energia de

chaveamento (Esw) e a freqncia de chaveamento (fsw):

(2.5)

Onde:

(2.6)

Sendo t = perodo do pulso de chaveamento

(2.7)

As perdas totais no chaveamento ficam:

16


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0,5 0 , 5 (2.8)

As perdas do chaveamento podem ser estimadas utilizando as especificaes desejadas

para o amplificador e pelos parmetros dos MOSFETs fornecidos em datasheets [18]:

0,5

Onde:

Vbus= Tenso do barramento de alimentao do amplificador;

tre tf= Tempos de subida e de queda do MOSFET;

Coss = Capacitncia de sada do MOSFET;

Qrr= Carga de recuperao reversa do diodo intrnseco

K = fator devido temperatura da juno do MOSFET.

O fluxo de energia em um amplificador classe D de pontecompleta, semelhante ao de

um amplificador linear, ou seja, sempre direcionado carga, entretanto, em um amplificador

com a topologia meia-ponte, o fluxo de energia pode ser bidirecional, levando a variaes na

tenso de alimentao, devido carga dos capacitores da fonte pela energia que retorna. Este

fato ocorre principalmente quando reproduzindo freqncias inferiores a 100Hz e chamado

de bus pumping [5].Este fenmeno uma das principais causas da degradao da qualidade do udio no

amplificador Classe D. Nestes amplificadores, o ganho proporcional tenso de

alimentao e comum que estes amplificadores utilizem a realimentao para compensar as

variaes nesta tenso; entretanto as fortes variaes podem criar distoro. A maior parte da

energia que retorna para a fonte devida a energia armazenada no indutor do filtro de sada.

Geralmente a fonte no tem como absorver a energia que retorna da carga e

conseqentemente, aparecem flutuaes de tenso. Que so mais freqentes em quatrosituaes:

1. Reproduo de baixas freqncias (< 100Hz);2. Baixa impedncia na carga (< 4);3. Pouca filtragem na fonte;4. Aumentam com Duty Cicles = 25% e 75%.

O fenmeno no ocorre em topologias de ponte completa porque a energia que retorna

por uma lado da ponte consumida pelo outro lado devido ao chaveamento.

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Alm disto, o amplificador Classe D possui outras causas de imperfeies que so

listadas a seguir [5]:

1. No linearidades no sinal PWM do modulador entregue ao estagio dechaveamento devido resoluo baixa e/ou Jitter (variao aleatria dos

instantes de amostragem);

2. Erros de tempo adicionados pelos drivers de gate dos transistores, como tempomorto, ton/toffe tempo de subida e queda (tr/tf);

3. Limitaes nas caractersticas das chaves, como resistncia (RDS(on)), limites navelocidade de chaveamento ou caractersticas do diodo intrnseco na chave;

4. Componentes parasitas que podem introduzir rudos ou falhas no chaveamento;5. No linearidades no filtro PB da sada.

Neste trabalho, estudaremos principalmente as no linearidades no filtro PB da sada,

com conseqentes ramificaes aos outros pontos de imperfeies.

Pelo exposto, importante observar que o amplificador Classe D escolhido, precisa

possuir facilidade de controle do tempo morto no driver e devemos garantir que os parmetros

como velocidade de chaveamento, RDS(on), Qrr e Qg sejam compatveis com o exigido para o

processamento de um sinal de udio.

2.2.3 Filtro Passa Baixas

Esta forma de onda modulada, seja PWM ou Sigma Delta, demodulada por um filtro

passa baixas na sada do amplificador, um exemplo tpico mostrado na figura 2.10.

Figura 2.10 - Filtro Passa Baixas 2 Ordem

O filtro pode ser de 2, 3 ou 4 ordem, normalmente Butterworth, o indutor e o

capacitor devem possuir caractersticas especficas. O indutor deve possuir baixa resistncia

CC, sem vazamento de fluxo, com pequeno tamanho, pouca saturao. O capacitor deve ser

pequeno, com pouca dissipao, pequeno tamanho, baixa resistncia intrinseca (ESR) e com

tenso compatvel, com o barramento de alimentao.

18


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A qualidade do indutor no filtro de sada importante tanto para a boa reproduo do

udio quanto para a eficincia do amplificador, devemos observar que a indutncia muda com

a corrente na carga, o que causa distoro, bem como a saturao do ncleo do indutor

aumenta o ripple de corrente significativamente, que dado por:

(2.9)

O filtro deve ser calculado de acordo com a largura de banda requerida e

preferencialmente devemos projetar o filtro LC com Q=0,7 para a impedncia nominal da

carga, objetivando a resposta de freqncia plana [5]. Deve-se atentar para o fato de quequanto maior a freqncia de corte, mais contedo da onda de chaveamento presente na carga

e que, quanto menor a freqncia de corte, maior o tamanho do indutor. Neste trabalho,

procuraremos utilizar uma topologia que utiliza 2 ordem, em funo do tamanho e

simplicidade.

Como o ouvido humano atua como um filtro passa-faixa que deixa passar as freqncias

compreendidas entre 20Hz e 20kHz aproximadamente [20], e a freqncia de chaveamento

muitas vezes maior que 20kHz o nico sinal que se ouve o do udio amplificado, mesmocom as imperfeies do filtro.

2.3 - MDULO DE DESENVOLVIMENTO CLASSE D COM POTNCIA

ESCALONADA

Os diversos equipamentos de udio citados anteriormente (receptores AV, MP3 players,

som automotivo) e outros aparelhos portteis de alto desempenho, so diretamente

beneficiados ao utilizarem amplificadores classe D quando considerarmos as vantagens

inerentes ao uso desta tecnologia descritas no captulo anterior.

Entretanto, s suas necessidades de potncia podem variar bastante, desde alguns Watts

como os amplificadores para fone de ouvido, at amplificadores profissionais existentes no

mercado com vrios kW, como os da empresa HotSound srie Digilite (que na verdade so

hbridos B-D)

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Captulo 2 O Amplificador Classe D_________________________________________Captulo 2 O Amplificador Classe D_________________________________________

20

Figura 2.11 - Amplificador digilite 6.4 (Empresa HotSound)

O Desenvolvimento de um amplificador de udio classe D de alta performanceexclusivo para cada um destes equipamentos (produtos) consome tempo e pode apresentar um

alto custo.

Sendo assim, uma plataforma simples de projeto que apresente a possibilidade de

modificarmos a potncia de sada do amplificador entre 25W e 500W e avaliarmos diversos

parmetros importantes se mostra interessante para auxiliar em nosso estudo.

2.3.1 Modulo de desenvolvimentoAps a anlise dos parmetros que um amplificador classe D deveria possuir para

permitir que o objetivo desta dissertao fosse alcanado, levando-se em considerao as

caractersticas analisadas em 2.2, a escolha recaiu sobre os mdulos de desenvolvimento da

International Rectifier.

Este fabricante desenvolveu uma plataforma de projeto de referncia p/ amplificador de

potncia de udio classe D de dois canais com a potncia de sada escalonada [13]. Alm de

possibilitar que um projetista modifique a etapa de potncia de sada desde 25W por canal at

250W por canal, a plataforma oferece tambm a possibilidade de empregarmos topologias de

meia ponte (estreo) ou de ponte completa (canais conectados em ponte) [15].

Em nosso estudo utilizamos somente a verso em estreo. Assim podemos alterar um

canal e comparar com o outro que permanece inalterado, possibilitando uma boa referncia

para observao dos efeitos das modificaes introduzidas nos filtros de sada de um dos

canais do mdulo para a avaliao da interface amplificador/ alto falante.

20


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Este amplificador utiliza o circuito integrado IRS2092, que um driver de udio classe

D de alta tenso (200V), indicado para aplicaes nas potncias citadas. Possui caractersticas

e funes que facilitam o projeto e montagem de amplificadores de udio classe D para alta

potncia em placa de circuito impresso de face simples. Esse driver combinado com

MOSFETs de potncia com parmetros como velocidade de chaveamento, RDS(on), Qrr e Qg

compatveis com o exigido para o processamento de um sinal de udio [19].

Deve ser montado em uma placa de circuito impresso de face simples, apresentando um

layout de PCI destinado aos circuitos perifricos com tamanho compacto e dimensionado para

esta aplicao com freqncias altas [15]. O mdulo requer um dissipador de calor para

operao normal (com 1/8 da potncia contnua especificada). Todas as subdivises da tenso

fornecida pela fonte de alimentao externa e os circuitos de proteo necessrios tambmesto includos neste mdulo de desenvolvimento.

2.3.2 - Driver

O circuito integrado do driver de udio mostrado na figura 2.12, integra quatro funes

essenciais que so requeridas para o desenvolvimento de um amplificador de udio classe D

de alta performance, que so:

Amplificador de erro; Comparador PWM; Gate driver (com funo para tempo morto); Circuitos de proteo robustos.

Os circuitos de proteo includos realizam a tarefa importante de proteo contra

sobrecargas, usando controle com reset automtico e circuito contra travamento por subtenso

(UVL0). Essencialmente, as caractersticas de proteo mltipla so:

Proteo contra sobrecorrente (OCP), a proteo contra sobretenso noMOSFET (OVP);

Proteo CC do MOSFET lado alto e lado baixo, e a proteo contrasobretemperatura (OTP).

A proteo contra sobrecorrente (OCP) ao detectar um curto circuito, imediatamente

desliga o PWM, aps aproximadamente um segundo feita uma tentativa, religando o PWM

e novamente desligando se a sobrecorrente persistir, este procedimento repetido at que o

problema seja eliminado.

21


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Figura 2.12 Funes Principais: amplificador de erro, comparador PWM, gate driver

e circuitos de proteo [15]

Pode-se programar o tempo morto (DT) para a obteno de uma distoro harmnica

total (THD) melhorada. De fato, o DT pode ser selecionado para um melhor desempenho, de

acordo com o modelo do MOSFET, minimizando-se assim sua durao e evitando danos ao

componente, portanto, no exige nenhum ajuste externo de temporizao no gate do transistor

[15].

A seleo do tempo morto realizada com base na tenso aplicada no pino DT do chip,atravs de apenas dois resistores externos ligados a esse pino, conforme mostra a Figura 2.13.

Tabela 2.1 Resistores recomendados para programao do Tempo Morto

22


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Figura 2.13 Programao do Tempo Morto

2.3.3 - MOSFETs

Para que se tenha possibilidade de escolha da potncia de sada, aliada a uma respostacorreta na banda passante do udio, este mdulo utiliza os MOSFETs de udio digital

desenvolvidos pela IR que oferecem parmetros e encapsulamentos projetados para

aplicaes em amplificadores classe D. Na realidade, cada transistor deste tipo consiste de

duas chaves MOSFET de potncia ligadas em uma configurao de meia ponte para

obteno de baixo Ron [19].

Alm disso, a sua carga de gate (Qg), a carga de recuperao reversa do diodo (Qrr) e a

resistncia interna de gate (RG (int.)), bem como o encapsulamento, so todos produzidos

para melhorar a performance do amplificador de udio classe D nas caractersticas de

rendimento, THD e EMI.

O mdulo possibilita selecionar o MOSFET mais adequado para a potncia de sada

desejada. A Tabela 1 apresenta quatro diferentes MOSFETs de udio digital com diversos

conjuntos de combinaes desses parmetros (Qg, Qrr, RG int., RDS (on), encapsulamento)

alm da BVDSS para diferentes valores de potncia de sada. A tabela 2.2 mostra os

componentes que podem ser utilizados neste mdulo [19]:

MOSFET BVDSS RDS(ON@10Vm() Qg (nC) Qrr (nC) RG(int)() Encapsul.

IFRI4024H-117P 55 48 8,9 11 2,3 TO-22OFP

IFRI4212H-117P 100 58 12 56 3,4 TO-22OFP

IFRI4019H-117P 150 80 13 140 2,5 TO-22OFP

IFRI4020H-117P 200 80 19 230 3,0 TO-22OFP

Tabela 2.2 MOSFETs para udio digital

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Empregando-se esses MOSFETs de potncia, a sada escalonada de 25 W por canal at

250 W por canal pode ser configurada conforme ilustra a Tabela 2.3.

Tabela 2.3 Relaciona potncia, tenso de alimentao e carga com os MOSFETs

para udio digital

CONFIGURAES DISPOSITIVO

IR POWERMOSFET

FET IRFI4024H-117P IRFI4212H-117P IRFI4019H-117P IRFI4020H-117P

MEIA PONTE 8 25W x 2 60W x 2 125W x 2 250W x 2

4 50W x 2 120W x 2 250W x 2 NOSUPORTADO

PONTECOMPLETA

8 100W x 1 240W x 1 500W X 1 NOSUPORTADO

TENSO DE

ALIMENTAONOMINAL

+B, -B 25V 35V 50V 70V

TENSO DEALIMENTAO

MAX./MIN.

+B, -B 20V~28V 28~45V 45~60V 60V~70V

GANHO DETENSO

Gv 20 30 36 40

O esquema simplificado do circuito utilizando topologia em meia ponte para esse

projeto de referncia exibido na Figura 2.14.

Figura 2.14 Esquema simplificado de um canal do mdulo amplificador [13]

Como observamos na tabela 2.3, as sadas dos MOSFETs podem ser configuradas tanto

em topologia de meia ponte como de ponte completa, e que, na configurao de meia ponte, o

projeto permite o controle de alto-falantes de 8

ou 4

de impedncia. A ponte completa foi

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projetada para controlar somente cargas de 8. No utilizaremos em nossas anlises esta

configurao em ponte de onda completa.

Por exemplo, o IRFI4019-117P com capacidade p/ suportar 100V de BVDSS, fornece

125W por canal com Alto-falantes de 8 ou 250W por canal com carga de 4 em ponte de

onda. Ou ento, usando-se MOSFETs do tipo IRFI4024H-117P com BVDSS = 55V em ponte

de onda, o amplificador oferece 25W por canal com Alto-falantes de 8, ou 50W por canal

com carga de 4.

2.3.4 - Filtro

Na sada da etapa de potncia que compreende os MOSFETs de udio digital, temos

uma onda PWM amplificada. O sinal de udio recuperado da sua forma de onda PWM pelofiltro passa-baixas (LC) na sada, conforme mostra a figura 2.15.

Figura 2.15 Filtro de sada do mdulo amplificadorEste circuito filtra a frequncia da portadora de chaveamento e entrega o sinal de udio

para o Alto-falante. O sinal de entrada do amplificador deve ser um sinal analgico com

freqncia compreendida entre 20Hz e 20kHz com at 3VRMS de amplitude, com impedncia

da fonte de 600 no mximo. Um sinal de entrada com freqncias entre 30kHz a 60kHz

pode causar ressonncia no filtro LC de sada, ocasionando um pico de corrente que flui

atravs do estgio de chaveamento, especialmente com cargas maiores que 8. Esta

ressonncia no filtro LC pode ativar a proteo OCP. Outro aspecto que pode acionar aproteo a saturao do ncleo do indutor, que aumenta significativamente o ripple de

corrente.

Porm, para eliminar quaisquer ressonncias LC e melhorar a resposta de freqncia

com baixas impedncias de carga, um filtro RC (R30 e C13) chamado circuito Zobel

sucede o filtro passa-baixas. Tambm utilizado um filtro RC (R2 e C2) na entrada de sinal

que trabalha como um filtro RF de entrada para prevenir interferncias de RF (RFI), estes

componentes podem ser observados no esquema completo do amplificador (anexo 1).

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Quando utilizamos somente um canal e altas potncias, pode aparecer em baixas

freqncias o efeito de bus pumping, caracterstico das topologias classe D de meia-ponte.

Como o fluxo de energia no estgio de chaveamento bidirecional, existe um perodo onde o

amplificador entrega energia para a fonte; como a fonte no pode absorver esta energia que

retorna da carga, teremos como conseqncia o aumento da tenso de alimentao, ou seja,

flutuaes na tenso de alimentao do amplificador. A maior parte desta energia provm do

armazenamento da energia no indutor do filtro de sada.

Algumas condies podem piorar este efeito, como baixas freqncias na sada, altas

potncias na tenso de sada e/ou baixa impedncia na carga (maior energia transferida entre

as fontes), baixa capacitncia no barramento de alimentao.

A proteo OVP protege o amplificador de variaes excessivas no barramento dealimentao, monitorando somente a fonte +B, assumindo que as variaes de tenso so

simtricas em ambas as fontes (+B e B).

2.4 CONCLUSO:

Aps anlise dos tipos de amplificadores classe D existentes no mercado, conclu-se que

a utilizao da plataforma de desenvolvimento da International Rectifier atende s diversaspremissas que identificamos durante a pesquisa bibliogrfica [5], [7], [11], [13], [14], [15],

[16], [18], [19].

A montagem do amplificador simples, com a utilizao de componentes de

encapsulamento DIP, o que possibilita a remoo/substituio dos componentes quando da

realizao dos testes. Possui diversos sistemas de proteo, utiliza modulao PWM auto-

oscilante a uma freqncia elevada (400kHz), utilizando um filtro LC de 2 ordem.

Os transistores MOSFETs so dedicados para udio, o que favorece sua robustez e oatendimento das principais caractersticas exigidas para este tipo de aplicao, fornecidos em

encapsulamentos que j integram meia ponte.

A escalabilidade entre potncias tambm foi um fator decisivo, por permitir a anlise

utilizando-se diversas tenses de alimentao e ainda, a possibilidade de variar parmetros

importantes como o tempo morto e a freqncia de oscilao com substituio de poucos

componentes.


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CAPTULO 3

TRANSDUTOR ELETRO ACSTICO:

ALTO-FALANTE

3.1 INTRODUO

Para o estudo sobre a interface amplificador/alto-falante, necessrio o conhecimento

do alto-falante para obter um modelo apropriado, que permitir realizar simulaes com

maior preciso e eventualmente possamos determinar os parmetros que podero ser

modificados de forma a obter um alto-falante comercial, o qual permita melhorar a eficincia

do amplificador classe D.

A histria deste transdutor comea com a patente de 1876 registrada por AlexanderGrahan Bell [21], que consistia em um meio de registrar a fala graficamente para o ensino de

surdos-mudos. Ao desenvolver um transdutor para este uso ele acabou por criar o telefone. O

receptor de telefone criado tinha o seguinte princpio: O sinal de entrada era aplicado a um

solenide para produzir um campo magntico com a forma de onda do udio, este campo

atraa um leve e fino diafragma metlico.

A massa relativa diafragma metlico era uma fonte de ressonncias e os receptores de

rdio, com este principio de funcionamento foram abandonados devido baixa fidelidade,

entretanto incontveis dispositivos semelhantes foram produzidos para a telefonia. O termo

em ingls loudspeaker, utilizado at hoje, teve origem nesta poca em funo do alto nvel

de sinal produzido (apesar da baixa qualidade).

As freqncias envolvidas neste transdutor de udio eram consideravelmente altas para

os padres da engenharia mecnica da poca. razovel supor que muito mais fcil mover

componentes a altas freqncias quando eles so pequenos e leves, desta forma o

desenvolvimento subseqente do alto-falante seguiu este caminho. O sistema motor utilizado

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Captulo 3 O Transdutor eletroacstico: Alto-Falante___________________________

no alto-falante foi patenteado por Sir Oliver Lodge em 1898 [22], mas, pela ausncia de

sistemas amplificadores ele no foi utilizado.

Com o surgimento da vlvula termoinica, com o conseqente desenvolvimento do

rdio, surge ento, um grande mercado consumidor e o termo loudspeaker foi adotado

definitivamente para o transdutor eletroacstico. O princpio de funcionamento deste

dispositivo encontra-se no trabalho de Rice e Kellog na dcada de 20, que descreveu

essencialmente o alto-falante como o conhecemos at hoje. Eles construram um produto

conhecido como Radiola 104, com um amplificador classe A de 10Watts. O alto-falante

utilizado neste equipamento utilizava para gerar um campo magntico fixo um indutor. Este

primeiro alto-falante tinha como conseqncia o aumento do consumo de energia e riscos

com a alta tenso para alimentar este campo magntico.O desenvolvimento da tecnologia dos materiais magnticos tornou possvel a

substituio do indutor de campo por um im permanente. No final da dcada de 1930 este

novo alto-falante foi adotado e aconteceram pouqussimas mudanas no conceito desde ento

[23].

Os alto-falantes so dispositivos de baixo rendimento. Para que seja feita a

transformao da energia eltrica enviada pelo amplificador, em energia mecnica, e

posteriormente em energia acstica, ele dissipa em forma de calor aproximadamente 98% daenergia fornecida pelo amplificador (e isso considerando alto-falantes de alta qualidade), isso

quer dizer que de cada 100W rms aplicados nos bornes de um alto-falante, teremos apenas

2W de potncia acstica efetiva [3,6].

3.2 PRINCPIOS DE FUNCIONAMENTO DO ALTO-FALANTE

Os transdutores eletro-acsticos de freqncias graves, mdias e agudas, encontrados namaioria das caixas acsticas, baseiam-se todos em um mesmo conceito: um diafragma em

movimento, devido a um campo eletromagntico modulado em amplitude, atuando em

conjunto com um im permanente. Este mecanismo anlogo a um motor eltrico, sendo o

rotor substitudo pela bobina mvel.

A Figura 1 ilustra um corte de um alto falante (A.F.) eletro-acstico. Quando se aplica

corrente bobina mvel, um campo eletromagntico produzido perpendicularmente ao

fluxo da corrente e ao campo do im permanente. A fora mecnica resultante obriga o

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diafragma (cone) a se deslocar em um movimento perpendicular ao campo magntico no

entreferro, movimentando o ar em ambos os lados [3].

Figura 3.1 Componentes de um Alto-falante

Existem trs sistemas distintos, interligados que operam simultaneamente em um A.F:

1. O sistema motor: composto pelo im, pea polar, entreferro e bobina mvel;2. O Diafragma: cone que pode ser de diferentes materiais;3. A Suspenso: constituda pela aranha ou centragem e o anel de suspenso.

As especificaes tcnicas mais comumente conhecidas do falante so:

Impedncia Nominal; Sensibilidade; Resposta de Freqncia; Potncia;

Os fabricantes fornecem estes parmetros em seus catlogos, como aqueles constantes

no anexo 2.


infinito (exemplo)

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3.3 - CAIXAS ACSTICAS

Um alto-falante ao ar livre possui um plano de irradiao ilustrado na Figura 3. Na linha

do plano do cone (ou seja, ouvindo o alto-falante pelo seu lado) no existe reproduo de

som, como as freqncias maiores do que a rea efetiva do cone podem ultrapassar a linha

divisria entre a frente e a parte de traz dele (e assim so canceladas, em funo da fase

invertida), no vai haver reproduo de som de baixa freqncia.

Figura 3.3 Plano de irradiao do alto-falante ao ar livre (corte)

Existem diversos modelos de caixas acsticas, e cada uma dela interfere de forma

caracterstica no desempenho do sistema [6].

3.3.1- Baffles:O Baffle consiste de um anteparo que separa a parte frontal da parte traseira do alto-

falante conforme mostra a figura 3.4, aumentando a distncia que as ondas devem percorrer

para se encontrar. Este recurso aumenta a capacidade de reproduzir baixas freqncias, sendo

que o seu tamanho um fator limitante. Idealmente o baffle deveria ter o tamanho infinito,

evitando assim qualquer cancelamento, mas como na prtica isto no ocorre, as ondas frontais

se encontram com certo atraso com as ondas traseiras, causando cancelamento em alguns

comprimentos de onda e somatrio em outros. Para evitar que isto acontea, interessante

que seu formato seja irregular, ou que o diafragma seja montado fora do centro do baffle,

conforme indica a Norma 5308/1982 [3, 24, 10].

Figura 3.4 Baffle

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3.3.2 Gabinete de fundo aberto

Estes gabinetes so bastante utilizados, tipicamente em alguns modelos de caixas

acsticas amplificadas para uso com instrumentos. Ele conhecido por produzir um grande

pico na resposta causado pela ressonncia acstica, em uma freqncia que funo do alto-

falante e prioritariamente do gabinete. Esta configurao no tem boa fidelidade, mas para

melhorar sua resposta o gabinete deve ser o mais raso possvel, com o mnimo de obstruo

acstica, especialmente na parte traseira.

Figura 3.5 Gabinete aberto

3.3.3 Gabinete Fechado

Neste tipo de gabinete no existe interferncia entre as ondas frontais e traseiras, alm

de diminuir um pouco a excurso do cone (devido presso interna. Entretanto, na freqnciade ressonncia, ocorre um pico na resposta. Em altas freqncias, a ressonncia acstica

interna cria irregularidades na resposta, que pode ser reduzida revestindo-se internamente a

caixa com um material para absoro acstica.

Figura 3.6 Gabinete fechado

3.3.4 Caixa Ventilada

Tambm chamada de bass-reflex ou irradiador passivo, apresenta uma abertura frontal

na parte inferior, permitindo que a onda traseira produzida pelo diafragma contribua para o

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sistema, em uma estreita faixa de freqncias. Conseqentemente, este tipo de caixa fornece

uma melhor resposta de graves. Pode ter um dimensionamento difcil, em funo da sintonia

do duto.

Figura 3.7 Gabinete ventilado

3.3.5 Labirinto Acstico

A estrutura contm um longo tnel de passagem de ar, forrado com material absorvente.

A influncia do labirinto pode ser comparada a uma linha de transmisso longa e com muitas

perdas, onde grande parte da energia dissipada e uma pequena parcela refletida. Com este

artifcio, possvel reduzir a freqncia de ressonncia dos sons graves, aumentando a faixa

de resposta do alto-falante.

O dimensionamento correto do comprimento do tnel, faz com que a onda sonora que

deixa a abertura fique em fase com a onda frontal, proporcionando a soma destas e,

melhorando o rendimento. Este processo semelhante ao da caixa ventilada, com o aumento

gradual da seo transversal do tnel, o labirinto se comporta como uma corneta de baixa

freqncia.

Figura 3.8 Labirinto acstico

3.4 - MTODO DE THIELE-SMALL

O modelo de Thiele-Small um conjunto padronizado de parmetros que definem o

comportamento de um alto-falante, muito usados para o projeto de caixas acsticas. Foi

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Captulo

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Apostila Amplificador Classe D