Proiectarea amplificatoarelor audio

Pentru proiectarea amplificatorului audio din figura 1 vom porni de la următoarele ipoteze:

- rezistenţa de sarcina RL=32 Ohmi;
- tensiunea de ieşire variabilă în domeniul 0...5VV-V.
- tensiunea de intrare variabila in domeniul 0...350mV.

Amplificatorul are rolul de a asigura o tensiune corepunzătoare pe RL la curentul de sarcină cerut IS_efectiv.Amplificatorul audio se va utiliza pentru reproducerea domeniului de frecventa cuprins intre f0min=20Hz şi f0max=20kHz.

Soluţie:

unde  "0,35" reprezintă coeficientul care face legătura dintre o valoare vârf la vârf şi una efectivă a unei tensiunii electrice sinusoidale.

Deoarece IS_efectiv cerut de sarcina RS=32Ω este mai mare ca valoarea curentului nominal al unui amplificator operaţional de tipul NE5532 dată de catalog atunci vom realiza un amplificator final ca cel din figura 1.

Amplificatorul din figura 1 este un amplificator clasa B. La ieşirea amplificatorului final se conectează sarcina de 32Ω.

Tensiunea de alimentare a amplificatorului trebuie să sadisfacă următoarea relaţie pentru a permite variaţia tensiunii în plaja mai sus menţionată:

unde VV-V este tensiunea vârf la vârf pe ieşirea amplificatorului final (dată iniţial) iar VSAT reprezintă tensiunea de saturaţie a unui tranzistor final (Q1 sau Q2).
În cazul de faţă avem: (verifică).

Am ales o tensiunea de alimentare simetrică de +/-15Vcc pentru a obţine o tensiune pe sarcină cu distorsiuni armonice reduse (<0,1%).

Pentru determinarea valorii componentelor amplificatorului final, se procedează astfel:

a) determinarea curentului maxim din emitoarele tranzistoarelor finale:

Vom avea:

b). adoptăm iniţial VR4=VR5=0,7V, atunci rezultă:

Se va adopta valoarea normalizată R4=R5=2,2Ohmi, 10%. Puterea disipată de rezistenţele R4 şi R5 va fi:

Se vor adopta rezistenţe de 0,5W.

c). calculul puterii disipate de tranzistoarele finale Q1 şi Q2:

Alegerea tranzistoarele Q1 şi Q2 se face ţinând cont de VCC, IQmax şi PD_Q. Din catalog vom adopta BD135 şi BD136 cu următoarele specificaţii: VCC=45V, IQmax =1,5A şi PD_Qmax =12,5W, caracteristici care sunt peste cele determinate.

Deoarece PD_Q1=PD_Q2 > 1,25W, tranzistoarele Q1 şi Q2 necesită fiecare cate un radiator de aluminiu, profil U, de dimensiunii reduse.

d). determinarea valorii rezistenţelor R1 şi R7:

Din catalog vom citi hFe-ul tranzistoarelor BD135 si BD136,de unde vom alege o valoare medie necesară în calcule. Este indicat totuşi ca această valoare să fie cât mai apropiată la cele două tranzistoare asta pentru a permite o distributie egala a puterii disipate şi obţinerea unor distorsiuni reduse la I

Vom adopta o valoare normalizată apropiată de 5,1kOhmi, 10%. Putere disipata de aceste rezistente va fi: PR1=PR7=0,039W. Deci, vom adopta rezistenţe de 0,25W STAS.

e). alegerea diodelor D1 şi D2. Aceste diode trebuie să fie diode rapide (de comutaţie) cu VRRM > 50V. Pentru simplitate dar şi pentru a evita utilizarea unor diode diverse, vom alege 1N4148.

f). determinarea condensatoarelor de by-pass C1, C2, C5 şi C6. Aceste condensatoare se adoptă din diverse tabele sau astfel:

unde IAO este curentul tipic consumat de un amplificator operaţional din capsula circuitului integrat NE5532.
Vom adopta două condensatoare electrolitice de 220uF, 25V, 10%.
Capacităţile C2 şi C6 se adoptă de 100nF - 63V normalizat.

g). determinarea valorii componentelor din bucla de reacţie.

Cunoscând valoarea vârf la vârf a tensiunii de intrare şi de ieşire a amplificatorului din figura 1, putem aplica formula binecunoscută:

Se consideră R8=0,47...5kOhmi. Vom alege R8=470Ohm, 10% iar rezistenţa R9 se determină înlocuind valoarea rezistenţei R8 în relaţia de mai sus,rezultă:

Voi adopta o valoare normalizată de 6,2kOhmi, 10%, 0,25W.
Valorile capacitoarelor se determină cunoscând "f max" şi "f min" din figura 1. Aceste frecvenţe reprezintă limita inferioară şi superioară a domeniului de frecvenţă ce se doreşte amplificat. Vom avea:

Se aplica formulele:

Se adoptă valori normalizate de 22µF şi 1nF.

h). determinarea valorii rezistenţei R3 şi a potenţiometrului de pe intrarea amplificatorului final.
Valoarea potenţiometrului R2 de pe intrare se adoptă în funcţie de valoare condensatorului C3. De regula C3=0,47...10µF. Vom adopta C3=2,2µF, rezultă:

Vom adopta un potenţiometru simplu,liniar,normalizat de 5kOhmi.

Rezistenţa R3 are rolul de a impiedica cuplarea directă a intrarii neinversoare a amplificatorului la masă. Se conecteaza optional. De regulă, se adoptă R3=0,2*R2=1kOhmi, 0,25W.

i). determinarea valorii componentelor R6 şi C4, a filtrului Boucherot, de pe ieşirea amplificatorului.

Condensatorul C4 se determină cu relaţia:

unde:

- VCE0 reprezintă tensiunea caracteristică a tranzistoarelor finale de tipul BD135 si BC136. Din catalog extragem VCE0=45V;

- tf - perioada de timp în care curentul se anulează printr-un tranzistor final la fmax. Uzual se consideră:

Rezultă:

Vom adopta un condensator normalizat de 270nF, 10%, X2, 100VAC.
Rezistenţa R6 se determină cu relaţia:

Puterea disipată de rezistorul R6:

Vom adopta o valoare normalizată de 120 Ohmi, 10%, 0,6W.

j). Puterea nominala a amplificatorului pe sarcina de 32 Ohmi:

Bibliografie:

- Audio Power Amplifier Design Handbook by Douglas Self
- Teach Yourself Electricity & Electronics by McGraw-Hill
- Audio and Hi-Fi Handbook (3rd ed. by SINCLAIR, I. R.
- High Performance Audio Power Amplifiers by DUNCAN, B.
- Yamaha - Sound Reinforcement Handbook