projeto e implementac¸ ˜ao de um amplificador de ´audio classe d

108 Pages·2017·5.33 MB·Portuguese

by  Eduardo Enderli Bodanese

UNIVERSIDADE TECNOLO´GICA FEDERAL DO PARANA´
DEPARTAMENTO ACADEˆMICO DE ELE´TRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELE´TRICA
EDUARDO ENDERLI BODANESE
˜
PROJETO E IMPLEMENTAC¸ AO DE UM AMPLIFICADOR
´
DE AUDIO CLASSE D
TRABALHO DE CONCLUSA˜O DE CURSO
PATO BRANCO
2017
EDUARDO ENDERLI BODANESE
˜
PROJETO E IMPLEMENTAC¸ AO DE UM AMPLIFICADOR
´
DE AUDIO CLASSE D
Trabalho de Conclusa˜o de Curso de
graduac¸a˜o, apresentado a` disciplina de
Trabalho de Conclusa˜o de Curso 2, do
Curso de Engenharia Ele´trica do Departa-
mento Acadeˆmico de Ele´trica - DAELE - da
Universidade Tecnolo´gica Federal do Pa-
rana´ -UTFPR,CaˆmpusPatoBranco,como
requisito parcial para obtenc¸a˜o do t´ıtulo de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Everton Luiz de Aguiar
PATO BRANCO
2017
TERMO DE APROVAC¸A˜O
OTrabalhodeConclusa˜odeCursointituladoPROJETOEIMPLEMENTAC¸A˜O
DE UM AMPLIFICADOR DE A´UDIO CLASSE D do acadeˆmico Eduardo Enderli Bo-
danese foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadora N◦
145 de 2017.
Fizeram parte da banca examinadora os professores:
Everton Luiz de Aguiar
Andrei Bordignon
Kleiton de Morais Sousa
Este trabalho e´ dedicado a` toda minha fam´ılia. Em especial
aos meus pais, Sadi e Maria Helena, por todos os ensina-
mentos e incentivos fornecidos durante a caminhada; e a
minha esposa, Yasmim, pela compreensa˜o e ajuda nos mo-
mentos mais dif´ıceis.
O insucesso e´ apenas uma oportunidade para
comec¸ar de novo com mais inteligeˆncia.
Henry Ford
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradec¸o a Deus, pelo dom da vida.
Agradec¸oaoProfessorM.Sc. EvertonLuizdeAguiarpelaorientac¸a˜o,dedicac¸a˜o
e companheirismo em todos os momentos, pricipalmente nos na˜o ta˜o bons.
Agradec¸o aos colegas que de uma forma ou de outra contribu´ıram para o
desenvolvimento deste trabalho, tanto de forma te´cnica como motivacional; especi-
almente a Felipe Sassi, Lucas Gaspar de Miranda e Luiz Henrique Meneghetti pela
parceria e aux´ılio durante todo o trabalho, principalmente na reta final. Tambe´m aos
colegas, amigos e companheiros de antes e tambe´m durante a etapa da graduac¸a˜o;
com certeza voceˆs tornaram essa fase muito mais prazerosa.
Agradec¸o a todos os professores do Departamento de Ele´trica e os demais
do caminho: sem voceˆs na˜o teria chegado onde estou.
Por u´ltimo, mas com total importaˆncia, agradec¸o a` fam´ılia pelo incentivo e
apoio durante todas as etapas da vida. A voceˆs se devem todas as minhas conquistas
e realizac¸o˜es passadas, atuais e futuras.
RESUMO
BODANESE, Eduardo Enderli. Projeto e Implementac¸a˜o de um Amplificador de
A´udio Classe D. 2017. 105 f. Monografia (Graduac¸a˜o em Engenharia Ele´trica) -
Departamento Acadeˆmico de Ele´trica, Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´,
Pato Branco, 2017.
Este trabalho aborda o conceito de amplificadores classe D (chaveados), indicando-
o como um substituto a`s demais classes de amplificadores de a´udio em algumas
aplicac¸o˜es espec´ıficas por ser mais eficiente e, mostrando ser poss´ıvel obter uma
qualidade de a´udio satisfato´ria. No trabalho sa˜o discutidas as classes de amplifica-
dores de a´udio, as topologias de amplificadores classe D, as principais modulac¸o˜es
usadas e as diferenc¸as entre um classe D analo´gico e um digital. Depois de defi-
nida a topologia ponte completa, a modulac¸a˜o por largura de pulso (PWM) de 3 n´ıveis
e digital, cada etapa e´ analisada para ser projetada baseada na teoria. Simulac¸o˜es
nume´ricascomputacionaissa˜odesenvolvidasnossoftwares PSIM(cid:13)R eLTspice(cid:13)R para
validar as etapas projetadas do circuito e o projeto como um todo. E´ desenvolvido um
proto´tipo para aquisic¸a˜o de resultados experimentais para determinar os paraˆmetros
que caracterizam o amplificador e compor sua tabela de especificac¸o˜es te´cnicas. Fi-
nalmente sa˜o apresentados, comparados e discutidos os resultados de simulac¸a˜o e
experimentais do amplificador projetado e implementado.
Palavras-chave: Conversor CC/CA, Modulac¸a˜o por Largura de Pulso(PWM), Amplifi-
cador Classe D, A´udio.
ABSTRACT
BODANESE, Eduardo Enderli. Class D Audio Amplifier’s Design and Assembly.
2017. 105f. Monografia(Graduac¸a˜oemEngenhariaEle´trica)-DepartamentoAcadeˆmico
de Ele´trica, Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´, Pato Branco, 2017.
This work addresses the concept of class D amplifiers (switching amplifiers), indicating
it as a substitute for other classes of audio amplifiers in some specific applications,
because it is more efficient and it is possible to obtain a satisfactory audio quality.
In this paper it is discussed the classes of audio amplifiers, the topologies of class
D amplifiers, the main modulations used and the differences between an analog and
a digital class D. Once the complete bridge topology, digital modulation and 3-level
pulse width modulation (PWM) are chosen, each step is analyzed to ultimately be
designed based on theory. Computational numerical simulations are developed in the
PSIM(cid:13)R and LTspice(cid:13)R softwares to validate the projected steps of the circuit and the
project as a whole. A prototype is developed for the acquisition of experimental results
to determine the parameters that characterize the amplifier and compose its table of
technical specifications. Finally, simulation and experimental results of the designed
and implemented amplifier are presented, compared and discussed.
Keywords: Converter DC/AC, Pulse Width Modulation(PWM), Class D Amplifier, Au-
dio.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama contextual do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 2: Circuito do amplificador classe A . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 3: Circuito do amplificador classe B . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 4: Distorc¸a˜o de cruzamento por zero no amplificador lasse B . . . 25
Figura 5: Circuito do amplificador classe AB . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 6: Comparac¸a˜o entre o rendimento de classes A, B e D . . . . . . 28
Figura 7: Diagrama de blocos de um Classe D . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figura 8: Conceito da topologia meia ponte . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 9: Conceito da topologia ponte completa . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 10: Modulac¸a˜o PWM de 2 n´ıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 11: Modulac¸a˜o PWM de 3 n´ıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 12: Modulac¸a˜o Delta-Sigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 13: Filtro passivo de segunda ordem e filtro ativo de segunda ordem 38
Figura 14: (a) Filtro de uma sa´ıda e (b) Filtro balanceado . . . . . . . . . . 39
Figura 15: Circuito de Bootstrap para um brac¸o da ponte . . . . . . . . . . 45
Figura 16: Esquema´tico de um optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 17: Ilustrac¸a˜o do tempo morto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 18: Snubber em uma ponte completa . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 19: Microcontrolador Piccolo TMS320F28069 . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 20: Ilustrac¸a˜o da operac¸a˜o de um amplificador de instrumentac¸a˜o . 52
Figura 21: Circuito ba´sico de um amplificador de instrumentac¸a˜o . . . . . . 53
Figura 22: Circuito equivalente simplificado de um alto-falante . . . . . . . 56
Figura 23: Curva de impedaˆncia de um alto-falante . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 24: Diagrama da topologia escolhida . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 25: Resposta no dom´ınio da frequeˆncia do filtro de sa´ıda projetado 60
Figura 26: Circuito completo para um dos drivers . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 27: Pico de tensa˜o negativa em func¸a˜o do resistor se´rie . . . . . . . 64
Figura 28: Circuito utilizado para um optoacoplador . . . . . . . . . . . . . 66
Figura 29: Circuito utilizado para o amplificador de instrumentac¸a˜o . . . . . 68
Figura 30: Topologia Sallen-Key de um filtro ativo de 2a ordem . . . . . . . 69
Figura 31: Filtro Anti-Aliasing completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 32: Simulac¸a˜o do filtro anti-aliasing de 4a ordem . . . . . . . . . . . 71
Figura 33: Circuito da fonte do amplificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Figura 34: Sinal de entrada modulado em 4 PWMs . . . . . . . . . . . . . 76
Figura 35: PWMs a` sa´ıda dos 6N137 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Figura 36: PWMs de acionamento das 4 chaves IRF540 . . . . . . . . . . 77
Figura 37: PWMs de acionamento das 4 chaves IRF540, referenciados ao
terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Figura 38: Sa´ıda do amplificador com poteˆncia nominal . . . . . . . . . . . 78
Figura 39: Sa´ıda do amplificador antes e depois do filtro . . . . . . . . . . 78
Figura 40: PWM sobre o filtro de sa´ıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 41: Ondas de tensa˜o, corrente e poteˆncia . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 42: Amplificador implementado em seu gabinete . . . . . . . . . . . 80
Figura 43: Gabinete aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 44: Gabinete aberto destacando-se as placas componentes do am-
plificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 45: Sinal de entrada: onda senoidal 1 kHz . . . . . . . . . . . . . . 82
Figura 46: Forma de onda na sa´ıda com carga nominal . . . . . . . . . . . 83
Figura 47: Forma de onda na sa´ıda sem carga . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Figura 48: Eficieˆncia em func¸a˜o da poteˆncia de sa´ıda . . . . . . . . . . . . 85
Figura 49: Perdas relativas em func¸a˜o da poteˆncia de sa´ıda . . . . . . . . 86
Figura 50: Relac¸a˜o sinal/ru´ıdo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Figura 51: Resposta em frequeˆncia do amplificador . . . . . . . . . . . . . 88
Figura 52: Sinal de a´udio apo´s etapa de condicionamento . . . . . . . . . 90
Figura 53: PWMs 1A e 1B na sa´ıda do microcontrolador . . . . . . . . . . 91