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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...
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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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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
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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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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
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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
Figura 4.1 Curvas de impedncia e fase tpicas de um alto-falante montado no Baffle
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
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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
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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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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________
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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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________
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.
4
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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________
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
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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________
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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Captulo 1 Introduo_______________________________________________________
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.
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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
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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
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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.
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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
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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% .
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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.
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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_________________________________________
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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.
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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.
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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
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Captulo 2 O Amplificador Classe D_________________________________________
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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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.
Figura 3.2 Curvas de impedncia e fase tpicas de um alto-falante montado no Baffle
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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