Pré LM358 + Amplificador TDA2006

[xformer]

xformer, então eu posso afirmar que o circuito para o pré que estou usando é de amplificador não inversor, e o circuito para o TDA2006 é de amplificador inversor?

Se é melhor deixar a resistência em R1 alta, por que não seria melhor aumentá-la ao invés de diminuir/mexer no Rf?

Sim, você tem  os dois casos nos seus circuitos. O LM358 está em modo amplificador não inversor e o TDA em modo inversor. Mas para o alto-falante e o ouvido não faz diferença se o sinal está invertido ou não.

Não é muito bom aumentar muito o R1 (o resistor que faz a resistência de entrada do amplificador inversor) porque pode ficar mais suscetível a captar ruído, então é melhor mexer no resistor Rf (resistor de feedback ou realimentação). No caso do amplificador não inversor até que poderia aumentar R1

[Pedro Augusto]

Estágios de saída não devem ter um ganho tão baixo. Os componentes desses power amplificadores podem acabar por oscilar em alta frequência o que é extremamente destrutivo pra eles. Um ganho de aproximadamente 10x (100k e 1M) já fica mais seguro.

O que eu disse sobre o ganho é que pra ter uma margem de trabalho faça os ajustes pensando que o potenciômetro de volume esteja no meio do curso. aí se preciso você pode aumentar ou diminuir o volume sem estar com o problema de excesso ou falta de sinal.


Um exemplo: Digamos que o sinal de entrada tem os 500mv de amplitude total. Na saída você quer que esse sinal atinja 17V PP então você precisa de um ganho total de 34x . No power, como eu disse antes, você vai manter o ganho em 10x. Sobra então um ganho de 3,4x pra ser feito pelo estágio do pré. Porém tem o controle de volume. Onde se supõe que será útil ter uma margem de ganho extra para algum ajuste. Então, em vez do estágio de pré ficar com 3,4x faça ele ficar com 6,8x . Ou seja o valor próximo poderia ser mesmo R3 com 6,8k e R2 de 1K.

Captou a ideia? São valores hipotéticos.

 

Me desculpe a dificuldade, mas não compreendi como saber os valores necessários.

Como faço para saber qual o sinal ideal de saída do amplificador?
Quais são os dados que preciso verificar no datasheet?

Na página 4, figura 2, "Distortion versus Output Power", tem um gráfico que mostra que a potência máxima sem distorção fica próxima de 10W, usando um falante de 4 ohms.
Na figura 1, para 10W de potência é preciso 11V na entrada. Mas eu quero (acho que é isso que tenho que querer) saber qual a tensão pico a pico da saída do sinal, não?

[Matec]

Vamos lá. Toda a potência de saída do amplificador, à princípio é limitada pela capacidade da fonte em fornecer essa potência.
Sua fonte, pelo que eu li, fornece em torno de 18v. A onda senoidal tem que ser "esculpida" à partir desses 18v, e haverão algumas perdas, inerentes da tecnologia envolvida. Então digamos que o máximo de amplitude pico a pico que se consegue, sem muita distorção são 17v. À partir daí que começa o cálculo.

[xformer]

O gráfico da figura 1 da página 4 mostra quanto de potência se pode obter na saída de acordo com a tensão de alimentação (Vs = Vsupply) da fonte (simétrica, isto é, da tensão negativa e da positiva).

O gráfico da figura 2 mostra a potência que se obtém em função da distorção do sinal de saída. No caso, pode-se perceber que não é possível se conseguir muito mais do que 10 W do TDA2006 se desejamos uma certa qualidade no som.

Partindo dessas premissas, se queremos 10 W de potência sobre uma carga de 4 ohms, podemos calcular qual vai ser o valor da tensão que deve ser aplicada e fornecida à carga de 4 ohms:

P = Vo² / R     isolando-se o Vo  temos que Vo = raiz quadrada de (P x R)
então Vo = Vsaída = raiz (10 x 4) = 6.32 V

Essa tensão de 6.32 V é medida em volts eficazes (ou volts rms) que é uma das maneiras da gente quantificar uma tensão alternada (é a mesma unidade usada para medir a tensão nas tomadas de casa).  Essa tensão de 6.32 Vrms pode ser transformada em tensão de pico (máxima do sinal) ou em tensão pico a pico (2 vezes a tensão de pico, do pico negativo ao pico positivo).  Se a forma da onda alternada for uma senóide pura, sem deformação) a tensão de pico é igual a tensão eficaz (ou rms) vezes o valor de 1.414213  (raiz quadrada de 2).  Assim 6.32 Vrms senoidal = 8.94 Vpico  e  17.88 Vpico a pico.  
Como a gente alimenta o amplificador com tensão contínua da(s) fonte(s), a excursão do sinal de saída fica limitada aos valores das tensões de alimentação (existem exceções, que não vem ao caso agora).  Por isso a existência do gráfico da figura 1.  Ou seja, para se ter esse sinal na saída de 6.32 Vrms, você precisa alimentar o amplificador com pelo menos +11 Vdc e -11 Vdc, senão não vai conseguir a potência de 10 W na carga. Observe que 11Vdc é muito mais do que 8.94 Vpico, mas tem de considerar que há perdas de tensão nos transistores de saída e portanto o sinal de saída nunca vai conseguir excursionar até o limite da tensão da alimentação da fonte.

Bom, com 6.32 Vrms na saída, e se você configurou o amplificador para ter ganho de 10 vezes, então precisa ter um sinal de pelo menos 0.632 Vrms na entrada do amplificador. Esse valor é o que chamamos de sensibilidade de entrada do amplificador. Ele é o mínimo para se conseguir a potência máxima desejada e também é o máximo de valor que pode entrar sem que o sinal na saída comece a ser distorcido (achatado nos picos) por causa da limitação da saída em função das fontes.

Então se o pré fornecer mais do que 0.632 Vrms (ou 0.894 Vpico = 1.78 Vpico a pico), o amplificador de potência vai começar a distorcer a saída.

O mesmo raciocínio você pode fazer para o pré e sua entrada de sinal.

[Pedro Augusto]

Obrigado pelas respostas.
Vou parar com calma para ler e entender melhor, mas já percebo o caminho para fazer as contas.
Mas pergunto, por ora, se o fato de minha fonte ser simples (posso escolher entre 15, 16, 18, 19, 20 e 21V) altera algo.

Spoiler (clique para mostrar ou esconder)

No gráfico da fig. 1, potência x Vs, a fonte é simétrica. A diferença de potencial entre os polos seria de 22V (+- 11V) para conseguir os 10W.
Se eu utilizar a fonte simples em 21V eu teria resultado semelhante?
Ou eu deveria usar um regulador de tensão (7912, por exemplo) para ter também a tensão negativa?

[xformer]

Se você alimenta o amplificador com uma fonte simples, então pode considerar que a tensão dela seja dividida por 2 para efeito de descobrir no gráfico da figura 1 quanto pode ser obtido de potência.  Com 21 Vdc  a potência na saída vai ser um pouco menor que os 10 W com 22 Vdc.  Usar a fonte simples exige a inserção de um monte de capacitor para fazer acoplamento por causa do nível DC que vai aparecer (metade da tensão da fonte).
Não precisa usar regulador para alimentar amplificador de potência e você não vai conseguir uma tensão negativa só por usar um regulador 7912.

[Pedro Augusto]

Uma vez que minha fonte não é simétrica e sua maior tensão é de 21V, acho que fica melhor pensar numa potência menor.

Pela figura 1, com 10Vdc é possível extrair aproximadamente 8,5W de potência, ou com os 20V da fonte simétrica.

Aplicando a fórmula: Vsaída = raiz de (Po x RL) -> raiz de (8,5 x 4) -> 5,83Vrms (8,24Vpico, 16,49Vpp).

Dessa forma, uma vez que o amplificador está regulado para ter um ganho de 10x, para fornecer os 5,83V o amplificador precisa ser alimentado pelo pré com um sinal de de 0,583Vrms.

Então preciso calcular qual o ganho do pré para ter uma saída de 0,583Vrms, certo? Se sim, como faço? 500mV de entrada x ganho = 0,583Vrms?

Indo pelo caminho apresentado pelo Márcio, se eu quero que na saída tenha 16,49Vpp (5,83Vrms), considerando uma entrada de 500mV, precisarei de um ganho de 33x.
O amplificador já tem um ganho de 10x, então o pré deve ter um ganho de 3,3x. O que ficou bem próximo dos cálculos hipotéticos apresentados.
Porém, por poder usar o potenciômetro para regular o sinal de entrada no amplificador, melhor deixar o ganho um pouco mais alto.

Testarei Testei com o resistor de 6K8 no lugar do 33K e deixei a fonte em 20V, deu certo.
Só distorce com o som no máximo quando coloco pra tocar metal. Com MPB tá saindo som limpo e com um bom volume.

[Matec]

Simples, né?

Dessa forma, uma vez que o amplificador está regulado para ter um ganho de 10x, para fornecer os 5,83V o amplificador precisa ser alimentado pelo pré com um sinal de de 0,583Vrms.

Então preciso calcular qual o ganho do pré para ter uma saída de 0,583Vrms, certo? Se sim, como faço? 500mV de entrada x ganho = 0,583Vrms?

Lembre-se só que 500mvpp é bem diferente de 500mvrms.

500mvrms = 500mvpp x 2 x Raiz(2)    ou 2,8284

[Pedro Augusto]

Simples, né?

Com vocês explicando, sim.

Agora acho que devo partir para o cálculo do dissipador de calor.

Estou com um "Dissipador TO220 40mm - Resistência térmica de 20,7°C/W a 75°C"

Se entendi corretamente no datasheet do TDA2006, um dissipador de 40mm serviria para dissipar 8W, perto dos 8.5W que calculei para o amplificador. Melhor seria um maior, mas tem risco de usar assim se não ficar utilizando na máxima potência?

[Matec]

Com vocês explicando, sim.

Agora acho que devo partir para o cálculo do dissipador de calor.

Estou com um "Dissipador TO220 40mm - Resistência térmica de 20,7°C/W a 75°C"

Se entendi corretamente no datasheet do TDA2006, um dissipador de 40mm serviria para dissipar 8W, perto dos 8.5W que calculei para o amplificador. Melhor seria um maior, mas tem risco de usar assim se não ficar utilizando na máxima potência?

Dizer que não tem risco, não dá. Mas à título de montagem provisória pode. Respeite só não ficar com a potência máxima por muito tempo. O ideal é que à toda potência ainda seja possível tocar no dissipador sem queimar a mão (60° C aprox.). Ouvindo como som ambiente fica mais tranquilo.

 

[xformer]

O Matec comentou comigo que não adianta escrever mais do que 4 linhas porque senão é muita informação e o pessoal se perde.  Mas não tem jeito, a menos que eu divida em várias mensagens.  

Voltemos à datasheet do TDA2006:



Pelo gráfico da esquerda podemos perceber que acontece a máxima dissipação de potência (geração de calor) no circuito integrado não quando ele entrega o máximo de potência útil ao alto-falante, mas num ponto entre 50 e 60% da potência máxima. Ou seja, achar que deixar o volume num valor mais baixo, não significa que com isso vai fazer o amplificador esquentar menos.

Agora sobre o dissipador, verifique no gráfico da direita, que a máxima potência dissipada se a fonte de alimentação for de 10 V (simétrica, ou 20 V simples) é mais ou menos 6.2 W.  Só com isso, esse seu dissipador de 20.7 °C/W  vai esquentar em 20.7 x 6.2 = 128 °C. Se somar isso à temperatura ambiente de 30 °C, resulta em 158 °C.  

Mais duas informações da datasheet são importantes: a temperatura máxima na junção (no chip do integrado) e qual a resistência térmica da junção para a carcaça do integrado.  Na datasheet não diz qual a máxima temperatura na junção (em muitos é 150 °C), mas diz que a 145 °C o circuito de proteção térmica desliga o TDA. Então a temperatura na junção não pode atingir esse valor de 145 °C.  E a resistência térmica da junção para a carcaça é de 3 °C/W.

Somando todas as resistências térmicas existentes entre a junção e o ambiente, temos:
Resistência térmica total = 3 + 1 + 20.7 = 24.7 °C/W
Somei 1 °C/W por conta da pasta térmica entre a carcaça e o dissipador (seria maior sem a pasta, e maior se colocar o isolador).

Com 24.7 °C/W x 6.2 W = 153 °C a serem somados à temperatura ambiente de 30 °C, resultando mais de 183 °C. Assim a chance de o TDA desligar no meio do funcionamento é muito grande.
Conclusão: esse dissipador é muito pequeno. Precisa arrumar um dissipador de no máximo 14 °C/W de resistência térmica.

Quando estiver montando amplificador de potência bem maior que esse, prefira os dissipadores com mais aletas (verticais) e de cor negra anodizada à metálica polida. Quando o tamanho for limitado, tem de passar a usar ventilação forçada (como nas CPUs de computadores) para circular o ar em volta do dissipador e diminuir a resistência térmica.

[Pedro Augusto]

O Matec comentou comigo que não adianta escrever mais do que 4 linhas porque senão é muita informação e o pessoal se perde.  Mas não tem jeito, a menos que eu divida em várias mensagens.  

Suas mensagens com mais de 4 linhas têm me ajudado bastante. Nessa eu só me perdi depois da 10ª... 

Pelo gráfico da esquerda podemos perceber que acontece a máxima dissipação de potência (geração de calor) no circuito integrado não quando ele entrega o máximo de potência útil ao alto-falante, mas num ponto entre 50 e 60% da potência máxima. Ou seja, achar que deixar o volume num valor mais baixo, não significa que com isso vai fazer o amplificador esquentar menos.

Como eu digo aos meus alunos de direito: o senso comum pode ser perigoso.
Eu sempre vi dizerem que esquentava mais se "forçasse" mais, ou seja, com mais volume saindo pelo falante.
Agora sei o que preciso entender olhando esse gráfico.

Agora sobre o dissipador, verifique no gráfico da direita, que a máxima potência dissipada se a fonte de alimentação for de 10 V (simétrica, ou 20 V simples) é mais ou menos 6.2 W.  Só com isso, esse seu dissipador de 20.7 °C/W  vai esquentar em 20.7 x 6.2 = 128 °C. Se somar isso à temperatura ambiente de 30 °C, resulta em 158 °C.  

Mais duas informações da datasheet são importantes: a temperatura máxima na junção (no chip do integrado) e qual a resistência térmica da junção para a carcaça do integrado.  Na datasheet não diz qual a máxima temperatura na junção (em muitos é 150 °C), mas diz que a 145 °C o circuito de proteção térmica desliga o TDA. Então a temperatura na junção não pode atingir esse valor de 145 °C.  E a resistência térmica da junção para a carcaça é de 3 °C/W.

Somando todas as resistências térmicas existentes entre a junção e o ambiente, temos:
Resistência térmica total = 3 + 1 + 20.7 = 24.7 °C/W
Somei 1 °C/W por conta da pasta térmica entre a carcaça e o dissipador (seria maior sem a pasta, e maior se colocar o isolador).

E se eu juntar dois desses dissipadores com pasta térmica e parafuso? Os 20.7 °C/W ficariam pela metade, ou próximo disso?

Com 24.7 °C/W x 6.2 W = 153 °C a serem somados à temperatura ambiente de 30 °C, resultando mais de 183 °C. Assim a chance de o TDA desligar no meio do funcionamento é muito grande.
Conclusão: esse dissipador é muito pequeno. Precisa arrumar um dissipador de no máximo 14 °C/W de resistência térmica.

Quando estiver montando amplificador de potência bem maior que esse, prefira os dissipadores com mais aletas (verticais) e de cor negra anodizada à metálica polida. Quando o tamanho for limitado, tem de passar a usar ventilação forçada (como nas CPUs de computadores) para circular o ar em volta do dissipador e diminuir a resistência térmica.

Obrigado pelos cálculos.
Comprei esses dissipadores e eram os maiores disponíveis na Altana, então pensei que seriam grandes o suficiente para esses TDA de menor potência.

[xformer]

Como eu digo aos meus alunos de direito: o senso comum pode ser perigoso.
Eu sempre vi dizerem que esquentava mais se "forçasse" mais, ou seja, com mais volume saindo pelo falante.
...
E se eu juntar dois desses dissipadores com pasta térmica e parafuso? Os 20.7 °C/W ficariam pela metade, ou próximo disso?

É que tem de pensar que se os transistores estão fornecendo mais potência para os alto-falantes, então eles precisam "segurar" menos potência neles (que vai virar calor) pois apesar de conduzirem bastante corrente, a tensão sobre os transistores é pequena. E  quando a potência fornecida por eles é pouca, então mesmo que eles tenham que segurar a potência neles, ela será menor porque eles conduzem menos e a corrente então é pouca (embora a tensão sobre eles seja maior, o produto tensão x corrente é que importa).

No meio termo entre pouca potência de saída e muita potência de saída é que os transistores dissipam mais potência porque tanto a corrente como a tensão são consideráveis (e o seu produto que é a potência dissipada é maior). Por isso a curva é ascendente e depois descendente.

Se você juntar dois dissipadores iguais, a resistência térmica vai diminuir por certo, mas não vai cair pela metade (mesmo que o dissipador tivesse o dobro do tamanho, não cairia pra metade, tem uma tabela de correção pelo tamanho nos catálogos de dissipadores). Mas será o suficiente para o seu TDA.

Usar semicondutores de potência é sempre uma luta contra o calor. Evitar que a pastilha de silício se aqueça demais é preocupação constante e importante numa montagem e num projeto com eles. Preocupação que não ocorria tanto com as válvulas.
E fazer som com eletrônicos é sempre um enorme gasto e desperdício de energia. A maior parte da energia usada vira calor (pode ver que quase metade da energia fornecida pela fonte é perdida em forma de calor e depois nos alto-falantes quase 95% do que chega a eles também vira calor, uma parcela ínfima vira energia sonora), faz mal ao meio ambiente.