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 Construção de um amplificador com LM3886

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Luis_vxd
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MensagemAssunto: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 22 2021, 17:25

Para partilhar…

Uma palavra antes de começar. É óbvio que o forum não é um sítio onde descrever formulas matemáticas ou pelo menos não encontrei como fazê-lo. Os calculos mostrados aqui, foram feitos em Word e depois colocados aqui como imagem. "Quem não tem cão caça com gato" dizia-se...

(Formulas by Scott Campbell | DiY Electronics)

O LM3886 é um dos amplificadores de audio em circuito integrado mais conhecidos e conceituados da comunidade DIY, com uma longevidade de mais de 20 anos no mercado. Há centenas de websites na Internet com projetos e variantes deste Circuito Integrado (CI).
A razão de sua popularidade é devido à sua distorção muito baixa, componentes externos mínimos e baixo custo.
Com o layout correto da placa de circuito impresso e a seleção de componentes adequada, pode-se construir um amplificador de áudio Hi-Fi com uma excelente performance que rivalizará com os amplificadores de última geração que custam milhares de Euros.

O primeiro amplificador que construí com o LM3886, há mais de 10 anos foi muito simples e feito com materiais comprados numa lojinha de componentes. (Antigamente ainda havia destas lojinhas. :-)
Tudo montado em cima de um pedaço de madeira:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_2311

O que começou por ser um projeto para ‘ouvir’ o LM3886, acabou por nunca passar de protótipo, sem caixa, tal e qual como está na foto, com grampos a segurar os LM3886 ao dissipador, mas foi usado diariamente durante mais de 3 anos.
Depois de um veredito ‘Nunca na sala sem caixa!’ dado pela minha cara-metade, ficou na minha ‘tulha’ e foi o meu companheiro nas longas horas dedicadas ao hobby. Tinha um som muito bom e uma boa transparência.
Estava ligado as estas colunas feitas com umas caixas velhas dadas por um amigo onde coloquei altifalantes e fiz o crossover. O crossover nunca acabou dentro da caixa por manifesta falta de espaço:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_1810

Finalmente um amigo prontificou-se a levá-los e tanto quanto sei o amplificador ainda hoje está a trabalhar ainda em cima do pedaço de madeira mas agora dentro de uma caixa de acrílico transparente, que nem esqueleto de animal pré-histórico… :-)

Logo a seguir e entusiasmado com a facilidade de construção quando comparado com os amplificadores a transístores, construí outro mas desta vez com mais potência. Tinha 3 x LM3886 em paralelo por canal e 150W. Infelizmente não tenho imagens. Talvez porque não ficou muito tempo em casa.

Agora decidi construir outro, mas desta vez de usar um esquema de alguém, decidi fazer os meus próprios cálculos e em lugar de componentes vulgares optei por usar componentes de precisão e de qualidade para audio (audio grade). É amplamente discutido e há múltiplas opiniões sobre se o uso de componentes de qualidade tem ou não impacto na qualidade do resultado final.
A minha opinião é que sim. A utilização, nomeadamente de condensadores de audio grade, melhora muito o desempenho final.

Vou tentar descrever e explicar cada etapa de desenho, cálculo de componentes e construção do amplificador.
Neste processo pouco há a adicionar ao que já foi descrito por centenas de websites ao longo dos anos e não vale a pena reinventar a roda.
Aqui vou juntar dados que usei recolhidos de diversas fontes e adicionar experiência pessoal.

A ideia é motivar os DIY que há em cada um de nós para construir um amplificador simples e de muito boa qualidade.

O amplificador é baseado no mesmo circuito fornecido na datasheet do LM3886, com componentes de estabilidade opcionais incluídos.

O que há a ter em conta antes de começar:

Um elemento que define todo o projeto é a potência de saída. É baseado na potência que todos os cálculos são feito e os componentes dimensionados.
O LM3886 tem um máximo de potência de saída de 68W, mas na realidade a potência que se obtém é definida pela voltagem da fonte de alimentação e pela impedância das colunas.
Neste projeto defini que quero uma potência máxima de saída de 50W e uma impediancia de 6 Ohms (um ponto médio sensato entre 4 e 8 )

Determinar a voltagem e potência necessárias do transformador da fonte de alimentação.

Este passo é muito importante porque se a tensão for baixa e/ou a potência do transformador for também baixa o resultado final não será o desejado e poderá ter cortes e distorção com o volume mais alto.

Para se calcular o transformador primeiro temos que saber qual é o pico máximo de saída do amplificador (VPico). O pico é dado pela seguinte fórmula:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen21

Com a voltagem de pico do amplificador pode-se calcular a voltagem máxima que a fonte de alimentação precisa de produzir para que o amplificador tenha a potência requerida.

Para cálculo do transformador temos de ter em linha de conta o seguinte:

  • A queda de tensão nos terminais do LM3886 (Vqt). Este é um valor fixo definido no datasheet. São cerca de 4 Volts.
  • A regulação de tensão do transformador (VrelTrans); A regulação de tensão de um transformador é uma grandeza que mede a variação da tensão nos terminais devido à passagem do regime em vazio para o regime em carga. Este valor, em percentagem, é definido nas características técnicas do transformador. Aqui vou usar 10%.
  • A variação da tensão de alimentação da rede (VvarRede). Dependendo do local em que se vive pode andar à volta de 10%.

A formula para calcular a voltagem máxima requerida pelo amplificador é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen23

Portanto a fonte de alimentação tem que debitar 34,5V para que amplificador tenha 50W de potência em 6 Ohms.
O símbolo ± significa que a fonte tem alimentação positiva e negativa. Será +34,5 volts no lado positivo e -34,5 volts no lado negativo.

Agora finalmente vamos ver que transformador vamos usar para obter os ±34,5V contínuos necessários.
Para se saber a tensão de saída máxima dada por um transformador e fonte de alimentação (retificação e filtragem) multiplica-se a tensão nominal do transformador por 1,41 (fator de aumento de tensão nos retificadores). Isto significa que, por exemplo, se a voltagem do secundário do transformador for 20V alternados depois de ser retificado vai ser 20 x 1,41 = 28,2V.

A fórmula para calcular o secundário do transformador (Vout) é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen24

O transformador deverá ter um secundário de 20-0-20V que é perto do valor obtido. Numa verificação de qual será a potência de saída do amplificador com este transformador (uma fórmula complexa para além do objetivo deste tópico) o resultado é 50,6W.
Perfeito!

Finalmente precisamos saber qual vai ser o tamanho (potência em VA) do transformador.

Primeiro tem que se calcular qual vai ser a potência total (Ptot) requerida pelo amplificador
Para este cálculo precisamos de:

  • Voltagem máxima da fonte de alimentação
  • Voltagem máxima de saída do amplificador, e claro a
  • Impedância das colunas
  • Total quiescente de alimentação do LM3886 (vem no datasheet) e é 85mA.

A formula é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen25

Para converter Watts em VA basta multiplicar (regra geral) os W por 1,5.

    96 x 1,5 = 144 VA

Como são dois canais, esquerda e direito, é só multiplicar por 2:

    144 x 2 = 288 VA

É preciso para o amplificador um transformador com primário de 220 V secundário 20-0-20 de 300 VA.


22/11/2021
Por agora fico por aqui. A descrição do esquema e calculo dos componentes segue assim que possível.

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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 22 2021, 17:46

O Luís ainda desperta a vontade de mais seguirem as suas pisadas. Wink

Muito bom tópico e explicações, continue!
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 22 2021, 18:55

Luis_vxd escreveu:
... O LM3886 é um dos amplificadores de audio em circuito integrado mais conhecidos e conceituados da comunidade DIY, com uma longevidade de mais de 20 anos no mercado. Há centenas de websites na Internet com projetos e variantes deste Circuito Integrado (CI).
A razão de sua popularidade é devido à sua distorção muito baixa, componentes externos mínimos e baixo custo...

Bravo pela sua exposição completa e que ajuda os interessados a compreender algumas regras de base aquando da construção de um amplificador por si mesmo. Em relação à sua frase que sublinho acho necessario dizer, por questões de respeito e historicas, que o sucesso desse chip no mundo do DIY foi sobretudo criado pelo aparelho Gaincard do Kimura (47Labs) que utilisa a versão original da National Semiconductor e cujas copias se chamam hoje Gainclones! O Jeff Rowland model 10 que utilisava esses chips desde a sua saida em paralelo também participou, e muito, ao sucesso do LM3886 com vàrias copias nos sites DIY... ficam para a historia estas precisões!...

Bravo e continue cheers

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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyTer Nov 23 2021, 08:39

TD124 escreveu:
Luis_vxd escreveu:
... O LM3886 é um dos amplificadores de audio em circuito integrado mais conhecidos e conceituados da comunidade DIY, com uma longevidade de mais de 20 anos no mercado. Há centenas de websites na Internet com projetos e variantes deste Circuito Integrado (CI).
A razão de sua popularidade é devido à sua distorção muito baixa, componentes externos mínimos e baixo custo...

Bravo pela sua exposição completa e que ajuda os interessados a compreender algumas regras de base aquando da construção de um amplificador por si mesmo. Em relação à sua frase que sublinho acho necessario dizer, por questões de respeito e historicas, que o sucesso desse chip no mundo do DIY foi sobretudo criado pelo aparelho Gaincard do Kimura (47Labs) que utilisa a versão original da National Semiconductor e cujas copias se chamam hoje Gainclones! O Jeff Rowland model 10 que utilisava esses chips desde a sua saida em paralelo também participou, e muito, ao sucesso do LM3886 com vàrias copias nos sites DIY... ficam para a historia estas precisões!...

Bravo e continue cheers

Bom dia

Muito obrigado pela 'achega' histórica. Muito importante.
É um chip com uma performance fantástica. Uma curiosidade é que embora seja considerado um amplificador classe AB é também a baixo volume classe A. Isto foi um conceito revolucionário que permite para aqueles que gostam de ouvir musica baixinho terem a clareza e nitidez que só um classe A pode dar a esses níveis.
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyTer Nov 23 2021, 15:21

Prezado Luis_vxd,

Óptima partilha para quem pretende construir um amplificador competente ou para aqueles que, por falta de habilidade/destreza com o ferro de soldar, requisitem um técnico para a sua construção.

Cordeais suadações fantasmagóricas,
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyTer Nov 23 2021, 23:28

Caro Luis

Excelente partilha de conhecimento Construção de um amplificador com LM3886 754215

De facto é uma lição para muitos de nós eu incluído que não tenho formação em eletrónica.

No meio de tantas duvidas e ainda a absorver tudo isto faço 2 perguntas:

Esta amplificador precisa de um pré amplificador ou pode ser ligado directamente a um tuner, ou tem de ser ligado a um aparelho que tenha um level para servir de volume?

a outra pergunta é onde se compra os componentes de alta qualidade como esses audio grade.

Abraço

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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyQua Nov 24 2021, 08:48

PedroH escreveu:


Esta amplificador precisa de um pré amplificador ou pode ser ligado directamente a um tuner, ou tem de ser ligado a um aparelho que tenha um level para servir de volume?

a outra pergunta é onde se compra os componentes de alta qualidade como esses audio grade.

Abraço

Olá Pedro

As suas perguntas irão ser respondidas a seu devido tempo no texto do tópico.
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyQua Nov 24 2021, 18:51


Para partilhar...

A intenção era continuar no tópico anterior mas depois percebi que já não podia re-editar o tópico para adicionar mais texto. se calhar não sei como se faz...
Talvez até seja melhor assim, o tópico não fica muito longo. Portanto vamos ter mais partes: Esta, Parte 2 que vai descrever o circuito electrónico com esquema, depois construção de placas, fonte de alimentação e a montagem de tudo.

IMPORTANTE: Ao tempo que estou a escrever estes tópicos, o amplificador já está montado e a tocar. Foi montado muito antes sequer de eu pensar em escrever alguma coisa àcerca dele, portanto as fotos poderão não ser muito elucidativas mas vou fazer o possível. E claro podem sempre fazer perguntas.

Seguindo a primeira parte agora é calcular o dissipador de calor para o LM3886

Determinar o tamanho do dissipador

O LM3886 precisa de um dissipador de calor para poder trabalhar na sua zona térmica de conforto. Tem, no entanto, um circuito interno de segurança  que ‘corta’ e/ou reduz a potência de saída quando a temperatura crítica é atingida. Os fabricantes chamaram SPiKe a este circuito de proteção.

Para calcular o dissipador precisamos de saber qual é a Máxima Dissipação em Potência (Pdmax) do amplificador que estamos a desenhar. Esta Pdmax depende da máxima voltagem da fonte de alimentação (Vmax PS) e da impedância das colunas (Rl).

A fórmula é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen26

O dissipador deverá ser capaz de dissipar no mínimo 40W. De notar que estes cálculos se aplicam a um canal. Para este projeto vou precisar de 2 dissipadores.

O LM3886 é fabricado em dois tipos de package: LM3886T e LM3886TF.
Construção de um amplificador com LM3886 Screen27

A diferença é que um, o LM3886TF tem a base de apoio do dissipador isolada e o outro não. O ‘F’ significa base isolada.
Este detalhe é importante porque a base não isolada está ligada eletricamente ao polo negativo da alimentação e não deve estar em contacto com o dissipador sob pena de haver um curto-circuito e algo queimar.
Neste projeto vou usar a versão ‘F’, portanto a versão isolada e que não precisa de nenhuma atenção na ligação até porque os dissipadores que tenho vão estar ligados à caixa, logo ao potencial 0 Volts.
Recomendo esta versão para quem tem pouca experiência em montagens eletrónicas.

IMPORTANTE: para facilitar a passagem do calor (dissipação) do LM3886 para o dissipador é necessário usar pasta térmica entre o integrado e o dissipador.

Os dissipadores têm uma classificação de acordo com a sua resistência térmica. Os metais têm maior ou menor resistência térmica dependendo da sua composição.
Esta resistência térmica é medida em oC/W (graus centígrados por watt de potência).

Para não tornar esta descrição demasiado técnica vou omitir os cálculos da resistencia térmica do dissipador e vou apenas dizer que é necessário um dissipador que tenha uma resistência igual ou menor que 1o/W (1 grau Centígrado por Watt).

Cálculo dos componentes do circuito

A datasheet do LM3886 mostra um circuito básico que vai servir de ponto de partida para o desenho do circuito. Vou adicionar circuitos de estabilização de funcionamento e melhoria de desempenho.
Construção de um amplificador com LM3886 Screen29


Para desenhar o esquema uso um programa de computador chamado EasyEda (EasyEda.com). Este programa permite não só desenhar o circuito esquemático, mas também, a partir do esquema compor o circuito impresso e produzir os ficheiros que depois podem ser usados na execução das placas.
Este programa pode ser usado online ou depois de fazer o download local/offline no computador.

Definir o ganho mínimo necessário do amplificador

Por definição, Ganho (Gv) é a relação entre a voltagem à entrada e a voltagem produzida à saída do amplificador, também chamado fator de amplificação. O LM3886, por razões de estabilidade, tem que ter um ganho mínimo de 10Vo/Vi, abaixo do qual poderá criar distorção. Isto é, se injetarmos 1 volt na entrada teremos 10 volts na saída.

Nem todos os equipamentos de áudio tem a mesma voltagem de saída. Por exemplo os telemóveis têm 1V p.p. (1 Volt peak to peak), os equipamentos de Hi-Fi nas suas saídas RCA (tuner, tape recorder, CD) têm 2,2V p.p.. Recentemente os aparelhos portáteis vêm com uma voltagem superior, 4 e até 8V p.p.. Tudo isto por que nunca houve uma standardização do protocolo RCA.
Mas eu pretendo ouvir musica do meu telemóvel e vou definir o ganho mínimo (GvMin)para 1V p.p.

Como defini que queria 50W de potencia tenho que calcular qual vai ser o ganho para a potencia requerida.

A formula é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen28

Portanto preciso de ter um ganho acima de 17 Vo/Vi se eu quiser ter 50W de saída com 6 Ohms quando usar o telemóvel ligado ao amplificador.

Definir o ganho do amplificador

O ganho é, em geral, um meio termo entre o alto que pode causar distorção e o baixo que torna o amplificador ineficiente. Genéricamente, para um amplificador de potência, um ganho entre 27 e 30 dB é uma boa escolha.

O ganho no LM3886 é definido pelas resistências R4 e R3. Estas resistências formam um divisor de tensão na entrada invertida (pino 9) do LM3886.
Construção de um amplificador com LM3886 Screen30

Considerando um ganho (Gv) de 27dB (22,4 Vo/Vi) e para manter os valores das resistências o mais baixo possível (para reduzir um fenómeno chamado ruido Johnson-Nyquist) começo por definir primeiro um valor para R3 de 1k de depois calculo o valor de R4.

A fórmula é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen31

IMPORTANTE: As resistências a usar num amplificador de áudio devem ser de precisão para evitar que um canal fique diferente do outro, assim vou usar resistências Vishay-Dale de filme de metal de 0,1% de tolerância.

O valor mais próximo que consigo arranjar é 20k.
Vamos confirmar se este valor dá o ganho pretendido:

A fórmula é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen32

O que está bastante perto dos 27dB pretendidos e acima do ganho mínimo definido atrás.

Equilibrar a corrente de polarização de entrada

Depois de definir o ganho, a próxima etapa é equilibrar as correntes de polarização de entrada escolhendo valores para R1 e R2:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen33

Se as correntes na entrada não-inversora (pino 9) e na entrada inversora (pino 10) forem diferentes, uma tensão se desenvolverá entre elas. Esta diferença de voltagem será amplificada como ruído.

Na entrada inversora a corrente passa pela resistência R4 e na entrada não-inversora a corrente passa pelas resistências R1 e R2 em série.
Já está encontrado o valor de R4 ao definir o ganho do amplificador. Assim os valores de R1 e R2 são escolhidos de forma a que juntos eles sejam iguais ao valor de R4. Isso tornará a corrente na entrada não-inversora igual à corrente na entrada inversora.
Esta é afórmula para encontrar os valores de R1 e R2 para um R4 específico:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen34

O valor mais próximo de 19k é 20k e é este que vou usar.

Definir o limite de baixa frequência na entrada do amplificador

Construção de um amplificador com LM3886 Screen39

A função principal de C1 em série com a entrada de audio é bloquear qualquer Corrente Contínua (CC) presente na entrada de áudio, enquanto permite a passagem de Corrente Alternada (CA) que é o sinal de áudio. Qualquer CC eventualmente presente na entrada de áudio precisa ser bloqueada ou será amplificada junto com o sinal de áudio e criará um offset CC nas colunas, provocando distorção (audível ou não).

Além da função de bloqueio da CC, C1 e a resitência R2 formam um filtro RC passa-alto que define a extremidade inferior da largura de banda do amplificador na entrada não-inversora, isto é a frequencia mais baixa que o amplificador recebe.

A frequência de corte deste filtro (também conhecida como ponto de -3dB) é a frequência na qual o filtro começa a funcionar.
  • Num filtro passa-alto, as frequências abaixo da frequência de corte serão atenuadas (silenciadas).
  • Num filtro passa-baixo, todas as frequências acima da frequência de corte serão silenciadas.

Várias combinações de filtros passa-baixo e passa-alto vão ser usadas para definir a largura de banda do amplificador e melhorar a sua estabilidade.

A fórmula para calcular a frequencia de corte (Fc) deste filtro (C1 e R2) é:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen36

Encontrado o valor de R2 quando as correntes de polarização de entrada foram equilibradas, então tudo que é preciso agora é escolher uma frequência de corte. O limite inferior da audição humana é de 20 Hz, então o Fc deve estar bem abaixo disso para evitar a atenuação das frequências graves. Entre de 2 a 4 Hz é o ideal.

Eu gosto ouvir música com baixo algo presente, por isso decidi por um Fc bastante baixo para o amplificador. Comecei com 2 Hz, mas pode-se usar valores mais altos ou mais baixos. Apenas tem de ficar bem abaixo de 20 Hz ou os graves serão fracos.

Com um Fc de 2 Hz, o valor do meu C1 precisa ser:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen37

O que dá um condensador de 3,9uF que é um valor comum.

Vou verificar com este condensador qual será a frequencia de corte real:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen38

Perfeito! :-)

Como C1 está diretamente na linha do sinal de áudio, o tipo de condensador usado tem muita influência na qualidade do som. Condensadores eletrolíticos, cerâmicos e de tântalo devem ser evitados. Um condensador de filme de metal de polipropileno de boa qualidade, ou melhor ainda, um condensador filme de metal de polipropileno em óleo soará melhor aqui.
Eu usei um condensador Jantzen Audio Superior Z-Cap (http://www.jantzen-audio.com/superior-z-cap/).

Será bom ter em mente que é dando atenção aos pequenos detalhes que se consegue uma qualidade final acima da média.

Definir o limite de baixa frequência no circuito de feedback

Um segundo filtro passa-alto existe no circuito de feedback com R3 e C4:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen42

A frequência de corte desse filtro deve ser de 3 a 5 vezes menor que o Fc do filtro passa-alto C1 e R2 na entrada. Se o Fc deste filtro for maior do que o do filtro de entrada, o amplificador passará baixas frequências para o loop de feedback que depois não pode controlar. Isso criará uma tensão em C1 e fará com que a tensão CC apareça na entrada inversora, que será amplificada e causará distorção. Portanto, será o filtro de entrada (C1 e R2) que deve determinar a frequência de largura de banda inferior do amplificador, não o filtro de loop de feedback (C4 e R3).

O filtro de entrada define o limite inferior da largura de banda, mas C4 ainda tem um efeito na resposta de graves do LM3886. Com valores menores de C4, os graves serão mais suaves e terão menos punch, mas com valores maiores de C4, os graves serão mais compactos e terão mais impacto.

A fórmula abaixo fornece um ponto de partida para o valor de C4:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen41

O arredondamento para o próximo valor de condensador comum resulta em 220 µF. Vou ver qual seria a frequência de corte com isso. Vou usar a fórmula Fc com R3 e C4:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen43

É 2,8 vezes menor, portanto abaixo das 3 a 5 requeridas.

Vou tentar alguns valores maiores para C4 para ver se não se pode melhorar.
Repeti o cálculo de Fc para um condensador de 330µF e dá 0,48Hz que é 4,5 vezes menor. Está dentro do que procuro.
Portanto vou usar 330µF para C4.

C4 também está na linha do sinal de áudio embora não no caminho principal, portanto, um condensador de boa qualidade deve ser usado. O valor do condensador é muito alto para usar polipropileno, por isso vou usar um eletrolítico. Existem condensadores eletrolíticos audio grade de boa qualidade, como Elna Silmic II ou Nichicon KZ, (mouser.com) que não afetam adversamente a qualidade do som.

Definir a frequência de corte superior na entrada do amplificador

R1 e C2 formam um filtro RC passa-baixo que define o limite superior da largura de banda do amplificador na entrada não-inversora:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen45

O Fc deste filtro deve ser definido bem abaixo da frequência de transmissão de rádio mais baixa e bem acima do limite superior de 20 kHz da audição humana. As frequências de rádio mais próximas das frequencias de áudio é a Onda Longa que começa nos 153KHz, portanto vou definir a frequencia de corte deste filtro passa alto para 100KHz, assim terei uma largura de banda de audio que vai dos 2Hz aos 100Khz. :-)

Para encontrar um valor para C4 que forneça um Fc de 100 kHz, vou reorganizar a fórmula da frequência de corte (Fc):
Construção de um amplificador com LM3886 Screen44

Perfeito!

C4 vai ter o valor de 1500pF e pode ser de mica ou polistireno.

Elementos de estabilidade R8 e C13

Construção de um amplificador com LM3886 Screen46

Este filtro R4, C13 e R8 serve para amortecer a resonancia do circuito de realimentação (feedback loop) do LM3886. O cáculo da Fc para este filtro é complexo e portanto vou usar os valores que definidos no datasheet

Definir o filtro Zobel

C6 e R6 formam uma rede Zobel na saída do amplificador:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen47

A rede Zobel é usada para prevenir oscilações causadas por cargas indutivas. Também evita que as frequências de rádio captadas pelos cabos das colunas voltem para a entrada inversora do amplificador através do loop de feedback.

Em frequências altas, a impedância de C6 é muito baixa, então a corrente de alta frequência está em curto-circuito com a terra. R6 limita a corrente de alta frequência para que não haja um curto-circuito direto com a terra, o que poderia exceder o limite de corrente do LM3886. Portanto, valores menores de R6 tornam a rede Zobel mais eficiente na filtragem de frequências de rádio, mas também aumenta a frequência de corte, o que por sua vez reduz sua eficácia.

O datasheet fornece um valor de 2,7 Ω para R6 e um valor de 100 nF para C6. Isso faz com que o Fc seja:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen48

589 kHz é bastante alto, especialmente porque a frequência mais baixa de transmissão de rádio OL é 153 kHz. A fim de reduzir isso a um nível mais razoável, decidi usar 4,7 Ω para R6 e 220 nF para C6, o que reduz o Fc para 154 kHz:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen49

154 kHz está bem acima do limite de 20 kHz da audição humana e perto da frequencia base das OL. Julgo que 1KHz de sobreposição não terá impacto. Não conheço nenhuma estação de rádio, em Portugal, a transmitir em OL que use 153 kHz.

Uma vez que R6 precisará desviar elevadas correntes para a terra se o amplificador oscilar, a potência nominal deve ser de pelo menos 1 Watt. C6 deve ter baixo ESR e baixo ESL, com uma classificação de tensão maior do que a diferença de tensão entre positivo e negativo da fonte de alimentação. neste caso deve ser no mínimo 80Volts. Para minimizar a indutância, a rede Zobel deve ser colocada perto do pino de saída (pino 3) e as ligações o mais curtas possíveis.

A rede Thiele

Construção de um amplificador com LM3886 Screen50

Enquanto a rede Zobel reduz as oscilações causadas por cargas indutivas, a rede Thiele reduz as oscilações causadas por cargas capacitivas, geralmente devido a longos cabos de colunas. Também evita que as frequências de rádio captadas cabos das colunas voltem para a entrada inversora do amplificador através do loop de feedback.

Os indutores têm baixa impedância para correntes de baixa frequência e alta impedância para correntes de alta frequência. Os sinais de áudio são de frequência relativamente baixa e fluirão através do indutor sem problemas. As correntes de oscilação de alta frequência serão impedidas pelo indutor e forçadas a fluir através da resitência que as amortecerá.

O datasheet recomenda uma resitência de 10 Ohms, 5 Watt em paralelo com um indutor de 0,7 µH.
Num amplificador, haverá uma rede Thiele por canal. Estas redes devem estar localizados longe dos circuitos de entrada do amplificador para evitar interferência dos campos magnéticos gerados pelo indutor. Um bom local é próximo aos terminais de saída das colunas, separados um pouco ou em ângulos de 90° entre si para evitar o acoplamento magnético entre eles.

A construção destes indutores, uma vez que não são fáceis de encontrar no mercado, será descrita mais tarde quando falar da montagem.

Condensadores de desacoplamento da fonte de alimentação

Construção de um amplificador com LM3886 Screen51

O LM3886 tem um pino negativo da fonte de alimentação (pino 4) e dois pinos positivos da fonte de alimentação (pinos 1 e 5). O pino negativo precisa de seu próprio conjunto de condensadores de desacoplamento e os pinos positivos partilham um conjunto separado de condensadores de desacoplamento.

Os grandes condensadores de desacoplamento fornecem uma fonte duradoura de corrente de reserva quando a saída de baixa frequência do amplificador é alta. Valores maiores melhorarão a resposta de graves. Os valores típicos estão entre 470 µF e 2200 µF.

Os condensadores de desacoplamento de valor médio fornecem corrente extra para saída de frequência média. Eles devem estar entre 10 µF e 220 µF.

Os condensadores de desacoplamento de pequeno valor fornecem corrente muito rapidamente para ajudar o amplificador a produzir frequências de áudio mais altas. Eles também filtram ruído e interferência de radiofrequência na fonte de alimentação.

Os condensadores de desacoplamento também compensam a indutância e resistência parasitas dos fios da fonte de alimentação e traços no circuito impresso que levam aos pinos de alimentação do LM3886. A indutância e a resistência inibem o fluxo de corrente, que aumenta com fios e traços mais longos. Como a fonte de alimentação está relativamente longe do LM3886, a indutância e a resistência poderão ser um problema. Para maximizar o fluxo de corrente, os condensadores de desacoplamento devem ser colocados o mais próximo possível dos pinos de alimentação.

Condensadores com resistência de série equivalente inferior (ESR) e indutância de série equivalente inferior (ESL) são os melhores tipos para usar aqui, como Elna Silmic II ou Nichicon KZ.

O circuito Mute

R5, C5 e D1 formam o circuito mute:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen52

Quando a corrente fluindo para fora do pino de mute (pino 8 ) é menor que 0,5 mA, a saída do amplificador é silenciada, e quando a corrente é maior que 0,5 mA, a saída não é silenciada.

Para ativar o mute do amplificador, precisamos encontrar um valor para R5 de forma que a corrente permitida fluir para fora do pino 8 seja maior que 0,5 mA. Isso pode ser encontrado com esta fórmula:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen53

Portanto, a minha R5 precisará ser menor que 63,8 k para que a corrente no pino 8 seja maior que 0,5 mA.

R5 e C5 criam uma constante de tempo que diminui lentamente a corrente no pino de mute quando a alimentação do amplificador é desligada e aumenta lentamente a corrente quando o amplificador é ligado. O diodo Zener de 16 V (D1) bloqueia a corrente que flui para fora do pino 8 até que a tensão de ruptura do diodo (16 V) seja atingida. Isso produz um efeito de start / stop suave que aumenta ou diminui gradualmente o volume em vez de cortá-lo abruptamente.

O tempo que leva para a corrente aumentar e diminuir pode ser ajustado alterando os valores de R5 ou C5 de acordo com a fórmula para a constante de tempo RC:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen54

Um segundo parece-me ideal para o circuito de mute.

Esquema final do amplificador usando o LM3886

Agora que vimos como calcular os valores dos componentes, podemos começar a projetar o layout do circuito impresso. Se não quiser fazer todos os cálculos que fizemos acima, pode usar os valores que eu usei. Aqui está o esquema final:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen55


24/11/2021
Por agora fico por aqui. A placa de circuito impresso, fonte de alimentação e montagem final seguem assim que possível
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptyDom Nov 28 2021, 18:30

26/11/2021

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Desenhar a Fonte de Alimentação

A Fonte de Alimentação é convencional não regulada. Acima foram descritos os cálculos para o transformador que são o único elemento critico de desenho. O resto é a ponte rectificador e condensadores de filtro. O muito importante sistema de terra é descrito abaixo. Aqui o esquema da fonte:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen60

Projetando o circuito da terra (ground).

O circuito de terra do amplificador tem um grande efeito na qualidade do som. Com um layout de terra bem projetado, a saída do amplificador ficará completamente silenciosa quando a fonte for ligada e nenhuma música estiver tocando. Com um circuito de terra mal projetado, o amplificador pode produzir um zumbido muito perceptível.
A chave para um bom circuito de terra é manter as terras de baixa corrente separados das terras de alta corrente. As terras de baixa corrente são as terras para o circuito de entrada e o loop de realimentação (feedback). As terras de alta corrente são as terras para os condensadores de desacoplamento, a fonte de alimentação, a rede Zobel e as colunas. Altas correntes fluindo através dos condutores de terra de baixa corrente criarão uma tensão DC que pode aparecer na entrada do amplificador e ser amplificada como ruído.

Para separar os circuitos de terra de baixa corrente dos de de alta corrente, fiz várias redes de terra na placa da fonte de alimentação:

  • IN GND: Terra para o cabo de entrada de áudio
  • SIG GND: Terra para os circuitos de entrada - R2, C2 e R3 / C4
  • SPK GND: Terra para o negativo das colunas
  • PWR GND: Terra para os condensadores de desacoplamento da fonte de alimentação, rede Zobel, condensador de Mute e pino de Terra do LM3886
  • EARTH: Ligação à terra da rede elétrica e chassis do amplificador.

O circuito de terra do sistema principal deverá estar localizado o mais próximo possível dos condensadores da fonte de alimentação. A terra do sistema principal está ligado ao fio terra da rede elétrica e ao chassis do amplificador.
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0510
Placa da Fonte de Alimentação (frente e verso)

As redes de terra individuais são ligadas à terra do sistema principal de modo que as terras de correntes mais altas fiquem mais próximos dos condensadores da fonte de alimentação O diagrama abaixo mostra ligar as ligações do sistema de terras:
Construção de um amplificador com LM3886 Sistem10

O circuito impresso do amplificador

O CI (Circuito Impresso) foi projetado com o software de design online EasyEDA. EasyEDA é um pacote completo de software / serviço de elaboração de esquemas e circuitos impressos de uso gratuito.
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0511

Dicas para o desenho do Circuito Impresso (CI)

As altas correntes fluindo através da fonte de alimentação e traços de saída podem criar campos magnéticos que e gerar correntes no circuito de feedback e nos traços de entrada, se forem traçados paralelamente uns aos outros. Isso pode distorcer o sinal de entrada, por isso é melhor mantê-los afastados ou direcioná-los em ângulos de 90°. Colocar os terminais de Entrada / Saída em lados opostos da placa tornará mais fácil mantê-los separados ao encaminhar os traços.

Qualquer espaço entre os traços do mesmo circuito criará um loop que pode transmitir ou receber campos eletromagnéticos. Os traços para as alimentações da fonte de alimentação e a terra da fonte de alimentação devem ser encaminhados juntos para reduzir a área do loop. Da mesma forma, a entrada de áudio e os traços de sinal devem ser encaminhados próximos um do outro. Uma maneira fácil de minimizar a área de interferências é usar planos de terra na camada inferior do CI, o que fiz neste layout.

A terra da Fonte de Alimentação e a terra de sinal são as únicas redes de terra no CI. Cada um tem seu próprio plano de terra eletricamente isolado na camada inferior. Uma vez que a terra da Fonte de Alimentação carrega altas correntes e a terra de sinal carrega baixas correntes, elas são mantidas separadas até que se ligarem ao sistema de terra principal na placa da Fonte de Alimentação. Na camada superior do CI, a fonte de alimentação, a saída e os traços da rede Zobel são encaminhados sobre o plano de terra da fonte de alimentação. Os traços de entrada e loop de feedback são encaminhados sobre o plano de terra do sinal. Os traços para as alimentações da fonte de alimentação foram feitos muito largos para minimizar a resistência e indutância.

O loop de feedback foi mantido o mais curto possível para reduzir eventuais ressonancias indesejadas. A resistência de feedback (R4) foi soldada diretamente entre os pinos 3 e 9 para manter o loop de feedback o menor possível
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0512

Num circuito, a indutância inibe o fluxo de corrente e cria ressonância com qualquer condensador que tenha em série.
Uma vez que a indutância aumenta com o comprimento do traço, é melhor manter todos os traços o mais curtos possível. Isso é especialmente importante para os condensadores de desacoplamento, loop de feedback, circuito de entrada e rede Zobel. É muito importante manter os componentes desses circuitos muito perto dos pinos do LM3886 para que os traços sejam curtos.
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0513

Fazer os indutores para a rede Thiele

Os indutores para a rede Thiele são do tipo de arame enrolado em núcleo de ar, feitos com arame revestido de esmalte em torno de um objeto cilíndrico. Como o indutor carregará toda a corrente de saída do amplificador, o fio deve ser de bitola alta. 1mm2 a 2mm2 será o ideal. Este website (http://www.pronine.ca/coilcal.htm) ajuda a determinar o numero de voltas necessário em função do diâmetro do fio.
Eu enrolei 10 voltas de fio envernizado, de 1,5mm2 à volta de uma broca de 10mm para obter a indutância de 0,7uH.
Soldei a bobine e a resistencia em paralele numa pequena placa perfurada:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0515
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0514

Encontrar um chassis (caixa)para o amplificador

As caixas de metal são a melhor opção porque protegem o amplificador das interferências causadas por lâmpadas fluorescentes, rádios e telefones celulares. Infelizmente, pode ser difícil encontrar um chassis em que se encaixe tudo e que tenha uma boa aparência. Depois de muita pesquisa, encontrei uma empresa italiana chamada  ModuShop que fabrica caixas de metal muito boas. O site deles está em inglês ou italiano. Encomendei o modelo Galaxy Maggiorato GX388 330 x 280 mm Black com painel frontal de alumínio anodizado preto de 3 mm. Também fazem furação e gravura, por um preço adicional, claro... De qualquer modo ficou otimo:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0510
Este é o painel traseiro. O painel frontal por agora não tem nada. Planeio num outro projeto fazer um pré-amplificador que irei colocar nesta caixa, re-arranjando o atual layout.

Antes de encomendar um chassis, é preciso fazer um teste de layout dos componentes (transformador, fonte de alimentação, amplificador de placas de circuito impresso e dissipadores de calor). Dispõem-se os elementos da melhor forma tendo sempre em atenção o fluxo do sinal entrada / saída, mantendo a entrada de corrente e o transformador longe da entrada do sinal para evitar interferências Em seguida, mede-se as dimensões exteriores do conjunto para ter certeza de que vai caber em tudo dentro da caixa.

Layout da cablagem dentro do chassis

Depois que os CIs foram montados (amplificadores, Fonte de Alimentação e redes Thiele) e depois de receber o chassis, é hora de ligar tudo. O layout da cablagem é tão importante quanto o layout do CI e o layout de terras. O diagrama abaixo mostra como se liga tudo:
Construção de um amplificador com LM3886 Connec10

O objetivo com a cablagem é reduzir ou eliminar a interferência eletromagnética entre os fios de alta e baixa corrente. Os fios de entrada de áudio e os fios terra do sinal são os mais sensíveis à interferência dos campos magnéticos circundantes.

Os fios da fonte de alimentação, os fios de saída das colunas, o transformador, os diodos retificadores e os fios da rede elétrica AC são a principal fonte de campos magnéticos. Para reduzir as interferências, é preciso manter a entrada de áudio e os fios de terra do sinal longe dessas peças ou eventualmente cruzá-los em ângulos de 90° se não se puderem separar de todo. Eu coloquei o lado de entrada dos CIs do amplificador junto dos terminais de entrada no chassis, os fios podem ser mantidos curtos e longe de fontes de interferência.

Qualquer espaço entre os fios do mesmo circuito criará um loop que pode transmitir ou receber campos eletromagnéticos. Para minimizar este problema, os seguintes conjuntos de fios devem ser torcidos de forma compacta:

  • Fios de alimentação AC, neutro e fase do terminal de entrada para o transformador
  • Fios de tensão AC do secundário do transformador para a fonte de alimentação
  • V+, V- e fios de terra da fonte de alimentação para cada CI dos amplificadores
  • Saída para as colunas antes e depois da rede Thiele
  • Entrada de áudio e fios de terra de entrada dos terminais de entrada para os CIs do amplificador

Os três fios de fonte de alimentação (V+, V- e terra) ligam a saída DC da fonte de alimentação a cada CI do amplificador. Esses fios devem ser grossos, o mais curtos possível e bem entrelaçados. Usei 1,5mm2, mas qualquer coisa maior que 1mm2 deve servir.

Apenas correntes baixas fluem através dos fios de entrada e fios de terra de sinal, por isso eles não precisam ser de bitola alta. Usei fio sólido de 0,5 mm2, que funciona bem e pode ser torcido compacto.

Os cabos de entrada de áudio que vão da fichas de entrada RCA ao chassis do amplificador podem detectar interferência. Se isso se tornar um problema, pode-se instalar um condensador de 1nF entre cada terminal de entrada de terra e o chassis para filtrar. Eu julgo que isto não é problema a não ser que se viva perto de uma antena de estação de rádio, comunicações militares, etc.
Fica aqui como dica.

O fio terra da rede elétrica (220V) deve ser fixado diretamente ao chassi com um parafuso e um terminal de anel. Eu usei uma porca com teflon para evitar que se deaperte. Todas as partes metálicas do amplificador (como os dissipadores de calor) devem ser ligados eletricamente ao chassis para fornecer um caminho para a terra para quaisquer tensões de rede que possam entrar em contato com eles no caso de uma eventual falha.

As duas redes Thiele devem estar localizadas perto dos terminais de saída das colunas. Para evitar interferência entre os indutores, e devem ser espaçados ou orientados em ângulos de 90° entre si. Eu inverti a posição de uma das redes para espaçar os indutores o suficiente.

Aqui está como eu instalei tudo dentro do meu chassis. O CI do canal direito é montado invertido de cabeça para baixo de forma que o lado de entrada da placa fique próximo dos terminais RCA. Neste arranjo, os dissipadores de calor fornecem proteção das redes Thiele e dos fios AC que levam ao transformador:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0516

Aqui ficam mais umas imagens do amplificador:
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0110
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0517
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0518
Construção de um amplificador com LM3886 Img_0519

Os componentes foram comprados todos online aqui:
Em Portugal:
https://www.castroelectronica.pt/
https://mauser.pt/
https://www.ptrobotics.com/

Na Europa:
https://www.rumoh.eu/
https://www.soundimports.eu/en/
https://www.reichelt.com/
https://www.hificollective.co.uk/
https://www.banzaimusic.com/
https://modushop.biz/site/

Na China:
https://jlcpcb.com/ (Circuitos impressos)

E assim termina esta partilha de desenho e construção de um bom aplificador de audio com o LM3886.
Estou à disposição para qualquer dúvida. Construção de um amplificador com LM3886 22692

Para quem estiver interessado, tenho algumas placas de CI de sobra que posso ceder. Contacto por MP ou email

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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 29 2021, 12:40

Luis_vxd escreveu:
... Para separar os circuitos de terra de baixa corrente dos de de alta corrente, fiz várias redes de terra na placa da fonte de alimentação:

  • IN GND: Terra para o cabo de entrada de áudio
  • SIG GND: Terra para os circuitos de entrada - R2, C2 e R3 / C4
  • SPK GND: Terra para o negativo das colunas
  • PWR GND: Terra para os condensadores de desacoplamento da fonte de alimentação, rede Zobel, condensador de Mute e pino de Terra do LM3886
  • EARTH: Ligação à terra da rede elétrica e chassis do amplificador.

O circuito de terra do sistema principal deverá estar localizado o mais próximo possível dos condensadores da fonte de alimentação. A terra do sistema principal está ligado ao fio terra da rede elétrica e ao chassis do amplificador.
...
Construção de um amplificador com LM3886 Sistem10...

A ligação continua entre a terra (earth) e a massa (ground) pode conduzir a loops quando todos os aparelhos estão ligados juntos pois a corrente vai passar pela terra e pelos cabos de modulação criando ruidos que vão do hum (50Hz/100Hz) até aos zumbidos de alta frequência nos tweeters indicando a presença de harmonicas pois os cabos podem estar a reagir como antenas...
Construção de um amplificador com LM3886 Gl110

Uma solução elegante é de utilisar um interruptor entre a terra (earth) e a massa (ground) deixando sempre a terra/earth ligada ao châssis (assim que ao ecrã electroestatico) por questões de segurança! Uma montagem assim assegura a segurança e permite de cortar os loops deixando apenas um aparelho ser o "mestre" da ligação terra/massa e os outros funcionam em "escravos" ou em massa "quase flutuante". Alguns aparelhos de alta-qualidade utilisam esta tecnica...
Construção de um amplificador com LM3886 Ground10

Dito isto,  Construção de um amplificador com LM3886 874774  pela sua completa e precisa apresentação assim que pela qualidade da partilha... Bravo!

2cclzes

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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 29 2021, 15:26

TD124 escreveu:
A ligação continua entre a terra (earth) e a massa (ground) pode conduzir a loops quando todos os aparelhos estão ligados juntos pois a corrente vai passar pela terra e pelos cabos de modulação criando ruidos que vão do hum (50Hz/100Hz) até aos zumbidos de alta frequência nos tweeters indicando a presença de harmonicas pois os cabos podem estar a reagir como antenas...
Construção de um amplificador com LM3886 Gl110

Absolutamente de acordo!

Obrigado por levantar a questão, é muito importante.

Outra opção poderá ser um circuito de proteção de loop de terra. Algo parecido com:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen61

Em condições normais de operação, correntes de loop de terra (ground) de baixa tensão fluem através da resitência (R1) para a terra (chassis). A resistência reduz essa corrente e interrompe o loop de terra (ground). Se ocorrer uma fuga de corrente alta, a corrente de fuga flui através da ponte de díodos para a terra. O condensador está só para filtrar quaisquer frequências de rádio captadas pelo chassis.

Que acha?
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MensagemAssunto: Re: Construção de um amplificador com LM3886   Construção de um amplificador com LM3886 EmptySeg Nov 29 2021, 16:56

Luis_vxd escreveu:
...Outra opção poderá ser um circuito de proteção de loop de terra. Algo parecido com:
Construção de um amplificador com LM3886 Screen61

Que acha?

Acho bem mas complica um pouco mais a coisa pela presença da ponte de diodos... eu utiliso assim e até agora tém me dado satisfação e permite sempre um contacto parcial entre massa e terra, a resistência pode ser de 47!
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