LABORATORIO DI SISTEMI ELETTRONICI AUTOMATICI

a.s. 2005/2006

Studente: Alessandro Buonamico

Docente: Prof. Ettore Panella

Progettazione di un amplificatore di potenza con

Amplificatore Operazionale

e stadio di potenza a simmetria complementare

L’obiettivo del progetto è quello di amplificare un segnale audio proveniente da una sorgente di bassa potenza come quella di uscita di una radiolina. Inoltre, si deve anche poter regolare i toni e il volume.

La regolazione dei toni è affidata ad un circuito filtrante standardizzato che costituisce il preamplificatore.

La regolazione del volume è realizzata da un amplificatore in configurazione non invertente con guadagno regolabile.

Lo stadio finale di potenza è realizzato con un amplificatore operazionale in configurazione invertente che pilota uno stadio a simmetria complementare. In fig1 si mostra lo schema a blocchi del sistema.

Fig. 1 Schema a blocchi del amplificatore audio

In fig. 2 si mostra lo schema elettrico del regolatore di toni disegnato in ambiente PSpice.

Fig. 2 Regolatore di toni

Descrizione del funzionamento del regolatore di toni

Il controllo dei toni consente di agire sui segnali a bassa e ad alta frequenza, esaltandoli o attenuandoli. È quindi possibile esaltare o attenuare in misura diversa sia i toni bassi sia quelli alti indipendentemente.

Nello schema in fig. 2 la parte superiore della rete RC agisce sui toni bassi, mentre quella inferiore agisce sui toni acuti. I due potenziometri, di tipo lineare, con il cursore tutto a sinistra esaltano i segnali (boost), mentre con il cursore a destra li tagliano (cut).

Alle basse frequenze i condensatori C3 e C4, di valore basso rispetto a C1 e C2, possono essere considerati dei circuiti aperti, escludendo in questo modo la parte inferiore della rete.

Alle alte frequenze interviene anche la parte inferiore della rete consentendo la regolazione degli acuti. In fig. 3 si riporta la curva di risposta in frequenza del regolatore di toni nel caso in cui i due potenziometri sono posizionati a sinistra con fattore 0.1.

Fig. 3

In questo caso si ha un’esaltazione dei toni bassi e alti.

In fig. 3 si riporta la curva di risposta in frequenza del regolatore di toni nel caso in cui i due potenziometri sono posizionati a destra con fattore 0.9.

Fig. 4

In questo caso si ha un’attenuazione dei toni bassi e alti.

Regolazione del volume

In fig. 5 si mostra il circuito per la regolazione del volume.

Fig. 5 Regolazione del volume

Descrizione del funzionamento del regolatore del volume

Il circuito è costituito da un amplificatore operazionale TL081 in configurazione non invertente.

Il segnale V₁ applicato al piedino 3, è quello prelevato dall’uscita del regolatore di toni della precedente fig.2.

Come è noto,  il guadagno dell’amplificatore vale:

A = 1+R₂/R₁

Poiché R₂ può variare tra 0 e 500 Kῼ e R₁= 10Kῼ, allora l’amplificazione A varia tra:

A = 1 e 51

In tal modo agendo sul potenziometro è possibile variare il volume del suono.

In fig. 6 si mostra lo schema elettrico dello stadio finale di potenza.

Fig. 6 Stadio di potenza a simmetria complementare

Descrizione del funzionamento dello stadio di potenza

L’ amplificatore operazionale è il TL081 e i transistor sono il BD712 (PNP) e il BD711 (NPN).

Il segnale di ingresso è quello che proviene dall’uscita del regolatore di volume.

Gli amplificatori operazionali per scopi generali sono in grado di erogare correnti limitate al più a qualche decina di mA. Se si desidera ottenere una corrente, e quindi una potenza di valore elevato, si deve ricorrere all’uso di amplificatori di potenza.

In molte applicazioni per aumentare la potenza di uscita può essere sufficiente ricorrere al semplice schema di fig.6. Il circuito è costituito da un amplificatore in configurazione invertente sulla cui uscita è collegato un buffer di corrente costituito da due transistor uno NPN e l’altro PNP montati ad inseguitore. Il particolare collegamento dei transistor è noto come collegamento a simmetria complementare, ed ha l’unico scopo di amplificare la corrente di uscita dell’A.O.

Il principio di funzionamento dello stadio di potenza  è il seguente :

·           per V_i > 0 la tensione di uscita dell’A.O.  è negativa, essendo la configurazione invertente, e quindi il BJT NPN è interdetto mentre il PNP è in zona attiva con un guadagno di corrente tra emettitore e base di circa hFE.

·          per V_i < 0 si scambia il ruolo tra i due transistor. L’amplificazione di corrente dovuta al BJT NPN è sempre pari ad hFE se si suppongono i due BJT con caratteristiche elettriche uguali.

L’amplificazione di tensione del sistema vale:

A_v =  – R₂/R₁

che in questo caso vale: A_v =  –1.

Essendo la potenza il prodotto tra tensione e corrente, si evince che il sistema amplifica in potenza.

Si riporta il datasheet di BJT usati.