Um guia para a construção de amplificadores em ponte e estéreo TDA2003

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Nota: PCBs de amplificador estéreo e em ponte estão disponíveis para este projeto.

O TDA2003 é um amplificador de chip de áudio de baixo custo que pode emitir sons realmente agradáveis. Normalmente, é usado para amplificadores de áudio de carro, mas também funciona muito bem como um amplificador de quarto ou em qualquer outro lugar em que você precise de um bom áudio sem muita energia.

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Neste tutorial, mostrarei como construir dois amplificadores diferentes com o TDA2003. O primeiro é um amplificador estéreo que produz 7 Watts por canal. O segundo é um amplificador em ponte que pode produzir 14 Watts por canal.

Se você ainda não o possui, recomendo fazer o download e ler a folha de dados do TDA2003. Na verdade, existem duas planilhas de dados diferentes. A folha de dados da ST Microelectronics é a folha de dados do fabricante original, mas a folha de dados da Contek possui esquemas adicionais para o amplificador em ponte:

Ícone de PDF dos princípios básicos do circuito ST Microelectronics TDA2003 Ficha técnica

Ícone de PDF dos princípios básicos do circuito Folha de dados do Contek TDA2003

Aqui está um diagrama da pinagem do TDA2003:

Amplificador estéreo TDA2003

Este amplificador estéreo produzirá cerca de 7 Watts por canal em alto-falantes de 2 with com uma fonte de alimentação de 12 V, mas mais energia poderá ser obtida com uma tensão de fonte de alimentação maior.

BÔNUS: Faça o download da minha lista de peças para ver os componentes que eu usei para obter uma qualidade de som realmente boa desses amplificadores.

Assista a um vídeo rápido, onde explico alguns dos princípios de design e conecte-o para que você possa ouvir como ele soa:

Esquema de amplificador estéreo

Esse esquema é semelhante ao da folha de dados, mas possui algumas outras partes para ajudar a reduzir o ruído:

  • Capacitores C15 e C17: reduzem o zumbido causado pela interferência de radiofrequência.
  • Resistores R9 e R10: evite um zumbido alto quando nenhuma fonte estiver conectada.

Definindo o ganho

O ganho do canal esquerdo é definido pelos resistores R1 e R2, enquanto o ganho do canal direito é definido por R6 e R7. O ganho está ajustado em 101 Vo/ VEu nos dois canais, mas você pode alterá-lo usando valores diferentes para R1 e R6. Use a fórmula abaixo para encontrar os valores de resistência para o ganho desejado:

Canal esquerdo:

R1 = (G_ v - 1) vezes R2 \ \ G_ v = Tensão ganho, frac V_ o V_ i

Canal direito:

R6 = (G_ v - 1) vezes R7

O ganho de tensão pode ser considerado o fator de amplificação ou quantas vezes o sinal de entrada é amplificado.

Você pode calcular o ganho que obterá com um conjunto específico de resistores com esta fórmula:

Canal esquerdo:

G_ v = frac R1 + R2 R2

Canal direito:

G_ v = frac R6 + R7 R7

É importante usar resistores de baixa tolerância para R1, R2, R6 e R7. Se as resistências não forem precisas, o ganho será diferente em cada canal e tornará um lado mais alto que o outro. Sua melhor aposta será resistores de filme metálico de tolerância de 0,1%.

Definindo a largura de banda

A largura de banda do amplificador determina quais frequências são amplificadas e quais são ignoradas. O TDA2003 possui um filtro RC (resistor-capacitor de passa-baixo) na saída que filtra todas as frequências acima de um certo frequência de corte (Fc). Todas as frequências abaixo da frequência de corte são passadas para os alto-falantes.

O filtro passa-baixo é formado por C6 e R4 no canal esquerdo e C11 e R5 no canal direito. Você pode calcular a frequência de corte com esta equação:

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F_ c = frac 1 2 pi RC \ \ F_ c = Cutoff frequência in Hz \ \ R = Resistência de R4 ou R5 in Ohms \ \ C = Capacitância de C6 ou C11 in Farads

Por exemplo, este amplificador possui C6 e C11 a 39 nF; e R4 e R5 a 39 Ω. A frequência de corte é:

F_ c = frac 1 2 times pi times 39 Omega times 0.000000039 F \ \ = frac 1 0.0000096 \ \ = 104.638 Hz

Portanto, todas as frequências acima de 104,6 kHz são filtradas e as freqüências abaixo de 104 kHz são enviadas para os alto-falantes. Se você quiser experimentar frequências de corte mais altas ou mais baixas, a equação acima pode ser reorganizada para resolver um valor de resistor ou capacitor, dependendo da frequência de corte desejada.

Capacitores de desacoplamento da fonte de alimentação

Os capacitores C7 e C3 no canal esquerdo e C9 e C10 no canal direito são os capacitores de desacoplamento da fonte de alimentação. Eles fornecem um fornecimento rápido e duradouro de corrente ao chip durante períodos de alta produção e também filtram interferências eletromagnéticas na fonte de alimentação. Você pode usar outros valores além dos mostrados no esquema, mas cada chip deve ter pelo menos um capacitor de pequeno valor entre 1 µF e 100 nF e um capacitor de valor maior maior que cerca de 47 µF.

Resposta de graves

O TDA2003 tem uma ótima resposta de alta frequência, mas os graves podem ser um pouco fracos para o gosto de algumas pessoas. Uma maneira de melhorar os graves é aumentar o tamanho dos capacitores de saída (C4 e C12). Você pode subir até 2.000 µF ou 4.700 µF e até mais se o espaço permitir.

Outra maneira de obter uma melhor resposta de graves é aumentar o tamanho dos capacitores de desacoplamento da fonte de alimentação maiores, C7 e C10. Esses capacitores atuam como um reservatório de energia durante períodos de saída de baixa frequência aumentada, portanto valores maiores permitirão ao amplificador lidar melhor com graves pesados.

O layout PCB

Abaixo, vou explicar alguns dos conceitos que foram usados ​​no design da placa de circuito impresso que usei para o meu amplificador estéreo TDA2003.

O PCB foi projetado com a ferramenta de edição online do EasyEDA. O EasyEDA é um serviço de fabricação / software de desenho esquemático e de PCBs de conjunto completo, que é gratuito para uso e oferece ótimos preços na fabricação personalizada de PCBs. Clique na imagem abaixo para editar o layout, as pegadas dos componentes e solicitar os PCBs:

Nota: As etiquetas dos componentes na placa de circuito impresso correspondem às etiquetas no esquema acima.

Pedido do PCB

Para solicitar o PCB no EasyEDA, clique no botão “Fabrication Output” na janela do editor de PCB. Isso levará você a uma página na qual você poderá personalizar itens como PCB e espessura de cobre, cor e definir a quantidade:

Encomendei 5 PCBs por US $ 17,10 e eles chegaram em cerca de 10 dias. A qualidade é ótima. Todos os traços são roteados com precisão e a impressão é muito clara. Aqui está o PCB após a fabricação:

Dicas de design de PCB

Os capacitores de desacoplamento da fonte de alimentação são colocados contra o pino de tensão de alimentação do TDA2003 (pino 5). Isso é para reduzir o comprimento dos traços que conectam os capacitores ao chip. Traços mais longos têm mais indutância parasitária, que inibe o fluxo de corrente.

A indutância parasitária também pode fazer com que o amplificador oscile quando um capacitor é conectado a um longo traço. A oscilação criará ruído na saída do amplificador e poderá superaquecer. Você pode evitar isso mantendo os componentes próximos ao chip e usando traços curtos.

O TDA2003 pode ser um pouco complicado quando se trata de aterramento. Layouts de aterramento mal projetados são uma fonte comum de ruído e zumbido. Para manter o zumbido no mínimo, o aterramento da fonte de alimentação e saída de alta corrente deve ser mantido separado do aterramento do circuito de entrada e feedback. Isso pode ser feito usando um chão estrela. Usei um solo estelar com um plano de aterramento na camada inferior do PCB. Em um aterramento em estrela, cada conexão de aterramento possui um caminho separado para um ponto de aterramento central. Nesta PCB, o terminal em que a energia CC negativa está conectada à PCB serve como ponto de aterramento central.

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Os planos de terra ajudam a reduzir o ruído porque protegem o circuito das frequências de rádio. Eles também reduzem a área de loop do circuito, o que impede que os traços transmitam e recebam campos eletromagnéticos.

Para obter mais dicas sobre o design de placas de circuito impresso, consulte nosso artigo Como fazer uma placa de circuito impresso personalizada.

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Aqui estão os componentes do amplificador estéreo TDA2003 e a placa de circuito impresso antes da soldagem:

Aqui está o amplificador depois de soldar os componentes:

Amplificador em ponte TDA2003

Em uma configuração em ponte, dois chips amplificadores alimentam um único alto-falante. A saída de um chip aciona o fio do alto-falante positivo e o outro chip aciona o fio do alto-falante negativo. A saída de um chip está 180 ° fora de fase com o outro chip; portanto, quando a tensão de saída de um chip é positiva, a tensão de saída do outro chip é negativa. Isso tem o efeito de dobrar a tensão de saída e dobrar a potência de saída em um alto-falante com o dobro da impedância. Por exemplo, no amplificador estéreo acima, obtivemos 7 Watts por canal com uma fonte de alimentação de 12 V e 2 Ω alto-falantes. No modo de ponte, colocaríamos 14 Watts em um alto-falante de 4 with com a mesma fonte de alimentação.

Assista ao vídeo para uma breve explicação da compilação e ouça como o amplificador final soa:

O esquema do amplificador em ponte

Definindo o ganho

Os resistores R2 e R5 ajustam o ganho do amplificador. Usando a mesma fórmula que usamos para calcular o ganho do amplificador estéreo, o ganho deste amplificador é:

G_ v = frac R2 + R5 R5 \ \ = frac 200 Omega + 16 Omega 16 Omega \ \ = 13,5 frac V_ o V_ i

Você pode aumentar ou diminuir o ganho alterando o valor de R2, mas descobri que 13,5 Vo/ VEu é uma boa configuração de ganho para ouvir em um quarto.

Definindo a largura de banda

Como o amplificador estéreo, o amplificador em ponte possui um filtro RC de passa-baixo na saída. R6 e C6 formam o filtro. A frequência de corte é calculada da mesma maneira:

F_ c = frac 1 2 pi RC

Com R6 a 10 Ω e C6 a 100 nF, a frequência de corte deste filtro é:

F_ c = frac 1 2 pi RC \ \ = frac 1 2 times pi times 10 Omega times 0.0000001F \ \ = frac 1 0,00000628 \ \ = 159,155 Hz

Portanto, todas as frequências abaixo de 159 kHz serão passadas para o alto-falante.

O layout PCB

Aqui está um layout de PCB de amplificador em ponte para um único canal. Para um amplificador estéreo em ponte, você só precisa construir uma placa de circuito impresso separada para cada canal:

Os rótulos dos componentes no PCB correspondem aos rótulos no esquema acima.

Você clica na imagem acima para editar o layout, alterar as pegadas dos componentes e solicitar PCBs.

Aqui está o PCB que eu pedi para o amplificador em ponte:

Estes são os componentes do amplificador e a placa de circuito impresso antes da soldagem:

Here’s the amplifier after assembly:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - Assembled Bridged Amplifier

Component Selection

The components you use in your amplifier will have a major effect on the sound quality. The information below should help you get the best sound without breaking the bank.

Resistors

Metal film resistors are the best choice for audio. They’re less noisy than standard carbon resistors, and are available in tighter tolerances. Better resistors will have lower tolerance and lower temperature coefficients. More expensive audio grade resistors like the Vishay-Dale PTF or Welwyn RC series are great, but you probably won’t notice much difference with cheaper metal films from TE Connectivity or KOA Speer.

Capacitors

Capacitors can be very expensive if you go for the high-end audiophile brands. However, you can still get great sound from less expensive ones. For small value capacitors less than 1 nF, polystyrene is your best bet. For values between 1 nF and 4 µF, polypropylene film capacitors are best. Wima MKP polypropylene capacitors are good (and cheap) for the 100 nF decoupling capacitors. For the larger value capacitors, electrolytics are the only option. The Panasonic FC series is great value for the money, but a step up from those are the pricier Nichicon KZ series or Elna Silmic II capacitors.

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Fonte de energia

The TDA2003 needs at least 8 V DC and can handle up to 18 V DC with a single supply. Higher voltages will give you more output power. Figure 3 in the datasheet shows the output power vs. supply voltage curves for a given speaker impedance:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - Output Power vs. Supply Voltage

I used a 12 V, 400 mA wall plug that I scrapped from an old electric shaver and it works fine:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - 12V Power Supply

With this power supply, the TDA2003 stereo amplifier will output about 7 Watts into 2 Ω speakers, and the bridged amp will output about 14 Watts into 4 Ω speakers.

Heat Sinking

Each TDA2003 chip needs to be attached to a heat sink to dissipate the heat it generates. Without a heat sink the chip will get extremely hot very quickly and become permanently damaged. An aluminum heat sink around 150 x 60 x 25 mm should work fine for two chips.

The metal tab on the back of the TDA2003 is connected to the ground pin (pin 3). If you connect two chips to the same heat sink, it’s best to isolate them electrically with an insulating washer and pad to prevent hum. For the best heat dissipation, use thermal paste on the back of the chip, the insulating pad, and the heat sink.

For the stereo amplifier, I used a CPU heat sink salvaged from an old Dell desktop I found at a thrift shop:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - Stereo Assembled PCB With Heat Sink

This is the bridged amplifier attached to another heat sink salvaged from the same computer:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - Assembled Bridged PCB Attached to Heat Sink

Pro Tip: Old desktop computers have lots of useful components you can use in an amplifier build that will save you money. A single desktop may have as many as four heat sinks, insulating washers, a couple fans, an IEC connector and power cord, and lots of fasteners.

The Chassis

Installing your finished amplifier in an enclosure or chassis is a good way to make it more user friendly, and it will look much nicer too. You can use any type of box depending on what you can find, but metal enclosures are preferred since they offer shielding from interference caused by fluorescent lights, radios, and cell phones.

My favorite source for enclosures is Hi-Fi 2000. They have some very affordable and good looking enclosures that will fit the stereo and bridged amp, like their 180 x 150 mm Economy Model:

How to Build an Audio Amplifier With the TDA2003 - The Chassis

For a bit more presentable enclosure, their 124 x 170 Galaxy chassis would also fit either amplifier:

How to Make a 10W Audio Amplifier With the TDA2003 - The Chassis 2

How Do They Sound?

Both amplifiers sound great. The mid frequencies are very detailed, and the highs are not harsh at all. The bass lacks a little punch, but the overall sound is very well balanced. The stereo amplifier sounds a little bit cleaner than the bridged amplifier, but the bridged amp has noticeably more power. However both amplifiers have more than enough power for listening in a bedroom. This is a great project to build if you’ve never built an amplifier before.

If you want something with a bit more power than these amps, check out our tutorial, How to Design and Build an Amplifier With the TDA2050 where we build at 25 Watt TDA2050 stereo amplifier.

If you’re looking for audiophile quality sound, we also have a build guide for a 40 Watt Hi-Fi LM3886 Amplifier. These amps are a bit more complicated than the TDA2003, so if this is your first chip amp project I’d definitely suggest starting with the TDA2003.

Well, thanks for reading and hope you got something out of this article. If you have any questions, be sure to let us know in the comments…

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