projeto, simulação e construção de um alto falante de...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Projeto, Simulação e Construção de um Alto
Falante de Plasma
Lucas Jordão Santos
Belo Horizonte
Junho de 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Projeto, Simulação e Construção de um Alto
Falante de Plasma
Lucas Jordão Santos
Monografia apresentada durante o
Seminário dos Trabalhos de
Conclusão do Curso de Graduação
em Engenharia Elétrica da UFMG,
como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Thiago Ribeiro de Oliveira
Belo Horizonte
Junho de 2019
Resumo
A reprodução eletroacústica de sons se dá através da vibração de um
diafragma cujo material de fabricação pode variar a depender da aplicação e custo
do alto falante. Diafragmas tradicionais consistem em membranas de papel ou
material plástico, e geram problemas na reprodução de altas frequências devido
à sua massa. Uma solução possível é a utilização de materiais mais leves,
buscando menor massa possível ou nenhuma massa.
Este trabalho consiste no projeto de um alto falante que utiliza plasma
como diafragma para reproduzir música. O projeto consiste na simulação e
construção de um circuito capaz de gerar um feixe de plasma e modulá-lo para
reproduzir sinais sonoros na frequência de audição humana. O circuito foi
construído e testado de forma a permitir reproduzir músicas provenientes de
qualquer dispositivo digital.
Abstract
The electroacoustic reproduction of sounds occurs through the vibration of
a diaphragm whose material of manufacture can vary depending on the
application and cost of the loudspeaker. Traditional diaphragms consist of paper
or plastic membranes, and generate problems in the reproduction of high
frequencies due to their mass. One possible solution is the use of lighter materials,
seeking the lowest possible mass or no mass at all.
This work consists of the design of a loudspeaker that uses plasma as a
diaphragm to reproduce music. The project consists of the simulation and
construction of a circuit capable of generating a plasma beam and modulating it
to reproduce sound signals in the frequency of human hearing. The circuit has
been built and tested in order to play music from any digital device.
Lista de Imagens
Imagem 1: Globo de plasma _____________________________________________________ 18
Imagem 2: Arco elétrico ocorrendo no fechamento de chave seccionadora_______________ 17
Imagem 3: William Du Bois Duddell _______________________________________________ 19
Imagem 4: O Ionophone ________________________________________________________ 20
Imagem 5: Alto falante Ionovac __________________________________________________ 20
Imagem 6: Alto falante CORONA _________________________________________________ 21
Imagem 7: Alto falante ION TW 1S ________________________________________________ 21
Imagem 8: Alto falante Plasma Signature __________________________________________ 22
Imagem 9: Típico transformador Flyback de circuito de televisão CRT ___________________ 32
Imagem 10: Varistor MOV 14D201K ______________________________________________ 36
Imagem 11: Circuito protótipo construído _________________________________________ 43
Imagem 12: Transformador Flyback com novo enrolamento primário ___________________ 44
Imagem 13: Transfomador flyback e eletrodos ______________________________________ 45
Imagem 14: Regulagem da frequência de oscilação __________________________________ 45
Imagem 15: Regulagem do Duty Cycle_____________________________________________ 46
Imagem 16: Arco elétrico gerado _________________________________________________ 46
Imagem 17: Arco elétrico gerado no ambiente com pouca luz _________________________ 47
Imagem 18: Sinal de saída do PWM (curva 1) e sinal de entrada do gerador de sinais (curva 2)
para testes ___________________________________________________________________ 47
Imagem 19: Sinal PWM modulado pelo Duty Cycle. Nota-se a variação da proporção
ligado/desligado na imagem atrasada do osciloscópio ________________________________ 48
Imagem 20: Tensão na saída do TL494 (canal 1) e entrada do transformador flyback (canal 2) 49
Lista de Figuras
Figura 1: Representação de uma onda sonora ______________________________________ 13
Figura 2: Equação básica da onda sonora __________________________________________ 14
Figura 3: Representação de um alto falante de bobina móvel __________________________ 15
Figura 4: Diferença no estado da matéria pelo aumento de energia _____________________ 16
Figura 5: Exemplos de plasma - Densidade elétrica pela temperatura ___________________ 16
Figura 6: Fluxograma base do circuito _____________________________________________ 23
Figura 7: Circuito base _________________________________________________________ 24
Figura 8: Duty Cycle de um sinal _________________________________________________ 25
Figura 9: Exemplos de formas de onda com mesma frequência e diferentes Duty Cycles ____ 26
Figura 10: PWM na geração de um sinal analógico ___________________________________ 27
Figura 11: Diagrama de blocos simplificado do TL494 ________________________________ 28
Figura 12: Diagrama de tempos no circuito do TL494 _________________________________ 28
Figura 13: Diagrama funcional do TC4420/4429 _____________________________________ 30
Figura 14: IPRF250 – Encapsulamento e símbolo esquemático _________________________ 31
Figura 15: Circuito seguidor de tensão ____________________________________________ 34
Figura 16: Circuito regulador de tensão ____________________________________________ 35
Figura 17: Circuito Snubber de tensão _____________________________________________ 35
Figura 18: Esquemático do circuito finalizado _______________________________________ 37
Figura 19: Esquemático do circuito de alimentação auxiliar ____________________________ 39
Figura 20: Tensões na entrada e saída do circuito de alimentação auxiliar ________________ 39
Figura 21: Esquemático do circuito seguidor de tensão _______________________________ 39
Figura 22: Tensões na entrada e saída do circuito seguidor de tensão ___________________ 40
Figura 23: Circuito PWM ________________________________________________________ 40
Figura 24: Saída simulada do sinal PWM sem entrada de áudio, com frequência de oscilação
fosc = 11 kHz _________________________________________________________________ 41
Figura 25: Saída simulada do sinal PWM para uma entrada de onda quadrada com frequência
de 500 Hz ____________________________________________________________________ 41
Figura 26: Saída simulada do sinal PWM para uma entrada de onda senoidal com frequência de
500 Hz ______________________________________________________________________ 42
Figura 27: Saída do PWM para uma entrada de onda senoidal composta por três sinais (50 Hz,
500 Hz e 5000 Hz) _____________________________________________________________ 42
Figura 28: Circuito de Potência___________________________________________________ 42
Figura 29: Tensões de entrada e saída (F1) do Circuito de Potência _____________________ 43
Figura 30: Esquemático do Flyback _______________________________________________ 44
Sumário
1. Introdução _______________________________________________________________ 11
1.1. Motivação ___________________________________________________________ 11
1.2. Objetivos do projeto ___________________________________________________ 11
2. Revisão Bibliográfica _______________________________________________________ 13
2.1. O Som ______________________________________________________________ 13
2.2. O Plasma ____________________________________________________________ 16
2.3. Plasma como meio de geração de sons ____________________________________ 17
2.4. Histórico ____________________________________________________________ 19
2.5. Estado da arte ________________________________________________________ 20
3. Metodologia _____________________________________________________________ 23
3.1. Modelagem do circuito ________________________________________________ 23
3.1.1. O Circuito Base ___________________________________________________ 24
3.1.2. Circuito de Controle _______________________________________________ 24
3.1.3. Circuito de potência _______________________________________________ 29
3.1.4. Transformador elevador de tensão ___________________________________ 32
3.2. Melhorias no circuito __________________________________________________ 33
3.2.1. Entrada de áudio _________________________________________________ 33
3.2.2. Circuito de alimentação ____________________________________________ 34
3.2.3. Proteção ________________________________________________________ 35
4. Resultados _______________________________________________________________ 37
4.1. Circuito Final _________________________________________________________ 37
4.2. Simulações __________________________________________________________ 38
4.2.1. Circuito de alimentação ____________________________________________ 38
4.2.2. Circuito seguidor de tensão _________________________________________ 39
4.2.3. Circuito de Controle (PWM) _________________________________________ 40
4.2.4. Circuito de Potência _______________________________________________ 42
4.3. Construção do circuito _________________________________________________ 43
4.4. Funcionamento do Circuito _____________________________________________ 46
5. Conclusão e Trabalho Futuro ________________________________________________ 50
6. Referências ______________________________________________________________ 52
11
1. Introdução
1.1. Motivação
Sons podem ser criados através da vibração dos mais variados tipos de
membranas. Alto falantes tradicionais são transdutores eletroacústicos que
convertem energia elétrica em energia acústica através da vibração de
membranas feitas de papelão ou plásticos especiais. Esse tipo de membrana gera
perdas na reprodução dos sinais sonoros devido à energia necessária e ao tempo
de resposta para se vencer a inércia de sua massa. Essa desvantagem é ainda
maior para sinais de alta frequência, onde ocorrem variações muito mais rápidas
do sinal. Para se solucionar esses problemas, foram estudados ao longo da história
diversas opções de membranas com massa quase nula, como utilização de ar
comprimido (The Auxetophone & Other Compressed-Air Gramophones, 2018),
chamas (JOSHEP, 2018) e plasma, este último, o foco deste trabalho.
A utilização de plasma para geração de som se dá através do aquecimento
do ar em torno do plasma, que cria variações de pressão as quais vibram o ar
gerando som. Controlando o sinal responsável pela geração de um arco elétrico
entre dois eletrodos, é possível se controlar o som gerado pelo mesmo.
A motivação desse trabalho é a busca pela melhor forma de se reproduzir
sons, cada vez mais fiéis e com menor interferência possível, independente da
frequência utilizada. Além disso, utilizando uma interface agradável e divertida
de se ver, através da exposição do arco elétrico, tornando a reprodução de sons
prazerosa visual e acusticamente.
1.2. Objetivos do projeto
O presente trabalho tem por principal objetivo o desenvolvimento de um
circuito capaz de gerar reprodução eletroacústica utilizando-se de um arco
elétrico modulado. O circuito deverá ser projetado, simulado e então será
realizada a construção de um protótipo.
12
Espera-se que o circuito montado possa reproduzir sons oriundos de
qualquer sinal analógico entregue à entrada do circuito, com o mínimo de perdas,
máxima redução de ruídos, e potência suficiente para ser reproduzido em um
ambiente ruidoso.
Após a construção do protótipo, devem ser realizados testes para se definir
possíveis melhorias do projeto, permitindo reduzir possíveis ruídos e aumentar a
potência entregue ao arco elétrico, gerando assim sons de maior volume.
13
2. Revisão Bibliográfica
2.1. O Som
O som é uma onda mecânica, longitudinal, que se propaga apenas em
meios materiais, sólidos, líquidos ou gasosos. Para sua propagação ocorrer, faz-
se necessário compressões e rarefações em propagação no meio. Possui uma
velocidade (m/s), uma frequência medida em hertz (Hz) e uma amplitude medida
em Newtons por metro (N/m), como representado na Figura 1. (Sound
Transducers, 2018)
Figura 1: Representação de uma onda sonora
O comprimento de onda do som é a distância em que um ciclo completo
de pressão ocorre. É medido em metros e usualmente representado por λ. O
tempo necessário para que um comprimento de onda se propague por um ponto
específico do espaço é chamado de período, medido em segundos e representado
por T.
A frequência da onda sonora é o inverso do período, e representa a
quantidade de comprimentos de onda que passaram por um ponto durante um
segundo. É medida em Hz (Hertz) e representada por f, podendo ser calculada
por:
𝑓 = 1
𝑇 (1)
14
A audição humana é capaz de perceber em média sons em uma frequência
entre 20 Hz e 20 kHz. Sons abaixo dessa frequência são chamados de infrassons,
e acima ultrassons. (HELERBROCK)
A velocidade da onda sonora pode ser calculada pela relação entre o
período e o comprimento de onda, sendo dada em m/s (metros por segundo) e
representada por v.
𝑣 =𝜆
𝑇= 𝑓 ∗ 𝜆 (2)
Figura 2: Equação básica da onda sonora
Ao se propagar, a onda sonora gera perturbações na pressão de equilíbrio
do meio. A magnitude dessa variação na pressão é a amplitude da onda sonora,
dada em newtons por metro e representada por A (ACADEMIC, BRITANNICA,
2018). A amplitude pode ser matematicamente descrita pela equação geral da
onda, dada por:
𝑦(𝑥, 𝑡) = 𝐴 ∗ sin[2𝜋 ∗ (𝑓𝑡 −𝑥
𝜆)] (3)
Onde x é a distância percorrida pelo comprimento de onda (λ) com uma
certa velocidade.
A intensidade da onda sonora é o que é reconhecido como o volume (ou
altura) do som, e é calculada a partir da amplitude e da velocidade da onda
(ACADEMIC, BRITANNICA, 2018), de modo que:
𝐼 =𝐴2
2∗𝑝∗𝑣 (4)
15
Onde p é a densidade de equilíbrio do ar e v a velocidade de propagação
da onda sonora. A intensidade é representada por I e medida em watts por metro
quadrado. Como a intensidade não varia linearmente com a variação da
amplitude, é utilizada a notação em decibéis (dB) para se indicar a intensidade da
onda, e dada pela equação (5):
𝐼(𝑑𝐵) = 10 log (𝐼
𝐼0) (5)
A intensidade de referência I0 corresponde ao valor de 0 dB, que pode ser
aproximado pela intensidade de uma onda com frequência de 1 kHz no limite
mínimo da audição (ACADEMIC, BRITANNICA, 2018).
A geração de sons se dá em sua maioria pela vibração de um diafragma na
frequência desejada, assim vibrando o ar para se propagar a onda sonora. A
conversão eletroacústica se utiliza de uma bobina móvel conectada ao diafragma,
em torno de um imã permanente, de forma que, quando uma corrente é aplicada,
a bobina se movimente, fazendo o diafragma vibrar o ar gerando o som na
frequência desejada. Um esquemático de um alto falante com tradicional com
diafragma com cone de papelão é representado na Figura 3.
Figura 3: Representação de um alto falante de bobina móvel
16
2.2. O Plasma
Considerado o quarto estado físico da matéria, o plasma se assemelha ao
gás por não possuir forma ou volume definido, mas se diferencia por ser
eletricamente condutor e altamente responsivo a campos magnéticos.
Figura 4: Diferença no estado da matéria pelo aumento de energia
O plasma pode ser gerado artificialmente através de um gás pelo
aquecimento do mesmo, para que ocorra ionização, ou através de uma diferença
de potencial extremamente alta, como representado na Figura 4. O aquecimento
de um gás a temperaturas elevadas faz com que os elétrons deixem os átomos,
resultando em alta concentração de elétrons livres, criando assim o plasma
ionizado.
Figura 5: Exemplos de plasma - Densidade elétrica pela temperatura
17
Através de uma grande diferença de potencial, pode-se gerar a ruptura
dielétrica do gás, produzindo uma descarga elétrica (arco elétrico). A corrente
desta descarga atravessando um meio normalmente isolante produz plasma, e este
plasma produz luz visível. Através do controle de campos magnéticos aplicados
ao plasma, é possível controlar sua estrutura, de forma a conseguir moldá-lo.
Imagem 1: Arco elétrico ocorrendo no fechamento de chave seccionadora. A grande diferença
de potencial na linha de distribuição faz com que ocorra o arco no momento de manobra da
chave seccionadora.
2.3. Plasma como meio de geração de sons
A variação de pressão do ar devido à variação de temperatura gerada pela
passagem do arco elétrico gera ondas de compressão e descompressão do ar,
resultando em som. Esse princípio é utilizado para a criação do alto falante de
plasma, onde a variação da frequência da descarga elétrica permite controlar o
som produzido.
Um alto falante de plasma varia o plasma através do controle do arco
elétrico, de forma a produzir som utilizando um diafragma de massa praticamente
nula e inércia nula. Isso permite redução da distorção ao anular as perdas físicas
na reprodução do som, atingindo uma resposta transitória muito superior,
principalmente para sons em alta frequência.
Utilizando uma série de pulsos de alta tensão entre dois eletrodos,
ionizando o ar em cada pulso, é criado um mecanismo capaz de concentrar a
energia em uma área cilíndrica entre os eletrodos. O gás ionizado consiste
principalmente de nitrogênio e oxigênio em moléculas diatômicas (N2 e O2), e é
linear em sua variação de temperatura, de forma que:
18
Δ𝑇 =2
3𝑅∗ Δ𝑈 (6)
Onde ∆T é a variação de temperatura, ∆U a energia interna do gás
diatômico, e R a constante ideal do gás. Dessa forma, se uma certa quantidade de
energia for depositada, a temperatura irá variar proporcionalmente.
Ocorrendo entre os pulsos de alta tensão, o resfriamento do gás à
temperatura ambiente se dá em uma escala de forma rápida o suficiente para que
a variação de tensão gere uma série de impulsos na temperatura.
Dessa forma, como o gás não possui tempo suficiente para se expandir,
pode ser considerado um volume constante durante o processo, que permite uma
aproximação através da equação da lei dos gases ideais:
Δ𝑃 = 𝑛𝑅
𝑉∗ Δ𝑇 (7)
Combinando as equações (6) e (7), temos:
Δ𝑃 =2𝑛
3𝑉∗ Δ𝑈 (8)
Dessa forma, conhecendo a variação de energia, sabe-se a variação na
pressão. Isso permite que através de um controle da energia entregue, dado pelo
controle dos pulsos de alta tensão, consiga variar a pressão na frequência desejada
e reproduzir sons da faixa audível. (MICHAEL HOPKINS, 2012) (DAN
PETERSON, 2016)
Imagem 2: Performance artística da banda ArcAttack. A banda utiliza bobinas de tesla de
grande porte como alto falantes para suas performances.
19
2.4. Histórico
O físico britânico William Duddell foi o primeiro a se utilizar de um arco
elétrico para geração controlada de sons, em 1899. Buscando solucionar o
problema de ruídos gerados por lâmpadas a arco elétrico entre eletrodos de
carbono, ele adicionou um circuito ressonante utilizando um indutor e um
capacitor e, utilizando um teclado para variar a tensão, foi capaz de gerar
diferentes tons através do arco. Para demonstrar seu experimento, ele tocou
“Deus salve a Rainha” criando assim o que é considerado a primeira execução de
música eletrônica. (CRAB, 2018)
Imagem 3: William Du Bois Duddell
Inspirado por Duddell, os físicos dinamarqueses Valdemar Poulsen e
Peder Pedersen utilizaram, em 1902, um gerador que produzia arcos elétricos
contínuos na frequência de mega-hertz para criar um transmissor de rádio.
Apenas em 1946 foi criada a primeira patente de um dispositivo que utiliza
de descargas elétricas para reproduzir sons acústicos. O francês Siegfried Klein
utilizou um pequeno tubo de quartzo acoplado em uma corneta com um arco
controlado em seu interior, podendo ser utilizado tanto como alto falante como
microfone. Nomeou seu dispositivo de Ionophone. (RUSSELL, 2004)
20
Imagem 4: O Ionophone
2.5. Estado da arte
A tecnologia de reprodução sonora utilizando arcos elétricos já apareceu
em alguns produtos comercializados ao público geral, geralmente como tweeters
de alta qualidade e preço.
Lançado em 1956, o Ionovac utilizava da tecnologia do Ionophone e tinha
o preço de U$147,00. Sua primeira versão tinha uma vida útil de 200 a 300 horas
devido ao desgaste do quartzo. Uma nova versão foi lançada em 1958 com vida
útil de 1200 horas. (RUSSELL, 2004)
Imagem 5: Alto falante Ionovac
Em 1978 a CORONA Acoustic GmbH lançou o CORONA. Este plasma
speaker também era baseado no Ionophone e teve três versões fabricadas. Teve
seu nome difundido no mercado por possuir a melhor eficiência entre os alto
falantes de plasma em sua época de fabricação. (HAUMANN, 2001)
21
Imagem 6: Alto falante CORONA
A fabricante alemã Acapella produziu em 2001 o tweeter ION TW 1S,
comercializado a U$2500,00. Com design e especificações de alto nível, permitia
observar o arco elétrico dentro da corneta.
Imagem 7: Alto falante ION TW 1S
22
A Vaughn Loudspeakers produz atualmente um conjunto de alto falantes
com um tweeter de plasma chamado Plasma Signature. Comercializado por
U$20.000,00, vem em conjunto com alto falantes tradicionais para os sons
médios e graves. (REICHERT, 2018)
Imagem 8: Alto falante Plasma Signature
23
3. Metodologia
3.1. Modelagem do circuito
O circuito a ser desenvolvido para este trabalho deverá converter um sinal
de áudio entregue por uma fonte qualquer em uma saída em forma de arco
elétrico entre dois eletrodos, modulado de forma a reproduzir o sinal de áudio da
entrada como um alto falante.
Este circuito está divido em dois módulos para melhor análise do mesmo:
o primeiro módulo é referente ao circuito de acionamento e o segundo, referente
ao circuito de potência junto ao circuito elevador de tensão. O circuito de
acionamento deverá receber o sinal de áudio da entrada e gerar uma saída
modulada para chaveamento dos transistores no circuito de potência, estes os
quais comutarão um circuito magnético elevador de tensão para gerar o arco
desejado.
O circuito de acionamento é baseado em um gerador de sinal modulado do
tipo Modulação por Largura de Pulso – Pulse Width Modulation (PWM). Para
tal, serão estudados a utilização de um circuito oscilador composto por um
circuito integrado dedicado para este uso.
O circuito de potência é a interface entre o sinal PWM gerado pelo circuito
de acionamento e o arco elétrico gerado. Ele consiste de transistores de potência
diretamente comandados pelo sinal PWM, um circuito magnético elevador de
tensão e um sistema que condiciona o pulso de alta tensão no secundário do
elemento magnético.
Figura 6: Fluxograma base do circuito
Circuito de acionamento
CI dedidado para geração sinal PWM a partir de um sinal
de áudio
Circuito de potência
Transistores chaveados pelo sinal PWM para controle do transformador
elevador
Geração do arco elétrico
24
3.1.1. O Circuito Base
O circuito básico consiste de um circuito integrado modulador PWM para
condicionamento do sinal de áudio. A saída do modulador acionará um
MOSFET, que irá realizar o chaveamento do transformador elevador de tensão.
Figura 7: Circuito base
A Figura 7 é uma representação esquemática do circuito base a ser
projetado. As etapas de desenvolvimento serão explicitadas a seguir, junto com
o dimensionamento dos elementos e possíveis melhorias no projeto.
3.1.2. Circuito de Acionamento
Modulação por largura de pulso (Pulse Widht Modulation, em inglês, ou
PWM) consiste em se alterar a largura dos pulsos de uma onda quadrada de
forma proporcional à amplitude de um sinal de referência. É uma técnica de
modulação que permite sintetizar um sinal analógico de potência, tendo como
dispositivo acionador um conversor estático que recebe apenas comandos
digitais. A técnica é muito utilizada para acionamentos elétricos, iluminação, etc.
(SILVEIRA, 2018)
A modulação PWM consiste basicamente de se comparar um sinal
analógico modulante (referência) com uma portadora triangular ed alta
frequência, de modo que a saída do comparador será uma onda quadrada de
frequência igual à portadora e ciclo de trabalho variável. O PWM é um sinal
completamente digital, pois consiste apenas de estados ligado e desligado. Ao se
25
empregar o PWM no comando de conversores eletrônicos, os tempos de ativação
e desativação são respectivamente os períodos onde a alimentação da carga está
ligada ou desligada. Considerando uma razão de frequência entre portadora e
modulante suficientemente grande e um circuito de potência com larga banda de
passagem, pode-se converter qualquer sinal analógico em um sinal PWM.
Para tal, considerando uma onda quadrada, deve-se variar a largura do
pulso da onda. Dois parâmetros devem ser então considerados: a largura do pulso
e o período da onda. A relação entre eles é chamada de Duty Cycle, e informada
em pontos percentuais (%).
𝐷𝑢𝑡𝑦𝐶𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑃𝑢𝑙𝑠𝑜
𝑃𝑒𝑟í𝑑𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑎 𝑂𝑛𝑑𝑎 𝑥 100 (%) (9)
Figura 8: Duty Cycle de um sinal
Onde:
Pulso: Tempo em que o sinal está ligado;
Ciclo: intervalo entre a subida de dois pulsos consecutivos;
Período: intervalo de tempo de um ciclo da onda (dado em s);
Frequência: a taxa de ciclos no tempo (inverso do período, dada
em Hz);
Duty Cycle (ciclo de trabalho): tempo em que o pulso está ativo
em um período (dada em %).
26
A Figura 9 a seguir exemplifica alguns valores de Duty cycle:
Figura 9: Exemplos de formas de onda com mesma frequência e diferentes Duty Cycles
A tensão média fornecida pelo sinal PWM é dependente do Duty Cycle do
mesmo, e para ser calculada em uma onda quadrada basta multiplicar o valor de
pico pelo Duty Cycle:
𝑉𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 ∗ 𝐷𝑢𝑡𝑦 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑒 (10)
O sinal modulado pode ser recuperado, a partir de um sinal PWM, por
meio de filtros passa-baixas. Um filtro normalmente aplicado na saída dos
conversores estáticos consiste em um LC (indutor série e capacitor shunt). A
Figura 10 a seguir mostra um exemplo dessa aplicação, onde a entrada (em
vermelho) é comparada com o sinal dente de serra (em azul) gerando o sinal
PWM (em rosa).
27
Figura 10: PWM na geração de um sinal analógico
A utilização do PWM permite-se trabalhar com transistores em corte e
saturação, permitindo sintetizar os sinais desejado com alta eficiência energética.
Para o projeto desenvolvido neste trabalho, o circuito de acionamento para
se gerar o sinal PWM é baseado na utilização do circuito integrado dedicado
TL494. O TL494 é um circuito que incorpora todas as funções requeridas na
construção do circuito PWM em um único CI. O chip consiste em dois
amplificadores de erro, um oscilador, um flip-flop, uma fonte de referência de
5V, um comparador de tempo morto, um comparador PWM e um controlador
de saída. É um circuito de controle para sinais PWM de frequência fixa. A
modulação dos pulsos de saída se dá pela comparação da onda dente de serra
criada pelo oscilador interno nos capacitores de temporização de um ou ambos
sinais de controle. (TEXAS INSTRUMENTS, 2017)
28
Figura 11: Diagrama de blocos simplificado do TL494
O estágio de saída é ativado quando o sinal dente de serra do oscilador é
maior que o sinal de controle. A medida que o sinal de controle aumenta, o tempo
em que a onda dente de serra o supera reduz e, portanto, a duração do pulso na
saída reduz. A Figura 12 demonstra um diagrama exemplo de tempos do TL494.
Figura 12: Diagrama de tempos no circuito do TL494
Para o circuito proposto, o TL494 é utilizado para alimentar em alta
frequência o driver dos transistores, que por sua vez irão chavear a alimentação
do primário do transformador elevador de tensão responsável por gerar o arco
elétrico modulado pela entrada de áudio do circuito. Para tal, é preciso modular
29
a frequência de forma a produzir variações no arco, para este produzir as
vibrações no ar gerando o som desejado.
Existem duas formas de se variar essa frequência de controle do arco. A
primeira forma consiste em variar o Duty Cycle do sinal da saída do PWM,
enquanto se mantém uma frequência de oscilação constante. Isso permite uma
variação na energia entregue ao primário do Trafo elevador, alterando a
quantidade de energia do arco elétrico, resultando nas variações desejadas no
arco elétrico e criando o som. Para se variar o Duty Cycle o sinal de áudio deve
ser entregue à entrada referente do TL494 (pino 4 – DTC), enquanto os valores
do resistor e capacitor utilizados para definição da frequência de oscilação são
mantidos fixos após a calibração da mesma.
Para a segunda forma, se mantém um valor fixo para o Duty Cycle do
pulso, mas se varia a frequência de oscilação do mesmo através da inserção do
sinal de áudio na seção RC do TL494. Assim o arco elétrico irá trabalhar com
uma tensão constante, mas variando sua frequência de acordo com o sinal,
variando a pressão do ar e criando o som desejado. Nesta forma, o resistor e o
capacitor utilizados devem ser calibrados para uma frequência de oscilação a ser
aplicada de forma constante, enquanto o sinal de áudio irá perturbar esse valor
ao ser inserido na entrada do resistor no TL494 (pino 6 – RT). (BAKER, 2018)
Neste caso, a frequência de comutação deverá ser igual à frequência do sinal de
áudio, demandando o uso de um transformador de maior volume e custo.
No circuito desenvolvido será utilizada a primeira forma, mantendo-se a
frequência de oscilação em um valor constante e utilizando o sinal de áudio para
alterar o Duty Cycle do PWM a ser entregue no circuito de potência.
3.1.3. Circuito de potência
O circuito de potência utiliza um transistor como interface entre o sinal
PWM gerado pelo controlador PWM e a alimentação do primário do
transformador elevador, realizando a ligação entre controle e carga de forma a
manter os circuitos isolados eletricamente.
30
Idealmente, os transistores devem possuir perdas de potência nulas, para
não afetarem o circuito. Como isso não é possível, utilizaremos transistores que
possuam o menor consumo e, portanto, a menor perda.
Para o projeto, deseja-se utilizar um transistor capaz de comutar em alta
frequência com baixas perdas de condução e chaveamento. Como a tensão do
circuito primário é baixa, optou-se por um MOSFET.
MOSFETs são transistores que apresentam altas velocidades de
comutação e são pouco sensíveis à temperatura quando operando em baixas
tensões. Essas características são favoráveis à sua utilização para o circuito. (ON
SEMICONDUCTOR, 2001)
O sinal PWM será entregue a um circuito integrado de driver para
alimentação do MOSFET. Este driver tem por função conferir ganho de corrente
e adequar os níveis de tensão do sinal PWM para melhor chavear o gate do
MOSFET. A utilização do driver também permite que o MOSFET atue com
temperaturas menores, levando à maior segurança do circuito. (HUSSAIN,
2001)
Para o circuito de driver do MOSFET, será utilizado o CI TC4420. O
TC4420 é um driver dedicado de MOSFET. Capaz de até 6 A, permite uma
operação tranquila do transistor. Seus tempos de subida e descida são de 25 ns,
permitindo a operação em altas frequências. Seu diagrama funcional está
representado na Figura 13 a seguir. (VINSANT, 2002)
Figura 13: Diagrama funcional do TC4420/4429
31
Não se sabe o valor de corrente do circuito e as características do trafo.
Isso faz com que se utilize dispositivos superdimensionados por questão de
segurança.
Para o MOSFET, é necessária uma escolha capaz de aguentar uma corrente
sendo chaveada em altas frequências. Tal funcionamento gera aquecimento no
MOSFET, podendo levar o componente à queima. Se faz necessária então
utilização de dissipador de calor para evitar problemas de aquecimento.
Foram selecionados os MOSFETs IRFP250 e IRF840, que possuem
atuação em altos níveis de potência. O primeiro é a opção a ser utilizada
incialmente, devido ao seu encapsulamento que permite melhor dissipação de
calor, evitando aquecimento prejudicial ao funcionamento. O segundo é uma
escolha reserva com custo menor, necessária devido ao risco de queima do
componente durante a calibração do circuito. O IRFP250 possui tensão de dreno-
fonte de 200 V, e uma corrente de dreno de 30 A operando à temperatura
ambiente. O IRF840 possui tensão dreno-fonte de 500 V e corrente de dreno de
8 A. Tais MOSFETs vão permitir que o circuito opere sem problemas de
aquecimento elevados utilizando um dissipador de pequeno porte.
Figura 14: IPRF250 – Encapsulamento e símbolo esquemático
32
3.1.4. Transformador elevador de tensão
Para a geração do arco elétrico a tensão de saída do circuito de controle
deve ser elevada até ser capaz de romper a rigidez dielétrica do ar, criando
plasma ionizado. Para tal, um transformador elevador será utilizado de forma a
elevar a tensão da entrada até uma tensão alta o suficiente para se criar o arco
(dezenas de kilo-Volts).
Um arco elétrico de maiores dimensões permite o alto falante trabalhar
com uma maior intensidade, devido à maior massa de ar que é capaz de vibrar.
A rigidez dielétrica é a tensão máxima entre dois pontos sem que ocorra
centelhamento, onde o material deixa de ser isolante e passa a ser considerado
um condutor para o circuito. Para o ar, esse valor é de 3*106 Volts por metro
(V/m), ou 30 kV/cm. (BRAGA)
Para este projeto, o transformador utilizado é um transformador tipo
flyback. O transformador flyback é comumente utilizado em televisores de tubo
(CRTs) ou monitores para criar tensão elevada o suficiente para alimentar o
canhão de elétrons dos aparelhos. Um modelo típico no mercado pode ser visto
na Imagem 9.
Imagem 9: Típico transformador Flyback de circuito de televisão CRT
O primário do transformador flyback é enrolado em torno de um núcleo de
ferrite, e o secundário enrolado em torno do primário, e então uma armação de
ferrite é colocada em volta de ambos os enrolamentos, fechando o circuito
magnético. Para a utilização neste projeto, um novo enrolamento primário será
feito com um número de espiras reduzido em torno do núcleo de ferrite,
33
permitindo uma relação de transformação maior para se obter uma tensão mais
elevada no arco. (Flyback Inductor & Transformer Theory, 2018)
O flyback atua como um conversor CC-CC tipo Buck Boost, com o
transformador no lugar do indutor. Isso permite obter um isolamento das partes
do circuito, assim como uma elevação na tensão para os valores desejados.
Quando o MOSFET atua, a energia é armazenada no primário do transformador,
enquanto o diodo interno ao flyback bloqueia a corrente de retorno vinda do
secundário. Ao se abrir o MOSFET, a corrente no primário vai a zero e o
secundário é capaz de energizar o arco elétrico, visto que o diodo estará em
condução.
Transformadores flyback são fáceis de se encontrar no mercado, mesmo
com o desuso de aparelhos CRT, e possuem um custo baixo, os tornando ideias
para este projeto.
3.2. Melhorias no circuito
3.2.1. Entrada de áudio
Para garantir que a entrada de áudio do circuito possua uma alta
impedância de forma a proteger o dispositivo fonte da música. Para isso serão
utilizados um circuito de desacoplamento e um amplificador operacional no
modo seguidor de tensão. (MUGGE, 2009)
O capacitor de desacoplamento permite que o sinal seja referenciado em
tensões diferentes para o sinal de áudio e a entrada do circuito. Isso gera maior
robustez e estabilidade para o circuito.
Um circuito integrado TL072 é utilizado para a montagem do seguidor de
tensão. O circuito é projetado como um amplificador operacional não inversor
de ganho unitário, cuja tensão de saída segue igual a de entrada, e tem seu
esquemático base representado na Figura 15.
34
Figura 15: Circuito seguidor de tensão
3.2.2. Circuito de alimentação
O circuito protótipo será alimentado com uma fonte de bancada com saída
de 0 a 30V e corrente até 3A. Para a versão a ser desenvolvida em placa de
circuito impresso num trabalho futuro, deverá ser alimentada com uma fonte
chaveada de 24V, valor de fácil obtenção no mercado. A alimentação será então
fixada em 24V para que o dimensionamento do protótipo seja compatível com a
fonte chaveada de tensão fixa.
Buscando a utilização de apenas uma fonte externa para a alimentação do
circuito, se faz necessário a criação de um circuito interno de alimentação com
tensão reduzida, devido à diferença nas tensões de alimentação do transformador
elevador (+24 Vcc) e dos circuitos integrados presentes (+12 Vcc).
A utilização de um regulador de tensão L7812 permite a criação de um
segundo circuito de alimentação, regulado em 12 Vcc, que alimenta os CIs do
circuito. Capacitores nas entrada e saída do regulador permitem rejeição de
ruídos vindos da fonte externa, ligados como na Figura 16.
35
Figura 16: Circuito regulador de tensão
3.2.3. Proteção
A indutância de dispersão do trafo armazena energia quando o primário
estiver ligado. Quando o MOSFET é desligado, essa energia é liberada no
circuito primário, produzindo altos picos de tensão. As amplitudes desses picos
dependem da indutância de dispersão, do nível de corrente do primário e do
tempo de comutação do MOSFET, podendo chegar a centenas de Vots e queima
o transistor.
Para absorver os picos de tensão enviados pelo flyback, um circuito
snubber é inserido junto ao primário do transformador. O snubber é um circuito
capaz de grampear os picos de tensão e reduzir o ruído do sistema. O circuito é
composto por um resistor de alta potência, um diodo rápido e um capacitor,
ligados como na Figura 17.
Figura 17: Circuito Snubber de tensão
36
Em caso de apenas o snubber não ser eficaz para a proteção do MOSFET,
é inserido em paralelo ao dreno um varistor do tipo Metal-oxide varistor (MOV).
O varistor possui uma resistência proporcional à tensão aplicada sem seus
terminais, de forma a proteger o MOSFET ao curto circuitar o dreno caso
ocorram picos de tensão provenientes do transformador.
O varistor utilizado é um MOV 14D201K. Ele possui um grampo de tensão
máximo de 340 V e contínuo de 130 V RMS e pode ser visto na Imagem 10.
(BOURNS, 2011)
Imagem 10: Varistor MOV 14D201K
37
4. Resultados
4.1. Circuito Final
Após acrescidas as modificações e dimensionado os componentes do
circuito, o esquemático a seguir foi executado:
Figura 18: Esquemático do circuito finalizado
38
A frequência de oscilação do PWM é dada pelos valores de resistência e
capacitância ligados às entradas RT e CT, respectivamente, e é calculada pela
relação:
𝑓𝑜𝑠𝑐 =1
𝑅𝑇∗𝐶𝑇 (11)
O capacitor C9 ligado à CT foi fixado em 10 nF, enquanto RT possui um
resistor R3 de 2,2 kΩ em série com um potenciômetro R5 de 20 kΩ, de forma e
permitir uma regulagem da frequência de oscilação numa faixa entre 4,5 kHz a
45 kHz. Como não é desejável que o arco elétrico em regime permanente – sem
a execução de um sinal de áudio – emita algum som, a frequência foi regulada
para um valor aproximado de 30 kHz, fora da frequência da audição humana.
O potenciômetro R4, de 10 kΩ, permite regular o Duty Cycle do sinal. Este
foi regulado de forma a permitir um Duty Cycle aproximado de 50%. Isso
garante que quando o sinal de áudio for inserido no circuito, o Duty Cycle possua
uma margem para oscilar sem atingir os 100%.
A alimentação externa foi fixada em 24 Vcc, de forma a permitir a
utilização de uma fonte chaveada fácil de ser encontrada no mercado.
4.2. Simulações
Para realizar as simulações do circuito, foi utilizado o software LTSpice.
Devido à complexidade do circuito e as limitações do software utilizado,
o circuito foi simulado em blocos de forma a simplificar a visualização dos
resultados e diminuir o tempo de execução de cada simulação.
A ligação entre os blocos é feita através de fontes de tensão que emulam a
saída do estágio anterior.
4.2.1. Circuito de alimentação
O circuito de alimentação auxiliar consiste no circuito integrado LM7812
e os capacitores para redução de ruído. A tensão de entrada é uma fonte de 24
Vcc e a saída esperada são 12 Vcc. A Figura 19 é o esquemático simulado
39
enquanto a Figura 20 o resultado da simulação. Observa-se em azul a tensão de
entrada (24V) e em vermelho a tensão na saída (12V) do regulador.
Figura 19: Esquemático do circuito de alimentação auxiliar
Figura 20: Tensões na entrada e saída do circuito de alimentação auxiliar
4.2.2. Circuito seguidor de tensão
Consiste no amplificador operacional TL072 com configuração não
inversora e ganho unitário. Um divisor de tensão referência a entrada com 6 V
enquanto dois capacitores de 2,2 µF filtram os ruídos da entrada. A Figura 21 é o
circuito simulado enquanto a Figura 22 os resultados da simulação.
Figura 21: Esquemático do circuito seguidor de tensão
40
Figura 22: Tensões na entrada e saída do circuito seguidor de tensão
4.2.3. Circuito de Acionamento (PWM)
Composto pelo CI TL494 e os componentes para correta configuração do
mesmo. Os potenciômetros são representados por resistores, regulados com
valores calculados para se obter 50% de Duty Cycle e 30 kHz de frequência de
oscilação quando ausente o sinal de áudio.
Para o circuito simulado visto na Figura 23 foi utilizado um TL494 com
valores de frequência de oscilação definidos pelos resistores R3, POT_RT e pelo
capacitor C3, e Duty Cycle definido pelos resistores POT_DT1 e POT_DT2. Por
limitações do software, são utilizados resistores para simulação dos
potenciômetros, cujos valores devem ser alterados se necessário somente entre
as simulações.
Figura 23: Circuito PWM
41
A seguir estão apresentados diferentes resultados de simulações com
entradas básicas para melhor exemplificar o funcionamento do circuito PWM.
Na Figura 24 é mostrado o sinal PWM sem que tenha um sinal de entrada para
modular o circuito. Observa-se o Duty Cycle definido em aproximadamente
50%.
Figura 24: Saída simulada do sinal PWM sem entrada de áudio, com frequência de oscilação
fosc = 11 kHz
Nas Figura 25, Figura 26 e Figura 27 temos o sinal na saída do TL494 para
diferentes sinais na entrada (em vermelho). Pode ser observada a variação do
Duty Cycle nos momentos em que ocorre uma alteração nos valores da entrada.
Figura 25: Saída simulada do sinal PWM para uma entrada de onda quadrada com frequência
de 500 Hz
42
Figura 26: Saída simulada do sinal PWM para uma entrada de onda senoidal com frequência
de 500 Hz
Figura 27: Saída do PWM para uma entrada de onda senoidal composta por três sinais (50 Hz,
500 Hz e 5000 Hz)
4.2.4. Circuito de Potência
Devido às limitações do software, não foi possível simular o driver
TC4420. Assim, o circuito modulado consiste no MOSFET e seu circuito de
proteção, como visto na Figura 28. A Figura 29 mostra o resultado da simulação,
com o sinal entregue ao primário do transformador flyback.
Figura 28: Circuito de Potência
43
Figura 29: Tensões de entrada e saída (F1) do Circuito de Potência
4.3. Construção do circuito
A construção do protótipo foi realizada no Laboratório Integrado do
Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade Federal de Minas
Gerias. É um laboratório aberto aos alunos para desenvolverem seus trabalhos
ao longo do curso.
O circuito foi montado em protoboard, sendo a execução em placa de
circuito impresso algo a ser desenvolvido em trabalho futuro. O MOSFET foi
fixado em um dissipador de CPU Pentium com ventilador, de forma a prover o
resfriamento necessário.
Imagem 11: Circuito protótipo construído
44
O transformador flyback utilizado é da fabricante Phillips, modelo Ov
2076/20593. Foi escolhido um transformador de custo baixo para construção do
protótipo. O esquemático de um modelo equivalente do flyback é mostrado na
Figura 30. Para a saída de alta tensão, são utilizados o fio vermelho ligado a um
cone de borracha e o pino 8.
Figura 30: Esquemático do Flyback
Um novo enrolamento primário foi enrolado no flyback, com 10 bobinas
(vide Imagem 12), de forma a permitir uma maior relação de transformação e,
portanto, um arco elétrico maior na saída do transformador.
Imagem 12: Transformador Flyback com novo enrolamento primário
45
Duas barras de metálicas são utilizadas como eletrodos, fixadas em uma
caixa de papelão e ligadas ao secundário por pinos tipo jacaré, como visto na
Imagem 13.
Imagem 13: Transfomador flyback e eletrodos
Com o circuito de potência desconectado, foram regulados os
potenciômetros para definição da frequência de oscilação e Duty Cycle. A
frequência foi fixada em 30 kHz, e o Duty Cycle o mais próximo possível de
50%. As Imagem 14 e Imagem 15 a seguir são fotos da tela dos osciloscópio no
momento da calibração do circuito.
Imagem 14: Regulagem da frequência de oscilação
46
Imagem 15: Regulagem do Duty Cycle
4.4. Funcionamento do Circuito
O circuito foi capaz de gerar um arco elétrico entre os eletrodos, assim
como especificado. A distância máxima entre os eletrodos que permitiu a
geração do arco foi de 16 mm, o que nos permite estimar uma tensão de saída de
50 kV.
Imagem 16: Arco elétrico gerado
Foi constatado que mantendo a máxima distância, o arco constantemente
falhava, e o nível de ruídos ficou mais elevado. Foi estabelecida então a distância
de 12 mm para execução do restante dos testes.
47
Imagem 17: Arco elétrico gerado no ambiente com pouca luz
Inicialmente foram realizados testes utilizando um gerador de sinais com
uma onda quadrada para emular o sinal sonoro. Após testes satisfatórios que
garantiram o funcionamento do circuito entre 20 Hz e 20 kHz, foi inserido um
sinal de áudio fornecido por um notebook. Na Imagem 18 pode-se observar as
curvas entregue pelo gerador de sinais e gerado na saída do circuito de controle
antes de se interligar a entrada do sinal do gerador no circuito.
Imagem 18: Sinal de saída do PWM (curva 1) e sinal de entrada do gerador de sinais (curva 2)
para testes
48
Através da modulação pela variação do Duty Cycle, com a inserção do
sinal de áudio na entrada DTC do TL494, pode-se observar no osciloscópio a
variação do Duty Cycle quando um sinal de áudio era enviado, como visto na
Imagem 19.
Imagem 19: Sinal PWM modulado pelo Duty Cycle. Nota-se a variação da proporção
ligado/desligado na imagem atrasada do osciloscópio
Utilizando o osciloscópio ligado na saída do sinal PWM e na entrada do
primário do transformador foi possível observar a modulação do sinal sonoro
entregue ao flyback, na Imagem 20.
A saída do TL494, no canal 1, possui um valor de pico de cerca de 10 V,
que é o valor esperado para o circuito alimentado em 12 V. No canal 2, observa-
se os picos de tensão de até 250 V na entrada do flyback devido ao retorno
indutivo do transformador.
49
Imagem 20: Tensão na saída do TL494 (canal 1) e entrada do transformador flyback (canal 2)
Com o circuito completamente montado e testado, um sinal de áudio foi
inserido na entrada para que o alto falante possa reproduzir a música no plasma.
A execução saiu como planejado, com a música sendo executada inteiramente
pelo plasma entre os eletrodos e cobrindo uma ampla gama de frequência sonora.
Alguns ruídos ainda se encontram presentes, e o volume do som não está
satisfatório para execução em ambiente ruidoso, mas essas melhorias serão
previstas em um trabalho futuro.
50
5. Conclusão e Trabalho Futuro
O circuito proposto neste trabalho foi capaz de reproduzir música através
de plasma gerado entre dois eletrodos, assim como desejado. Isso demonstra que
é possível a construção de um circuito capaz de reproduzir sons sem a
necessidade da influência de massa do diafragma, permitindo assim a
reprodução acústica mais fiel de altas frequências sem problemas com a resposta
em frequência.
Com apenas tweeters de luxo em comercialização utilizando a tecnologia
proposta, esse circuito mostra a possibilidade da criação de um alto falante com
preço competitivo. Mas o circuito ainda necessita de melhorias para ser
considerado um produto comercial.
Alguns dos problemas encontrados foram a queima de MOSFETs durante
a calibração do circuito, presença de ruídos e baixa intensidade sonora. O
primeiro pode ser solucionado com um melhor dimensionamento do circuito de
proteção. Os ruídos devem ter sua origem identificada para melhor dimensionar
uma solução, mas boa parte dos mesmos se deve à qualidade dos eletrodos
utilizados. A troca por eletrodos de Tungstênio com ponta afinadas (ao invés das
pontas cilíndricas utilizadas) se mostra a provável melhor escolha. Diferentes
materiais com diferentes geometrias influenciam diretamente na qualidade do
arco gerado.
A intensidade do som pode ser melhorada através do aumento da área
ativa. Para isso é necessário um arco elétrico de maior porte, que pode ser obtido
aumentando a tensão de saída do circuito. O transformador flyback utilizado
deverá ser trocado por um de maior porte, para se obter melhores resultados.
Trabalhos futuros são necessários para se realizar as melhorias no circuito.
Outros trabalhos previstos são o desenvolvimento do circuito de controle
utilizando a topologia push-pull e a substituição do TL494 por um 555, circuito
eletrônico muito comum, barato e de fácil configuração.
Este trabalho foi capaz de demonstras as aplicações práticas do plasma na
reprodução acústica, ramo ainda com grande potencial a ser explorado. Alto
51
falantes de plasma são interessantes não apenas pela sua teoria, mas
principalmente pelas qualidades acústica e estética.
52
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