Amplificador de ÁudioCom Válvulas Termoiônicas

Autor: João Carlos Rosa da CunhaEngenheiro Elétrico.São Paulo, SP, Brasil

e-mail: ecc189@yahoo.com.br

RESUMO

Este artigo apresenta os resultados do projeto de um amplificador de áudio de alta fidelidade baseado em válvulas eletrônicas utilizando uma topologia conhecida como Circlotron [1]. Este artigo trata da síntese do Trabalho de Conclusão de Curso apresentado sob o título: Análise e Projeto de Áudio Amplificador [2]. Portanto, detalhes do projeto e execução podem ser encontrados no referido trabalho disponível no acervo da Universidade Cruzeiro do Sul.

ABSTRACT

This article presents the results of the project of an high-fidelity audio amplifier based on vacuum tubes using a topology known as Circlotron [1]. This article deals with the synthesis of the Graduation Conclusion Labor presented under the title: Análise e Projeto de Áudio Amplificador [2]. Therefore, the design and implementation details can be found in this work available in the collection of the Universidade Cruzeiro do Sul.

INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento dos transdutores eletroacústicos e das válvulas eletrônicas se deu início à amplificação eletrônica de áudio, e desde então se deu uma busca pela melhoria na reprodução sonora. A qualidade dos amplificadores de áudio está relacionada com a capacidade de reprodução fiel de sinais no spectro acústico, padronizado na faixa de 20Hz a 20kHz. Um amplificador de áudio ideal deve atuar apenas na amplitude de um sinal de entrada, sem nenhuma alteração em sua forma. Normalmente os sinais acústicos são complexos, formados por uma série de sinais senoidais sobrepostos de fases e frequências distintas que por vezes podem se estender muito além da frequência fundamental do sinal composto. Qualquer alteração em um destes componentes causará mudança (distorção) no sinal composto. Portanto as características de um amplificador de alta fidelidade (Hi-Fi) são basicamente: alta faixa dinâmica (baixo ruído), alta linearidade, resposta em frequência plana e baixo desvio de fase no spectro. Amplificadores que atendem estes requisitos são caros e de difícil projeto. As válvulas eletrônicas são elementos que trabalham com impedâncias elevadas (muito maiores que a impedância dos auto-falantes) e portanto, via de

regra, necessitam transformadores para casamento destas impedâncias. Estes transformadores são uma peça importante (e cara) nestes amplificadores; por este motivo, quando surgiram os transistores (que trabalham com impedâncias bem menores), estes rapidamente foram empregados nos áudio amplificadores, reduzindo o preço do equipamento. Apesar da baixa impedância, os transistores tem outras características (capacitância, velocidade, etc.) que diferem das válvulas e por vezes são desfavoráveis para amplificação de áudio.

AMPLIFICADORES

A. Classes de amplificadores analógicos de potência.

Os áudio amplificadores analógicos de potência dividem-se em dois grupos, a saber, os que trabalham com um único elemento (single end) em classe A e os que trabalham com dois elementos operando em contra-fase (push-pull). Os mesmos são classificados conforme o ângulo de condução do sinal, sendo que: nos amplificadores classe A o ângulo de condução abrange todo o ciclo (360º), nos amplificadores classe AB o ângulo de condução está entre 180º e 360º e nos amplificadores classe B o ângulo de condução é de 180º (os amplificadores classe C, cujo ângulo de condução é menor que 180º, não são empregados para áudio). Quanto menor o ângulo de condução maior o rendimento do amplificador.

B. Escolha da topologia

Os amplificadores classe A, apesar da possibilidade de obter menor distorção, são os que apresentam menor rendimento, portanto uma boa opção é trabalhar em contra-fase (push-pull) classe AB. Nos amplificadores valvulados, o transformador de saída tem grande influência na qualidade do amplificador. Um bom transformador de saída deve apresentar uma série de características, por vezes difíceis de obter (muitas delas são inter-relacionadas), tais como: baixa capacitância parasita, baixa indutância de dispersão, alta indutância de entrada, alto fator de acoplamento, baixa resistencia série, etc. Devido a estes fatos, quanto maior a relação de impedâncias, maior a dificuldade de controle de alguns parâmetros; neste caso a configuração Circlotron oferece a possibilidade de trabalhar com uma menor impedância de entrada, tendo em contra-partida o maior custo com a fonte de alimentação (deve

ser dupla). O circuito apresentado na figura 1 ilustra esta topologia.

Figura 1 – Amplificador Circlotron.

C. Descrição do circuito

O transformador de saída foi dimensionado para trabalhar com uma potência maior que 100Wrms com resposta plana (dentro de 1dB) na faixa de 20Hz a 20kHz. Um quarteto de 6L6 trabalhando em classe AB1 (sem corrente de grade de controle) são utilizadas (duas e duas em paralelo) para obter uma menor impedância de saída, trabalhando com 400Vdc em anodo.

Figura 2 – Diagrama do Amplificador.

Opcionalmente um quarteto de EL34/6CA7 pode ser utilizado para obter maior potência (trabalhando com 600Vdc). O circuito do amplificador é apresentado a seguir:

O estágio de entrada é composto por uma 6SC7, duplo triodo metálico, trabalhando como amplificador diferencial, amplificando o sinal e invertendo a fase; Q501 e Q502 formam um gerador de corrente de polarização deste estágio, onde RV502 deve ser ajustado para 2mA (90Vdc nos anodos). O sinal então segue para o estágio excitador formado por um duplo triodo do tipo 6SN7, que provê o ganho de tensão necessário. O estágio seguinte é composto pelo pentodo de potência 6L6 (dois em paralelo) trabalhando como seguidor catódico (ganho de corrente) excitando o primário do transformador de saída. Como o sinal excitador está relacionado a terra, devido a tomada central do enrolamento, a tensão no primário do transformador de saída (extremos do enrolamento) é aproximadamente o dobro da tensão de excitação.

O transformador de saída foi feito a partir de um núcleo toroidal “CNS de FeSi-3% GO chapa M4” com dimensões 15cm, 9cm e 6cm (respectivamente: diâmetro externo, diâmetro interno e altura), fornecendo uma secção aproximada de 26cm². Este foi devidamente preparado, sendo isolado e dividido em oito partes para distribuir os enrolamentos e obter uma menor capacitância parasita, melhorando assim a resposta em altas frequências.

Devido as dimensões do núcleo e o método de enrolamento, foi possível obter um transformador de áudio capaz de uma resposta plana (dentro de 1dB) de 20Hz a 20kHz mesmo trabalhando com potências em torno de 100Wrms.

Figura 4 – Fonte de Alimentação.

Os enrolamentos são compostos de 1480 espiras no primário (2x740) e de 136 espiras no secundário (96 para 4 Ω acrescidas de mais 40 para 8 Ω). A figura 3 mostra o transformador finalizado.

Figura 3 – Transformador de Áudio.

O amplificador fornece uma potência máxima de 60Wrms (em 4 Ω ou 8 Ω). A relação de espiras do transformador de áudio transforma estas impedâncias de saída para 950Ω, para adequar a impedância de trabalho dos pentodos de saída.

Os resistores de catodo do estágio de saída servem para equalização da condução do par em paralelo e como sensor de corrente do circuito de proteção.

O enrolamento de 17V de entrada também alimenta o circuito de arranque e o circuito de proteção (desliga o amplificador em caso de alguma falha). A figura 5 mostra o transformador de força finalizado.

Figura 5 – Transformador de Força.

Os sinais provenientes dos sensores de corrente são isolados através de acopladores 4N35 (IC101 e IC102) que fornecem alta isolação. Cada uma das outras duas secções do transformador de força fornece as tensões necessárias para filamento, anodo e polarização das grades do estágio final, bem como para os anodos do estágio excitador; uma combinação das tensões de anodo fornece a tensão de alimentação de anodo para o estágio de entrada. A figura 6 mostra o amplificador montado utilizando um quarteto de 6L6.

Figura 6 – Vista Frontal do Amplificador.

O ajuste da tensão de polarização (grade de controle) para o estágio de saída é feita pelos trimpots (RV303 e RV403), o ajuste de tensão de grade auxiliar (screen) é feita pelos trimpots (RV301 e RV401) e a limitação de corrente é feita pelos trimpots (RV302 e RV402). Para efetuar a calibração do estágio de saída as válvulas devem ser removidas e com um voltímetro monitorar durante o ajuste as tensões nos respectivos pinos nos soquetes de V701 e V702. Para tubos 6L6 a tensão de grade de controle deve ser ajustada para -40Vdc (entre pinos 5 e 8), a tensão de grade auxiliar deve ser ajustada para 330Vdc (entre pinos 4 e 8) e o limite de corrente destas grades, deve ser ajustado monitorando o limiar da queda de tensão (330Vdc) sobre um resistor de carga de 15kΩ (≈20mA) ligado temporariamente ao circuito (entre os pinos 4 e 8) para este fim. A figura 7 mostra a vista inferior do amplificador.

Figura 7 – Vista Inferior do Amplificador.

No transformador de força, os enrolamentos S3 e S7 são utilizados (em série com S4 e S8) para aumentar a tensão de alimentação de anodo do estágio de saída caso utilize outros tipos de válvula (6550, EL34, KT88, etc.) capazes de fornecer maior potência. O trimpot RV202 serve para balancear a alimentação de filamento das válvulas dos estágios de entrada e excitador, este deve ser ajustado para o menor nível de ruído de rede na saída.

Figura 8 – Resposta com Onda Quadrada de 20Hz.

Figura 9 – Resposta com Onda Quadrada de 1kHz.

Figura 10 – Resposta com Onda Quadrada de 20kHz.

D: Resultados

Os testes demonstram resultados compatíveis com o projeto, fornecendo uma potência de máxima de 60Wrms @ 6% de THD. A uma potência de saída de 40Wrms a resposta em frequência é plana de 20Hz a 20kHz, frequência de corte inferior menor que 10Hz e superior maior que 60kHz e uma faixa dinâmica superior a 70dB em toda banda.

A unidade também foi testada com um quarteto de EL34 alimentadas com 600Vdc. Neste caso a potência de saída

atingiu 100Wrms com menos de 2% de distorção. Nesta potência a resposta em frequência foi de 20Hz @ 0dB a 20kHz @ -0,5dB e uma frequência de corte em 66kHz. O desvio de fase foi menor que 2° em 20Hz e cerca de 22° em 20kHz.

Para obter um menor desvio de fase em 20kHz o transformador de saída de áudio deve ser dividido em mais secções para diminuir a capacitância parasita dos enrolamentos, neste caso é necessário ter um cuidado extra com os enrolamentos para não aumentar a indutância de dispersão.

O uso de onda quadrada para avaliação de amplificadores é uma prática antiga [3], pois esta forma de onda é composta por uma séria de frequências com amplitude e fases próprias, e qualquer mudança no espectro de frequência e/ou fase resulta em deformação do sinal original. As figuras 8, 9 e 10 mostram a resposta do amplificador trabalhando com onda quadrada com potência maior que 50Wrms em frequências de 20Hz, 1kHz e 20kHz respectivamente.

CONCLUSÃO

Os dados obtidos do amplificador mostram que os principais objetivos foram alcançados no projeto. A qualidade na reprodução sonora reflete os parâmetros levantados durante os testes. Os cálculos dos transformadores e técnicas de enrolamento se mostraram eficientes no desempenho destes componentes.

REFERENCIAS

[1] Parallel Opposed Power Amplifiers, Pat. nº 2,705,265; March 29, 1955.

[2] Cunha, João, Análise e Projeto de Áudio Amplificador, TCC do Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Cruzeiro do Sul, 2012.

[3] John D. Ryder, Engineering Electronics, International Student Edition, McGraw-Hill, 1957, Chapter 6.