Post 69 - Polarizando um Giannini - parte 2

 Sequência do cálculo  (desenho no post anterior)

  Ainda não se tem a sensibilidade de entrada, ou seja, o valor da tensão máxima de entrada, isso se obtem no final conforme o valor escolhido para alguns resistores. Considera-se que será aplicado na entrada uma tensão senoidal na frequência de 1khz (pode ser outra frequência por exemplo 440hz) de modo a ser a maior tensão possivel antes da onda clipar (ceifar nas extremidades), ou seja, se obter uma sonoridade limpa na saida do amplificador.

  Este valor ainda não conhecido deve então multiplicado pela √2 (ou seja 1,41) para se obter a tensão de pico que corresponde uma onda quadrada aplicada, ou seja a coisa é toda feita supondo uma onda quadrada na entrada.

  A qualidade da reprodução dessa onda quadrada basicamente determina a qualidade do amplificador, a medição disso utlizando um gerador de sinal em varias frequências e um osciloscópio é outro assunto. Utilizando essa topologia geralmente se consegue uma boa qualidade por mais simplificado que se use sem melhorias extras no esquema (espelho de corrente, fonte de corrente constante, etc), ou a não ser que se erre muito no cálculo e nas margens de erros dos componentes em alguns pontos do esquema.

  Começa-se o cálculo de traz pra frente, ou seja pelo etapa dos transistores de saida, a tensão da fonte e a impedância do alto falante. Se não soubesse a tensão da fonte seria necessário saber a potência do amplificador ou escolher a potência que se queira. Será mostrado das duas maneiras.

  Quando se conhece o valor da tensão da fonte

  Nesse Giannini a tensão é de +36V e -36V. O alto falante de 8Ω.

  Escolhe-se então um lado do Push-Pull no desenho, supondo que se escolha o lado que se tem Q6, R17 e R18. Dos 36V tem-se que calcular a tensão sobre cada componente.

  Dos 36Vcc da fonte, de cara se pode reduzir em cerca de 10% que corresponderá a perdas na propria fonte, perdas no proprio circuito e em uma escala menor, o consumo no restante do circuito (ainda sem considerar a etapa dos transistores de saida). então 36V - 3,6V = 32,4V

  Os transistores de saida são os Tip41C, o valor de saturação de VCE no datasheet é de 1,5V, supondo que não se conhece o transistor ou se use outro sabendo-se apenas que é um modelo de acabamento plastico de média potência então escolheria-se um VCE de 2. Este VCE corresponde a um valor de tensão considerada esperdiçada no transistor no decorrente do seu funcionamento. Dai então se deduz este valor na fonte, assim 32,4V - 2V = 30,4V

  Para os resistores de ballast escolhe-se arbitrariamente um valor de resistor a ser usado no circuito. Já foi visto no post 64 quando se é melhor ter um valor maior ou menor. Será escolhido o valor de 0.33Ω para ficar igual ao valor original do circuito. Como ainda não se tem o valor da corrente máxima não da pra saber ainda qual a queda de tensão exata nos ballasts mas dá para estimar aproximadamente com a queda da tensão da fonte calculada até aqui.

  Corrente máxima provisória

  Calcula-se então uma corrente máxima provisoria aproximada com o valor de tensão descontado da fonte até aqui. I = V/R

  Imax(provisório) = Vcc da fonte / R falante = 30,4 / 8 = 3,8A

  A corrente em cada ramo do push-pull será a metade 3,8A / 2 = 1,9A

  Tensão em cima dos resistores de ballast

  Assim a tensão em cima dos resistores de ballast será: V = RI

  Vbal = 1,9A x 0,33Ω = 0,6V O engenheiro do projeto optou por duas proteções sendo dois resistores (R16 e R17), assim seria então 1,2V.

  Tensão extraida dos transistores de saida

  Então a queda de tensão total será 30,4V - 1,2V = 29,2V

  Dos 36Vcc apenas estes 29,2V virão dos transistores de saida como Vac (+29,2V e -29,2V) entretanto uma onda quadrada é como se fosse um tensão contínua.

Esta tensão será chamada de tensão alternada de pico, ou seja, será considerada a tensão máxima do sinal na saida do amplificador quando houver uma onda quadrada aplicada na entrada.

  Observa-se que é uma tensão estimada (não é um valor exato), no circuito final montado isso poderá ser um pouco mais ou um pouco menos.

Cálculo da potência do amplificador

  Tendo esta tensão é possivel cálcular a potência máxima do amplificador pela fórmula:

  Psaida = ( Vpico )² / 2 x Rfalante

  Psaida = (29,2V)² / 2 x 8Ω = 53,3W (também é um valor aproximado)

  Sem conhecer o valor da tensão da fonte

  Supondo que não se soubesse a tensão da fonte e se quizesse extrair com o esquema dado 53W de potência. O raciocínio é ao contrário:

  invertendo a fórmula tem-se: ( Vsaida )² = 2Rfalante x Psaida

  (Vsaida)² = 16 x 53,3W assim Vsaida = √ ( 16 x 53,3 ) = 29,2V

  Adiciona-se o valor de VCE saturado = 2V então 29,2 + 2 = 31,2V

  Calcula-se a corrente máxima provisória aproximada e com essa corrente, cálcula-se a valor da queda de tensão nos ballasts (+1,2V), em cima disso tudo estima-se cerca de 10% a mais. Neste caso como se teria 32,4V os 10% seria 3,24V (e não 3,6V como no processo feito com a tensão da fonte). Daria uma tensão final de 35,64V para a fonte e arredonda-se para 36V.

  Corrente máxima real definitiva

  O importante é que o valor de 29,2V é o valor usado para o cálculo daqui pra frente (sendo generoso supondo que não haverá mais perdas). Assim pode-se ter a corrente máxima definitiva.

  Imax = 29,2 / 8Ω = 3,65A   (no cálculo provisório deu 3,8)

  observação: a corrente máxima é considerando os dois transistores do push-pull juntos, a tensão é 29,2V de cada transistor de saida mas cada um conduz um semi-ciclo de cada vez. Então seria 3,65A /2 e cada ramo do PP = 1,77A.

  Corrente média - Será o consumo de corrente em cada ramo do PP quando for aplicado uma onda senoidal máxima na entrada do amplificador e obtida na saida a onda senoidal máxima sem distorcer. Em tese é a corrente mínima para o cálculo do transformador de força. É dada pela fórmula:

  Imedio = Imáx / ∏ = 3.65A / 3,14 = 1,16A

  Escolha dos componentes nessa etapa de saida

  Transistores de saida

  Sempre se terá o momento em que um dos transistores de saida está inativo então a tensão de pico será a tensão de 29,2 mais a tensão em um dos ramos, ou seja mais a metade da tensão da fonte.

  29,2V + 36V = 65,2V escolhe-se um transistor com tensão de coletor emissor superior a essa (o Tip41C suporta 100V).

  A corrente suportada no coletor do transistor é melhor que seja maior que a corrente máxima consumida que é de 3,65A (em torno do dobro). O Tip41C suporta 6A (de acordo com seu datasheet).

  Para os resistores de ballasts que são de 0,33Ω é preciso saber a potência dissipada neles. Com a corrente definitiva. A corrente máxima definitiva é

  Vbal = 1,77A x 0,33 = 0,58V então sendo P = VI = 0,58V x 1,77A = 1,03W ≈ 1W

  Assim cada resistor deve dissipar 1W, escolhe-se então um com dissipação maior que isso. Um resistor de 0R33 por 2W (de fio) é facilmente encontrado.

observação - A tensão final da fonte deve ter sempre alguns volts a mais (por isso os 10% a mais no mínimo), pode-se reparar que no ramo do PP formado por R14, Q7, R12 e R13 tem um ballast a mais (não sei exatamente porque razão).

continua. . .

Post 68 - Polarizando um Giannini - parte 1

   Nestas postagens a seguir vou expor a maneira prática que eu faço para saber os valores de resistores e capacitores descobrindo as tensões e correntes em cada ponto do circuito da etapa de potência. É um modo simplificado e portanto não tem uma precisão de engenheiro mas funciona nesta topologia de circuito (que é a mais comumente usada).

  Esta é a etapa de potência usada no amplificador da Giannini conhecido na época como “Bagão” porque era o modelo mais potente que o famoso Baguinho da Giannini, o amplificador ganhou esse nome popular porque os modelos tinham as letras BAG1, BAG7, etc.

  Não se sabe de onde a Giannini copiou esse esquema (eles nunca projetaram nada), mas é um circuito muito bem projetado pois se consegue arrancar 50W limpos com pouquíssimos componentes e componentes baratos sendo então um circuito bem econômico.

  Este esquema não está na internet, eu copiei observando a placa original do amplificador (varios deles) na época ( nos anos 80 e 90). Eu montei uns 15 ou mais dessas potências com diferentes desenhos que fiz da placa na época.

   Como se vê a topologia é o básica classe AB com com par diferencial na entrada porém tem uma pequena modificação que foi a colocação de C2 e R5 invertidos onde o R5 faz uma função tipo terra virtual sendo o negativo do alto falante retirado desse terra virtual (num amplificador combo não precisaria de jack de saida). Nessa configuração o valor de R5 fica praticamente sendo o mesmo valor dos resistores de ballasts.

  Desse modo facilita uma montagem em serie (valores de resistores iguais facilita na montagem), uma mínima variação de R5 afeta o ganho, por exemplo com um transformador bem mais potente diminuindo R5 para 0,22Ω aumenta bastante o ganho (se não aumentar a potência do trafo irá dar hummm no som). Logicamente tudo depende também de se ter os transistores de maior potência pois haverá também mais aquecimento. Configurado nessa forma o som é bastante limpo (mais até do que do modo convencional com C2 no terra).

  Pode-se observar também os valores de R9, R11 e R15 tudo igual de 330Ω para ficar facil numa linha de montagem

 Convencionando os hfe (betas) dos transistores

  Antes de iniciar a coisa toda é preciso convencionar os betas dos transistores, o que é um chute (no saco) porque no proprio datasheet dos transistores que serão escolhidos muitas vezes há varios valores de beta para um mesmo transistor com condições diferentes de correntes. Assim muitas vezes não dá pra usar o valor de beta que está no datasheet.

  A regra geral é que usando valores maiores para o valor de beta sempre se terá valores menores de corrente de consumo, ou seja, transistores com ganho beta maior necessitam de menos corrente.

  Enquanto maior a potência do transistor menor é o seu beta, ex: um 2n3055 tem um beta de 30 e suporta uma corrente de 15A e um BC548 pode ter um beta mínimo de 100 mas suporta uma corrente de apenas 0,1A.

  Assim tem-se que convencionar ou estimar empiricamente quando será usado o Beta mínimo ou um beta médio, valores estes encontrados nos datasheets dos transistores. Os valores serão 30, 40, 50, 100 ou 200 dependendo do tamanho do transistor.

Convencionando a tensão de saturação VCE dos transistores

  A voltagem ou tensão de saturação entre coletor e emissor está entre 0,5V a 3V dependendo do transistor, transistores potentes é sempre maior, geralmente 2 ou 3V e precisa-se destes valores para o cálculo nos transistores de saida. Nos datasheets de transistores é dado este valor mas não é necessário seguir a risca. Geralmente se usa um valor ligeiramente maior (antes ter tensão de sobra na fonte do que faltar).

  Outros valores de tensão suportado pelos transistores usados bem como correntes e potência de dissipação serão observados no datasheet de acordo com o momento do cálculo.

continua. . .