Post 77 - Configuração Autopolarização ( Self-bias ) de novo

   No post 73 eu demostrei como calculo de forma prática a polarização de um transistor em ponte (sem ser acadêmico demais). Falta então a autopolarização como se calcula de maneira mais detalhada pois de maneira bem mais simplificada eu postei logo no início deste blog (posts 3 e 4).

  A diferença principal entre a polarização em ponte e a autopolarização é que na autopolarização a polarização fica trancada, ou auto ajustada, ou automática (dai o nome auto-polarização), mesmo que se modifique a tensão DC (CC) que alimenta o circuito tudo permanece polarizado, o que muda é a corrente de coletor. É também chamada de polarização por realimentação porque o resistor de base retorna parte do sinal do coletor para a base com a fase invertida (isso diminui um pouco a amplificação em ganhos muito altos).

  Na polarização em ponte se mudar a tensão DC tem que recalcular tudo, ou seja muda todos os valores de resistores. Na realidade é chamada de polarização em ponte H porque o posicionamento dos 4 resistores ao redor forma a letra H sendo a base do transistor a linha do meio onde transita as correntes. Como não tem resistor de realimentação o ganho máximo é máximo mesmo (ver o desenho no post 73).

  O início do processo é o mesmo já explicado da polarização em ponte no post 73. Determina-se uma corrente para o coletor bem maior que a corrente que será injetada na base (baseda na potência da fonte sonora a ser amplificada levando em conta o valor da tensão AC de sinal pois a corrente é geralmente muito baixa). A partir dessa corrente calcula-se o resistor de coletor Rc. Daí para frente o processo é mais simples sem precisar de conhecer o beta (Hfe) do transistor.

  Cálculo de RC aproximado

  Assim como na polarização em ponte a tensão de alimentação será dividida por 2 para que se possa obter mais ou menos o ponto central na reta de carga, porém convém aqui somar mais alguns detalhes.

  Leva-se em conta também a tensão de saturação do transistor entre coletor e emissor (como visto no post sobre cálculo nos transistores de saida do amplificador Giannini), deve-se considerar o VCEsat que para transistores pequenos de 0,5V a 1V assim usa-se 0,7V sempre (mesmo que no datasheet mostre um valor diferente).

  Considera-se também a queda de tensão entre base e emissor 0,65V ou 0,7V (0,7 é melhor para pequenos transistores).

  Assim a queda de tensão imposta pelo resistor Rc deverá ser = VDC/2 + 0,7V + 0,7V sempre.

  Como exemplo será estimada uma corrente de 0,5mA sobre Rc e uma tensão de alimentação de 12V.

  Tensão Rc = 12V/2 + 0,7V + 0,7V = 7,4V

  Rc = V / I = 7,4V/0,0005A = 14800Ω ≈ 15K

  A tensão medida entre o coletor e o terra será ≈ 12V - 7,4V = 4,6

  Estas tensões são todas estimadas e podem variar ligeiramente conforme a corrente escolhida.

  O aumento de 0,7V + 0,7V é fixo para qualquer tensão DC e assim não sendo proporcional haverá sempre uma pequena margem de erro ao se mudar a tensão de alimentação, mas é mínimo considerando um cálculo prático.

  Cálculo do resistor de base Rb (ou de realimentação Rr)

  O resistor de base depende de quanto de corrente de sinal será permitida entrar na base, está deverá estar entre umas 50 vezes a 100 vezes menor que a corrente de emissor (geralmente uso de 70 a 100), assim no exemplo:

  Ib = 0,0005A / 100 = 0,000005A = 5uA 

  Ib = 0,0005 / 70 = 0,000007A = 7uA  (para maior corrente na base)

  No caso de ser preciso permitir uma corrente ainda maior na entrada então deve-se estimar para Ic uma corrente bem mais alta (e abaixo da corrente máxima que o coletor do transistor suporta, ver no datasheet) ou também se possivel aumentar a tensão DC da fonte.

  Então o valor de Rb será 7,4V / 0,000005 = 1480000Ω ≈ 1M5 (ou de maneira bem mais facil 100 vezes maior que Rc)

  ou com 70 vezes menor 7,4V / 0,000007 = 1057142Ω ≈ 1M (ou 70 x Rc ≈ 1M)

  Poderia ser usado até umas 10 vezes menor (Rb = 10 x Rc = 10 x 15k = 150K) mas nesta condição o ganho de amplificação cai, o ponto na reta de carga fica mais longe do centro não pemitindo um swing perfeito da onda se na entrada o sinal tiver uma tensão muito alta (umas das fases da onda poderá ter a crista cortada).

  Valores para Re

  O resistor de emissor pode ter qualquer valor até mesmo um valor igual a Rc (ganho unitário), vai depender do ganho que se quer na saida do coletor. Costuma-se referir como o ganho sendo o valor de Rc/Re mas não é bem a realidade pois a medida que se quer um ganho bem maior o ganho tende a cair bastante (começa a cair a partir de umas 25 a 30 vezes). A tabela abaixo dá mais ou menos uma ideia com 12VDC e um transistor BC550 ,o beta do transistor praticamente não influe (a menos que seja baixo demais):

  Na primeira coluna extraido num simulador no computador e na segunda na situação real com oscilador e osciloscópio associando resistores de modo a conseguir o valor da resistência obtida para Re o mais próximo possivel.

  Re = Rc         ----------- ganho =  1            ganho = 1

  Re = Rc/3      ----------- ganho =  2            ganho = 3

  Re = Rc/5      ----------- ganho = 3,4          ganho = 5

  Re = Rc/8      ----------- ganho = 5,4          ganho = 8

  Re = Rc/10    ----------- ganho = 6,7          ganho = 10

  Re = Rc/12    ----------- ganho = 8             ganho = 12

  Re = Rc/15    ----------- ganho = 10           ganho = 15

  Re = Rc/20    ----------- ganho = 13           ganho = 20

  Re = Rc/25    ----------- ganho = 16           ganho = 25

  Re = Rc/30    ----------- ganho = 18,8        ganho ≈ 28

  Re = Rc/34    ----------- ganho = 22           ganho ≈ 31,5

  Re = Rc/45    ----------- ganho = 27           ganho ≈ 39,6

  Re = Rc/55    ----------- ganho = 32           ganho ≈ 48

  Re = Rc/65    ----------- ganho = 36,6        ganho ≈ 54

  Re = Rc/75    ----------- ganho = 41           ganho ≈ 61

  Re = Rc/100  ----------- ganho = 51           ganho ≈ 76

  Re = Rc/150  ----------- ganho = 67,5        ganho ≈ 96

  Re = Rc/200  ----------- ganho = 80           ganho ≈ 100

  Re = Rc/300  ----------- ganho = 99           ganho ≈ 136

  Re = Rc/500  ----------- ganho = 121         ganho ≈ 160

  Re = Rc/1000 ---------- ganho = 145         ganho ≈ 185

  Re = zero      ----------- ganho ≈ 160         ganho ≈ 200

  Da pra ver que não dá pra confiar muito em simuladores digitais. Ao que parece o programa mostra um valor de pico mas calcula em RMS (multiplicando por 1,414 se obtém um valor próximo ao da segunda tabela).

  Diminuindo tensão de alimentação DC o ganho tende a cair e vice-versa mas nada tão exorbitante.

  Para que tudo fique estavel mesmo mudando a tensão de alimentação alguma coisa tem que mudar, a corrente que foi estimada para Rc aumenta mais ou menos linearmente quando se aumenta a tensão DC (e vice-versa). Os 500mA em 12V passa para 1000mA em 24V no exemplo.

  A corrente estimada para calcular Rc se for muito baixa dará um valor muito alto para Rc, isto fará os ganhos da tabela cairem um pouco (vice-versa se a corrente for muito alta), a tabela dá uma ideia aproximada.

  A autopolarização permite que o transistor funcione até uma tensão mais baixa que 6V (até uns 4V funciona) enquanto que na polarização em ponte 6V já é começa a ser pouco para funcionar.

  Tudo isto visto só é válido para simples pré-amplicação de sinal, caso em volta do circuito seja adicionado componentes para funcionar como filtros de frequências (tipo Sellen-Key ou outros) certamente os valores de ganhos poderão ser diferentes pois deverá ser usado as fórmulas dos filtros.

Post 76 - Polarizando um Giannini - Otimizado - Final

  Fonte de alimentação

  O mais simples possivel, nada de diodos especiais, de capacitores anti-pick entre os diodos, nada disso, 4 1N4007 e dois capacitores de 3300uF/50V se o amplificador for usado para se ouvir música, se for para guitarras até 1000uF dá, no entanto 2200uF hoje em dia não estão caro mais. Nem é necessário desenhar o esquema aqui.

  Guitarras não alcançam frequências tão baixas, a necessidade de ser ter capacitores de maior capacidade é para música ou instrumentos que alcançam frequências abaixo de uns 60hz pois essas notas graves ao serem tocadas puxam muita corrente da fonte descarregando os capacitores de filtro da fonte muito rapidamente não dando uma boa filtragem no momento dessas notas.

  Assim algum ruido Humm passa para o circuito tirando a nitidez dos graves. Logicamente capacitores de maior capacitância carregam e descarregam mais lentamente.

  O que está embutido na coisa (não está nos livros, a escola não ensina e pouca gente sabe) é que a quantidade de capacitância também depende do trafo, não só da corrente que sobra no trafo além da necessidade que o circuito puxa, como também da propria construção do trafo e de seu cálculo.

  Não explicarei detalhadamente aqui pois teria que explicar tudo sobre transformador mas dá pra adiantar que um trafo calculado com economia de espiras nas bobinas e economia de potência e dependendo da propria construção da bobina (nos EI) irá precisar de mais capacitância na fonte, seja um trafo de laminação tradicional “E” ”I” ou um trafo toroidal. Não é só o “ripple” da fonte ou o tanto de corrente que se puxa nos graves.

  Um trafo para este amplificador

  Este foi o trafo que eu calculei e construi me baseando em 45W de potência sonora e baseando em uma potência nominal de 70W (ou VA como a maioria prefere).

  Logicamente se ajustar o sinal de entrada e o ganho do amplificador para se obter apenas 35W (menor aquecimento nos Tip41C) vai sobrar potência no trafo. Poderia então ter sido um trafo menor, de menor potência, mas esse foi o que construi e pode servir para qualquer amplificador que use aproximadamente as mesmas tensões de até 50W de potência sonora que aguenta bem.

   Laminação GNO comum ou recozida (usei recozida) formato EI de perna central 2,8cm e lâminas de espessura 0,5mm.

   Empilhamento formado de 4,2cm no mínimo (não precisa ser exato, pode ser 4,25 ou 4,3 dependendo da construção do carretel). Mais ou menos 1,550kg de ferro.

  Carretel de papelão, espessura da base menor que 1mm (mais ou menos 0,8mm), espessura das paredes laterais e do meio (abas ou flanges) em torno de 1mm. Eu faço com dois papelões bem rigidos mais finos colados um no outro com epoxi dando 1mm. Num post passado de amplificador valvulado mostrei mais ou menos como faço (depende da criatividade de cada um).

  Divisão do carretel

  A flange do meio (que divide o lado do enrolamento primário e secundário) deve ser colada na base deixando exatamente 21,5mm para o primário e 18,5mm para o secundário.

  21,5 + 18,5 = 40mm sobando 2mm para colar as flanges laterais de 1mm cada (a base interna da lâmina tem 42mm). Se isso ficar mal dividido no final um dos lados fica dificil de caber todas as espiras pois os enrolamentos ficam bem cheios.

  A maioria no Brasil enrolam trafos um enrolamento sobre os outros (não é muito a minha preferência), pode ser feito assim também que certamente cabe se for enrolado bem apertado.

  Enrolamentos

  É possivel enrolar este trafo manualmente desde que se tenha um eixo qualquer para colocar o carretel de forma a gira-lo com a mão, mas logicamente uma bobinadeira simpels qualquer torna o serviço muito mais facil.

  Primário - 496 espiras - fio 25AWG para 127V (ou 468 espiras + 28 espiras 120V + 7V como eu fiz). 364 espiras - fio 27AWG (extensão para 220V). Enrolamentos diretos fio sobre fio.

  Secundário - 108 + 108 espiras - fio 21AWG em enrolamento bifilar com tomada central (27,5V CT 27,5V). A maioria de enroladores de trafos detestam fazer enrolamento bifilar pois em algumas bobinadeiras fica bastante dificil e a coisa fica praticamente manual, ai enrolam 108 e depois mais 108 por cima um do outro e ficam caladinhos (ai, haja capacitor pra filtrar a fonte).

  Ainda é possivel colocar umas 14 espiras de fio 33AWG (ou 34) sobre o lado enrolamento primario para ligar um led de painel completamente separado da fonte, isso é opcional. Um led ligado direto no trafo elimina completamente uma possibilidade de vazamento de loop (ruido humm) por causa de um led no circuito DC. Usei plaquinha de cobre colada para soldar fios (ao invés de fios saindo)

  E também é possivel 46 + 45 espiras (11V CT 11V) de fio 33AWG em uma camada sobre a outra para uma fonte de pré amplifcador separada opcional enrolado sobre o lado do secundário (não errei não, a camada de cima é 45 espiras mesmo).

  Os fios foram todos de 180° graus Celcius de aquecimento cujo isolamento é mais grosso (fio pra enrolar motor), isso faz com que as bobinas ocupem mais espaço, o ideal é o fio para 130° graus Celcius que ocupa menos espaço mas é mais dificil de achar vendendor destes.

  Eu esqueci este amplificador ligado por uma semana e trafo apenas mornou um pouco (enquanto melhor a qualidade das lâminas e o aperto delas menos esquenta).

Post 75 - Polarizando um Giannini - Otimizado - continuação

   Dissipador de calor - esse é problema

  Usei um dissipador de aluminio de 12cm por 10cm em formato ” L “ por mais ou menos 1,5mm (um pedaço de vergalhão que achei na rua), é pequeno para a potência máxima (esquenta pra burro). Se for pra utilizar o amplificador com a potência máxima seria necessário um dissipador mais grosso e maior.

  Os transistores de saida também poderiam ser trocados por um mais potente tipo o MJE3055 (que é um pouco menos potente que o 2N3005 normal), ou mesmo algum da seria 2n3055 sem ser o MJE (o MJE é mais barato), porem são mais caros que Tip41C.

  O normal na montagem de um amplificador de guitarra barato é usar o proprio chassi como dissipador com uma pequena barra de metal como reforço no ponto onde estão aparafusados os transistores pelo lado oposto no chassi. Utilizar um pré-amplificador com uma saida de tensão menor que 0,81V dando uma folga para que não se utilize a potência máxima (um resistor em serie atenuando a entrada).

  Assim acredito que até uns 35W este esquema vai bem sem torturar os Tip41C.

   Montagem de teste

  Esta é a montagem para o teste, em Q3 primeiro usei um BC337 que esquenta bastante na máxima potência, depois substitui Q3 por um BD139 (o que se vê na foto) e o aquecimento é mínimo. Até os 35W um BC337 vai bem já que a ideia deste amplificador foi ser uma coisa bem econômica.

  Criei espaço na placa para a opção de usar um ou outro inclusive podendo deitar o BD139 (na foto está em pé).

    Os resistores de 0R33 usei 3 de 1 ôhms em paralelo por serem mais baratos e para o teste da watagem necessária. Na foto ainda está misturado 3 de 1/4 de watt e 3 de 1/2 watt para ver se o teste coincide com o cálculo feito no post 69. Usando 3 de 1/2W mostrou que 1W e meio é o suficiente. Podem ser substituidos cada grupo de 3 por apenas um de 0R33 em cada.

   Desenho da placa

   Vista das peças por cima, as trilhas estão por baixo. Melhorei a posição da fonte e os capacitores em relação a montagem da foto, na foto um dos capacitores dificultava de apertar o parafuso do transistor de saida. 

    Placa com o traçado

     Está do lado pronto para imprimir numa laser e transferir com um ferro de passar roupa (a técnica mais simples de fazer), assim na placa de cobre a visão será ao contrário em espelho. A placa tem 10cm e no lado dos transistores de saida pode ter 7cm a 10cm (7cm é o mínimo). O dissipador transpassa por cima da placa cerca de 1cm para parafusar junto, se a placa for mais larga permite o uso de 2 parafuros a mais. 

    Há espaço para um resistor para um led indicador (on/off) e dois resistores redutores de tensão para uma enventual saida de tensão para um pré. Todos estão marcados como Rled pois pode tirar o led de qualquer ponto. Num dos pontos é retirado da tensão AC (melhor pois evita ruido humm).

  

Post 74 - Polarizando um Giannini - Otimizado

    Os valores dos componentes no esquema final otimizado observando a onda quadrada e a senoidal aplicada na entrada com o máximo valor de tensão da senoidal até antes de ceifar os picos, em varias frequências no software Multisim, e montado e testado numa placa real. Logicamente no virtual é uma coisa, no real é outra e alguns os valores estão mais abaixo para comparação.

  A faixa de frequência ficou bem melhor mas não chega a ser um amplificador Hi-Fi para se ouvir música, abaixo dos 70hz a tensão de saida começa ter uma ligeira queda (hi-fi é abaixo dos 30hz).

  Na região aguda acima dos 50KHz a onda quadrada já se torna uma onda trapezoidal, embora assim na década de 1970 era considerado Hi-Fi, hoje não é mais, existem na atualizada circuitos bem mais elaborados que mantem a forma de onda quadrada perfeita numa extenção de frequência bem maior. Contudo a forma de onda quadrada se mantem bem até os 30KHz que é acima dos 20KHz que é o máximo que o ouvido alcança (quando se é jovem).

  Nessa região esses harmônicos de alta frequência dependem quase que exclusivamente do valor do capacitor C3 (filtro Miller), sem esse capacitor geralmente o circuito fica muito sensivel nos agudos e por qualquer razão pode começar a apitar (não filtra os harmônicos e passa tudo).

 Enquanto maior o valor mais abaixa a frequência de corte dos harmônicos e isso deforma a onda quadrada fazendo ela ficar mais em forma de trapezio, porem na forma senoidal não muda praticamente nada.

  O valor de 10pF foi o menor valor conseguido sem muito “ringing” na onda quadrada observada no software multisim. Ringing se caracteriza por um execesso de brilho quando se ouve instrumentos de agudo (só se nota se tiver muito ringing), já na forma de onda quadrada a reta do topo da onda parece que está passando um minhoca ou cobra pequeninina no início da reta ficando reta em seguida. Para um amplificador de guitarra esse valor está exagerado e pode ser aumentado entre uns 30pF até uns 50pF (alguns amplificadores de guitarra usam até 100pF).

  O Slow-rate não é ruim mas não é lá grande coisa pois o circuito é simples demais (por isso não é Hi-Fi), Slow-rate é a velocidade do traço de subida e de descida da onda quadrada, se esses traços são muito lentos o quadrado fica parecendo meio em forma de trapezio (ver em 50Khz como é lento). Transistores de transição mais rápida melhora isso.

  O nivel de ruido chamado THD eu não tenho equipamentos para medir mas acredito que seja muito baixo (provavelmente abaixo de 0,2%), para comparação um amplifcador valvulado bom esse ruido é acima de 1% (em amplificadores de guitarra é sempre maior que 3%).

  Para um amplificador sem grandes pretenções devido a simplicidade do circuito para os ouvidos normais dá pra ouvir música tranquilamente com um som limpinho.

  Teste com potência máxima

  Com tensão de +37V e -37V (ao invés de 36V, no cálculo do trafo deu 1V mais alto).

  Variando o valor de R5 responsavel pelo ganho dependendo se trafo segura a potência, quando o trafo não segura o ruido humm tem seu volume aumentado e é ouvido.

 Multisim - R5 = 0,33Ω - senoidal na saida = 20,75V = 53,8W - máxima entrada 1,22V

 Na placa - R5 = 0,33Ω - senoidal na saida = 17,84V = 39,8W - máxima entrada 0,81V

 Na placa - R5 = 0,25Ω - senoidal na saida = 19,05V = 45,3W - máxima entrada 0,81V

  Continua . . .

 

Post 73 - Configuração em Ponte - cálculo prático

    No post 71 em cálculo do VAS eu fiquei de demonstrar com mais detalhes uma maneira de polarizar um transistor na configuração de emissor comum em ponte de maneira prática começando do zero (lá para o cálculo do VAS já se tinha alguns valores e não foi necessário o cálculo inteiro).

    No post 3 bem no início desse blog eu mostrei uma maneira bem prática, quase sem cálculo nenhum para dar valores aos resistores nessa polarização para a maioria dos transitores pequenos de baixa potência, só ajustando os valores dos resistores empiricamente e ouvindo a qualidade sonora com o som da guitarra injetada na entrada. Já fiz dessa maneira varias vezes quando não necessitava muita precisão.

    No entanto, o ponto quiescente ideal de funcionamento do transistor na sua zona linear (entre   saturação e corte) poderia não se situar perfeitamente no meio da reta de carga.

  O modo de calcular a seguir dá muito mais precisão mas requer mais dados de datasheet do transistor específico, ainda assim usando apenas a lei de Ohm.

                                 R = V / I I = V / R V = R X I

    Tensão da fonte

  Pode ser qualquer tensão suportada pelo transistor mas geralmente tem-se os valores usuais que são 5V, 9V, 10V, 12V, 15V, 18V, 24V para transistores de pre amplificação.

  Usando como exemplo uma fonte Vcc de 15V com um transistor BC550 com um beta de 200 como referência

  Sabe-se que a tensão de junção entre base e emissor é de 0,6V ou 0,7V, como nunca se sabe exatamente (geralmente é 0,6V para os transistores de muito baixa potência) é melhor adotar sempre 0,65V para todos os casos.

  Corrente de Coletor Ic e de Emissor Ie

  O primeiro passo é estimar uma corrente para o coletor do transistor, o valor dessa corrente deve ser estimado baseado na potência do sinal que será aplicado na base, mais precisamente considerando o valor da tensão deste sinal pois o valor da corrente chega a ser insignificante.

  Se por exemplo o sinal ja vier amplificado de algum circuito externo ou estágio de circuito anterior poderá se estimada uma corrente de até uns 5mA. Se for um sinal muito fraco (tipo um microfone) a corrente estimada poderá ser bem baixa (uns 100uA a uns 400uA).

  Um sinal de um captador de guitarra por exemplo pode estar entre uns 100mV e no muito uns 500mV mas a potência é baixa pois a corrente nesse sinal é muito pouquinha, estimando entre 500uA a 1000uA (1mA) estaria de bom tamanho.

  Essa corrente estimada para o coletor será praticamente a mesma para o emissor. A diferença que houver deve ser muito pequena (se uma diminuir a outra aumenta).

  Enquanto maior o valor escolhido para a corrente de coletor menor ficará o valor do resistor RC no cálculo.

  Eu não aconselho que ao fazer o cálculo o valor de RC fique menor que uns 4K7 pois a distância entre o VCC da fonte e o VAC do sinal amplificado ficam separados por uma resistência de valor pequeno, apesar de ter uma capacitor na saida barrando a tensão contínua, as vezes uma minima flutuação da fonte pode vazar pelo capacitor passando ruido humm para circuito.

  Se for escolhida uma corrente de coletor muito pequena certamente o valor de RC será muito alto (por exemplo acima de 100K), também não seria legal porque R1 e R2 certamente ficariam com valores muito altos e circuito vir a ter muito sensibilidade de entrada. Se o valor de RC encontrado se situar entre 4K7 a 68K nunca deverá ter esses problemas.

  Cálculo de Rc

  Divide-se a tensão da fonte ao meio, assim no swing da onda do sinal de entrada os flancos negativos e positivos da onda teriam o mesmo espaço de valor para o lado negativo e o positivo. Se ficar muito fora do meio quando houver sinal máximo a onda ceifaria a crista em um dos lados e no outro lado não.

  Este meio é o ponto quiescente entre os pontos de saturação e corte do transistor.

  Sendo então no meio nesse exemplo a tensão no meio exato do transistor (entre VE e VB do transistor) será 7,5V contínuos, porém isto não significa que o swing máximo da onda alternada seria 3,75V para um lado e 3,75V para o outro lado. Poderíamos dizer que o transistor rouba um pouco da tensão para funcionar e máxima tensão obtida na amplificação será menor do que isso dependendo do varios fatores (valor do Beta, valor escolhido para RE, valor da transcondutância, VCE de saturação).

  Na melhor das hipóteses a tensão VC aparecerá como sendo 7,5V - 0,65V da junção base emissor, ou seja 6,85V assim qualquer valor entre 6,85V e 7,5V significa que o ponto medio quiescente está num ponto mais central da reta de carga.

  Como exemplo será estimado inicialmente uma corrente de 1mA

  Rc = 7,5V / 0,001A = 7500Ω = 7k5

  O valor de 7K5 não é um valor de resistor facilmente encontravel, podendo então aproximar para um valor de resistor mais facil de achar (6K8 ou 8K2 ou mesmo 10K) e recalcular a corrente de coletor. Escolhendo valor de 10K

  I = V / R = 7,5V / 10000 = 0,00075A (esta será então a corrente estimada)

  Rc = 7,5V / 0,00075A = 10000Ω = 10K

 Corrente de Base Ib

  Esta será o valor da corrente a ser utilizada quando for calculado R1 e R2

  Dividi-se a corrente de coletor pelo beta, usando o beta pouco acima do beta mínimo, fazendo 200 para BC547 a BC550

  Ib = 0,00075A / 200 = 0,00000375A = 3,75uA

 Cálculo de Re

  Re = Ve / Ie     invertendo as posições    Ie = Ve / Re    mas    Ie = Ic + Ib

  Ie = 750uA + 3,75uA = 753,75uA = 754uA = 0,00075mA

  A tensão de Ve depende do ganho que se quer, pode escolher qualquer valor entre 0,05V a cerca de 1V. O ganho final Av será muito dificil de se calcular pois a fórmula depende da transcondutância gm o que teria que ser feito o cálculo completo e bastante complicado.

  A fórmula seria GAv = - Rc / (1/gm + Re)

  Costuma-se fazer o ganho ignorando gm na fórmula (sendo apenas GAv = Rc/Re) mas não é correto, só estaria próximo da verdade se o ganho fosse de apenas umas 3 ou 4 vezes e um ganho tão pequeno não é praticamente utilizavel.

  Para evitar o uso da fórmula com transcondutância estima-se o ganho empiricamente de acordo com as aproximações abaixo (com frequência de 1Khz senoidal na entrada)

  Ve = 0,5V tem-se um a ganho aproximado de 6 a 10 vezes

  Ve = 0,05V o ganho será cerca de 41 vezes a 70 vezes conforme mais alta tensão VCC

  Ve = 1V um ganho menor que umas 5 vezes

  Escolhendo 0,5V

  Re = 0,5V / 0,00075A = 666Ω

  Cálculo de R1 e R2

  Para este cálculo existem duas proporções para determinar as correntes nestes resistores que podem ser usadas. O que muda entre escolher uma proporção ou a outra é uma modificação no valor do beta considerado no circuito.

  9 vezes para corrente em R2 e 10 vezes para a corrente em R1, ou

  6 vezes para a corrente em R2 e 6,5 vezes para a corrente em R1. Eu prefiro esta pois dá uma impedância de entrada um pouquinho mais alta. É feito da seguinte maneira.

  Corrente sobre o resistor R2 ( IR2 )

  A corrente de IR2 será 6 vezes maior que a corrente de base Ib encontrada que foi de 3,75uA, assim

  IR2 = 0,00000375A x 6 = 0,0000225A

  Cálculo de R2

  A tensão para o cálculo deverá ser a tensão da junção base-emissor que é entre 0,6V e 0,7V será feito então usando 0,65V somada a tensão de emissor

  R2 = (0,65V + 0,5) / 0,0000225A = 1,15V / 0,0000225 = 51100 = 51K

  Corrente sobre o resistor R1 ( IR1 )

  Faz-se IR1 cerca de 6,5 vezes a corrente de base

  0,00000375A x 6,5 = 0,000024375A

  Cálculo de R1

  R1 = ( 15V - 1,15V) / 0,000024375A = 13,85V / 0,000024375A = 568200 = 568K

 

  Aproximando os valores dos resistores

  Neste exemplo as aproximações dos valores para valores de resistores comerciais fabricados está facil (seria 560K e 51K) mas o importante é o fator obtido pela divisão de tensão entre R1 e R2. No exemplo 568/51 = 11,13

  Se tivesse que escolher um valor de resistor fabricado de 470K para R1, então R2 seria 470k/11,13 = 42,2K (que não é um valor facil de achar no comercio).

  Se escolher 390K para R1 então R2 seria 390k/11,13 = 35K O valor mais próximo é 33K sendo que R1 teria que ser um pouco menor que 390K.

  Observação: Se o cálculo tivesse sido feito com a proporção das correntes de 9 para R2 e 10 para R1 teria-se obtido valores próximos de 390K e 35K. Com 35K em R2 a impedância de entrada fica menor do que com os 51K encontrados com a proporção de 6 e 6,5.

  Foi utilizado um beta de valor 200 para o transistor BC549 (geralmento o BC549 tem um beta maior que isso), ao se mudar os valores de R1 e R2 usando o mesmo fator mantem-se a porporção mas o beta estimado muda o valor (não muito).

  Este é o meu jeito de calcular (não vai achar assim em livros) e feito dessa maneira sempre dá certo mas não se obtem exatamente o valor do ganho final (Av), apenas o que foi estimado. 

  Esta configuração em ponte é muito badalada nos ensinamentos de eletrônica mas a meu ver não é a ideal (a menos que se necessite de um ganho absurdo com apenas um transistor), a configuração autopolarização que pouco se fala nela (ver post 4) é bem mais estavel e pode-se variar o ganho mais facilmente só variando o valor de Re. (em ponte se variar muito o Re acaba saindo tudo fora do cálculo).

Post 72 - Polarizando um Giannini - parte 5

    Realimentação negativa realimentação global

  Realimentação é um retorno do sinal e da-se o nome de negativa porque o sinal terá que estar com a fase invertida em relação ao próprio sinal injetado. Logicamente é retornado com um ganho muito menor (se for com mesmo ganho uma fase anula a outra) com o intuito neste caso de reduzir distorção. O nivel retornado é geralmente em torno de 1/20 (um vigésimo) apenas em relação ao sinal injetado, este nivel pode ser maior ou menor dependendo do grau de distorção que se quer diminuir ou o ganho que se quer obter em função da sensibilidade de entrada.

  Ao se projetar dependendo da quantidade de transistores usados no projeto vai se fazendo um estudo de onde em cada transistor a fase vai se invertendo (dependendo de onde se retira o sinal no coletor ou no emissor), neste caso na topologia usada isto já foi feito e já se sabe que o sinal ao retornar em Q2 sairá invertido em relação a Q1.

  Na topologia tradicional mais usada onde o alto falante é conectado entre a saida e o terra  (C2 e R5 teriam que estar em posições trocadas), o ganho é dado basicamente por R4 / R5 , sendo que R5 poderia ser de 1K assim:

  22K /1K = 22 vezes.

  Entretanto neste desenho o engenheiro optou por colocar C2 e R5 em posições trocadas e retirando o polo negativo do alto falante no ponto de junção entre C2 e R5. Neste caso o ganho será dado basicamente pelo valor da resistência do alto falante dividido por R5 (que terá que ter um valor baixíssimo), assim

  ganho = RFalante / R5 = 8Ω / 0,33Ω = 24 vezes

  Na realidade seria o paralelo entre R4 e o R do alto falante (daria 7,997Ω ao invéz de 8) sobre R5.

  Se o alto falante for de 4Ω então R5 teria que ser a metade de 0,33Ω senão a potência seria apenas a metade.

  R4 poderia ser então qualquer valor alto que praticamente não influenciaria no cálculo, no entanto seu valor ajuda a ajustar o formato da onda quadrada nas altissimas frequências. Mantem-se o valor próximo a R3 (para este desenho) e o valor ideal se obteria em testes com um gerador de onda quadrada e osciloscópio.

  Sensibilidade de entrada

  Agora tendo o ganho dá pra ter ideia da sensibilidade de entrada pois amplificou 24 vezes, então:

  V(pico) / ganho = tensão máxima necessária na entrada

  29,2V / 24 = 1,22V

  Qualquer pré amplificador de guitarra dá uma tensão de saida maior que essa e portanto o suficiente para se obter um som limpo de guitarra, se exceder este valor o som sairá saturado a distorcido mais sujo (dependendo do quanto a mais) porem rico em harmônicos ímpares que não é o ideal para guitarras pois amplificadores com entrada em par diferencial não dá hamônicos pares nem a pau. É usada esta topologia porque é facil de fazer.

  No caso de se querer maior sensibilidade na entrada R5 é quem controla o ganho e pode ser diminuido para 0,27Ω (cerca de 1V) ou 0,22Ω (cerca de 820mV) ou até 0,1Ω se necessário para usar como amplificador de som entre média e boa qualidade mas não alta fidelidade.

  Impedância de entrada

  É basicamente ditada pelo valor de R1, e R1 se basea pelo valor de R4. R1 deve no mínimo igual ou maior que R4, geralmente se faz duas ou quatro vezes maior mas pode ser maior, não é algo crítico. Se mantiver R4 = 22K então R1 pode ser 22K, 47k, 100K.

  O capacitor de entrada C1 influencia nas frequência muito baixas o que não importa muito para guitarras (0,047uF é mais que suficiente), mas para contrabaixo ou amplificador de som (música) precisa ser maior senão as frequências abaixo de 100hz perdem o volume. 1uF seria mais do que o suficiente mas sempre um capacitor cerâmico ou poliester é preferivel (1uF já seria eletrolítico) e neste caso para reduzir o tamanho 0,47uF daria conta do recado.

  O cálculo para um valor exato do capacitor a partir uma frequência mínima que se queira não é dificil e tem a riviria na internet, mas não perco este tempo, Os valores dados acima servem para a maioria dos amplificadores com impedâncias maiores que 10K (impedâncias menores aumenta-se os valores dos capacitores e vice-versa).

  Capacitor C3 - realimentação local

  Isso já foi visto em algum post sobre pedal de distorção, um capacitor colocado nesta posição (entre o coletor e a base) ele injeta de volta na base o sinal que sai do coletor, como o sinal no coletor sai com a fase invertida em relação ao sinal injetado na base, as fases tendem a se anularem mas o capacitor sendo de muito pequeno valor tenderá anular somente as altíssimas frequências que conseguem passar de volta por ele. Como a realimentação é de um componente para o proprio componente então se diz realimentação local.

  Aqui pode ser chamado de capacitor de Miller que é o efeito indesejavel de capacitâncias parasitas que seriam amplificados pelo transistor VAS (é mais ou menos isso), praticamente é impossivel não ter um capacitor nesse local, sem ele o circuito oscilará nas altas frequências (audiveis ou não).

  O ideal é ter o menor valor possivel para não limitar muito a resposta de frequências acima de frequência audivel. Num amplificador Hi-Fi o valor do capacitor não deve passar de uns 20pF pois se quer uma onda perfeita acima de 60Khz (pelo menos 3 vezes maior que 20Khz que é o limite da audição). Para guitarra isso não importa em praticamente nada, o capacitor pode ser entre 47pF a 100pF mas pode-se experimentar um valor menor (uns 33pF por exemplo).

  Acho que até aqui está explicado os critérios de dimensionamento apenas práticos para essa topologia para um amplificador simplificado, esse é o modo que eu aprendi retirados de revistas antigas (algumas com erros), a partir de alguns livros e parte concluido por mim mesmo.

  O esquema mostrado para o exemplo está tal qual eu montei nos anos 90 (exato como vinha no bagão giannini). Nos próximos posts mostrarei uma versão otimizada com impresso e detalhes para montagem.

Post 71 - Polarizando um Giannini - parte 4

     Cálculo no par diferencial

  A tensão no emissor de Q1 e Q2 é a tensão de 36V menos cerca de 0,6 ou 0,7V da queda entre base e emissor. Fazendo 0,65V

  36V - 0,65V = 35,35V

  Razão de rejeição de modo comum

 

  Este nome pomposo é apenas para dizer que o par diferencial deve fucionar de modo a captar o menor ruido externo indesejavel possivel, rejeitar ruidos. Para isto acontecer da melhor forma a corrente para o cálculo de R2 deve ser a menor possivel o que implica em um valor de resistência alta distanciando o +B do terra, este valor sendo alto ainda diminui a variação da corrente quando a tensão da alimentação cair. A tensão tende a cair quanto mais potência for exigida mas a corrente deve ficar fixa num determinado valor.

  Num amplificador mais elaborado se usa uma fonte de corrente constante ao invés de um simples resistor mas para um amplificador de guitarra não afeta muito usar apenas um resistor pois toda essa variação entre corrente e tensão é maior nas frequências mais baixas (onde se puxa mais corrente) o que não é o caso do som das guitarras.

  Geralmente se estima um valor de 1mA ou 2mA para ficar facil o cálculo (como expliquei num post anterior), esta corrente é chamada corrente de cauda. Na prática estima-se nesse caso para alta rejeição de modo comum um valor de corrente umas 10 vezes menor que a usada no bootstrap (foi de 6mA), assim usando 0,006A /10 = 0,0006 ou 600uA

  O valor de R2 então será 35,35V / 0,0006 = 58916Ω ≈ 59K no circuito foi usado o valor mais próximo disso 56K. Teve-se assim um valor maior de resistência usando uma corrente menor que 1mA.

  Essa corrente irá se diividir indo a metade para Q1 e outra metade para Q2.

Cálculo no VAZ

  Esta é a parte mais complicada de ser feita de um modo apenas prático

  Neste tipo de circuito tem-se dois diodos (D1 e D2) para barrar o semi-ciclo positivo do sinal vindo do VAS e também servir como sensor de temperatura (ficam encostados no dissipador dos transistores de saida) para manter a corrente estavel. O Resistor R8 (56Ω) é só pra não deixar a atuação ser muito drástica (qualquer valor bem baixo serve). Um amplificador de até uns 100W pode usar esse sistema usando dois diodos, mais potência que isso precisa de algo mais sofisticado usando um transistor (chamado de amplificador de VBE). 

    Em algum outro post mais frente ainda falarei sobre estes sistemas de sensores de calor para controlar a corrente automáticamente e a imperfeição dos mesmos num amplificador (que jamais acontece nas válvulas) que alguns ditos perfeccionistas de Hi-End trasistorizados insistem em não enxergar.

  Q3 está polarizado em ponte, o divisor de tensão na base (R3 e R2 passando por Q1). Tem-se a tensão de 35,35V no emissor de Q1 e a mesma tensão de 35,35V na base de Q5 (que também polariza o coletor de Q3). No entanto a polarização do coletor está atenuada pelos diodos D1 e D2 e ainda tem a queda de tensão no emissor de Q3.

  A queda de tensão nos diodos será de cerca de 1,3V a 1,4V mais a queda de 0,65V entre a base de Q3 e seu emissor (ainda existe uma pequena queda provocada por R8).

  A ideia no caso (no meu entender) seria saber como se polariza um transistor em ponte calculando o ganho, as correntes, etc, pelo modo acadêmico com todas as dificuldades que citei anteriormente, ou então pelo menos de uma maneira prática. Num post lá atras no início deste blog eu mostrei uma maneira prática meio sem vergonha de fazer funcionar uma amplificação de um transistor em ponte. Quando terminar esta serie sobre etapas de potência eu vou mostrar como eu calculo isso de uma maneira mais sofisticada (com mais cálculos e mais precisa) mas ainda sim prática.

  No caso aqui no entanto, já se tem o valor de R2 (falta R3 para fazer o divisor de tensão) e o resistor de coletor é R6, R7 e R8 em serie (falta R9 de emissor).

  O ganho de Q3 é bastante dependente do beta do transistor a ser usado e precisa ter um valor bem baixo para R9 e assim se obter bastante amplificação. De maneira simplificada o valor de R9 poderá ser estimado, um capacitor C5 ajuda a aumentar o ganho.

  No circuito o R9 foi usado 330Ω para ficar facil a montagem pois é o mesmo valor escolhido para R11 e R15 (poderia ser ainda menor mas o transistor esquentaria mais). É necessário então uma corrente para calcular R3. Dividindo a corrente de coletor (foi escolhido um valor de 6mA) pelo beta de Q3 tem-se a corrente de base IB.

  Estimando em 200 o beta do BC337.

  IB = 0,006 / 200 = 0,00003A ou 30uA (esta ainda não é a corrente em R3)

  A tensão na base é 0,65V que é a diferença entre base e emissor somada no caso com a diferença da queda de tensão provocada pelos diodos e R8 (que não foi sequer calculada), tem-se então um total de pelo menos 2V e poderá ser estimado em uns 3 ou 4V entre a base e o -36V.

  O valor de R3 não é muito crítico pois será dependente do beta do transistor e mesmo que se calcule para o beta de um transistor, se trocar o transistor por um de beta diferente o circuito funciona a mesma coisa sem muito prejuizo para o ganho.

  A corrente em R3 deve ser 6 vezes maior que a corrente calculada IB sempre (isto será visto com detalhe em post mais pra frente no modo mais sofisticado de um cálculo em ponte prático), assim:

  RIBase = 0,00003 x 6 = 0,00018A

  Estimando em 4V acima para a tensão na base tem-se:

  R3 = V / I = 4 / 0,00018A = 22K

  Se considerar a diferença de apenas 2V tem-se 2 / 0,00018 = 11K

  Se for usado um transistor de beta mais baixo e repetindo estas contas todas, R3 dará um valor mais baixo ainda, e neste caso pode se quizer aumentar a diferença de 4V para 5 ou 6V de forma a obter um valor de R3 mais alto.

continua. . .