O Amplificador de Potência em Detalhes

Volume “master”

A função do volume master é permitir que o músico controle o nível de sinal que chega ao amplificador de potência, limitando o volume geral do amplificador enquanto que o pré-amplificador é levado a overdrive. O resultado é a possibilidade de se trabalhar as válvulas do pré-amplificador no limite, sem grande potência dissipada no estágio de saída.

A distorção obtida nos amplificadores que não possuem volume master é proveniente do trabalho conjunto de todo o circuito, do pré à potência. Já nos sistemas com volume master, a distorção pode vir tanto do pré-amplificador quanto do estágio de potência.

Quanto a organização do circuito, poderíamos considerar o volume master como parte do pré-amplificador. No entanto, ao considerarmos a organização da maioria dos circuitos mais populares, o volume master encontra-se no amplificador de potência, após o retorno do loop de efeitos e na proximidade do circuito inversor de fase.

O controle de master independe do funcionamento do pré-amplificador. Esse encontra-se ativo no circuito mesmo que utilizássemos o retorno do loop de efeitos para injetar sinal diretamente no amplificador de potência.

Mais detalhes sobre topologias de volume master podem ser encontrados em (FISHER, Ken. apud WEBER. 1994. p. 184) na seção “Trainwreck Pages”, onde o fabricante Ken Fischer discute 4 tipos de volume master, dos quais os primeiros três são instalados após a válvula inversora, e o quarto tipo é aquele mais tradicional localizado entre o pré-amplificador e a válvula inversora.

Em referência aos artigos de Ken Fisher publicados na obra acima citada, Gerald Weber publicou sugestões para a instalação de volumes master em outros circuitos, como o Fender Champ, em (WEBER. 1998. p. 258).

Inversão de fase

A válvula inversora é responsável por reproduzir dois sinais idênticos, porém com fase invertida entre si. Sua função é gerar os sinais opostos necessários para excitar um ou mais pares de válvulas complementares em estágios de saída funcionando nas Classes B ou AB.

Em amplificadores funcionando em Classe A single-ended não há válvula inversora. Amplificadores Push-pull, mesmo funcionando em Classe A, requerem válvula inversora.

O circuito normalmente utilizado é o de Schmitt, onde dois catodos são interligados e o sinal de saída é obtido a partir dos anodos opostos possuindo resistores de carga idênticos, de modo que o ganho é o mais semelhante possível entre os dois triodos.

Válvulas comuns nessa função incluem as 12AX7, 12AU7 e 12AT7, porém quaisquer dois triodos podem ser utilizados desde que sejam devidamente casados. As válvulas 12AU7 e 12AT7 são muitas vezes escolhidas, ao invés das 12AX7, devido ao seu baixo ganho e maior transcondutância, fator que contribui para menor ruído e por serem capazes de excitar válvulas maiores como 6550 e KT88.

A válvula inversora costuma delimitar o fim do pré-amplificador e o início do estágio de potência. Loops de efeitos normalmente retornam o sinal por meio de um “buffer” ou de um estágio de ganho, a saída do qual é injetada diretamente à entrada da válvula inversora.

Controles de volume master também têm sua saída conectada à inversora, normalmente usando um capacitor de acoplamento, o qual isola o potencial DC entre os dois circuitos.

Tipos de inversores de fase

Ver seção “Inversor de Sinal” sob “Visão geral de um amplificador valvulado”, na primeira parte do livro, onde falamos detalhadamente sobre cada tipo de inversora de fase.

O leitor encontrará tratamento matemático detalhado dos principais tipos de circuitos inversores de fase em (KUEHNEL. 2005.), (O’CONNOR. 1995.) e (JONES. 2006.).

Tensão de polarização ou “tensão de bias”

A tensão de polarização de bias de um estágio de amplificação é a tensão permanente de referência DC existente entre a grade de controle (G1) e o catodo (K). A diferença de potencial entre grade e catodo mantém a corrente quiescente em um nível correto pré-estabelecido para chegar-se à classe de operação desejada. Em um circuito de bias fixo (discutido logo adiante), a tensão deve ser o mais estável possível, de modo a não interferir no sinal de áudio.

A tensão de bias é dada por: Vbias = Vg1 – Vk

Como Vbias deve ser negativo e, portanto, ou Vk deve ser maior que Vg1 (bias fixo), ou Vg1 pode ser mantido em zero volts e Vk colocado em potencial positivo (bias de catodo). O primeiro sistema é mais utilizado em amplificadores de maior potência, já o segundo é mais comum em amplificadores de até 30 Watts.

Caso a tensão de bias sofra variações durante a amplificação, esta variação será amplificada juntamente com o sinal. Os circuitos de trêmolo que manipulam a tensão de bias funcionam usando esta técnica. No caso das variações devidas ao funcionamento do trêmolo, a variação terá sido proposital, no entanto podem haver injeções de sinais indesejáveis através do circuito de bias, fator ao qual o técnico ou construtor deve estar atento.

O termo “bias” na lingua inglesa significa “tendência”. A origem da palavra sugere, portanto seu significado funcional no amplificador: ao ajustar a tensão bias, o técnico está ditando a tendência de funcionamento da válvula. O sinal que será posteriormente amplificado será submetido a essa tendência, ou a esse estado inicial, que é regulado através da tensão de bias.

Esse fato torna o ajuste de bias extremamente importante, pois esse determina se a válvula funcionará em classe A, AB, AB1 ou B, se a válvula trabalhará “quente” ou “fria”, e assim por diante. O timbre resultante no amplificador será, em grande parte, determinado pela tensão de polarização aplicada à(s) válvula(s) de saída.

Polarização automática ou “bias de catodo”

A tensão de bias pode ser obtida usando um resistor de catodo (que chamaremos de Rk). Nesse sistema a grade de controle é mantida em um potencial fixo, comumente 0 VDC, enquanto que o catodo é elevado a uma tensão positiva (Vk). Neste caso a corrente de catodo (que chamaremos de Ik) gera uma diferença de potencial através de Rk.

Mantendo-se a grade em potencial de terra (0 VDC), a Lei de Ohm nos dá a seguinte expressão para cálculo da tensão de bias (B):

Vk = Ik * Rk

B = 0 – Vk ou, simplificando, B será o valor negativo da magnitude de Vk : B = -Vk

Polarização externa ou “bias fixo”

O bias fixo provém de uma tensão negativa obtida de um secundário separado, ou a partir de uma saída, ou “tap”, do próprio secundário de HT do transformador de alimentação.

O circuito de bias não demanda alta corrente. Por esse motivo costumamos encontrar apenas componentes de baixa potência na fonte dessa tensão de referência: capacitores de apenas 10 uF e potenciômetros de 1/2 Watt são comuns.

Conforme o nome sugere, a tensão negativa é pré-fixada e não importa em que volume as válvulas de potência estejam trabalhando, a referência de bias permanecerá constante.

Assim não há compressão variável como ocorre na configuração de bias de catodo. O timbre resultante é mais rígido, sem “envelope”.

Bias não ajustável

Alguns modelos de amplificadores são desenhados para apenas trabalhar só com um nível de corrente quiescente nas válvulas de saída e não permitem ao técnico ajustar a corrente de bias sem efetuar modificações no circuito. A esse tipo de bias damos o nome de bias não ajustável, o qual é um tipo de bias fixo.

A Mesa Boogie emprega tal sistema em todos os seus amplificadores.

Corrente quiescente

Corrente quiescente é o nome dado à corrente elétrica que percorre as válvulas quando não há sinal de áudio sendo amplificado. É a corrente que a válvula consome quando não está participando da amplificação do áudio, ou seja, a corrente que existe “com o amplificador parado”.

Ao ajustar a tensão de bias, a corrente quiescente sofrerá variação de acordo com a curva de transferência característica da válvula. Assim, o ajuste de bias é basicamente o ajuste da corrente quiescente, usado para configurar o estado inicial, ou polarização, da válvula.

Devido à carga negativa dos elétrons que compõem a carga espacial no interior da válvula, uma tensão mais positiva aplicada à grade de controle implica em atração de corrente rumo à placa, aumento na corrente quiescente, e vice-versa: ao aplicar-se uma tensão mais negativa à grade de controle, a válvula conduzirá menos corrente.

O ajuste da corrente quiescente, em conjunto com o cálculo da potência que a válvula deve dissipar em estado de repouso (segundo as especificações de cada amplificador), configuram o que chamamos coloquialmente de “ajuste de bias”.

Determinando o ponto de operação das válvulas

A tensão de bias também controla em que região das curvas de transferência a válvula operará, determinando a classe de operação do amplificador. Quanto à intensidade de trabalho, dizemos que o amplificador encontra-se trabalhando “quente ou frio”.

Trabalhando “quente ou frio”?

Costuma-se dizer que uma válvula está trabalhando “quente” quando há menor tensão negativa de bias (mais próxima de zero), e “fria” quando há a situação contrária (tensão de bias mais negativa).

Quando a tensão de bias encontra-se imprópria para um determinado conjunto de válvulas, os anodos podem entrar em incandescência no caso de tensão de bias muito positiva ou a válvula pode cortar o sinal (entrar em “cutoff”) quando a tensão encontra-se muito negativa.

Por exemplo, as válvulas 6L6 costumam aproximar-se da região de corte com cerca de -70 VDC. A condução aproxima-se da corrente máxima em tensões próximas a zero VDC. Nessas duas situações serão verificados os problemas acima descritos.

Buscando a regulagem ideal

Cada válvula, e cada amplificador, têm uma regulagem que permite a esse equipamento operar dentro da especificação original, com a qualidade sonora que os criadores do projeto eletrônico idealizaram.

Existe uma faixa de corrente que é considerada “segura”, dentro da qual as válvulas terão vida útil satisfatória e não haverá qualquer dano ao circuito do amplificador. A exata regulagem, dentro dessa faixa, fica a critério do músico de acordo com o timbre que deseja obter. Não existe ‘uma tensão’ correta de bias, e sim uma faixa de tensão, dentro da qual o músico é quem decide.

A fórmula dos 70% costuma ser ideal para a maioria dos amplificadores. Calcula-se a corrente máxima para dissipar a potência para a qual o amplificador foi arquitetado, e regula-se a tensão de bias para trabalhar entre 60 e 70% dessa corrente.

Exemplo: Em um amplificador Marshall JCM800 trabalhando com 500 VDC de tensão +B, desejamos calcular a tensão de bias para 100 Watts.

70% de 100W = 70 Watts

P = V x I (Potência em Watts = Tensão em Volts x Corrente em Amperes)

70 = 500 x I

I = 140mA (Para 4 válvulas.)

Iv = 140 / 4 = 35 mA (Por válvula.)

Portanto as 4 válvulas EL34 (ou 6L6 nos modelos norte-americanos) devem conduzir 140 mA totais de corrente quiescente. Dessa forma buscaremos regular a tensão de polarização de modo que cada válvula conduza cerca de 35mA de corrente quiescente.

A regulagem de polarização para classe AB1, dissipando entre 60% e 70% em modo quiescente, produz resultados satisfatórios na maioria dos amplificadores para guitarra.

Classes de operação

Classe A

Quando trabalham em Classe A, os dispositivos de amplificação (válvulas ou transistores) encontram-se em operação durante os 360 graus do sinal de entrada. Em nenhum momento o nível de sinal é capaz de levar o dispositivo à região negativa de corte (“cutoff”).

Quando desejamos regular o amplificador para trabalhar em Classe A, a tensão de bias é regulada de forma que o sinal máximo de entrada, pico a pico, seja contido entre um valor menor que zero volts e maior que a tensão negativa de corte. Ou seja, “acomodamos” o sinal de entrada inteiramente na região de trabalho da válvula.

Via de regra, a regulagem de bias para Classe A coloca as válvulas de potência do amplificador próximas a 100% de dissipação em estado quiescente. Quando o sinal a ser amplificado chega à válvula que trabalha em Classe A, corrente e tensão são alteradas, porém a dissipação mantém-se próxima a 100%. A relação quadrática que existe entre potência, tensão e corrente pode gerar certa confusão para novatos quando buscam compreender o comportamento de amplificadores trabalhando nessa classe de operação.

Em Classe A, uma válvula apenas é capaz de reproduzir o sinal completo de entrada, mas normalmente encontram-se conjuntos casados, de modo a incrementar a corrente elétrica (e, consequentemente, a potência). Todos os amplificadores single-ended devem, obrigatoriamente, funcionar em Classe A.

Também existem amplificadores com funcionamento push-pull que, nominalmente, funcionam em Classe A. O modelo mais conhecido é o clássico Vox AC-30.

Em amplificadores funcionando em Classe A não existe distorção de fase pois não há transição de uma válvula para outra complementar – todas as válvulas do sistema processam 100% do ciclo do sinal simultâneamente.

Ao deixar a válvula em condução durante 100% do ciclo do sinal, perde-se muita energia. Eficiência de apenas 50% é comum nos estágios single-ended. Ou seja, uma válvula EL84 dissipando 8 Watts poderia transferir apenas 4 Watts aos alto-falantes.

A busca por maior eficiência levou ao desenvolvimento de outras classes de operação, as quais trouxeram novos desafios para os engenheiros como veremos adiante.

Sendo a configuração mais simples, a Classe A é a mais tradicional e mais antiga classe de amplificação. É também, no plano subjetivo, por muitos cultuada como a forma mais “pura” de amplificação. O não cancelamento de harmônicos de ordem par (que naturalmente ocorre nos estágios push-pull, por rejeição de modo comum) e ausência de distorção de fase podem, em parte, explicar a preferência de diversos músicos e audiófilos por amplificadores trabalhando nesse modo de operação.

Classe B

Em Classe B, as válvulas encontram-se em operação durante 180 graus do sinal de entrada, ou seja, durante metade do ciclo do sinal.

Durante a metade do sinal de entrada, a tensão de controle da grade ingressa na região de corte, “desligando” a válvula. Os amplificadores de Classe B não podem ser single-ended, por exigirem pares complementares de válvulas funcionando em fase oposta.

Para funcionar em Classe B, a tensão de bias deve ser ajustada para permitir que as válvulas conduzam corrente somente durante metade do ciclo. Quando a tensão de bias é ajustada para Classe B, o timbre para guitarra soa bastante ‘clínico’, ou ‘frio’. As válvulas mais adequadas para funcionamento em Classe B possuem uma região bastante linear na curva de transferência nas cercanias da região de corte. Válvulas como o triodo 300B são adequadas para esta classe de operação. No entanto, a maior parte dos tetrodos e pentodos utilizados em amplificadores para guitarra não soam adequadamente quando regulados para trabalhar em classe B.

O funcionamento em Classe B exige circuitos de precisão, calibragem perfeita da tensão de polarização, válvulas perfeitamente casadas, transformadores de saída com primários de compensação e feedback negativo interno (sistema McIntosh), e outros circuitos de funcionamento altamente sofisticados, os quais não encontramos em amplificadores para instrumentos musicais.

O autor desconhece modelos de amplificadores para guitarra funcionando puramente em Classe B.

Classes AB e AB1

“Tudo o que já ouvimos de Jimi Hendrix, Stevie Ray Vaughan, Billy Gibbons, Eric Johnson, Robben Ford, etc, veio de um estágio Classe AB” (WEBER, Gerald. apud WHEELER, Tom. 2007. p. 96)

É provável que alguns desses artistas tenham utilizado amplificadores funcionando em Classe A, como o Fender Champ 5F1 (GIBBONS, Billy. 2012.) ou Vox AC-30 (CLAPTON, Eric. 2012.). Porém a citação de Gerald Weber é relevante para ilustrarmos o fato de que a grande maioria dos amplificadores mais famosos para guitarra funcionam em Classe AB ou AB1.

Trabalhando em classe AB, as válvulas encontram-se em operação durante um período maior que 180 graus e consideravelmente menor que 360 graus do sinal de entrada. Ou seja, durante alguma parte do sinal as válvulas ingressam na região negativa de corte, deixando de funcionar.

As válvulas conduzem corrente máxima quando a grade de controle se aproxima ou ultrapassa os zero volts de potencial em relação ao catodo. E corrente mínima, ou zero corrente, quando a tensão negativa da grade de controle se aproxima da tensão negativa de corte. Essa tensão é especificada pelo fabricante, na datasheet da válvula, e pode variar 20% ou mais entre válvulas do mesmo lote.

Devido a essa variação, todas as válvulas que trabalharão em circuitos que exigem conjuntos casados devem ser testadas para obter-se o menor desbalanceamento possível.

No caso das válvulas funcionando em Classe AB, a tensão de bias é regulada de forma que o sinal de entrada, consiga levar a válvula à tensão de corte durante alguma parte do sinal, permitindo que a mesma trabalhe durante mais de metade do ciclo do sinal e menos que o sinal completo. Esta é a importante relação entre a tensão de bias e a classe de funcionamento: é principalmente a polarização da grade que determina a classe de operação (supondo, sempre, circuitos para guitarra).

Os amplificadores de Classe AB não podem ser single-ended, por exigirem pares complementares de válvulas funcionando em fase oposta. No entanto, amplificadores com pares complementares podem, também, funcionar em Classe B, menos comum para amplificadores de guitarra e contrabaixo.

Na Classe AB1 o sinal não ultrapassa os zero volts, jamais causando corrente de grade. Em Classe AB2 o sinal é capaz de levar a grade a conduzir corrente. A Classe AB2 requer circuito excitador adequado para suportar a menor impedância da grade positiva.

Sistema Simul-Class (Patente Mesa Boogie)

O sistema denominado “Simul-Class” foi desenvolvido pela Mesa Boogie para buscar combinar o funcionamento em classe A com aquele em classe AB. Nessa forma de funcionamento dois pares complementares de válvulas funcionam simultâneamente em classes distintas de operação (o nome Simul-Class vem de “simultaneous class”).

Como exemplo de amplificador que emprega esta arquitetura no estágio de potência podemos citar o amplificador Mesa Boogie Mark II.

A empresa chegou a esta idéia enquanto buscava combinar as vantagens da amplificação em classe A (ausência de distorção de fase, por exemplo) com a eficiência da amplificação em classe AB.

Na experiência do autor o bom timbre obtido nos amplificadores Mark II deve-se principalmente à construção primorosa dos amplificadores Mesa Boogie, e do emprego de peças de alta qualidade na sua fabricação, não tendo a tecnologia “Simul-Class” a eficácia técnica que o “termo mercadológico” sugere.

Classes C, D e o futuro

Apesar de não serem encontradas em amplificadores para guitarra, falaremos brevemente, e superficialmente, sobre as classes de operação C e D de modo que o leitor possa ter uma visão abrangente das classes de amplificadores mais comuns.

Estágios em classe C só fazem sentido em aplicações onde buscamos amplificar uma estreita faixa de frequências, normalmente com foco em uma frequência específica. O estágio de ganho conduz menos da metade do ciclo de entrada, porém quando se utiliza um circuito ressonante como carga do transistor, a estreita banda passante no filtro ressonante encontra-se com relativamente baixa distorção, enquanto que a maior parte do sinal fora da frequência especifica aparece muito distorcido na saída. Estágios em classe C são extremamente eficientes somente na faixa de frequências predeterminada. São portanto utilizados em transmissores de Rádio-Frequência (RF) onde se trabalha sempre em determinada frequência sintonizada; diferente dos amplificadores de áudio onde buscamos amplificar toda ou parte da banda entre 20Hz a 20 KHz.

Já os amplificadores classe D transistorizados têm se tornado cada vez mais populares, especialmente para o contrabaixo elétrico. Na classe D há, também, enorme eficiência e, portanto, enorme transferência de energia entre os dispositivos ativos (normalmente MOSFETs de alta velocidade) e os alto-falantes.

O funcionamento em classe D exige a modulação do sinal de áudio em largura de pulso (PWM) através de uma portadora de onda quadrada em frequências várias vezes acima do limite da audição humana (normalmente trabalhando com f > 40 KHz). O sinal amplificado passa por um processo de filtragem de modo que o envelope do sinal PWM integrado resulta na forma de onda amplificada.

Enquanto que o formato de um ciclo da onda de áudio pode ser observado no osciloscópio, prestando-se atenção ao envelope do PWM, dezenas de milhares de pulsos de onda quadrada foram necessários para dar forma ao sinal audível.

Trata-se de um sistema de amplificação digital, onde o sinal analógico é convertido em um sinal por amostragem, codificado em PWM e, posteriormente, demodulado de volta para a faixa de frequências de áudio.

Por trabalhar com alta frequência, os transformadores de acoplamento internos possuem volume muito reduzidos, e a saída dá-se através de acoplamento capacitivo (através de um circuito integrador). Assim, amplificadores trabalhando em classe D possuindo centenas ou milhares de watts de potência podem ser contidos em pequenos chassis.

Nada impede que venham a existir circuitos valvulados em classe D para guitarra mas a grande quantidade de componentes necessários nos circuitos atuais os torna praticamente inviáveis, salvo como projetos experimentais.

Estágios single-ended

Chamamos de “single-ended”, ou de terminação simples, os estágios de amplificação constituídos de um ou mais dispositivos de amplificação funcionando na mesma fase, não havendo contrapartida em fase oposta. Em outras palavras, não há pares complementares de válvulas em um estágio single-ended.

Todas as válvulas de pré-amplificação para guitarra funcionam em configuração single-ended, assim como alguns estágios de potência, a exemplo do Fender Champ 5E1 de 1955.

O termo ‘single ended’ na língua inglesa sugere que o estágio possui “apenas uma ponta” ou “apenas uma terminação”. Não há 2 dispositivos trabalhando em fase oposta para formar o sinal completo, como ocorre nos estágios push-pull.

Os amplificadores single-ended podem possuir mais de um dispositivo ativo (válvula ou transistor) funcionando em paralelo, aumentando assim a potência do estágio. No entanto, todos os dispositivos de um amplificador single-ended funcionam sincronizados, na mesma fase e alimentam o mesmo estágio de saída.

Desta forma, ao acrescentar mais válvulas a um estágio single-ended, a impedância do estágio cai em razão inversamente proporcional ao número de válvulas. Soma-se, então, a corrente elétrica de cada válvula.

É preciso instalar válvulas casadas sempre que um estágio de potência empregue mais de uma válvula, seja ele single-ended ou push-pull, por motivos diferentes em cada caso. No sistema single-ended as válvulas de potência devem ser casadas para evitar que uma válvula interfira no funcionamento da outra ao receberem simultâneamente o mesmo nível de sinal. Havendo diferença de potêncial entre válvulas, poderá surgir um circuito parasítico entre válvulas nos transientes do sinal de áudio, desperdiçando energia no lugar de trabalhar exclusivamente com o primário do transformador de saída.

Normalmente, os amplificadores single-ended são arquitetados para reproduzir baixa potência sonora. Os amplificadores single-ended permanecem em produção devido à preferência de alguns músicos pelo seu timbre, sendo talvez o mais “puro” timbre valvulado.

São mais comuns os amplificadores single-ended de pequeno porte, especialmente aqueles que possuem apenas uma válvula de potência. São normalmente utilizados em gravações, onde não é necessário obter grande volume sonoro e o seu timbre pode ser aproveitado ao máximo.

Por que amplificadores single-ended são menos eficientes?

Todos os amplificadores valvulados single-ended devem, obrigatoriamente, funcionar em Classe A. As válvulas conduzem corrente DC durante todo seu período de operação quando trabalham em classe A. (Vide discussão adicional na seção sobre essa classe de operação.)

A corrente direta não transporta sinal de aúdio e tampouco é transportada para o secundário do transformador de saída. Assim, boa parte da potência das válvulas é dissipada apenas para mantê-las em pleno funcionamento durante os 360 graus (100%) do sinal de entrada.

Estágios single-ended não requerem inversão de fase: 100% do ciclo do sinal é alimentado a todas as grades de controle, simultâneamente.

Exemplo de amplificador valvulado single-ended: Fender Champ 5C1, 5D1 e 5F1

Estágios push-pull

Push-Pull, quando se refere a amplificação de sinais, é uma forma de operação de 2 ou mais válvulas ou transistores onde cada componente complementar amplifica, no mínimo, metade do ciclo do sinal de entrada.

No caso de amplificadores valvulados, onde as válvulas naturalmente só conduzem corrente em uma direção, é utilizada uma válvula inversora responsável por separar o sinal em 2 fases opostas. Os sinais invertidos são conectados a válvulas de potência complementares. Denominamos esta configuração de “estágio push-pull”, pois enquanto uma válvula conduz corrente elétrica em uma direção (push, empurrar) dentro do transformador de saída, a outra válvula é polarizada na tendência oposta (pull, puxar) e vice-versa.

Na configuração push-pull, as válvulas de potência são normalmente interligadas com seus anodos em extremidades opostas de um transformador de saída. O centro do indutor primário desse transformador é conectado à fonte de alta voltagem (+B).

Dependendo da classe de operação, as válvulas podem funcionar de 50% (classe B) a 100% (classe A) do ciclo do sinal de entrada. A classe AB1, situada entre 50% e 70% sendo a classe mais comum para amplificadores de guitarra.

Para que haja equilibrio entre válvulas complementares, é preciso instalar válvulas casadas sempre que empregar a metodologia push-pull na saída de amplificadores valvulados.

O mesmo requisito existe em sistemas single-ended, porém torna-se mais crítico em estágios push-pull devido à possibilidade de gerar-se distorção de fase (diferenças na transição de fase de uma válvula para a sua complementar).

Quando válvulas trabalham com pares complementares, como ocorre no sistema push-pull, ocorre, necessáriamente, a rejeição de modo comum de quaisquer componentes de sinal inseridos pela válvula. Harmônicos de mesma intensidade inseridos por ambas as válvulas, na mesma fase, cancelam-se no interior do primário do transformador de saída, por exemplo. Para a amplificação de alta fidelidade, isso significa que haverá menos distorção harmônica (THD) resultante. Já, para a amplificação da guitarra elétrica, algum conteúdo de distorção harmônica é desejável, e a rejeição de modo comum pode deixar o timbre “ríspido” ou “frio”. Por isso, em amplificadores que possuem estágio de saída trabalhando em modo push-pull, é necessário enriquecer harmônicamente o sinal nos estágios anteriores, pois as válvulas de saída contribuirão com menor quantidade de harmõnicos.

Circuitos Fender, por exemplo, possuem leve desbalanceamento entre os sinais oriundos das duas saídas da válvula inversora. Acidentalmente, ou não, o desbalanceamento faz com que certa quantidade de harmônicos inseridos pelas válvulas de potência não seja totalmente cancelada. É mais um exemplo de características indesejáveis na amplificação de alta fidelidade que, porém, enriquece o timbre da guitarra elétrica e caracteriza muitos dos circuitos de amplificadores mais famosos criados por Leo Fender.

Alto-falantes e Casamento de Impedância

Se o amplificador e o instrumento dão voz ao guitarrista, o alto-falante equivale às cordas vocais. O alto-falante dá a palavra final em um amplificador – através dele torna-se completo o instrumento musical que chamamos de guitarra elétrica.

O alto-falante é, essencialmente, um solenoide conectado a um cone que é capaz e mover o ar.

Potência de Alto-falantes

A corrente elétrica através do indutor do solenoide altera o campo magnético no seu interior, evento que causa atração ou repulsão pelo magneto permanente contido dentro dele mesmo, dependendo da direção da corrente elétrica. O movimento causado por esse conjunto é capaz de mover uma determinada massa de ar através do cone ligado ao elemento móvel.

Como toda máquina, o indutor consome energia elétrica durante seu funcionamento e certa parte desse consumo é dissipada na forma de calor. Outra parte é dissipada através de energia mecânica quando o cone do alto-falante move determinada quantidade de ar para frente e para trás.

A dissipação térmica máxima que no indutor é capaz de suportar em trabalho contínuo é o que denominamos de potência do sistema.

A potência máxima que o sistema é capaz de suportar no momento imediatamente anterior à sua quebra é muitas vezes chamada de potência de pico. A potência de pico pode ser dezenas de vezes superior à potência de trabalho contínuo.

Conforme veremos a seguir, há um certo grau de confusão entre os conceitos de potência RMS e potência de pico, principalmente aquelas anunciadas em materiais publicitários de sistemas de áudio.

RMS e “Peak Music Power”

A medida de voltagem RMS é dada pela raiz quadrada da média dos quadrados da amplitude da tensão alternada. Soa complicado, mas significa apenas que, para que os pulsos negativos não anulem os pulsos positivos, resultando em média zero, a tensão é elevada ao quadrado antes de calcularmos a média dos valores. Depois o processo é invertido, tomando-se a raiz quadrada dessa média. O mesmo procedimento é feito com a corrente elétrica através do circuito.

Assim temos os conceitos de tensão RMS e corrente RMS, e o produto vetorial das duas grandezas é a potência RMS. Surge, daí a medida de Watts RMS – a medida mais exata da potência de um alto-falante.

Para uma onda senoidal a tensão máxima (Vpk) equivale a cerca de 1.42 vezes a tensão RMS. Igualmente, a corrente máxima, equivale a 1.42 vezes maior corrente RMS tolerada pelo alto-falante.

A multiplicação de 1.42 * 1.42 é próxima a 2 devido à forma de onda senoidal (Vrms = Vpk / RAIZ (2)).

Seguindo esta fórmula, diversos fabricantes passaram a utilizar a medida de duas vezes a potência RMS como sendo a “potência musical máxima”: termo mercadológico que, para nós, significa o mesmo que a medida de pico da potência RMS de uma onda senoidal. Buscando aumentar as vendas, os publicitários haviam multiplicado por 2 a potência de seus sistemas, sem qualquer alteração no circuito!

A Fender, nos anos 1970 e 1980, passou a adotar esta tática publicitária em alguns de seus catálogos, onde amplificadores como o Showman de 120 Watts traziam a especificação de “240 Watts Music Power”. Peak Music Power Output, ou PMPO, foi outra medida usada. No entanto, como não houve padronização do significado de PMPO, hoje esta sigla pode significar qualquer medida escolhida pelo fabricante. Não devemos, portanto, utilizar a medida PMPO como referência técnica.

Há várias suposições equivocadas no conceito de PMPO. As formas de onda musicais não são senoidais e há variação de impedância nos alto-falantes com a mudança de frequência. Em contraste, a medida RMS segue sempre a mesma fórmula e pode ser fácilmente aferida: a potência RMS realiza trabalho de fato, e pode ser medida, por exemplo, através da temperatura de uma resistência ou por meio de um wattímetro. Já a potência PMPO apresentará discrepâncias nos mesmos testes. Por tal motivo, alguns técnicos denominam a potência RMS como “potência real” do amplificador.

Volume sonoro

A unidade de pressão sonora, SPL, é expressa como derivação do Bel, ou do deciBel, que é o logarítmo na base 10 de uma razão entre determinado volume de áudio e um volume predefinido por convenção. A medida de SPL é uma razão entre duas medidas, e não possui unidade específica – a unidade é o próprio deciBel.

Quando, a título de exemplo, dizemos que um avião em processo de decolagem produz 100 dB de volume sonoro, estamos comparando o ruído que esse avião faz a um outro nivel pré-estabelecido. Falar em 100 dB é o mesmo que dizer “o ruído desse avião é 100.000 vezes maior que outro”.

Quando dizemos que um ruído possui 20 deciBeis, significa que ele é percebido como um estímulo 10 vezes mais intenso que a nossa percepção de uma onda acústica senoidal de 1 KHz de frequência quando esta causa uma variação de pressão de ar de 20 microPascal em nossos ouvidos. A escala de SPL em decibéis reflete nossa percepção logarítmica do volume sonoro. Um determinado ruído com 60 dB tende a ser percebido com três vezes mais intensidade que aquele de 20 dB, por exemplo. Porém, dobrar a potência do amplificador não ocasiona uma percepção de dobro de volume. A relação entre SPL e o circuito elétrico mostra-se bastante complexa devido ao comportamento logarítmico da nossa percepção sonora, sendo que a maior parte dos circuitos em valvulados para guitarra têm resposta praticamente linear.

dB: deciBels

O deciBel é definido, por convenção, como sendo a vigésima parte do logarítmo na base 10 de uma fração. Ou seja, se temos uma certa medida de 100 Volts de tensão e desejamos estabelecer uma razão com 1 Volt, tomamos a seguinte medida:

dB = 20 * log10 (100/1)

= 20 * log10 (100)

= 20 * 2

= 40 dB

Ou seja, 100 volts é o mesmo que 40 dB em relação a 1 Volt. Essa medida costuma ser chamada de dBV e mede a razão entre uma tensão elétrica e o potêncial referencial de 1 Volt.

Como a potência é um produto quadrático entre tensão e corrente, o deciBel equivale a 10 vezes o logaritmo10, não 20. Ou seja, se compararmos um amplificador de 1000 Watts e uma lâmpada de 100 Watts, temos que :

dB = 10 * log10 (1000/100)

= 10 * log10 (10)

= 10 * 1

= 10 dB

Em outras palavras, o amplificador de 1000 Watts é 10 dB mais potente que uma lâmpada de 100 Watts.

Note que todas as medidas de decibéis são tomadas em relação a alguma medida pré-estabelecida. O decibel em si não é uma unidade de grandeza, mas uma unidade de comparação que utiliza a escala logarítmica. Logo, afirmar que alguma grandeza é de 76 dB não significa muito se não soubermos qual a referência utilizada.

Ou seja, sabemos que 20 dBV equivale a 10 volts porque foi pré-estabelecido que a unidade de comparação é 1 Volt. Logo 10V / 1V = 10, cujo logaritmo é 1, multiplicado por 20 = 20 dBV.

Note que de 10 a 100 volts a medida em dBV variou de 20 a 40 dBV.

A cada 20 dB aumenta-se uma ordem de grandeza na base 10 na medida de tensão e corrente. Porém a cada 10 dB aumenta-se uma ordem de grandeza na base 10 para potência.

Ou seja, 60 dBV equivale a 1000 Volts, e 100 dBV equivale a 100.000 Volts. Assim, vemos que enquanto a medida linear “explode” em grandeza, a escala logarítmica dos decibéis cresce linearmente. Esta característica torna o decibel útil para grandezas que nós humanos percebemos exponencialmente, como nossa percepção de volume sonoro.

Sensibilidade

A potência máxima que o indutor do alto-falante é capaz de dissipar sem se destruir é um indicador elétrico, que nada nos diz sobre o volume de áudio que o alto-falante produz a cada Watt de potência dissipada.

Extrapolemos o exemplo para melhor ilustrá-lo: um solenoide que dissipe 500 Watts de potência elétrica, mas que não está ligado a um cone de alto falante, não produzirá grande pressão sonora, apenas um perturbador ruído vibratório. Já, em contraste, um bom alto-falante produzirá enorme volume sonoro dissipando apenas 5 Watts de potência.

Portanto, existe outra medida que relaciona Watts elétricos com nossa percepção de volume sonoro, ou pressão sonora, e esta medida chamamos de sensibilidade (em inglês, sensitivity). Trata-se de uma medida de eficiência para alto-falantes, ou seja, quanta pressão sonora é produzida com determinada potência elêtrica.

A medida de sensibilidade é dada pela razão SPL / Watt.

Em linguagem coloquial: qual a pressão sonora que é produzida para cada Watt de potência elétrica dissipado no alto-falante?

Esta medida não faz sentido se não forem estabelecidos certos parâmetros, como por exemplo: a frequência e a distância fisica na qual está sendo aferida tal pressão sonora.

Por convenção, foi determinado que os alto-falantes seriam aferidos utilizando a potência de 1 Watt RMS percebida a uma distância de 1 metro de distância diretamente à frente do alto-falante, aferida entre o plano formado pelo aro do alto-falante e a reta normal com origem no centro de seu cone.

O fabricante deve então especificar em que frequência (ou faixa de frequências) foi efetuada a medição. Bons alto-falantes são acompanhados de verdadeiras apostilas de dados técnicos que incluem a frequência de ressonância, curvas de sensibilidade (SPL por Watt modificando-se continuamente a frequência), e assim por diante. Tais dados são vitais para a construção de gabinetes acústicos.

Em resumo: Quanto maior a razão SPL / Watt, maior a eficiência do sistema de alto-falantes.

Nota: O estudo de gabinetes acústicos foge ao escopo de nosso estudo, devido à enorme complexidade do assunto. Poderíamos escrever diversos tomos somente sobre a acústica e suas aplicações em caixas de som. É evidente que a eficiência de um sistema acústico por Watt de potência elétrica dependerá, também, da qualidade da caixa acústica. Os testes de sensibilidade são efetuados utilizando-se ambientes especiais de modo que o alto-falante se encontre o mais isolado possível da influência de qualquer caixa acústica. Tais ambientes possuem “volume de ar infinito” (do ponto de vista ao alto-falante) para fins de aferir somente a sensibilidade, com interferência mínima de outros fatores.

Casamento de impedância

Sabemos calcular a potência do alto-falante, e sabemos que o resultado final depende de seu bom uso dessa potência (sua eficiência).

Só nos resta uma questão: como transferir o máximo de potência do amplificador para o alto-falante, minimizando perdas?

A resposta é: tanto o gerador, quanto o consumidor, devem ter exatamente a mesma impedância (HOROWITZ, Paul. 1980. p. 13). Ou seja, a impedância do amplificador (gerador) e do alto-falante (consumidor) devem ser iguais. Daí resulta a necessidade de haver o casamento de impedância entre amplificador e caixas.

É possível interligar equipamentos e alto-falantes de diferentes impedâncias, porém ocorerrão alterações na qualidade do áudio. O sistema do amplificador como um todo é calculado para funcionar em determinadas condições, com certa característica sonora, propiciando segurança operacional e garantindo a durabilidade do equipamento. Quando alteramos a impedância das caixas sem adequar o circuito, estamos colocando o amplificador em situação imprevista.

Em amplificadores valvulados, aumentar por demasiado a impedância das caixas têm efeito mais nocivo que diminuí-la. O amplificador valvulado é capaz de resistir a um curto-circuito nos terminais de saída, porém torna-se vulnerável quando não há um alto-falante conectado aos terminais.

Este fato soa inusitado para quem está acostumado a equipamentos transistorizados, onde ocorre exatamente o oposto: os transistores são extremamente sensíveis a curtos-circuitos, e não há absolutamente risco algum em deixar um amplificador transistorizado sem caixas conectadas, mesmo no volume máximo!

Temos, então, alguns parâmetros para compreender melhor o casamento de impedância: deixar os terminais desligados de qualquer alto-falante equivale a uma impedância infinita. Ligar os terminais juntos em curto-circuito é impedância mínima (próxima a zero). No meio termo temos a impedância ideal, que é aquela oferecida pelo alto-falante que possui a mesma especificação do transformador de saída. Havendo impedância igual entre o amplificador e o alto-falante, há máxima transferência de potência.

Saída de Potência: Juntando tudo

Temos, agora, subsídio para compreender por completo o circuito elétrico entre o estágio de saída do amplificador e os alto-falantes.

  • O casamento de impedância é necessário para transferir o máximo da potência possível do amplificador para os alto-falantes.
  • A potência é dissipada no alto-falante, tanto na forma de calor no indutor de seu solenoide, como na forma de ondas mecânicas que resultam na reprodução de áudio.
  • O aproveitamento da potência pelo alto-falante depende de sua eficiência. A pressão sonora produzida por Watt de potência dissipado damos o nome de sensibilidade.

Na experiência do autor, ligeiras diferenças de impedância entre amplificador e caixa acústica podem causar alterações interessantes no timbre resultante. Nem sempre a máxima transferência de potência é sinônimo de obter-se o melhor timbre!

Empregar alto-falantes de 6 OHMs em um estágio de saída de 8 OHMs, por exemplo, pode sacrificar uma fração da potência, porém costuma resultar em um timbre muito agradável.

Os alto-falantes não possuem impedância constante em toda a faixa de frequências audíveis. Assim, é impossível casar perfeitamente a impedância em toda a faixa audível. A ressonância natural do sistema acústico, unida àquela do sistema elétrico, irá formar um sistema que possui acentuação de certas frequências, maior transferência de potência em outras, e assim por diante. Essa acentuação é um interessante campo de estudo igualmente para audiófilos e guitarristas.

Devemos observar que a impedância nominal que encontramos em datasheets é, normalmente, aferida utilizando-se forma de onda senoidal com 1 KHz de frequência. Da mesma forma, transformadores de saída e válvulas têm sua impedância divulgada de acordo com esses parâmetros. Esta convenção é proveniente do universo do áudio profissional de alta fidelidade. Porém a frequência de 1 KHz encontra-se próxima ao limite superior da escala da guitarra elétrica – mais um fator a considerarmos ao efetuarmos cálculos de caixas acústicas e transformadores de saída. O construtor mais experiente notará então que os parâmetros usados em amplificadores para guitarra diferem daqueles fornecidos nas datasheets, justamente por não tratar-se de amplificação de alta fidelidade (20Hz a 20KHz) e sim de uma banda mais restrita (aprox. 80 a 1200 Hz).