Transformadores

O circuito de todo amplificador valvulado começa e termina com um transformador.

O que é um transformador? Poderíamos dedicar todo um livro ao tópico de transformadores a exemplo de (FLANAGAN. 1992). Logo, essa seção não têm a pretenção de ser uma exposição exaustiva do funcionamento desses fantásticos componentes elétricos. Em resumo, falaremos do que mais importa para a compreensão dos transformadores encontrados nos amplificadores valvulados. O leitor interessado em aprofundar-se no tema deve recorrer a textos como o acima citado, e outros textos introdutórios à Engenharia Elétrica.

Colocando de forma simplificada, o transformador é formado por dois ou mais indutores dispostos em torno de um mesmo núcleo. Existem transformadores sem núcleo (“Bobinas de Tesla”, por exemplo), porém não são utilizados em circuitos tradicionais de amplificadores valvulados para guitarra.

Quando uma tensão AC é aplicada ao indutor primário (chamado apenas de “primário”), uma certa quantidade de energia magnética é armazenada na massa do núcleo de ferrosilício. Quando a polaridade da tensão alternada se inverte, o núcleo procura manter-se em seu estado atual, reagindo (daí a origem do termo “reatância”) à mudança de polaridade.

A alteração no campo magnético induz corrente elétrica nas outras bobinas indutoras que se encontram em torno do mesmo núcleo, indutores que chamamos de “secundários” do transformador. O fenômeno de um indutor ser capaz de gerar uma corrente em outro apenas colocando-se os dois fisicamente próximos é chamado de “indutância mútua”. O núcleo do transformador concentra o fluxo magnético e torna a indutância mútua muito mais eficiente.

Um bom transformador é capaz de transferir mais de 95% de energia do primário aos secundários, sendo possível obter até 99% de eficiência (FLANAGAN. 1992. p. 1.1) – um fato por si só extraordinário. A título de comparação, um estágio de amplificação funcionando em classe A possui 50% ou menos de eficiência. Ou seja, enquanto as válvulas dissipam 40 Watts, no máximo 20 Watts chegarão aos alto-falantes – um enorme contraste com os 99% de eficiência possíveis com um transformador de boa qualidade.

A proporção entre a tensão AC no primário e secundário depende exclusivamente da proporção de espiras de fio entre o primário e o secundário em torno do núcleo. Se dividirmos a tensão aplicada ao primário pelo número de espiras de fio contidas no mesmo, obteremos a razão entre volts e espiras. Digamos que tenhamos 1 volt por espira, então cada espira de um indutor secundário apresentará essa mesma diferença de potencial. Assim, podemos elevar ou rebaixar a tensão AC aplicada ao primário conforme necessário. Secundários com menos espiras que o primário são chamados “rebaixadores”. Podemos deduzir que aqueles com mais espiras são “elevadores de tensão”. Secundários com o mesmo número de espiras do primário têm proporção 1:1 e servem para isolar circuitos da rede elétrica, mantendo a tensão igual à da rede. Todos os amplificadores valvulados exigem um transformador isolador para sua alimentação.

Exemplo prático : Se o indutor primário possui 220 espiras e lhe é aplicada uma tensão de 220V AC, teremos exatamente 1 volt por espira. Caso um indutor secundário possua 400 espiras, será induzido neste uma tensão de 400 Volts. O secundário para calefação de 12 V deverá, nesse exemplo, ter apenas 12 espiras.

Em todos os transformadores a relação de impedância é proporcional ao quadrado da relação de espiras. No exemplo anterior, a proporção 400:220 (1.8181:1) para voltagem, resulta em proporção de impedância de 3.30:1.

A relação de dobro de voltagem, resulta no quadruplo de impedância.

Reatância Indutiva

O leitor talvez já tenha se perguntado, se o indutor é apenas um fio, oferecendo resistência próxima a zero, por que não ocorre um curto-circuito quando e lhe é aplicada uma tensão elétrica, a exemplo dos 220 VAC usados nos transformadores do Brasil, por exemplo? De fato configuraria, sim, um violento curto-circuito caso a tensão aplicada fosse de 220 V DC e não AC!

Empregando-se a corrente alternada, não haverá excessiva dissipação térmica devido a uma importante propriedade dos indutores com núcleo de ferrosilício chamada reatância indutiva.

Quando o ciclo positivo da corrente alternada chegar ao pico, o núcleo do transformador se encontrará carregado magneticamente com determinada polaridade. Ao iniciar a queda da tensão, rumo à inversão de fase, o núcleo permanece carregado na polaridade anterior – digamos que ele possui uma certa “inércia magnética” onde o núcleo procura permanecer no estado em que se encontrava anteriormente.

Conforme a tensão passa ao ciclo negativo, o núcleo “reage”, buscando impedir a mudança de potencial elétrico. Esse efeito se chama reatância (por reagir à mudança). A reatância atrasa a corrente em 90 graus em relação à tensão.

Nos capacitores a corrente antecede a tensão, ou seja a corrente adianta-se à tensão em 90 graus. Nos indutores ocorre o contrário – a tensão antecede à corrente. Essa natureza complementar que existe entre indutores e capacitores gera muitos circuitos interessantes, os quais são vitais para transmissão e recepção de rádio, efeitos que foram explorados pelo brilhante inventor Nikola Tesla.

A multiplicação vetorial de voltagem x corrente, quando as duas grandezas se encontram a 90 graus uma da outra, resulta em potência elétrica zero.

P = V x I x cosseno (90) = 0

Assim, evita-se o curto circuito em um sistema puramente reativo, e a energia oriunda da alimentação AC da rede elétrica é totalmente (em teoria) carregada e descarregada a partir do núcleo magnético. Enquanto a tensão se eleva no indutor, a corrente é atrasada em 90 graus. Quando a tensão inicia a queda, a corrente inicia a subida. Não há tensão e corrente simultâneas no indutor primário do transformador (idealizado) quando alimentado com AC. Já com alimentação DC, tensão (V) e corrente (I) estariam em perfeita sincronia, o que ocasionaria dissipação térmica da potência, de acordo com P = V x I.

Na prática, existem perdas resistivas no fio, fuga indutiva (nem todo o fluxo magnético permanece dentro do núcleo) e até mesmo vibração mecânica no transformador devido à magnetostrição. São todas fontes de perdas de energia, o que é fácilmente constatado ao notarmos que todos os transformadores de alimentação trabalham aquecidos ou fazem barulho.

Transformador de Alimentação

O transformador de alimentação em amplificadores valvulados é responsável por fornecer as várias tensões vitais para o seu funcionamento.

HT

Alta tensão com baixa corrente (1 mA nas válvulas de pré e algo entre 100 e 300 mA nas válvulas de potência). Também conhecido por +B, historicamente sendo o eletrodo positivo da Bateria “B”. Amplificadores de 100 Watts costumam exigir no máximo cerca de 250 mA de corrente, 1/4 de Ampere. Deixando folga para preservar o transformador, um secundário com 300 mA @ 360 VAC RMS é suficiente para um amplificador de 100 Watts baseado em 4 válvulas 6L6/5881.

LT

Baixa tensão para calefação das válvulas, LEDs indicadores no painel, amplificadores operacionais para reverb, etc. Normalmente é um indutor secundário que possui fio de maior bitola devido à alta corrente de calefação exigida em todo o circuito. Válvulas comuns como as EL34 e 6L6 exigem cerca de 2 Amperes por válvula – outras, como a KT88, exigem maior corrente. Um amplificador de 100 Watts pode exigir cerca de 10 Amperes de um secundário de LT.

O circuito de calefação funciona a 100% de sua capacidade durante todo o período em que o amplificador se encontra ligado. Ao contrário do circuito de alta tensão, que não só pode ser desligado em alguns sistemas (standby) como também funciona a 100% somente com o amplificador trabalhando no volume máximo, o circuito de calefação é exigido a toda potência durante todo o tempo em que o amplificador estiver ligado. Por isso, ao calcular os secundários de LT é preciso incluir uma folga razoável. O autor emprega, no mínimo, 40% de folga em todos os secundários. Ou seja, se a exigência de corrente de calefação das válvulas for, como em nosso exemplo anterior, 10 Amperes, o autor especificaria um secundário de, no mínimo, 14 Amperes.

Na produção de amplificadores em grande escala, milhares ou milhões de unidades, o aumento de 40% na especificação dos transformadores pode ter um significativo impacto financeiro na empresa. Aqueles que, como o autor, fabricam algumas poucas unidades de amplificadores podem “se dar ao luxo” de empregar componentes mais caros e transformadores superdimensionados, uma vez que a meta imediata não é o lucro, e sim construir o melhor amplificador possível. Tal característica é, na opinião do autor, o que pode transformar-se no principal diferencial entre os amplificadores “hand made” para diferenciá-los daqueles construídos em série.

As válvulas retificadoras mais tradicionais para amplificadores de guitarra (5Y3,GZ34,5U4) exigem 5V na tensão de calefação (note o prefixo 5 nos modelos de válvulas). Caso empregue tais válvulas, será necessário outro secundário de LT separado, ou um tap de 5 V no secundário de 6.3 VAC. Não se pode utilizar a tensão de 6.3 VAC nas válvulas de 5 V.

Transformador de saída

O transformador de saída é um dos mais importantes componentes, senão o mais importante, dos amplificadores valvulados. É o transformador de saída que encerra o circuito de potência e que “entrega o bastão” do timbre e da potência às caixas acústicas e alto-falantes.

A abreviação “OT” (de Output Transformer) é normalmente utilizada em textos na língua inglesa.

A função do transformador de saída é de acoplar a alta impedância das válvulas de saída à baixa impedância dos alto-falantes. O transformador de saída apresenta em seu primário, alta tensão e baixa corrente, e reflete em seu secundário baixa tensão e maior corrente, ou seja, o secundário é um circuito de baixa impedância. Assim, o transformador de saída é um redutor de impedância.

A transferência máxima de potência entre dois circuitos ocorre quando suas impedâncias estão perfeitamente casadas. O mesmo ocorre no estágio de potência de um amplificador. Os amplificadores de guitarra, no entanto, requerem características distintas daqueles de alta fidelidade.

Certa quantidade de distorção harmônica é desejável no amplificador de guitarra, o que não ocorre nos amplificadores de áudio tradicionais. O transformador de saída para guitarra normalmente é produzido com uma impedância primária menor que aquela especificada nos datasheets das válvulas de potência, pois a faixa de frequências desse instrumento é menor, e abaixo, daquela do áudio de alta fidelidade.

A título de exemplo, válvulas EL84 podem ser especificadas para cargas de 10.000 a 14.000 OHMs placa-a-placa. Nos amplificadores mais tradicionais para guitarra encontram-se desde 6900 a 8000 OHMs. Válvulas 6L6 podem trazer especificações de carga de anodo na faixa dos 7000 a 8000 OHMs placa-a-placa, sendo que amplificadores como Bassman 5F6-A e Fender HotRod Deluxe utilizam 4000 a 4200 OHMs.

A produção de transformadores de saída é considerada uma combinação de arte e ciência.

Existem incontáveis variáveis que podem influenciar no resultado final obtido de um transformador de saída, e cada fabricante possui técnicas distintas para sua produção. Desde o material de fabricação do núcleo, a forma de enrolamento das bobinas, isolamento elétrico entre as placas que formam o núcleo e outros incontáveis detalhes têm grande influência no resultado final.

Fabricantes de Transformadores de Saída de alta qualidade

Seguem alguns exemplos de fabricantes de transformadores de saída de boa reputação:

  • Mercury Magnetics (Califórnia, Estados Unidos)
  • Thordarson Magnetics
  • Hammond (Canadá)
  • Willkason (Brasil)
  • EASA (Brasil)