Amplificadores

Aplificadores electrónicos ou “amps” são dispositivos que aumentam a potência do sinal. Eles são usados em tudo desde rádio a computadores. Entender amplificadores é fundamental se você quer ser um engenheiro elétrico ou simplesmente aprender a ajustar o seu sistema de áudio. Milhares de engenheiros têm contribuído para um melhor design de amplificadores ao longo dos anos, mencionaremos apenas alguns aqui. A área de design de amplificadores é enorme, por isso vamos cobrir aqui apenas alguns conceitos básicos com links para páginas que vão para mais detalhes sobre aspectos deste tópico.

1). Como eles funcionam e noções básicas
2.) Amplificadores de potência
3.) Amplificadores para altifalantes e instrumentos musicais
4.) Amplificadores transístores
5.) Amplificadores de tubo, como eles funcionam
6.) 3 Modelos de amperes de tubo

1.) Como Funcionam

No sentido mais básico, um amplificador toma um sinal fraco e adiciona energia de uma fonte de alimentação para torná-lo maior na extremidade da saída.

Dois exemplos básicos da necessidade de um amplificador:

Áudio – Thomas Edison e Emile Berliner desenvolveram o microfone de carbono. O DC passa entre duas placas de metal com carbono no meio, uma dessas placas é o diafragma que vibra quando as ondas sonoras o atingem. Esta mudança de distância entre as duas placas altera a resistência e assim no extremo de saída você tem um sinal DC que se torna AC à medida que ele modula.
Problema: a extremidade de saída de um microfone é um sinal fraco porque é necessária uma baixa tensão DC para fazer o microfone funcionar. Agora precisamos pegar esse sinal fraco e enviá-lo por longas distâncias (como o sistema telefônico) ou colocá-lo em um alto-falante. Amplificadores foram necessários para fazer isso.

Radio – Quando Alexanderson, Fessenden, Hull e outros desenvolveram a transmissão de rádio de voz e o radar precisava de uma maneira de pegar as ondas fracas de rádio detectadas por tubos de vácuo e amplificar o sinal para que ele pudesse alimentar um alto-falante. Amplificadores (como o tubo de vácuo triodo) também eram necessários para pegar sinais fracos carregando áudio e vídeo (televisão) e transformar esse sinal em megawatts de sinal (para um transmissor), ou vários watts para alimentar um alto-falante na extremidade receptora.

Ganho – a palavra ganho é usada para descrever a capacidade dos amplificadores de multiplicar energia. Ganho de Tomasure é necessário para medir a potência de entrada e saída. Os decibéis são usados para medir o ganho através de equações. Ganho é logarítmico, medido pela potência de 10. Para calcular o ganho de um dado amplificador use a série de equações encontradas nesta página wiki >

Osciladores – quando um amplificador é conectado a um filtro e depois volta à sua própria entrada você cria um oscilador linear. Os osciladores são usados em relógios, rádio, televisão, filtros, e muitas outras coisas. Eles são usados para sintonizar circuitos, e são ferramentas importantes para fazer as coisas funcionarem. Mais sobre osciladores >

2). Amplificadores de potência

Na cadeia de sinal o amplificador de potência refere-se ao amplificador final. O amplificador de potência pode impulsionar o sinal para níveis elevados para usar para alimentar uma antena, magnetrão(radar), altifalante ou cabo de transmissão de dados a longa distância.

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Amplificadores de potência vêm em classes para descrever quanto do sinal sinusoidal é amplificado. O amplificador pode ser projetado para ser desligado durante metade de um ciclo, o que muda a forma de onda que passa.
Classes (analógicas): A, B, AB, CClasses (digital): D, E, F, G, S, T
Ler mais sobre as classes aqui.

Abaixo: Esquerda: amplificador de tubo para um magnetrão num forno de microondas. Os grandes dispositivos cilíndricos de prata e amarelo são condensadores.
Below: Direita: amplificador de estado sólido moderno para um magnetrão.

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3). Amplificadores para altifalantes e instrumentos de música > Amplificadores utilizados para accionar altifalantes pegam numa pequena quantidade de sinal gerado por um microfone, receptor de rádio, televisão ou outro dispositivo e convertem-no num sinal potente – o suficiente para accionar os fortes electroímanes encontrados nos altifalantes. Circuitos amplificadores de áudio são feitos de: Capacitores: condensadores de filtro, condensadores de acoplamento Resistores Tubos ou transistores de vácuo Rectificadores – converte a energia CA para CC. Podem ser diodos de silício ou retificadores de tubos Díodos e retificadores de tubos Circuitos amplificadores para acionar alto-falantes eletromagnéticos foram o maior desafio para os primeiros engenheiros de áudio. Apesar de o altifalante ter sido teorizado pela primeira vez na década de 1870, demorou mais de 40 anos até vermos o primeiro altifalante funcional pronto para a venda comercial. A razão para isso é que outras tecnologias como tubos de vácuo e matemática avançada para circuitos elétricos tiveram que ser desenvolvidas para fazer um amplificador de áudio que realmente produzisse música e voz, ao contrário de dispositivos grosseiros que poderiam fazer com que um alto-falante produzisse um zumbido feio e descontrolado. Fazer electrónica que pudesse aumentar de forma precisa o sinal de áudio retendo as formas de onda ricas e puras do sinal original foi a primeira tarefa executada por C.W. Rice e E.W. Kellogg. Direita: o primeiro protótipo de altifalante de trabalho (1921) e o seu amplificador que ocupava uma cabine inteira.

Vídeo: Corbin Irvin, engenheiro eléctrico, mostra-nos as partes de um amplificador de tubo clássico no Centro Técnico de Edison:

4.) Amplificadores transístores Transistores têm “transresistência”, o que significa que os semicondutores de que são feitos podem alterar os valores de resistência. Os transístores podem ser usados tanto como comutadores como amplificadores. O transistor tem três cabos: uma entrada (coletor), uma tensão (base) e uma saída (emissor). Transistor como comutador: Quando você estiver usando-o como um switch, aplicando energia no cabo ‘base’, permitirá que a energia flua da entrada (coletor) para a saída (emissor), quando você parar de fornecer energia, ele age como um switch e abre e o sinal não irá fluir do coletor para o emissor. Ao usar isto como um interruptor, diz-se que o transistor está “saturado”, pois a quantidade máxima de voltagem está fluindo através dele como ele pode lidar. Pense nisto como um simples interruptor ‘on’ ou ‘off’ sem opções de meio caminho. Transistor como um amplificador: Em um amplificador você aplica um pequeno amout of power ao transistor em todos os momentos e isto fecha o ‘switch’, permitindo que o sinal passe através do dispositivo. Adicionando esta voltagem positiva ao dispositivo é para ‘enviesar’ o dispositivo. Quando o sinal de entrada fraco passa por ele, ganha força a partir do viés que se adiciona ao sinal de saída. Isto é bom, mas não faz realmente uma grande amplificação. Dois transístores: Quando colocamos dois transístores juntos, podemos ter um que forneça um sinal AC ligeiramente amplificado para o cabo base do próximo, permitindo assim que um sinal mais potente flua através do segundo transístor e faça mudanças mais dramáticas no segundo transístor. Então você pode imaginar que uma grande quantidade de pressão de água é acumulada em um lado de uma válvula (o lado coletor), está apenas esperando para descer pela tubulação, tudo que você precisa fazer é girar um botão e fazer pequenos ajustes no lado da base e a porta abrirá parcialmente ou completamente. A água vai jorrar, ou simplesmente passar por ela. É assim que fazemos um pequeno esforço (sinal fraco) para controlar uma grande quantidade de potência.

Para fazer um amplificador operacional você usa múltiplos transistores junto com resistores e capacitores, desta forma você pode amplificar uma gama de freqüências. Aplicando tanto tensões negativas como positivas ao dispositivo você pode fazer o amplificador criar até 12 volts(+) com 12 volts(-), desta forma você tem potência suficiente para fazer o alto-falante funcionar. Há 1000 maneiras de projetar esses circuitos, mas você pode começar com alguns modelos básicos.

Capacitor usado antes do transistor: os amplificadores transistor usam um capacitor antes da entrada do transistor para ‘centralizar’ o sinal DC vindo de um microfone. Microfones ressoam, criando energia DC negativa e positiva. Eles também usam um ‘viés’, mas para uma razão diferente dos transístores. O viés no microfone energiza o dispositivo e coloca 0 db acima da voltagem 0. A polarização na maioria dos microfones requer que você o alimente com cerca de 2 volts, mas pode ser diferente. O condensador antes do transistor reduz a polarização de 2 volts para 0, e portanto remove o offset DC: Criar um circuito de amplificação torna-se complicado devido a coisas como ruído de sinal. Nós recomendamos que você comece a construir amplificadores simples a partir de kits, a fim de obter o básico para baixo. Depois disso, você pode ajustar sistemas mais potentes e caros.

Aprenda através da construção:
Construa seus próprios amplificadores e pedais de efeitos (tem kits simples disponíveis) >
Kits de amplificador a vácuo Vintage Amp (amplificadores de guitarra em tamanho real com alto-falantes) >

Acima: em um triodo um filamento aquece o cátodo, o cátodo e a grade são conectados ao sinal AC. Em (1.) a grade é carregada negativamente e repele os elétrons, possivelmente até bloqueando-os completamente para não alcançar o cátodo. Em (2.) a grade não é carregada negativamente e os elétrons passam livremente pela placa externa curva que é o cátodo. Nota: parte (1.) e (2.) não estão acontecendo ao mesmo tempo, eles são mostrados apenas para este gráfico.

5.) Usando tubos de vácuo para amplificar O advento do triodo em 1906 revolucionou o telefone e o rádio. Existem muitos tipos de tubos de vácuo usados para amplificar e ainda hoje usamos alguns deles. Os tubos amperes podem usar tetrodes, triodos e tubos de vácuo de pentode para fazer o trabalho de amplificação de sinal. O amplificador triodo: Este tubo tem um cátodo quente no centro rodeado por uma grelha metálica com o ânodo que o rodeia. O cátodo emite elétrons, e no vácuo os elétrons fluem livremente através da grade até o ânodo. Ao energizar a rede negativamente você repele mais elétrons, isto significa que menos elétrons podem passar através da rede para chegar ao ânodo. Se você pegar o sinal de áudio (uma voltagem variável) e aplicá-lo na rede, você estará deixando passar mais energia pela rede durante picos positivos e menos em negativos, assim você pode amplificar muito o sinal. A parte ruim dos amplificadores de tubo é que eles consomem mais energia e espaço do que os transistores.O cátodo quente em um tubo é feito de um filamento de tungstênio e tório. Este filamento, assim como uma lâmpada irá queimar após um número de horas e o tubo terá que ser substituído. Quando você prende um amplificador a um alto-falante o comportamento do amplificador irá mudar. A impedância do alto-falante irá mudar conforme a carga muda, e isto afeta todo o sistema. Vantagens sobre transistores: Guitaristas argumentarão que o som de um amplificador de tubo é melhor que o de amplificadores baseados em transistores. Sistemas de amplificadores de tubo têm clipping não-linear e mais distorção harmônica de segunda ordem, existem muitos artigos detalhados sobre este assunto. Amplificadores de estado sólido projetados para guitarristas agora usam circuitos de retorno de corrente para aumentar a impedância de saída, isto dá um som semelhante do alto-falante que um amplificador tubular daria.

6.) Exemplo de Amplificador de Três Tubos

Usaremos um simples amplificador de guitarra com três tubos para demonstrar como o sinal é transformado de um sinal fraco de 0,9 volts para um sinal poderoso o suficiente para alimentar um grande diafragma de alto-falante. Nossos gráficos são uma versão simplificada do Fender Champ-Amp apresentado nos vídeos “Uncle Doug’s”. Veja o vídeo de 38 minutos listado na parte inferior aqui para ir mais fundo, se você precisar. Em nosso diagrama abaixo temos resistores omitidos e a maioria dos capacitores para focar na ação de amplificação.

No gráfico acima você verá o layout que consiste de uma fonte de alimentação (transformador) conectada a um tubo retificador e dois outros tubos. O transformador converte 120 V da parede em três linhas separadas. A linha de 6V apenas alimenta os filamentos nos dois tubos amplificadores. Ela mantém os filamentos quentes para que os tubos possam funcionar. A linha de 5 V vai para o retificador de potência e aquece esse tubo. A outra linha de alta tensão leva a energia CA para o retificador onde é convertida para CC, cortando os lados negativos da forma de onda. Resistores e transformadores em outras partes do sistema ajudam a suavizar o sinal DC, removendo as lombadas curvas.

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O sinal de guitarra gerado pelos captadores é conectado à grade no tubo do triodo pré-amplificador. O ânodo no tubo foi fornecido com um forte150 volts de + DC. No cátodo no centro do tubo é muito quente estimulando a geração de muitos electrões, no entanto a grelha está por defeito num estado negativo, bloqueando a passagem de electrões sobre o anodo. O sinal AC da guitarra muda a grade, permitindo que milhões de elétrons passem para o outro lado em um padrão que replica a forma de onda das guitarras.

A energia AC agora segue a linha DC do anodo para outra grade (tubo 12AX7) no sametube. Um condensador bloqueia a energia DC, permitindo apenas a passagem do sinal AC. Este sinal é agora mais forte que o sinal original da corda da guitarra e esta segunda grelha reage ainda mais fortemente, permitindo que uma forma de onda AC mais extrema passe do cátodo para o ânodo. O sinal assim já foi amplificado duas vezes neste tubo pré-amplificador.

O sinal do tubo pré-amplificador é passado para as placas do tubo final. O último tubo desta cadeia tem uma corrente contínua de 320 volts com uma carga + extremamente forte. Mais uma vez a rede reage à energia CA e muitos elétrons fluem através do mesmo padrão que a forma de onda CA. Este sinal CA passa por um transformador que transforma a energia para uma voltagem que o alto-falante pode usar. Normalmente os 320 volts que passam pela bobina do transformador não afectam o lado do altifalante do transformador porque a CC não pode passar por um transformador.

Video, descrição completa deste circuito:
Como funcionam os Amplificadores Tubulares, descrição do circuito – alimentação (18 min) >
E parte 2 (20 min) da descrição deste circuito para um Champ-Amp Fender >

Video: O primeiro protótipo de altifalante, este vídeo mostra-lhe os tubos utilizados neste protótipo de 1921.
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Tipos de amplificadores:
Amplificadores Operacionais
Amplificadores Diferenciais
Amplificadores de isolamento
Amplificadores de feedback negativo
Amplificadores de espectro
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Outras Leituras:
Teoria do Transístor >
Amplificadores Operacionais >
Semicondutores Electrónicos >
Rádio >

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