CHAMP CBS com Fet

[Matec]

Pois é, mais um projeto com fets.
Vendo tantos outros bons projetos com fets por aqui eu resolvi mandar o meu também.
Não é nada de mais, mas vai sair um ampli completo , talvez com uns 15w ou mais.
Mas não pensem que vai ser fácil.
É que eu sou um falador de primeira e tenho muitas idéias que muitos vão achar estranhas (malucas mesmo) sobre Fets, Válvulas, transformadores e outras coisas.
Como são idéias minhas, elas podem ter erros de avaliação de minha parte ou gerar dúvidas.
Por isso em um fórum como esse, cheio de pessoas esclarecidas, espero contar com a participação de todos, para que no final não seja o "meu" projeto, mas um projeto Handmades.
Estes dias vou organizar um pouco mais minhas anotações e vou postando conforme der.
Até mais.

-----O FET




É conhecido por muitos que o Fet de junção ou J Fet é um componente ótimo com características superiores de impedância de entrada, resposta em alta frequência, e maleabilidade nos projetos onde ele é usado.
Também é conhecido que esse componente, mais que muitos outros, tem um funcionamento semelhante  ao de uma vávula tríodo, ou mesmo ao de um pêntodo.
Principalmente no que diz respeito á sua polarização, que do mesmo modo que as válvulas , é extremamente simples de ser implementada, bastando um circuito com um fet e três resistores ligados a uma fonte de energia para se ter um amplificador estável. Do mesmo modo que uma válvula, exceto que esta precisa também de uma fonte de energia para o filamento.
Isso leva á simplificação de pensamentos: “Se  ele trabalha igual, é só substituir no circuito.”  



 
Muita gente pensa assim, porém quem já tentou isso viu que não é bem dessa forma.

Mesmo entre válvulas, não é sempre que isso funciona. Se você tem um determinado circuito que usa determinada válvula, esse mesmo circuito poderá não funcionar com outra válvula, mesmo que essa válvula tenha características semelhantes. Esse novo circuito precisaria de vários ajustes. Mesmo assim não há garantias que tudo vá sair como o esperado, existe um compromisso de funcionamento para cada modelo. E é por isso que existe uma variedade tão grande deles.

Imagine agora os FETs em relação às válvulas!
Não existe nenhum fabricante que tenha lançado a 12AX7 FET. Muito menos um FET para 300V com as mesmas características da 12AX7.(pelo menos não que eu conheça, se alguém sabe algo sobre isso, por favor nos esclareça).
Existem alguns MOS-Fets que funcionam em alta tensão, mas isso é tudo que eu sei sobre eles.
(2016 -Já há um tempo temos o MOS fet LND150 Com algumas características próximas das válvulas, mas não iguais)
Então não é só ir trocando. Não funciona desse jeito
Até a proxima

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A Válvula

A válvula como costumamos olhar, é mesmo algo diferente, um monte de plaquinhas de metal, uns fiozinhos, umas placas de mica, tudo dentro de um tubinho de vidro. Uma lâmpada diferente. Mas funciona bem, e o funcionamento dela é impecável.

Ela poderia até ser considerada ideal.




Tanto que a gente esquece que ela tem lá seus defeitos.
O maior destes defeitos vem dela ter um tamanho físico grande.

Muito grande para certas aplicações.

As válvulas mais simples, os tríodos que nós conhecemos, têm algumas limitações para trabalhar em frequências altas. Alta impedância de placa, alta resistência de placa, capacitâncias Placa-Grade, Cátodo-Grade, Placa-Cátodo, (só para falar os que na minha opinião têm relevância no tópico), e resistência de Cátodo, (essa é por minha conta, vai servir em termos práticos).

Então a válvula que o símbolo acima se mostrava simples na verdade pode ser vista do seguinte modo:

A Válvula Real




Então na hora de se fazer um projeto, podemos olhar o símbolo padrâo, mas devemos pensar que a válvula é como está indicado, uma válvula real.

O Fender Champ

O Fender Champ (Champion) foi praticamente o primeiro ampli que o Léo Fender começou a fabricar, junto de outros dois modelos lá nos anos 40. Era basicamente o que se chamaria de amplificador para iniciantes, porém na época não haviam opções e ele servia prá tudo mesmo. Lógico que sendo um ampli pouco potente ele distorce um bocado, o que na época deveria ser um problema. Mal sabiam eles que esse é um dos motivos de sua valorização hoje...

Eu escolhi esse modelo para a minha montagem pela simplicidade, baixo custo e por ser possível com ele tentar novas possibilidades que eu não vejo em nenhum outro ampli. De todo modo se nada disso resultar em algo aproveitável, não haverá protestos violentos pelo custo das peças ...




Esse modelo CBS já é mais recente, da época que a Fender não era mais do Léo Fender. Ele possui um tone stack com graves e agudos  e pode ser colocado ainda os médios, caso o montador deseje.
Para quem quer os modelos anteriores basta modificar um pouco o circuito, usando menos peças.

Até...

[Matec]

O efeito da capacitância em válvulas e fets

Como foi dito antes as válvulas têm capacitâncias entre suas partes. Com o desenvolvimento das técnicas de fabricação, as válvulas possuem muito menos capacitância que possuíam no início. Tanto fisicamente, como pela criação de novos tipos como os tétrodos, pêntodos e outros. Se houvesse interesse talvez hoje existissem válvulas microscópicas, que estariam concorrendo com os mosfets na fabricação de circuitos digitais, (talvez hajam, eu não sei).
A capacitância das válvulas é um “defeito”, mas ao mesmo tempo uma característica do componente. Você pode contar no seu projeto com a existência dela, isso é garantido!

-----Mas qual o efeito da capacitância no circuito?

Para uma válvula 12AX7, o valor da capacitância Cpg (placa-grade), é somente 1,8 pF, a Cgk (Grade-Cátodo) é menor 1,6pF.
 


Muito pequenas.

Porém a Cpg é influenciada diretamente pelo ganho de tensão da válvula.
Logo, a capacitância de entrada da válvula, Cin vai obedecer á seguinte relação:

Cin = Ckg+ Cpg*(Av+1)

Onde Av é o ganho de tensão do estágio.

Nos circuitos como este acima com as 12AX7 têm um ganho de tensão médio de Av = 54 vezes.

Então Cin = 1,6+1,8*(54+1) o que é igual a = 100,6 pF !

Opa! o valor já não é tão mínimo assim!

Mesmo assim não é ainda muito relevante.
Mas e se houver uma resistência na entrada...
Quando passa a valer a seguinte relação:

Fin = 1 / (2 * Pi * Cin * Rgin)

Onde:
Fin - é a frequência de corte alta de entrada.
Rgin - é uma resistência em série com a grade.
(Cin em Farads, Rgin em Ohms, Fin em Hz)

Exemplos:
Num circuito assim a capacitância praticamente nem atua.



Neste forma um filtro de 106khz.



Neste  é um filtro de 23kHz.


 
(Olhando esse último, me vem na cabeça a palavra Fender)

E para nós há muita diferença no som?

Utilizando o último exemplo:

No nosso caso é inaldível, para um estágio à válvula.

Para dois em série muitos notam a diferença.

Para três em série já se sabe que está lá,

E assim vai, é um efeito cascata. Tudo dependendo do circuito.

Maiores resistores na entrada, menos agudos...

(Na verdade tudo é bem mais complexo que isso. As Fórmulas utilizadas são bem simplificadas, mas corretas.)

Pessoal das duas uma:
Ou todos entenderam tudo e estão de acordo, não têm dúvidas.
Ou ninguém entendeu nada, e não têm dúvidas!

Valeu!

[Matec]

Os FETs, nos seus datasheets, apresentam capacitâncias entre seus terminais.
Porém não se percebe cortes iguais ás válvulas.
Provavelmente isso funciona de modo diverso para essa característica.
Nesse caso temos que adicionar pequenas capacitâncias aos terminais
porta (gate)-dreno (drain) e porta (gate)-fonte (source); Cdg e Csg

  

E o valor dessas capacitâncias?
Aí sim entramos num campo complexo.
O valor desses componentes vai depender a princípio da frequência de corte pretendida naquele estágio e do ganho daquele estágio.

Digamos que no projeto do Champ CBS seja utilizado um FET da família do BF 245, um transístor comum por aqui.
Este componente terá um ganho de tensão setado de modo que todos os estágios somados tenham uma amplitude suficiente para atingir a máxima potência permitida pela fonte, porém sem muitos excessos.

Como cada tipo de BF 245 tem características diferentes, cada um destes tipos terá uma setagem diferente para atingir o ganho de tensão desejado. Alguns tipos talvez não possuam as características necessárias, então não serão utilizados.

Depois de se descobrir qual é esse ganho de tensão por estágio e a frequência de corte que será necessária aí se utiliza aquelas fórmulas dadas anteriormente já integradas uma à outra para se conseguir a capacitância Cpg (que no FET é Cdg)

Ckg= Cpg*0,8889 (Levando em conta os valores do exemplo acima)

Cin = Ckg+ Cpg*(Av+1) => Cin = Cpg*0,8889+ Cpg*(Av+1) ;

Logo: Cin = Cpg (0,8889+ (Av+1))                 A

Fin= 1 / (2 * Pi * Cin * Rgin) =>    Cin = 1/ (2 * Pi * Fin * Rgin )                B

Inserindo A em B

Cpg (0,8889+ (Av+1))   = 1/ (2 * Pi * Fin * Rgin )

 Cpg   = 1/ (2 * Pi * Fin * Rgin *(0,8889+ (Av+1))
             


Nos aparelhos valvulados os circuitos foram criados a partir das características das válvulas existentes.
Já nas nossas versões de circuitos, os FETs devem ser adequados para trabalhar dentro dos esquemas já prontos.
É claro que esse “encaixe” não é perfeito, mas pode trazer alguns resultados interessantes.

Até a próxima.

[kem]

Matec, já ouviu falar do LND150?
E se a ideia é usar FETs em baixa tensão, pense eu utiliza-los em cascata, como na versão FET do BlackFace...

[Marcel.]

Cara, esse "monólogo" tá muito interessante! E eu tou falando sério, não sendo irônico... 

Mete bronca Matec, tou acompanhando!

Parabéns pela iniciativa.

Abraços.

[Matec]

Olá kem
Eu não cheguei a testar mosfets nos meus protótipos, mesmo porque o que eu estou expondo levou alguns anos para ser filtrado, mesmo assim fica válida a dica, e se possível vou ver as possibilidades. O link desse circuito do black face é esse?
http://www.redcircuits.com/Page120.htm
Se for, depois a gente comenta essa configuração.
Abs

Valeu Marcel.
Pelo menos agora já deixou de ser um monólogo, o que é um alívio!
Abs

[kem]

Olá kem
Eu não cheguei a testar mosfets nos meus protótipos, mesmo porque o que eu estou expondo levou alguns anos para ser filtrado, mesmo assim fica válida a dica, e se possível vou ver as possibilidades. O link desse circuito do black face é esse?
http://www.redcircuits.com/Page120.htm
Se for, depois a gente comenta essa configuração.

Sobre o LND150... você pode dar uma pesquisada e vai ver que é possivel com ele o que você falou (não que fique 100%). Tirar a 12AX7 e colocar o LND150 sem mexer em mais nada. Tem muitos relatos disso (cada LND substituindo um triodo - precisa de 2 para substituir uma 12AX7).



E o Blackface é esse mesmo.

[Matec]

Estive pesquisando um pouco sobre o LND150, e me pareceu interessante e cheio de possibilidades. Apesar de que nem mesmo o fabricante indicou se há um projeto específico para o uso desse componente como substituto das válvulas de pré nos amplis valvulados. De todo modo, é um campo a mais para a gente se aventurar.
No caso específico deste projeto do Champ não será necessário utilizar componentes que suportem alta tensão.
Mesmo assim, valeu a dica!

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EDITADO

Quero esclarecer que nesta parte do tópico eu cometi alguns enganos, e estas próximas declarações não estão de acordo com a realidade que ocorre nos circuitos citados, se quiser ler serve como curiosidade. Mas o funcionamento correto destes circuitos será devidamente explicado mais tarde.


Válvulas e FETs, Assimetria na resposta.

Para a nossa sorte as outras características das válvulas têm similaridade muito grande com as características dos Fets.

Uma delas, que talvez seja a chamada “Criação de harmônicos pares”, ou “Distorção da válvula”, ou ainda “Compressão da válvula” na verdade não é exclusividade desses componentes.
Aliás eu nem sei se esses termos podem ser usados para um fenômeno que ocorre independente do tipo de componente utilizado.
 
Fica aqui essa dúvida minha para quem quiser esclarecer.

Este fenômeno ocorre em função de outra coisa. Ele vem da configuração  em que o componente é utilizado no circuito.
A configuração a que me refiro é a de Cátodo Comum, para as válvulas, Emissor Comum para os bipolares, e Fonte Comum para os FETs.
É aquela configuração clássica, que todo mundo já viu.


Fig


Pois bem! Essa configuração sempre distorce um sinal.
Normalmente de forma branda, quase imperceptível, para sinais de pequena amplitude.
Mas ela está sempre lá.

É matemática, não tem como escapar.

Imagine esse circuito acima de uma forma prática desse modo:


Fig  

Temos um resistor de carga que é fixo, de valor estático, Rl e o componente ativo  que equivale a uma resistência variável , Rv.
Até aí todos entendem.
Esses dois resistores formam um divisor de tensão para a fonte Vcc, de modo que na saída a tensão  Vs é proporcional à Rv. Porém essa proporcionalidade não é linear, visto que o valor de Rl é fixo.

Tenho esta fórmula que  representa a proporção entre a variação de resistência Rv e a variação de tensão Vs

Vs / Vcc = Rv / (Rl + Rv)

Sendo assim:

Vs = Vcc * (Rv / (Rl+ Rv))

Exemplos práticos:


Fig


Ex 1:

Rl = 100k
Rv =100k
Vcc = 200v

Vs = Vcc * (Rv / (Rl+ Rv))  =>   Vs = 200v*(100k / ( 100k + 100k)) =>

Vs = 200v * (!00K / 200k)  =>  Vs = 200v * (1 / 2)  

=> Vs = 100v

(Essa foi básica.)

Ex 2:

Rl = 100k
Rv =50k
Vcc = 200v

Vs = Vcc * (Rv / (Rl+ Rv))  =>   Vs = 200v * (50k / ( 100k + 50k)) =>

Vs = 200v * (50K / 150k)  =>  Vs = 200v * (1 / 3)  

=> Vs = 66,66v

Ex 3:

Rl = 100k
Rv =150k
Vcc = 200v

Vs = Vcc * (Rv / (Rl+ Rv))  =>   Vs = 200v * (150k / ( 100k + 150k)) =>

Vs = 200v * (!50K / 250k)  =>  Vs = 200v * (3 / 5)  

=> Vs = 120v

Ex 4:

Rl = 100k
Rv =200k
Vcc = 200v

Vs = Vcc * (Rv / (Rl+ Rv))  =>   Vs = 200v * (200k / ( 100k + 200k)) =>

Vs = 200v * (200K / 300k)  =>  Vs = 200v * (2 / 3)  

=> Vs = 133,33v

Note que variações lineares de resistência (50k, 100k, 150k, 200k)  resultam em variações não lineares  de tensão (66,66v, 100v , 120v, 133,33v).
Isso pode ser visto melhor em um gráfico, (que poderia ser a tela de um osciloscópio)

Um sinal Triangular na entrada. Na saída comprimido de um lado, expandido do outro


 
Fig

Um sinal Senoidal.



Fig

Normalmente não vemos essa assimetria toda em sinais de baixa amplitude.


Nos valvulados é mais fácil notar, pois os sinais atingem grandes amplitudes, e a tensão da fonte é  grande o suficiente para o sinal se mostrar completo, sem clipar.

Nos circuitos com Fet  e fontes de tensão não muito baixa podemos calibrar o circuito para que essa distorção apareça. Não que isso seja obrigatório ou necessário, já que a distorção estará lá de toda maneira.


Nos circuitos bipolares é preciso mais empenho ainda; normalmente o sinal é clipado antes de se conseguir visualizá-lo.


 
Fig

A figura mostra como aparece na prática essa distorção, em sinais de baixa amplitude. Pequenas diferenças nas cristas das ondulações

A realimentação negativa influencia o circuito para que ele tenha maior linearidade. Há grande influência do resistor Rk, ( Re ou Rd) e do capacitor Ck, (Ce ou Cs). O resistor propicia a estabilização DC e pode diminuir o ganho do circuito. A presença do capacitor no circuito implementa o ganho e desvia a realimentação negativa AC do estágio .


Circuitos com Cis: Os Circuitos Integrados são projetados para não ter distorções desse tipo.

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Daqui prá frente o tópico volta ao normal


Nas próximas postagens virá o circuito do Champ, que é nosso  objetivo. Ainda estou fazendo os últimos testes no circuito de potência, que eu espero, será inovador pela sua simplicidade e características de resposta.

Abs.

[Romildo]

Otimo topico. Parabens
aguardo os proximos post

[mrmagoo]

http://www.sugardas.lt/~igoramps/article68/article.htm

Vale a pena dar uma olhada.

[Matec]

mrmagoo

Realmente os russos têm idéias próximas ás nossas em termos de como lidar com FETs. O diacho é que sem o tradutor não tem nem como começar a entender os artigos. Mesmo assim ainda sobra uma ou outra expressão que fica sem tradução e a gente fica pensando o que pode ser aquilo.
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O PRÉ AMP

Na minha concepção, quando se quer clonar  um circuito deve-se utilizar realmente tudo que o circuito possui, as características dos componentes, sejam elétricas, físicas, acústicas, etc. Basicamente um projeto valvulado, construído com FETs já apresenta várias diferenças que resultarão em alterações no circuito básico.

Eis aqui o pré-ampli.


Fig

Existem bons motivos para que ele mantenha alguns valores, existem motivos para que se altere outros. Tudo tem alguma razão para ser assim.

Eu optei por manter os circuitos de dreno com os mesmos valores do circuito de placa original. Isso manterá as relações de impedância iguais. Aliás esse é um dos pontos que eu faço questão de preservar.

Os capacitores Cgd e Cgs foram calculados de acordo com o ganho do estágio e o corte de frequência pretendido.

Já o circuito de fonte, deve ser alterado para que os FETs trabalhem em pontos de operação adequados. Fiz o cálculo do resistor (R5 e R15) de fonte (do FET) para manter a resposta de frequência inalterada, e o ganho num valor próprio para as tensões utilizadas.

Os resistores R7 e R17 propiciam a polarização DC dos FETs e os capacitores C5 e C14 fazem o desacoplamento AC, de modo que esse arranjo não modifique o ganho e a resposta de frequência pré estabelecida.

R7 e R17 podem sofrer alguns ajustes para que os FETs utilizados tenham um ajuste fino de tensão DC no dreno, em torno de 60% de VCC. Esses valores não são críticos.

Infelizmente as tolerâncias dos FETs ainda são muito altas e mesmo peças do mesmo lote chegam a ter 20% de diferença umas das outras. Nada que atrapalhe o som.

Foi utilizado no protótipo o FET BF245A que eu considero excelente para esse pré.
Vou fazer testes também com os FETs J202 e em outra ocasião postar algo sobre isso.

Os componentes das entradas dos FETs, R1-C1 e C10-R13 estão aí para que não hajam ruídos ao se alterar os controles de volume do instrumento ou do tone stack. Os FETs têm uma sensibilidade muito grande às cargas eletrostáticas, e esse arranjo previne qualquer “arranhado” que possa querer aparecer. 


O tone stack é típico da Fender com bass e treble.


Fig

Se preferir implementar o middle é só inserir no lugar do resistor R9 um potenciômetro de 22k lin e um resistor de 1k .


Fig 

Pode também, em vez disso fazer o ampli apenas com o volume, como nos primeiros Champs.


Fig

Em todos os casos o som é bom.

O segundo estágio do pré, após o volume, acaba fazendo parte do circuito do power devido a um elo de realimentação negativa, que chega ao resistor de 47 Ohms (R18) na base do circuito de fonte. Fora isso ele é igual ao primeiro estágio.
 
Até a próxima.

[kem]

Uma coisa é certa... o numero de componentes aumentou muito em relação ao valvulado...
Vamos ver se o som é bom.
Matec... Apesar de você tentar reproduzir o timbre do amplificador, tem que ficar claro pra quem ta lendo que esse pré tem uma saida menor do que a versão valvulada.
E você chegou a pensar em usar o tone stack Marshall? Ele introduz menos perdas que o Fender...

[xformer]

Note que variações lineares de resistência (50k, 100k, 150k, 200k)  resultam em variações não lineares  de tensão (66,66v, 100v , 120v, 133,33v).
Isso pode ser visto melhor em um gráfico, (que poderia ser a tela de um osciloscópio)

Um sinal Triangular na entrada. Na saída comprimido de um lado, expandido do outro

Existe um erro conceitual na sua análise. As variações lineares na resistência interna do dispositivo amplificador (seja transistor bipolar, fet ou válvula) se refletem em variações inversamente proporcionais na corrente.  Além disso o sinal de entrada não controla diretamente a resistência interna do dispositivo amplificador de forma linear, mas sim controla a corrente que circula no dispositivo (corrente controla corrente nos bipolares, tensão controla corrente nas válvulas e fets) de forma quase linear (e essa quase linearidade no controle da corrente que causa a distorção).
Então os gráficos que você postou não refletem o que ocorre na realidade (a menos que fosse um potenciometro linear que fosse o dispositivo de variação de corrente).

Distorção em estágio de válvula:

[Matec]

kem

Apesar de parecer muitos, são só 5 componentes minúsculos por estágio, visto que mesmo os e os resistores podem ser de 1/8W, e mesmo os capacitores de 220uF podem ser de 16v ou menores até 6,3v, já que a tensão que fica em seus terminais não passa de 1,5v.
Eu creio que um ajuste nesse nível não vai tirar o sono de ninguém.

A tensão de saída de cada estágio do pré têm aproximadamente 50% do nível que teria um valvulado com tensão de fonte (do pré) em 250v, o que daria 25% para 2 estágios. Eu só não quis mais amplificação pelas necessidades do próprio circuito. O volume conseguido teria condições de empurrar a maioria dos amplis que aparecerem, contanto que eles tenham impedância de entrada superior a 220kOhms.

O tone stack usado nos Marshall muda bastante o timbre. Na verdade o original Champ sem o tone stack tem o som melhor de todos.

xformer

Eu não sou perfeito e posso cometer erros. Se não eu escreveria tratados sobre todos os assuntos que me desse na cabeça, e não artigos num fórum onde todos tem conhecimento do assunto e podem opinar e fazer correções nas minhas afirmações. Graças a Deus.

Mas no caso desse assunto eu não estou totalmente errado.
Mesmo que eu utilizasse um componente ultralinear, e tudo ajustado para que o sinal se enquadrasse na parte mais linear da curva de resposta, ainda assim haveria essa distorção. Essa “distorção” na verdade é uma resposta matemática a um divisor de tensão com uma carga fixa e uma carga variável.

Em pequenas amplitudes, onde a variação da carga controlada é mínima, teremos um sinal de saída “quase” linear. Para “consertar” isso, nos componentes de estado sólido, foram criadas as saídas complementares, onde ambos os componentes são cargas variáveis. O que pode, com um bom controle, refletir uma saída bem linear.

Logicamente se a amplitude do sinal de controle for um pouco maior, em circuitos como o de cátodo comum, corremos o risco de que o componente entre em sua região de resposta não linear, e aí um efeito somado ao outro cria uma sensação de que só existe distorção em altas amplitudes.

Mas é claro que eu posso estar só falando besteira...

Abs

PS : Eu gostaria de saber a fórmula para desvendar seus códigos binários.

[druidamaluco]

Vixe, quando eu crescer quero ser igual vocês,  

Falando sério, caraca, amei o tópico, estou aprendendo bastante.