Aprenda a adicionar um ajuste de bias, por multiplicador de Vbe, em amplificadores transistorizados classe AB.
Os amplificadores classe AB, como o próprio nome diz, são uma união de um amplificador driver em classe A, com um amplificador de potência em classe B, obtendo um rendimento maior, aliado a um consumo menor (eficiência de aprox. 60%).
Só que no funcionamento em classe B existe um problema chamado de distorção de crossover, onde acontece um atraso entre o início da parte positiva e da negativa da onda amplificada, gerando distorção no áudio.
Isto acontece porque os transistores precisam de uma pequena tensão na base para iniciar a condução, geralmente entre 0,5V e 0,6V.
Se ela não existir, é o sinal de áudio que precisará chegar a este nível para que os transistores conduzam. Ou seja, se o sinal for menor que a tensão necessária, o amplificador fica "mudo". Se ela ficar entre essa tensão, os transistores "ligam e desllgam" de acordo com o sinal, criando a distorção de crossover.
Em tese, o amplificador classe B só funcionaria sem distorção com volumes altos, onde a tensão nas bases dos transistores de potência forem sempre maiores do que a necessária para a polarização.
A solução para este problema é manter uma corrente baixa e constante circulando entre as bases dos transistores de saída, trazendo a tensão de polarização correta. E isso é possível com a utilização de um driver em classe A, mantendo esses transistores conduzindo o tempo todo.
No esquema, está grifado em amarelo o circuito do amplificador classe A (T9), que fornece a corrente constante nas bases de T6 e T10, que junto com T7 e T11, formam a etapa de potência em classe B. E também amplifica o sinal.
Nesta configuração, existem dois diodos em série que fornecem uma queda de tensão entre as bases dos transistores, que geralmente é da ordem de 1,2V, mas dependente do projeto, da tensão de alimentação do amplificador e das características dos transistores de saída.
Este amplificador utiliza, por exemplo, dois diodos zeners BZX62 (obsoletos), que são de 0,8V, gerando uma queda de tensão de 1,6V, e um resistor (R52) em série, fixo.
Os diodos sempre devem ficar encostados no dissipador de calor da etapa de potência, porque ao aquecerem, diminuem a polarização dos transistores de saída, ajudando a evitar um superaquecimento e uma possível queima.
Portanto, a corrente circulante (chamada quiescente) deve ser mínima e suficiente apenas para "maquiar" a distorção de crossover.
Para que o ajuste de corrente esteja correto, a tensão de polarização (VP) entre as bases dos transistores T6 e T10 , deve ser igual a soma da tensão entre base e emissor do transistor T6 e T10 (VBE1 e VBE2).
VP= VBE1 + VBE2
Na prática, a tensão entre base e emissor dos transistores de saída (VBE1 e VBE2) ficam entre 0,5V e 0,6V, suficiente para garantir que conduzam.
Então podemos admitir que a tensão de polarização VP fica entre 1V e 1,2V. Se estiver mais alta, aumentará a corrente de polarização, e mais baixa, diminuirá.
Adicionando um multiplicador de Vbe para ajuste de bias
O multiplicador de Vbe nada mais é do que um transistor configurado com um trimpot de ajuste, que pode ajustar a corrente (e a tensão) que circula entre seu coletor e emissor.
Ele se chama 'multiplicador de Vbe' porque pega como referência a tensão ajustada entre sua base e seu emissor, e gera um múltiplo dela entre o coletor e emissor.
No esquema apresentado, existem dois resistores, um entre base e coletor, e outro entre base e emissor, e sua função é limitar a corrente mínima e máxima para não danificar o transistor. É possível usar valores entre 680 ohms e 2K2, com um trimpot multivoltas com valores entre 1K e 10K, e um transistor BD139 (NPN).
O multiplicador de Vbe substitui diretamente os diodos de polarização do circuito, e com ele instalado, é possível ajustar com bastante precisão a corrente de polarização dos amplificadores classe AB.
Ligamos o coletor do BD139 na posição do anodo do diodo; e o emissor na posição do catodo, retirando também o resistor que está em série, caso exista.
O transistor BD139 dever ser bem fixado no dissipador de calor, com isolador e pasta térmica.
Quanto mais os transistores de saída esquentam, menos polarização eles precisam. O transistor do multiplicador de Vbe "sente" essa temperatura, e gradativamente diminui a tensão e a corrente de polarização, protegendo o circuito, e muitas vezes, evitando o superaquecimento e a queima. Então ele é um upgrade fundamental para os amplificadores classe AB.
Como fazer o ajuste de bias
Depois de instalar o multiplicador de Vbe no lugar dos diodos de polarização, coloque o trimpot na posição de mínimo.
Ligue o amplificador numa lâmpada em série de baixa potência (40W ou 60W, a depender do consumo geral do aparelho).
Meça a tensão Vbe, entre a base e o emissor dos transistores da saída, no caso, T6 e T10 (a tensão deles será copiada diretamente para os de potência T7 e T11).
Sem nenhum sinal de áudio circulando pelo aparelho, ajustar, com atenção, o trimpot para que a tensão Vbe de T6 e de T10 fiquem entre 0,5V e 0,6V. As tensões Vbe dos dois transistores devem ser iguais ou muito próximas. Se estiverem muito diferentes, use como referência o transistor que está com a tensão mais alta.
As diferenças de Vbe geralmente acontecem porque é necessário ajustar o offset em amplificadores que utilizam 'par diferencial', mas isso é um assunto para outro post.
Observe que os transistores de saída não devem aquecer. Se estiverem aquecendo, a corrente está alta. Tome cuidado para não queimá-los. Acredite, é bem fácil de acontecer e, dependendo da quantidade de transistores na saída, pode doer bastante no bolso.
Se estiver tudo aparentemente bem, injete um sinal de áudio, preferencialmente uma música, e escute em volume baixo. O som deve estar sem distorções.
Como fazer o ajuste de bias com o osciloscópio
Primeiro, faça o mesmo procedimento descrito anteriormente, ajustando a tensão dos Vbes entre 0,5V e 0,6V.
Na saída, coloque uma carga resistiva de 8 ohms e, sobre ela, as pontas de prova do osciloscópio.
Na entrada do amplificador, injete um sinal senoidal de 1kHz com baixa intensidade para que não ocorra a saturação da entrada (algo entre 200mV e 500mV).
Se a distorção de crossover aparecer na forma de onda do osciloscópio, ajuste vagarosamente o trimpot até que ela desapareça. E lembre-se: é só até a distorção aparecer. Aumentar ainda mais a polarização apenas desperdiça calor ao aquecer os transistores em repouso.
Depois de ajustado, confira as tensões Vbe dos transistores, caso queira saber em quanto ficou e, claro, injete uma música para fazer o 'teste do ouvido'.
Agora é só usar o amplificador e curtir um som.
Referências:
Designing an Audio Amplifier with Feedback and Bootstrapping: Vbe Multiplier_lab5 - Appendix
Fábio Ceccatto de Macedo