Upgrade DIY em Sistema de Áudio

Pessoal,

Após uns bons fins de semana trabalhando neste projeto, segue agora um pequeno relato da aventura. Creio que vocês se lembram do pré com válvulas que fiz para um amigo do trabalho, o Ari, que foi publicado pelo Alfredo na Som Show.

Pois bem. Um conhecido dele, o Paulo,  que mora São Paulo, capital, ficou curioso com os resultados e me perguntou, via  Ari, se seria possível melhorar o resultado sonoro de seu “set-up”. Entramos em contato e ele me informou qual era a situação. Ao fim, após análise geral, tratou-se de prover amplificação adequada para caixas Altec Valencia, modelo 846A, em excelente estado de conservação, exatamente como essas abaixo:

Altec Valencia 846A

São grandes e têm um woofer de 15″ e um driver de compressão com horn para as frequências altas. A caixa é bastante simples, bem acabada, bastante robusta e muito musical. Agradabilíssima de se ouvir.

As fontes sonoras seriam pré-amplificadas por um equipamento da Shindo, chamado Masseto, como o abaixo:

masseto

Trabalhei então de forma a casar o sistema de amplificação a esse pré e às caixas. Digno de nota é que o pré se saiu muitíssimo bem no conjunto.

É muito comum que essas caixas mais antigas, residenciais, tenham crossovers menos elaborados. Os falantes são de muito boa qualidade e de alta sensibilidade, assim, amplificadores de baixa potência são suficientes para excitá-las adequadamente. Essas, em particular têm eficiência na casa dos 100dB/W/m e impedância nominal de 16ohms.

Propus um sistema bi-amplificado, com crossover ativo, reproduzindo a função de transferência do crossover original das Valencias. Optei por não alterar essas características por entender que qualquer outra solução seria transformar as caixas em outra coisa. Poderia ser para melhor? Talvez, mas não seriam mais as Valencias e, apesar de terem sido projetadas faz mais que meio século, com certeza os engenheiros e físicos da Altec sabiam o que estavam fazendo, e fazendo muito bem.

Assim, o contexto foi de pegar o projeto de prancheta original (frequências de corte, Q das caixas, curvas de resposta previstas etc) e trazê-lo para o século 21 nas ferramentas e materiais disponíveis. Creio que esse projeto fez a performance das Valencias ficar bem mais próxima do que o projetista tinha em mente à época.

A primeira providência foi medir as características das caixas com o DATS e, para isso remetemos o equipamento para o Paulo, que tratou de medir os falantes. O DATS confirmou que os falantes estavam em bom estado e com as características originais preservadas, o que facilitou o projeto.

Analisando o divisor, as soluções de engenharia adotadas se mostraram inteligentes, com a utilização de um filtro de duas vias de segunda ordem (12dB/8a), com corte assimétrico e Q´s distintos na impedância nominal dos falantes. Com isso, a Altec conseguiu uma curva de resposta teórica bastante plana respeitando as limitações dos transdutores, sem necessidade de um falante de médios e maiores complexidades (e custos) de produção. Abaixo temos a simulação de resposta teórica do crossover original, somada, com atenuação média nos agudos:

medida

Observem que há uma pequena variação de aproximadamente 1,6dB para cima e para baixo, com as frequências de corte utilizadas. Isto posto, entendi que deveria projetar um crossover ativo, entre o pré e os amplificadores, distintos para cada transdutor, com as mesmas frequências de corte (em torno de 900Hz e 1500Hz) e com os Q´s que permitissem essa resposta. O diagrama de blocos demonstra a solução:

BLOCOS

A vantagem neste caso é que o comportamento do crossover estará perfeitamente determinado, não dependendo mais das condições dos transdutores, o que normalmente é o que se projeta, mas não o que se obtém com crossovers passivos, que interagem com os parâmetros eletromecânicos do conjunto sonofletor e sofrem de diversas não-linearidades e tolerâncias, além de variações devido à temperatura etc.

Alguns dias “desenferrujando” os conceitos de filtros ativos, calculando Sallen-Keys, LPFs e HPFs e matutando sobre a melhor solução, me levaram a um projeto com integrados de alta qualidade e que mostra, no simulador, esta resposta:

graf01

Míseros 0,2dB de desvio em relação à curva teórica original, o que está “para lá de bom”. A tolerância dos componentes passivos do crossover original deve levar a desvios muito maiores. Partimos então para a execução do projeto do crossover.

Considerada a qualidade do restante da cadeia de reprodução, o crossover teria que ser o mais “transparente” e silencioso possível, pois ruídos e zumbidos são facilmente identificáveis em caixas de alta sensibilidade. Para os circuitos foram utilizados os integrados de alta fidelidade da Texas Instruments, devidamente alimentados por fonte simétrica filtrada com células RC e estabilizada. Os capacitores de polipropileno e os resistores das células de filtragem foram selecionados à mão e casados em menos que 1% de tolerância. Utilizei um temporizador e relés para acionamento das saídas, evitando-se ruídos de comutação indesejados ao se energizar o equipamento.

No CAD, ele ficou assim:

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Foi para a “forja”:

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E para a montagem:

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Até aí, tudo bem, mas o equipamento precisava ficar apresentável, assim, resolvi comprar, no ML, chassis de equipamentos antigos da Cygnus, de preferência danificados, para não ficar com dó de desmontar, e aproveitar a estrutura básica. A vantagem é que a furação básica e a estamparia já estão feitas; apenas teria que preparar os painéis frontais novos, pintar e adaptar os conectores IEC para alimentação. Escolhi este para a montagem:

chass01

Era de um NR800, que lixei, apliquei protetor antiferrugem e pintei, além de fazer o recorte quadrado do conector de força. O transformador estava com uma blindagem bacana e achei muito bom.

chass02

Ao fim e ao cabo, o teste na bancada com minha fonte regulada ficou muito bom, tudo ok, então parti para a montagem no chassis. Como de praxe, montei primeiro o transformador, chave de força e de tensão, conectores etc e aí descobri que o transformador só funcionava em 110V. Estava com um dos primários aberto. Tive que usar outro, sem blindagem, e providenciei uma faixa de cobre adesiva para a função.

montagem crossover 7

montagem crossover 8

montagem crossover 10

O painel de alumínio frontal foi feito a partir de uma barra de 5cm de altura por 6mm de espessura, similar às usadas pela Cygnus, devidamente lixada e feito o “silk” com impressora a laser, calor e algum esforço.

frente01

frente02

frente03

Todos os cuidados de isolamento e blindagem das fiações internas e aterramento foram tomados e a montagem final ficou assim:

Crossover prontoa

MEDIÇÕES NO CROSSOVER

As medições em crossovers devem ser realizadas de forma um pouco diferente da convencional. Este, em particular, tem frequências de corte muito próximas de 1kHz, frequência de referência para as medições, assim, utilizamos valores de referência diferentes, no meio da banda útil para medição de cada via do crossover. Os valores foram tomados com 127Vac/60Hz, temperatura ambiente de 24 graus Celsius.

Respostas em baixas (LPF) e altas (HPF) frequências (1V rms input)

gr01

gr02

Distorção Harmônica Total LPF a 200Hz/1V rms

THD 200Hz LPF

Distorção Harmônica Total HPF a 2000Hz/1V rms

THD 2000Hz HPF

Crosstalk LPF a 500Hz/1V rms

Crosstalk 500Hz LPF

Crosstalk HPF a 5000Hz/1V rms

Crosstalk 5kHz HPF

Todos os valores alcançados são muito bons, e as componentes de ruído/zumbido demonstram a qualidade dos componentes e da montagem. O projeto focou em máxima qualidade em todas as etapas, e os componentes são todos de alta qualidade.

Não mostrei os valores de distorção por intermodulação porque me esqueci de medir, e o esquecimento veio do fato que as medidas seriam fora do padrão SMPTE (a banda passante dos filtros não abrangeria as duas frequências de medição). O padrão CCIF não atenderia ao LPF e assim, deixei para depois, com a seleção de frequências diferente e acabei me esquecendo. Devem estar na faixa dos valores das DHT.

Partimos então para o projeto e a montagem do amplificador, bem mais complexas.

Este é um ponto importante e o projeto teve suas definições baseadas em duas premissas:

  • A Altec Valencia é um sonofletor de alta sensibilidade, assim, ruídos e zumbidos espúrios teriam que ser minimizados, exatamente como no crossover, que exibiu SNR na casa de -100dB, ou mais;
  • Como neste caso o conjunto é não comercial, foram admitidos certos “excessos” na busca pela perfeição nas caraterísticas objetivas.

Foram utilizados, então, dois amplificadores estereofônicos distintos, um em classe A, com 25W contínuos a 16 ohms, para os canais de agudos e outro em classe B, do tipo “composite”, para os canais de graves.

A ausência de distorção de transição, somada à alta sensibilidade dos sonofletores tornaram o classe A uma escolha interessante. Amplificadores modernos em classe B (que muitos chamam de classe AB) apresentam baixíssimas distorções de transição (crossover), e são inaudíveis, quando o projeto é bom, mas os classe A não as têm, como vocês verão nas medidas tomadas no equipamento.

Por outro lado, amplificadores em classe B apresentam, até 1kHz, quando bem projetados, um excelente  controle sobre essas características, mas a distorção sobe consideravelmente a partir daí. Os projetos modernos colocam esses valores fora do limite da audibilidade. Então, optei por um integrado LM3886 e um LME49710, em configuração “composite”, para os canais de graves.

Essa configuração foi descrita em um artigo na Electronics Now!, em 1992, e é da lavra de Scott Wurcer e de outros bons engenheiros de circuito integrados. Basicamente o LME “controla” o LM3886 e faz o mesmo acompanhar suas excelentes características técnicas. Com isso temos um amplificador de altíssima fidelidade e bastante compacto, com potência mais que suficiente para excitar as Valencias. No nosso caso, dependendo da rede elétrica, pode chegar a 40W contínuos, também em 16 ohms.

Optei por tensão não estabilizada para o composite e estabilizada, com proteção contra curtos, para o classe A, aproveitando para melhorar ainda mais a rejeição a zumbidos e o “ripple” das respectivas fontes.

Para referência, a capacitância total das fontes chega a 88000uF, com filtro CRC em pi, e o ripple, com carga média (1,5A por malha), em torno de 20mV rms, o que equivale a aproximadamente 0,06% da tensão DC.

A fonte e os amplificadores em classe A foram projetados e feitos por mim, as proteções DC adquiri em kits para montar, pois são padrão de mercado. Quanto ao composite, simulei o projeto e, quando ia preparar as placas, lembrei-me de um confrade na DIYAudio.com que as tinha para vender, e de excelente qualidade. O projeto era praticamente idêntico ao meu, com exceção do fato de ele ter incorporado um DC servo ao circuito, com acoplamento DC na entrada, o que é interessante para frequências baixas. Comprei as placas vazias no site dele (neurochrome.com) e as montei. Não são baratas. Funcionamento excelente e ótimas características técnicas. O nível DC na saída ficou em ridículos 100uV!

Todos os semicondutores fundamentais dos amplificadores e do crossover foram adquiridos na Arrow, para evitar-se dores de cabeça com falsificações. A exceção foram os transistores de saída do Classe A, da Sanken, que eu tinha em estoque.

As fotos abaixo ilustram o processo.

Projeto do amplificador Classe A

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Montagem do classe A

Montagem dos composites

composite

Projeto da fonte de alimentação fonte 2

Montagem da fonte de alimentação

Fonte 4

Fonte 6

Para o chassis do amplificador, acabei comprando um Cygnus PA400 e um Cygnus PA800, sendo que este último estava praticamente novo na pintura e anodização. Incialmente testei os amplificadores no PA400, mas não gostei da temperatura de trabalho dos dissipadores externos (lembrem-se que os classe A esquentam, e muito, sem sinal).

Assim, com dó no coração, “depenei” o PA800 (estava praticamente novo, apenas pintei o chassis de preto) e montei o conjunto nele. Deu muito trabalho e consumiu muitas horas, pois seriam diversos módulos e fiações interligadas, mas o resultado final compensou. O painel frontal também foi feito de uma barra de alumínio, perfurada e preparada para o novo aparelho.

As fotos abaixo dão uma ideia do trabalho. gr03

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Colocação das proteções DC no chassis

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Conjunto pronto para entrega

conjunto pronto na bancada

Traseiras

MEDIÇÕES NOS AMPLIFICADORES

Os valores foram tomados com 127Vac/60Hz, temperatura ambiente de 24 graus Celsius.

Resposta em frequência classe A (HPF) 1W/16 ohms (20Hz a 75kHz -3dB) – OBS 1

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OBS 1: Como este amplificador alimenta a via de agudos, limitei intencionalmente a resposta em baixas frequências a uns 15Hz, pois qualquer coisa, mesmo muito acima disso, já não seria entregue pelo crossover.

Resposta em frequência classe B (LPF) 1W/16 ohms (DC a 70kHz -3dB) – OBS 2

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OBS 2: Neste caso limitei em uns 3Hz na entrada, apenas para medições, pois o medidor não responde até DC.

THD 1kHz/1W/16 ohms composite

THDA1Khz1WCOMPOSITE

THD 1kHz/25W/16 ohms composite

THDA1Khz25WCOMPOSITE

THD 1kHz/1W/16 ohms classe A

THDA1Khz1WAMPA

THD 10kHz/1W/16 ohms classe A – OBS 3

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OBS 3: Neste caso, aumentei a banda passante do medidor para 96kHz e capturei harmônicos acima de 20kHz, observem a extrema linearidade do amplificador mesmo a 10kHz!

THD 10kHz/25W/16 ohms classe A – OBS 4

THDA10Khz25WAMPCLASSEA96kHzband

OBS 4: à potência máxima nominal em 10kHz a linearidade se mantém muito alta, com banda passante de 96kHz, da mesma forma.

IMD SMPTE 1W/16 ohms composite – OBS 5

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IMD SMPTE 20W/16 ohms composite – OBS 6

IMDSMPTE20WB

OBS 5,6: essa condição (SMPTE, com 60 Hz e 7kHz) não ocorrerá na prática, mas serve para mostrar a excelente linearidade do amplificador.

IMD CCIF (19kHz e 20kHz) 1W/16 ohms classe A

IMD1WCCIF

IMD SMPTE 10W/16 ohms classe A

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Crosstalk 1kHz/1W/16 ohms composite Crosstalk 1kHz 1WB

Crosstalk 1kHz/1W/16 ohms classe A Crosstalk 1kHz 1W

De uma forma geral, as medições são excelentes, corresponderam ao que se esperava dos equipamentos e mostram um conjunto no limite da qualidade objetiva com as tecnologias disponíveis hoje. Observo novamente que é um conjunto “hand made”, feito para uma necessidade específica, e assim, creio que atingiu plenamente os seus objetivos.

CURIOSIDADES E NOTAS FINAIS

Inicialmente, lembro que os amplificadores push-pull em classe A, sem sinal, dissipam aproximadamente duas vezes a potência máxima que entregam à carga, assim, o nosso amigo dissipa, em quiescência, 50W em cada dissipador lateral. O composite tem alta eficiência e assim não incomoda, mesmo em alta potência, o que não é o caso do Paulo, pois não “abusa” volume nas suas audições, pelo percebi.

Então, fiz alguns testes de temperatura no amplificador, e as aletas traseiras alcançaram temperaturas entre 50 e 60 graus Celsius, dependendo da temperatura ambiente. O resto do conjunto não aquece muito, mas esta fotografia térmica dá uma boa ideia do que ocorre. A temperatura indicada, 40 graus, é a do centro da imagem e, quanto mais amarelo, mais quente.

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Internamente, tudo OK, considerando-se que se trata de um amplificador de potência em classe A

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Digno de nota também, infelizmente não muito positiva, é o meu espanto com como as indústrias brasileiras não atentam (ou atentavam) para certos princípios de segurança, pois novamente, ao desmontar o secundário do transformador toroidal do PA800, para re-enrolá-lo conforme a necessidade do novo projeto, encontro falhas na fita de isolamento entre primário e secundário. Funcionar, funciona, mas não é a melhor prática.

Trafo 3

Refiz o isolamento com fita adequada, re-enrolei os secundários para as novas tensões e testei o transformador, com a corrente máxima nominal, que mostrou boa regulação. Vai durar bastante e ficou absolutamente silencioso.

Trafo 5

Trafo 7

Aproveitando o feriado, no sábado 21/4, eu e Ari (que gentilmente me fez companhia e ajudou a levar na bagagem de mão o crossover) fizemos uma visita ao Paulo, para entrega dos equipamentos e ajuste nas caixas.

Coloquei um conector Speakon de 4 vias nas Valencias e fiz um cabo com fio bitola 12AWG e conectores banhados a ouro na outra ponta para ligação do amplificador aos sonofletores. Esses Speakon são ótimos, com excelente conectividade e engate rápido. O crossover passivo, original, foi desligado e ficou nas caixas, devidamente isolado.

Levei um medidor de intensidade sonora e casei os níveis das vias de graves e de agudos das caixas, nos controles de ganho do crossover, de forma a termos uma resposta mais ou menos plana do conjunto, no ambiente.

Feito isso, chegou a hora de ouvirmos o conjunto. O Paulo tem um TD Garrard 301, com um plinth especialmente preparado e braço feito sob encomenda, com um conjunto cápsula/agulha de excelente qualidade. O pré Masseto é muito bom, absolutamente silencioso também. Abaixo temos uma foto do novo lar dos equipamentos, que, aliás, foram batizados, por sugestão do dono, de Big Dude, pois o neto do Ari daqui a pouco já estará maior que ele, he, he, he…

Conjunto em casa

Foram reproduzidos conteúdos musicais diversos (Bach, folks, algum rock etc) com discos de excelente qualidade e o conjunto ficou muito bom mesmo, apesar de eu ser suspeito para opinar. Silêncio absoluto quando necessário, ataque rápido nas notas altas e graves secos, bem controlados, voz no tamanho certo, com transparência e detalhes limpos. As caixas corresponderam bem e foram muito bem controladas pelo amplificador. Quando sem sinal, não se ouve absolutamente nada, o conjunto ficou muito silencioso e o casamento com o Masseto foi perfeito. Fiquei bastante impressionando com o desempenho deste último.

Foi uma tarde muito interessante. O Paulo é uma pessoa super simpática, bem como seus familiares. Jogamos uma boa conversa fora com ele e sua simpaticíssima e elegante esposa. Aliás, já combinamos que em breve voltarei à sua residência para ajustar um detalhe no crossover e terei novamente o prazer de uma ótima companhia e de ouvir um pouco mais esse conjunto. Creio que ele ficou satisfeito, e isso é o que importa.  Eu me diverti muito.

Forte abraço.

speaker

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