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MOSFET: numa configuração habitual

    Por tca    1.021 Visualizações     1 comentário    


Neste tutorial vamos realizar uma experiência muito prática de modo a perceber como funciona um MOSFET numa configuração particular muito utilizada, em particular, nas montagens de tutoriais anteriores.

tca
Por tca

Maker, Hacker, PhD


Introdução

Os MOSFET são transístores de efeito de campo usados em muitas aplicações de eletrónica analógica e digital. Neste tutorial vamos realizar uma experiência muito prática de modo a perceber como funciona um MOSFET numa configuração particular muito utilizada, em particular, nas montagens de tutoriais anteriores. A montagem usada é chamada de fonte comum, porque a entrada e a saída partilham a fonte do MOSFET. Esta configuração permite construir um amplificador e obter uma amplificação em corrente e em tensão do sinal de entrada. É por isso uma configuração muito usada em aplicações de áudio.

Em tutorais anteriores montamos um amplificador com uma lâmpada cuja configuração corresponde exatamente à de fonte comum.

Claro que vamos precisar de alguns aparelhos especiais: um osciloscópio e um gerador de sinais.

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    • tca
      Tutorial - Potpourri de Amplificadores de Guitarra
      Resumo:
      Neste tutorial vamos construir um power amp e discutir algumas tipologias de amplificadores para guitarra. Aventura-te e fica a conhecer melhor o mundo dos amplificadores de guitarra!
      ...

      Ver tutorial completo
    • tca

      Neste tutorial vamos discutir uma alguns amplificadores de guitarra de uma forma informal, discutir tipologias e ideias para experimentar na breadboard. A totalidade dos esquemas deste texto foram experimentados e funcionam.
      No fim vamos construir mais um power amp. A técnica de montagem  será ponto a ponto e o amplificador final utilizará mosfets numa configuração em classe A pushpull.
      A sugestão que dou para complementar a leitura deste este texto é procurar as tipologias e referencias que vou dando ao longo do texto. As coisas aqui descritas não são rocket science mas há muitos detalhes a considerar. A explicação completa dava quase para escrever um livro sobre o assunto. Não há muita coisa escrita sobre amplificadores de guitarra solid state mas o livro de Teemu Kyttälä, “Solid -State Guitar Amplifiers” é uma excelente referência para ler no mês de férias que se aproxima (o link para download do livro completo está mais à frente no texto).
      Boas leituras e construções.

      Quando comecei a estudar amplificadores de guitarra testei na breadboard uma grande quantidade de tipologias. A ideia era perceber de uma forma práctica  como soavam diferentes arranjos e que tipo de distorções se conseguiriam obter.
      Usando o simulador de circuitos (por exemplo o TINA-TI: http://www.ti.com/tool/tina-ti ) e uma breadboard é possível num par de meses simular e testar uma grande quantidade de circuitos.
      Esta maneira de estudar dá-nos muitos frutos e uma experiência hands-on que é muito difícil de se obter de outra forma, mesmo em ensino especializado. O procedimento é simples: simular o circuito, monta-lo numa breadboard e ouvir. Repetir as vezes necessárias.
       
      Claro que vou restringir este texto a amplificadores solid-state. Deixo aqui uma referência de leitura recomendada: Teemu Kyttälä, “Solid -State Guitar Amplifiers”:
      http://www.thatraymond.com/downloads/solidstate_guitar_amplifiers_teemu_kyttala_v1.0.pdf
      Uma excelente leitura técnica mas contém capítulos não técnicos que podem ser lidos sem grandes conhecimentos de eletrotécnica, em particular a secção que discute amplificadores solid state vs válvulas está muito bem escrita.

      Comecemos então. O primeiro da série foi inspirado no Muff Fuzz um pedal da Electro Harmonix. A ideia é a mesma do circuito original mas serve de booster para o andar de amplificação de potência que usa os dois TIP: o TIP 31 (NPN) e o TIP32 (PNP) numa configuração de emissor comum (este estágio tem apenas ganho em corrente, o ganho em tensão vem do Muff Fuzz).
       
       

       
       

      Ou usando um amplificador operacional usando dois transístores (o par 2N4401 e o 2N4403). O R4 controla o ganho da configuração. O ganho é controlado por feedback negativo à saída do opamp na base do TIP31.

       
      Claro que é importante o uso de um simulador de circuitos que permite simular não só o pickup da guitarra assim como o altifalante.
      Neste último exemplo a rede de feedback cobre não só T2 mas vai até ao estágio de saída.

       

      Uma outra configuração interessante é usar as flutuações de corrente de um opamp para controlar os transístores de saída. Só trabalham quando o opamp “puxa” mais corrente.

       
      Este exemplo curiosamente não funciona no simulador mas funciona na breadboard! O que se passa é que o simulador emula o opamp de uma forma ideal e não contabiliza as flutuações de corrente do integrado. Mas são essas flutuações que controlam o funcionamento dos transístores de saída. É um exemplo muito relevante que mostra bem alguns dos limites de aplicabilidade na utilização deste tipo de softwares para estudo de circuitos eléctricos.
      Há duas coisas que distinguem este último circuito dos exemplos anteriores: os transístores de potência estão numa configuração de colector comum (ganho de corrente e de tensão) e a rede de feedback controla a impedância de saída do amplificador.
      Os exemplos de power-amps anteriores têm uma configuração chamada de classe B. Cada um dos transístores de saída (ver a imagem anterior, TIP31 e TIP32) apenas conduzem numa das partes do sinal de entrada estando desligado (ou quase) na outra parte.
      Este tipo de configuração deve funcionar bem com o amplificador integrado LM386 (procurar a referência Ruby amp).

      O exemplo seguinte mostra um amplificador em class A, onde o transístor de saída está sempre em condução. Este não o testei mas o amplificador com a lâmpada de carro num tutorial anterior é também um amplificador em classe A.

       

      Outro exemplo que não poderia deixar de  testar era o famoso amplificador Zen do Nelson Pass ( https://www.passdiy.com/project/amplifiers/the-zen-amplifier ) 
      Neste caso a minha ideia foi construir uma versão pequenina, para ver, ou antes ouvir, como soava.

       
      As minhas simplificações levaram-me, depois de muitas iteradas e escutas e ao fim de 4 meses à versão que já divulguei num tutorial passado. Esta versão usa um IRFP240 (favorito do Pass) e que debita mais ou menos 3W clean (standard de guitarra).
       

       
      Já me esquecia que também experimentei uma versão pequena do JLH (John Linsley-Hood) mas usando transístores (não mosfet). Claro que a ideia surgiu também da versão do amplificador do Pass (https://www.passdiy.com/project/amplifiers/the-plh-amplifier).
      Esta sim uma topologia fantástica que valerá a pena voltar a fazer mais umas experiências com ela... em particular em overdrive.
       

       
      Outro amplificador que soa muitíssimo bem é o amplificador “Dead of Zen” (nome que dava para uma banda de heavymetal) do Rod Elliott ( http://sound.whsites.net/project36.htm ).
       

      Vejamos então mais esta ideia para um power amp. Precisamos do material seguinte:
      Mosfet N IRF620 Mosfet P IRFP9620 100nF x2 condensador (25V) 1mF condensador (25V) 120kOhm x4 resistências 1/4W Jacks de audio Ficha de alimentação para painel dissipador Caixa Hammond 1590BB (ou semelhante) isoladores para os transístores dissipador Fonte de alimentação de portátil (18V 6A)  
      O poweramp com uma lâmpada divulgado num tutorial anterior partilha com este que usa dois mosfets a mesma simplicidade. O circuito é este:
       

       
      Usa dois mosfets, um tipo N e outro tipo P e funciona em classe A, i.e. os dois transístores estão simultaneamente a funcionar durante a parte positiva e a parte negativa do sinal de entrada para sinais de baixa amplitude. Tem um ganho de 2.5.
       

       
      Para sinais com maior amplitude temos distorção de crossover e achatamento dos topo da onda!
       

       
      A resposta em frequência é:
       

       
      A montagem foi feita numa Hammond 1590BB. Os mosfets foram literalmente aparafusados à caixa usando os isoladores e massa térmica.

       
      Como se pode ver a montagem não é nada do outro mundo, basta paciência.
       

       
      Uma das coisas importantes em circuitos de amplificação é usar uma configuração em estrela e apenas um ponto de massa (ligado à caixa metálica). O link seguinte tem a discussão deste tipo de configuração para amplificadores a válvulas mas vale também para transístores: http://www.geofex.com/Article_Folders/stargnd/stargnd.htm
       

       
      Outras das questões importantes que temos de ter em atenção com os amplificadores em geral em qualquer configuração  e em particular com os amplificadores em classe A é a dissipação de calor. A rule of thumb é: se conseguires deixar a mão sobre o dissipador mais do que 60s então está tudo ok.
       

       
      Equivale a 60 graus Celsius, a temperatura ideal do café para ser bebido.

      Este tutorial tinha como objetivo mostrar a importância da utilização de um simulador de circuitos elétricos e a prototipagem rápida para estudo de circuitos. Tem referências e detalhes para nos manter ocupados durante este tempo de férias.
      E no fim a construção de outro amplificador classe A com dois mosfets tipo N e tipo P.

       
      Como soa? Melhor mesmo é montar um!
      Boas construções.
      Tiago Charters de Azevedo
      Lisboa, 2017
       
       
       
    • Alguém
      Olá. Preciso de uma ajuda.
      Tenho uma Epiphone Les Paul Standard Custom Shop e um Roland Cube 30X.
      O amplificador tem ruído de fundo que desaparece se colocar a mão no cabo junto à guitarra. Este ruído é amplificado quando mudo para distorção.
      Abaixo vídeo com a descrição do problema, quer em clean, quer em distorção.
      https://www.dropbox.com/s/2nwch7n48fz4tie/File 13-10-17%2C 16 37 48.mov?dl=0
       
      Algumas notas:
      Isto acontece com dois cabos que tenho em casa; Tenho um Peavey Vypyr 15 que não apresenta o mesmo problema, o ruído é quase inexistente; O Rolland está ligado a uma tripla com terra e a tomada também tem terra, mas o cabo do aplificador não tem:  
      Alguma dica?
    • mustainehimself
      olá a todos!
      antes de perguntar o que vim perguntar vou explicar a situação: comprei finalmente e não à muito tempo um amp que me deixa extremamente contente com o seu tone, é pequeno e soa estupidamente bem a qualquer volume, não tem válvulas (logo não tem stresses de manutenção) e tem potência suficiente para o levar ao vivo. enfim, perfeito e não o podia recomendar mais (dv mark micro 50, com a respectiva coluna 1x12)
      para quem não conhece este amp basicamente tem 2 canais: clean e overdrive. o clean é a base do tone, e é extremamente competente, e se mudar para o canal overdrive fico com alguma distorção (basicamente e segundo a explicação deles, "no canal overdrive enfiaram um pedal de overdrive em cima do canal clean: aqui tens o canal overdrive".  porquê que adoro o amp e a distorção? porque o clean é incrivel, e no canal ovderdrive há excelente separação de notas, imenso sustain e não tem aquele high end fizzy e estridente que eu tento fugir: a nota é sólida grave e tem a sua distorção mas soa como estivesse em clean.. faz sentido?  a distorção é perfeita e é exactamente isso que eu queria. tira muito bem o som natural da guitarra mas isso também tem em conta os pickups que uso e já agora gosto imenso (chopper t na bridge e twang king no neck) 
       
      só há um problema: o canal de overdrive não tem muito gain, e gostava de ter a mesma distorção, a mesma separação de notas tudo, mas com mais distorção, mais harmónicos, mais sustain mantendo a base de tone na mesma. a aplicação desta distorção é mais para solo (rock estilo andy timmons, richie kotzen)
      por isso não sei se procuro por um pedal de distorção (pôr no canal clean e usar o pedal como distorção base ignorando a do amp.. ou conjugar as 2 secalhar ia dar uma confusão de som ou imenso ruído de fundo, mas de qualquer modo vieram-me à cabeça o tech 21 OMG do richie kotzen e jhs at do andy timmons que soam fantasticos..), nem acho que compressão seja o que procure porque eu gosto da "sensibilidade" do amp a sentir o que toco (aliás até gostava de acentuar ainda mais isso), eu quero usar a distorção do amp, porque a adoro, só queria manter o seu "cleaness" e o som natural da guitarra que o amp tira tão bem, acentua-lá e dar-lhe um pouco mais (não muito também) de potência/boost. 
      nem sonho que pedal comprar para este caso.. que pedais sugerem? fazia total questão que o pedal fosse true bypass.. (má experiência com pedais wah da dunlop..)
       
      um muito obrigado antecipado e desculpem se o post foi alongado x)
       
       
    • Luis Pessoa

      É comum, no mundo "guitarrístico" falar-se muito em distorção (ou "destrução" como muita gente diz  ). A distorção, que é um efeito indesejável no Hifi, tornou-se extremamente comum e apreciado pelos guitarristas, devido às suas características sonoras.
      A Distorção sonora é uma alteração à onda sonora que resulta do aumento do seu ganho. O ganho aumenta o nível do sinal e a partir de certa altura começa a "clippar", produzindo harmónicos e sobretons. O fenónemo de "clipping" acontece quando um amplificador não consegue produzir uma um sinal com uma voltagem superior à sua capacidade, e sendo assim o sinal fica "cortado" pela capacidade máxima:

      Imagem: Clipping a acontecer quando um sinal é "puxado" para lá da capacidade do amplificador. O sinal cinzento seria o sinal que se pretenderia obter, o sinal vermelho é o sinal real obtido uma vez que o amp. Note-se o clipping a acontecer nos +/- 40V.
       
      Vejamos o que um pedal de distorção faz na onda sonora:
       
      Confuso quando te falam de "overdrive", "crunch", distorção, "breakup" e coisas do género? Continua a ler, na secção seguinte falaremos de algumas categorias sonoras de distorção.

      Existem vários tipos de distorção de acordo com os efeitos que a amplificação provoca no sinal. Isto relaciona-se também com o tipo de clipping do sinal. O soft clipping arredonda o topo do sinal à medida que este vai chegando ao nível de clipping (não é um clipping drástico). Já o hard clipping o sinal é "cortado" de forma plana, sendo mais drástico:
       

      Imagem: Soft Clipping e Hard Clipping
       
      Compreendido o clipping, podemos agora entender melhor os vários tipos de distorção comummente falados:
       
      "Breakup - O nível mais pequeno de distorção. É quando o mais ligeiro clipping começa a acontecer. Aquela fronteira ténue entre o notar de alguma distorção. É quando o som limpo começa a ficar com algum "grão". Tipicamente, o breakup de amps a válvulas é mais agradável e aveludado uma vez que os amps solid-state (transistores) tendem a "clipar" de uma forma mais agressiva. Se procuras sons tipo "John Mayer", então deves procurar um amp com um bom breakup. Overdrive - Também apelidado de "crunch", é uma distorção leve. Nota-se bem o clipping, mas não há um esmagamento da onda sonora muito drástico.  Distorção - Propriamente dita de "distorção": aquele grau no qual a distorção do sinal se nota muito. Música do rock ao metal fazem uso extensivo de distorção. A dinâmica é muito reduzida devido ao esmagamento do sinal após o nível de clipping. Fuzz - O nível mais extremo da distorção. O sinal é simplesmente esmagado após o clipping (hard clipping). No fundo, o sinal perde definição (soa parecido à diminuição drástica da profundidade de bits em sinais digitais - no fundo o efeito é bastante similar).  
      Que exemplos de pedais para cada tipo de som? Continua connosco na próxima página!

      Com toda a panóplia de pedais de "distorção" no mercado, é complicado saber quais os mais adequados para o som que pretendemos. Nesta página apresentamos alguns pedais agrupados por forma a conseguires atingir um determinado tipo de som com um amp no canal limpo.

      Pedais para atingir o Breakup: 
       
      Preço Pedais Até 50€ Behringer TO800 50 a 150€ Electro Harmonix Soul Food Mais que 150€     Xotic RC Booster  
      Pedais para atingir o Overdrive: 
       
      Preço Pedais Até 50€   50 a 150€   Mais que 150€        
      Pedais para atingir a Distorção: 
       
      Preço Pedais Até 50€   50 a 150€ Boss DS-1 Distortion Mais que 150€           
      Pedais de Fuzz: 
       
      Preço Pedais Até 50€ XVive V4 Fuzz Screamer 50 a 150€   Mais que 150€     Z.Vex Fuzz Factory
    • xtech
      Mostrado na NAMM, chega agora às montras. Letras, knobs dourados e coisa e tal:
      E a bom preço: 60€.