domingo, 31 de março de 2013

Medindo as características de um amplificador de áudio

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Já comentei no post anterior que eu estava a procura de um gerador de áudio. Também já havia dito que queria medir a potência (e quem sabe outros parâmetros) do meu amplificador de bancada (aquele com TDA2002). Pois então, depois de muito procurar (e ler muita coisa) acabei chegando no software ARTA, que faz quase todas as medidas de áudio possíveis e imagináveis usando a placa de som do PC.

Com a solução encontrada faltava montar um setup de testes para começar as medidas. No manual do Arta, página 9, figura 1.6 tem o esquema para ligação da saída do amplificador a entrada da placa de som. Para facilitar os testes e não precisar ficar ouvindo os tons de áudio resolvi ligar o amplificador a uma carga resistiva, como é comum nestes testes. Baseado no circuito do manual cheguei no seguinte esquema:

Carga Resistiva 8 Ohms 20W
O divisor resistivo original foi trocado por um potenciômetro, já que vou usar o software apenas para medidas relativas (THD, Intermodulação, etc...). As medidas de potências serão feitas com o osciloscópio ou com um multimetro com escala de tensão True-RMS (que eu não tenho ainda). Faltaram os diodos Zeners para proteger a entrada da placa de som, mas com o nível da saída do TD2002 em 8 Ohms eles não são necessários. Em outra oportunidade colocarei os diodos.

A ideia inicial era usar uma resistência de chuveiro como carga, algo que eu já fiz há uns 20 anos num amplificador com dois TDA1514 em ponte (100W). Era um projeto para apresentação numa feira do curso técnico e nosso professor sugeriu usar as resistências de chuveiro para os testes. Ele também sugeriu colocar as resistências dentro de latas de chocolate em pó e encher com areia de rio fervida e seca ao sol. Esta segunda sugestão o grupo não seguiu e o resultado foi que podíamos ouvir os tons de testes direto na carga.

Então, para seguir as recomendações do professor separei uma lata de manteiga pequena (não pretendo passar dos 20W, por enquanto) e estava em busca de uma resistência que pudesse ser usada quando me deparei com os resistores da série MP930 da Caddock no Ebay com a combinação de potência (30W), tolerância (1%), encapsulamento (TO220) e preço excelentes. Abandonei a idéia da resistência de chuveiro e montei o circuito com o MP930 na lata de manteiga:
Carga resistiva 8 Ohms

O dissipador do MP930 foi fixado ao fundo da lata com dois parafusos. Por causa do conector BNC da saída da carga a lata ficou ligada ao terra. Isso deve ser levado em consideração caso a carga seja ligada a um amplificador em ponte. Escolhi o conector BNC para facilitar a ligação da carga no osciloscópio.

Com a carga pronta montei o setup de testes para fazer as medidas:
Amplificador ligado a carga resistiva

Na foto o osciloscópio está ligado nos terminais de entrada da carga, já que a saída  foi ligada a entrada da placa de som do PC (conector azul da placa, via adaptador BNC para RCA). O sinal de entrada para o amplificador também veio da placa de som (via conector verde da placa).

Nas configurações de áudio do Windows foram desativados todos as configurações que pudessem atrapalhar as medidas (surround, reforço de graves, etc).

O gerador do áudio foi configurado assim:
Generator Setup for Continuous Signals

As frequências do gerador de dois tons foi configurada para a medida de intermodulação na configuração no  padrão SMTPE RP120 de um tom em 60 Hz e outro de 7 kHz com relação de amplitude 4:1.

A escala do analisador de espectro ficou com a seguinte configuração:
Spectrum Scaling

Com tudo ligado, acionei o ARTA e ajustei os níveis do áudio do PC e o volume do amplificador para a menor distorção possível e antes da saturação do conversor AD da placa de som. Este ponto é visto quando um pequeno incremento no volume causa um salto substancial nas amplitudes dos harmônicos do sinal. O ajuste ideal é um pouquinho antes deste incremento. Neste ponto medi a tensão de saída na carga, com o osciloscópio, e obtive o valor de 3,44 VRMS o que em uma carga de 8 Ohms representa 1,48 W RMS de potência. O nível na entrada do amplificador ficou em 180 mV. Não é uma potência muito alta, mas como este é apenas um amplificador de bancada para testes, está bom demais.

Fiz as medidas de distorção (THD e THD+N) em 100 Hz, 1 kHz e 5 kHz e os gráficos mostram que quanto maior a frequência melhor a distorção:

Distorção Harmônica do amplificador 1 kHz

Distorção Harmônica do amplificador 5 Khz

Distorção Harmônica do amplificador 100 Hz

As configurações da frequência de amostragem (Fs), tamanho da FFT (32768) e janela (Kaizer5) são as recomendadas pelo manual do ARTA. Apenas a medida de 100 Hz ficou acima de 1% de distorção o que não é tão ruim assim para este amplificador.

A distorção por intermodulação ficou abaixo de 1%:
Distorção por Intermodulação do amplificador

Uma coisa que eu já havia notado ouvindo este amplificador era uma certa deficiência nos graves que foi confirmada na medida de resposta em frequência com ruído rosa na entrada:


Bom, após todas estas medidas posso afirmar que este amplificador com TDA2002, montado conforme o esquema do manual, é muito ruim e só vai servir como amplificador de testes na bancada. Para ouvir música é melhor procurar um amplificador melhor.

domingo, 10 de março de 2013

O Medidor de Distorção Harmônica TR-9602

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Já fazia um tempo que eu estava procurando um gerador de áudio e, no fim do ano passado, acabei encontrando um analisador de distorção num ferro-velho aqui perto (tinha também um osciloscópio gigante que, infelizmente, não pude trazer pra casa). Normalmente estes analisadores possuem um gerador de baixa frequência e baixíssima distorção incorporado (caso o HP339A) e o conector escrito "Output" parecia indicar isto. Acabei comprando o aparelho que, por falta de tempo, ficou servindo apenas de poleiro de Cthulhu:
Distortion Meter TR-9602 - ELKIS TR-9602 TORZITASMERO
Recentemente retirei ele da estante, dei uma limpada e tirei umas fotos pra compartilhar com vocês. Fiz também uma pesquisa e consegui o manual de serviço (clique aqui pra ver) em Húngaro. Através deste manual descobri que, infelizmente, ele não possui um gerador de áudio. O conector "Output" é para ligar num osciloscópio ou outro medidor. Uma curiosidade é que, além de medidor de distorção, o TR-9602 também é um voltímetro eletrônico (VTVM) de áudio. Algo que faltou descobrir é como este aparelho veio parar no Brasil, vindo do outro lado da Cortina de Ferro, na década de 70. Agradeço a quem souber e me contar...

Pois então, o aparelho foi fabricado pela Elektrotechnika KSZ (no painel tem também um logo escrito "Elkis") de Budapeste, como pode ser visto na placa de identificação na traseira:
Elektrotechnhika KSZ
A passagem pelo ferro velho deixou marcas na carcaça do aparelho. A tinta da caixa foi arranhada em vários pontos e na parte de baixo parece que houve uma batida bem forte. Este afundamento dificulta a abertura da caixa.
Chassi batido
Retirando esta parte vemos o chassi interno:
Aparelho aberto

Por dentro estava um pouco sujo, mas não tanto quanto eu esperava:
Aparelho Aberto
Para facilitar o entendimento das próximas fotos retirei o esquema do manual e montei em uma única imagem de 4040 x 1522 (clique com o botão direito e selecione para abrir em outra aba - Atualizado: O blogger redimensionou a imagem, vou ter que encontrar outro lugar pra colocar...):
Esquema Medidor de Distorção
O instrumento pode ser entendido como um grande filtro rejeita-faixa variável que atenua um sinal supostamente senoidal puro deixando passar apenas seus harmônicos. É a relação entre a amplitude destes harmônicos e a amplitude do sinal que dá a medida da distorção harmônica. Este medidor mede THD (Total Harmonic Distortion - Distorção Harmônica Total) até pouco abaixo de 0.1% pelo que entendi do manual (meu Húngaro não é muito bom) e pela escala do medidor. Hoje com qualquer placa de som de PC e um software de FFT dá pra fazer medidas milhares de vezes melhores  (ô exagero, deve dar umas 200 vezes)  que esta, tornando inútil o TR-9602. Pensei em transformar o instrumento em um gerador de áudio, aproveitando a ponte Wien já montada com a chave de seleção de frequências e o capacitor variável ligado àquela escala muito bem feita do painel. Mas essa é uma história para um outro post que escreverei em breve.

Continuando as fotos, a ponte Wien é montada dentro de uma grande blindagem de alumínio e é muito bem feita (como toda a montagem do aparelho):
Wien Bridge
Todos os componentes são marcados com pequenas etiquetas amarelas com o código do componente no esquema (R1, R2, R3, Etc...). É o primeiro aparelho valvulado em que vejo isto. Outra coisa que chama a atenção são os fios dobrados de forma muito elegante. Haja paciência!

Abaixo vemos o atenuador do medidor com o eixo que vem que liga o knob no painel a chave de seleção:
Atenuator

Algumas válvulas dentro das blindagens:
Valvulas blindadas

Como o chassi onde ficam as válvulas fica na vertical as válvulas sem suporte blindados ficam seguras por clipes de metal:
Clipes das valvulas

Agora a fonte de alimentação:
Power Supply
O retificador da fonte é uma ponte de diodos:
Fonte de alimentação

E, claro, fonte de valvulado tem que ter transformador:
Transformador da fonte de alimentação
E este trafo vibra a 60Hz, mesmo que não dê pra notar, causando a vibração do chassi e consequentemente vibrando as placas do capacitor variável de sintonia. Essa vibração pode modular o filtro causando erros  nas medidas. Para minimizar este efeito o aparelho possui um filtro passa alta (acima de 60Hz) e um passa baixa com bobinas enormes:
Filtro de 60Hz
Uma vista por baixo do filtro:
Filtro
Agora umas fotos extras, começando pela entrada com um capacitor vermelho da marca Frako:
Circuito de entrada

O pré amplificador:
pré amplificador
E o amplificador do VTVM:
VTVM amplifier
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