Pré-Amplificador com Válvula 12AX7

Aos leitores que sonham em projetar um amplificador utilizando válvulas, segue o presente artigo. O primeiro passo é aprender o projeto de pré-amplificadores, para depois passar para etapas mais complexas de se implementar na prática, como a etapa de potência valvulada. Hoje demonstraremos um método simples para o projeto de um pré-amplificador utilizando uma válvula do tipo triodo.

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O circuito típico de um pré-amplificador catodo comum utilizando válvula triodo pode ser visto na Figura 1.

O circuito tem a topologia em catodo comum pois o catodo da válvula está em comum entre a entrada e a saída do circuito. Os principais terminais da válvula triodo são a grade, a placa (ou anodo) e o catodo. Em uma breve explicação, quanto mais positiva for a tensão entre grade e catodo, maior será a condução de elétrons da placa para o catodo (considerando o sentido convencional de circulação). O elemento responsável por gerar a nuvem de elétrons consiste no filamento da válvula, que pode ser conferido no circuito da Figura 1 com a denominação VL1:FIL. Também fica evidente pelo esquemático da Figura 1, que um dos triodos não será utilizado para este pré-amplificador, pois o modelo de válvula sugerido apresenta dois triodos no mesmo tubo selado a vácuo (veja no esquemático o detalhe do desenho dos triodos, onde a circunferência é aberta em um dos lados, indicando que consiste em um mesmo tubo para ambos os triodos).

Devemos polarizar a válvula corretamente calculando os componentes externos utilizados na topologia da Figura 1. Como sabemos, as válvulas trazem como desvantagem a necessidade de trabalhar em tensões mais altas. De acordo com o datasheet da válvula que iremos utilizar, a 12AX7, a mesma suporta tensão máxima de 330V (Figura 2).

Iniciamos o projeto determinando os parâmetros do amplificador. Vamos considerar que queremos uma impedância de entrada de 1M, um ganho de tensão sem carga maior que 10 (V/V). Desejamos uma tensão de +B de 200V (em circuitos antigos é comum utilizar o termo +B para a tensão da fonte principal). Vamos também projetar para garantir uma impedância de saída da ordem de 30k (considerando que o hipotético estágio seguinte terá esta impedância na entrada). Também vamos considerar que a amplitude máxima do sinal de entrada será 1Vpp.

Vale destacar que o circuito devidamente projetado, poderá servir de estágio de entrada de um amplificador que tenha transistores na etapa de potência, caracterizando-se como um amplificador híbrido. Mas isso é assunto para artigos futuros.

Faremos o projeto pela técnica da reta de carga, que consiste em traçar uma reta no gráfico de tensão x corrente de placa da válvula, fornecido pelo fabricante. Esta reta estará traçada no ponto de operação desejado para a válvula. Na Figura 3 apresentamos o referido gráfico já com a reta de carga traçada, para que possamos iniciar os cálculos.

Como pode ser observado, a tensão de placa considerada deve ser de 200V, pois seria o pior caso, considerando o +B arbitrado nos parâmetros do projeto. A partir daí traçamos uma reta até a corrente de curto-circuito de placa, no caso selecionamos o valor de 3,5mA. A curva de tensão entre grade e catodo selecionada foi a que apresenta o valor de -1V no gráfico, considerando sua linearidade. O resistor de placa Rp já pode ser calculado de posse desses valores, pois

A tensão de polarização de grade será igual a zero, pois temos o resistor Rg entre a grade a o GND do circuito, conforme Figura 1. Como desejamos uma impedância de entrada igual a 1M, podemos selecionar o resistor de entrada com este valor

Como a tensão entre grade e catodo selecionada por nós é de -1V e conhecemos a tensão de grade, vamos calcular a tensão de catodo

Vamos novamente recorrer ao gráfico da reta de carga, para traçarmos os pontos máximos e mínimos de operação, assim como o ponto de repouso da válvula.

Como pode ser visto, o ponto quiescente do circuito encontra-se no cruzamento entre a reta de carga e a curva Vgk escolhido. Rebatendo o ponto no gráfico (linha amarela) encontramos a tensão e corrente de repouso

Traçamos também outras duas retas rebatidas em verde, que encontra-se em pontos intermediários de operação em relação à curva Vgk escolhida e as curvas vizinhas. Assim temos os valores máximos e mínimos da tensão e corrente

Estes valores foram obtidos por uma avaliação visual no gráfico da reta de carga e poderão sofrer alterações em testes práticos ou simulações. Convém destacar no entanto, que consistem em excelentes aproximações para o projeto. Considerando uma amplitude máximo de entrada igual a 1Vpp, o ganho de tensão sem carga será

O valor negativo na equação se dá pela inversão de fase que ocorre entre a entrada e a saída (quanto maios a tensão de grade, menor a tensão de placa e vice-versa).

O resistor de catodo será calculado a partir da corrente Ip, pois por ele também circula a corrente de placa

Para o cálculo da impedância de saída precisaremos da resistência interna de placa, outro dado fornecido pelo datasheet (Figura 5).

Olhando para a Figura 5, também pode-se observar o range sugerido para a tensão de placa (plate voltage) entre 100 e 250V. A resistência r’p tem o range entre 80k e 62,5k e podemos considerar o maior valor para os nossos cálculos, onde Zo será o paralelo da resistência interna de placa com o resistor externo de placa calculado

Resultando em valor bem próximo do desejado (30k). Caso ficasse muito distante, poderíamos refazer o projeto para modificar o valor de Rp.

Precisamos também de uma tensão Vf para o filamento. Conforme o fabricante, a tensão para um dos filamentos tem valor de 6,3V para uma ligação paralela (Figura 6).

Na Figura 7, o circuito totalmente projetado pode ser conferido.​

Para Rp utilizamos o valor de 56k, comercial mais próximo do calculado. O resistor RL representa a carga de 33k que será enxergada pelo circuito (Zi do estágio seguinte). Utilizou-se um único triodo da válvula 12AX7 (VL1:A) sendo que o outro (VL1:B) pode ser utilizado para um segundo pré ou em um inversor de sinal para os estágios de potência. Como o segundo triodo ainda não está sendo utilizado, não conectamos o pino 5 do filamento, alimentando portanto apenas o filamento do triodo VL1:A com os 6,3V. Os capacitores têm valores típicos para a faixa de frequência de áudio e podem ser praticados pelo projetista.