HP_710
 Class "A" Mosfet Headphones Amplifier
Um Amplificador de Fones para o Audiófilo
Antes de descarregar o esquema leia os termos de compromisso.
Schematics
Diagrama Elétrico  -  Electrical diagram
Montagem do HP_710 na placa A_2083

 
       A audição de música através de fones de ouvido, pode revelar-se uma forma extremamente agradável para apreciar nossos discos favoritos. Principalmente quando queremos ouvir uma obra a um nível de pressão sonora análoga a original, sem incomodar os nossos familiares e vizinhos.
           Para tal, além do audiófilo necessitar de um bom par de fones, faz-se necessário também um amplificador de igual qualidade para poder desfrutar de  toda a fidelidade oferecida pelos modernos headphones. Lembrando sempre que a saída de fones existente em alguns aparelhos de CD, pré-amplificador ou amplificadores de potência, não oferece a qualidade necessária para uma audição realmente séria, pois as mesmas quase sempre são projetadas para uma audição esporádica, sem maiores compromissos com a qualidade.

          Modernamente um amplificador de fones não necessita de um alto ganho de tensão, pois os fones atuais possuem boa sensibilidade, oferecendo altos níveis de pressão sonora, com apenas alguns mili watts.

          A tensão disponível na saída de linha de um pré-amplificador ou mesmo do próprio CD Player poderia ser suficiente para excitar os fones, caso houvesse um adequado casamento das impedâncias. Porém, aqueles que já experimentaram ligar um par de fones diretamente à saída de linha de um CD Player, (geralmente uma tomada RCA) observaram distorções por clipamento nas passagens musicais mais altas, e uma resposta de freqüências deficiente, a música parece perder dinâmica e o som torna-se desagradável, em alguns casos somente as freqüências altas são ouvidas. Isso ocorre pelos seguintes motivos:  A  impedância de saída do CD Player é adequada para excitar um pré amplificador ou mesmo um amplificador de potência, os quais possuem uma impedância de entrada entre, 10 e 100 k ohms, mas não é própria para excitar um par de headphones, pois a corrente disponível é muito baixa. Assim, ao conectarmos headphones de 32 ou mesmo de 600 ohms à essa saída, o amplificador de linha interno do CD Player enxerga um verdadeiro curto circuito e a distorção é inevitável.

O segundo motivo é que mesmo naqueles prés ou CD Players cuja impedância de saída é baixa (600 ohms ou menos), por motivo de segurança os engenheiros colocam um resistor limitador de corrente entre o amplificador de linha e a saída, para prevenir danos ao amplificador, no caso de curto circuito acidental, ou oscilações, causadas por cabos blindados muito longos. Tal resistor tem pouca influência na qualidade sônica, quando o equipamento trabalha em condições normais, mas acaba por destruir  o fator de amortecimento se o mesmo for obrigado a excitar uma carga reativa de baixa impedância, como é o caso dos fones.

A quase totalidade dos fabricantes de CD Players utilizam amplificadores operacionais integrados em seus amplificadores de linha, e  tais componentes tendem a oscilar quando conectados a cargas indutivas (a bobina móvel do transdutor do fone é uma carga indutiva). Geralmente a oscilação só não ocorre por causa do resistor limitador de corrente.

Existem também outros motivos, menos conhecidos, porém não menos graves, como por exemplo, as correntes parasitas induzidas nos circuitos quando os mesmos excitam cargas de baixa impedância e que acabam por degradar ainda mais a qualidade sonora. Por fim, alguns aparelhos possuem capacitores de acoplamento com valor reduzido em suas saídas, e  isso atenua as baixas freqüências a níveis por vezes inaudíveis.

          Sabendo disso tudo, alguns fabricantes disponibilizam uma saída própria para fones em seus aparelhos, tal saída é ligada internamente a um pequeno amplificador de potência classe "B" ou "AB", ou a um amplificador operacional  integrado (monolítico), seguido por um resistor limitador de corrente. Por motivo de economia tal saída é projetada para oferecer ao audiófilo apenas um recurso a mais, para uma audição rápida, e não possui toda aquela qualidade a qual estamos procurando.

          No caso da saída de fones encontrada nos amplificadores de potência, o panorama não muda muito, pois, a mesma é conectada à saída do amplificador através de um atenuador resistivo, quase sempre constituído por um simples resistor, cujo valor normalmente está entre 47 e 330 ohms, e que em alguns casos pode ultrapassar a casa dos 1000 ohms dependendo da potência do amplificador e filosofia de projeto. Esse resistor limitador de corrente, como já sabemos, degrada o fator de amortecimento e tende a atuar como uma fonte de corrente não linear, acompanhando as variações de impedância da carga.

          Um modo mais elegante de utilizar um headphones é conectá-lo a um amplificador de alta qualidade apropriado para este fim. É isso exatamente o que é o HP710. Antes que alguém pergunte o por que deste nome, esclareço que geralmente denomino meus projetos com algum código ou modelo, para poder servir como meio de indexação e assim facilitar a identificação do mesmo em meio a centenas de outros projetos existentes em meus arquivos.
          O projeto descrito a seguir é um amplificador de baixa potência do tipo complementar, com Mosfet operando em classe "A". Tal arranjo possui boa  linearidade e ausência de distorção por crossover. As etapas de áudio são 100% discretas, sendo que o único circuito integrado utilizado no projeto, serve apenas para minimizar a tensão de offset. O sinal de áudio não passa por este integrado!

          O som do HP710 é bem detalhado e possibilita ao ouvinte distinguir a ampla gama de detalhes existentes em uma música, ou  por vezes, descobrir até mesmo falhas na gravação de um disco. Ao ouvir o som do HP710, você perceberá a resolução dos médios e um bom equilíbrio nos agudos, quase analíticos. Seus graves, são secos e firmes, uma característica que poderá não agradar alguns.
          Este amplificador pode ser conectado diretamente à saída de linha de qualquer equipamento. Como por exemplo: reprodutores de SACD, CD, DVD audio, prés de phono ou qualquer pré amplificador de áudio de alta fidelidade.
          Com apenas 16 dB de realimentação negativa, a distorção harmônica do HP710 é muito baixa e sua resposta de freqüência é superior a 800 kHz. Características que demonstram um ótimo desempenho do circuito em malha aberta.

           Suas principais características são:

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 Classificação:
Amplificação classe "A" de baixa realimentação, por diferenciamento da corrente.

 
 

          Especificações técnicas:
HP_710
 
Potência de saída em classe "A" . . . . . . .    42 mW RMS em 32 ohms, por canal
Potência máxima de saída. . . . . . . . . . . .    8 W RMS em 32 ohms por canal*
Resposta de freqüência . . . . . . . . . . . . .    6 Hz a 850 kHz  -3 dB
THD, 42 mW, 32 ohms  . . . . . . . . . . . . .    < 0,005 %
Ganho c/ carga  de 32 ohms . . . . . . . . . .    5.5 dB
Sensibilidade de entrada . . . . . . . . . . . . .    600 mV RMS p/ 42 mW em 32 ohms
Sobrecarga de entrada . . . . . . . . . . . . . .    8300 mV RMS
Impedância de entrada . . .1 kHz  . . . . . .    24k ohms*
Impedância de carga recomendada . . . . .    30 a 2000 ohms
Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   < 0,0005 V
Realimentação negativa . . . . . . . . . . . . .    16 dB
Corrente quiescente . . . . . . . . . . . . . . . .    25 mA
Consumo de corrente . . . . . . . . . . . . . . .    43 mA por canal
Tensão de alimentação . . . . . . . . . . . . . .     35 Vcc - simétrica
Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    1 CI, 16 transistores e 6 diodos- por canal

 



 


 
         * Potência  mensurada durante um curto intervalo de tempo. Essa característica demonstra a extraordinária faixa dinâmica do HP710. Jamais utilize níveis tão elevados durante a audição em fones, pois os fones e seus ouvidos ficarão irremediavelmente destruídos!
         * Sem o potenciômetro de nível.

 
          Este circuito foi construído, tendo por base um amplificador operacional discreto. Um projeto meu, destinado à construção de diversos dispositivos de áudio, o A2083.
HP-710. um canal
          O esquema completo do amplificador de fones HP710 pode ser visto no link "diagrama esquemático". Antes de fazer o download do esquema, leia os termos de compromisso, eles devem ser aceitos na íntegra. Os links para os termos de compromisso e diagrama esquemático estão localizados no  início desta página.
 

          O circuito é alimentado por uma fonte simétrica de  35 Volts x 200 mA, preferencialmente estabilizada e isenta de ruídos. A PSX2201 é uma boa opção.
          A construção do HP710 é recomendada somente para pessoas com experiência neste tipo de montagem. Devido a elevada impedância encontrada no servo controle, é altamente recomendável o uso de fibra de vidro ou composite, para a confecção da placa de circuito impresso.
 
 



          Componentes

          Nunca é demais recordar que não basta termos um bom projeto, é necessário que os componentes utilizados sejam de boa qualidade.

          Resistores
          Preferencialmente de 1%. Porém resistores de 5% selecionados com um multímetro podem ser utilizados. R22 é um resistor de ajuste e seu valor será definido após a montagem do HP710, durante a fase de ajuste de corrente de repouso.

          Capacitores
          No esquema estão as informações sobre os capacitores plásticos, todos são para 63V ou mais.

          C1, C2, C3, C4 e C9 são capacitores de tântalo. Eletrolíticos de alumínio podem ser utilizados.

          Algumas informações adicionais sobre capacitores são encontradas no texto do projeto CX_72.

          Integrado - U1
          A tensão de offset na saída do HP710 depende da característica de U1. Alguns dos operacionais recomendados são: AD547, AD711, CA3140, MC34081, MC35081 e OP42.

          Transistores
          Os transistores dos grupos abaixo devem estar casados em ganho, preferencialmente dentro de uma margem inferior a 10%. Quanto maior o ganho melhor.

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Q1  Q3
Q4  Q5  Q6  Q7
Q8  Q12
Q9  Q11
 
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          Ao adquirir os transistores observe a procedência dos mesmos e procure comprar componentes de um mesmo fabricante e do mesmo lote de fabricação.
          Na ocasião em que comprei os transistores não encontrei todos da mesma marca. Porém comprei transistores de um mesmo lote e selecionei-os com um medidor de HFE. Naquela ocasião comprei 20 transistores de cada tipo para poder efetuar a seleção convenientemente. 

          A maioria dos multímetros atuais possuem o recurso necessário para medir o ganho em DC dos transistores. Só uma palavra de cautela. Nem pense em levar o multímetro até a loja!

          Q1, Q3 e Q10 podem ser encontrados com encapsulamento metálico ou plástico, dê preferência ao encapsulamento metálico.
Identificação dos
terminais dos transistores
BC546B BC550B
BC556B BC560B
MPF102
C
Coletor
D
Dreno
B
Base
S
Supridouro
E
Emissor
G
Porta
 

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2N2222
C
Coletor
B
Base
E
Emissor

 
          D1 e D2  são  LEDs verde com 3 ou 5 mm de diâmetro. Vários modelos de LEDs  foram testados e quase todos funcionaram adequadamente. A tensão sobre D1 e D2, com o circuito funcionando normalmente, deve estar entre 1,8 e 2,1V.
          Utilize a gravura hp710fic, para a correta instalação dos componentes. Com exceção dos componentes destacados na figura,  todos os outros devem  ser  instalados conforme o desenho original da própria placa de circuito impresso.

          Devido a utilização da placa A2083 para a montagem, R28 - 33,  C12 e C13, ficaram fora da PCI (pcb).

          C6, R11 e R15, existentes no desenho da placa A2083 não são utilizados no HP710. No lugar de C6 devemos colocar um jumper. Também deve ser jampeado dois terminais de J1. Veja a gravura hp710fic para maiores detalhes. Observe que os transistores Q2, Q15 e Q16 (MPF102), devem ser invertidos em relação ao desenho da PCI. Isso ocorre porque a placa foi originalmente projetada para outro modelo de transistor.

          Um dissipador de calor com aproximadamente 735 mm quadrados deve ser afixado em Q13 e Q14 (MOSFET) por intermédio de parafusos, mica e buchas isolantes. Q10 deve estar encostado no dissipador ou encaixado em um orifício apropriado. Utilize pasta térmica nestes três transistores. O dissipador pode ser de alumínio ou cobre. Eu utilizei um dissipador aletado, com 735 mm quadrados, feito em alumínio.

          Os furos destinados ao resistor R22 são maiores para permitir a inserção de terminais. Isso facilitará o ajuste descrito a seguir e evitará danos a placa de circuito impresso.

          Ajuste
          Após concluída a montagem um único ajuste é necessário, o de corrente quiescente (corrente de repouso):

         1- solde aos terminais de R22 um trimpot ou potenciômetro de 1k em série com um resistor de 270 ou 330 ohms;

         2- mantenha o trimpot na posição da maior resistência;
         3- mantenha o potenciômetro de nível de entrada no mínimo;
         4- não conecte carga à saída do amplificador;
         5- ligue o circuito e ajuste o trimpot lentamente, até obter 50 mV entre R26 e R27, conforme ilustrado no esquema;

         6- após 15 minutos repita o item 5;
         7- após mais 15 minutos verifique se a tensão de 50 mV permaneceu estável, caso contrário repita o item 5 até a mesma se estabilizar. Não é necessário que a tensão seja de exatamente 50 mV, uma tolerância de 10% é perfeitamente aceitável. Obs.: em meu protótipo foi necessário retocar o trimpot 3 vezes, respeitando sempre um intervalo de 15 minutos entre cada ajuste;
         8- desligue o circuito e dessolde o conjunto "trimpot + resistor" dos terminais de R22, tomando muito cuidado para não alterar a posição do cursor do trimpot;
         9- com um multímetro, mensure a resistência do conjunto;
       10- escolha um resistor com o mesmo valor mensurado e solde-o no lugar destinado a R22.

          Muito cuidado deve ser tomado durante este ajuste para não aumentar demasiadamente a corrente quiescente. Se isso acontecer os MOSFETs podem ser danificados.

          Conclusão

          Construir um equipamento com classificação "high end" no Brasil é um grande desafio, devido às condições precárias de nosso país. Porém com diligência é possível construir equipamentos realmente bons. O HP710 é uma prova disso.
          O HP710 oferece ao audiófilo uma sonoridade excelente, superior a muito equipamento comercial.



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