Projeto de Amplificador Valvulado: diferenças entre revisões
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== A Função Física da Válvula == |
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O tipo de válvula eletrônica mais comum em amplificadores de áudio, chamado [[w:Tríodo|Tríodo]] |
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Ele tem, portanto, três eléctrodos em que dois deles chamados ânodo e cátodo reflecte a função de diodo do tubo de acordo com [http://sv.wikipedia.org/wiki/Child-Langmuirs_lag svwp: CHILD-Langmuirs lag]. |
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O facto de não pode fluir uma corrente de todo entre cátodo e ânodo tem a ver com a emissão térmica [http://sv.wikipedia.org/wiki/Termisk_emission svwp: emissão Termisk] do cátodo aquecido que faz electrões literalmente bolha fora o cátodo e, em seguida, torna possível aplicar uma tensão para acelerá-los para o ânodo. Produzindo uma corrente. |
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Usando uma assim chamada grade entre cátodo e ânodo, esta corrente pode ser controlada de acordo com certas leis parcialmente derivadas acima. A coisa mais importante é que a corrente será uma função da tensão anódica alimentada por 3/2. |
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Entre a grade e o ânodo, você obtém uma amplificação. Esta amplificação chamada µ significa que a uma certa tensão de entrada, você obterá uma certa tensão de saída. µ só pode ser determinado enquanto se utiliza carga infinita (isto é, uma linha horisontal reta no diagrama de ânodos). Mas µ também pode ser deduzido da transcondutância (ou seja, volt em separado por mAs no ponto operacional) do tubo que se multiplicou com a resistência dinâmica da placa, rp, produz µ. |
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== O Modelo da Válvula amplificadora de sinal == |
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O modelo de pequeno sinal de tubos são muito parecidos transistor de efeito de campo [http://sv.wikipedia.org/wiki/Signalf%C3%B6rst%C3%A4rkning#Signalf.C3.B6rst.C3.A4rkning_medels_FET-transistor svwp: Signalförstärkning medels FET-transistor]. |
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São apenas os nomes das pernas que diferem um MOSFET / J-FET de um modelo de tubo. |
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Quando você clicar no link acima, você provavelmente entenderá a diferença. |
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== Projetando com válvulas == |
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Normalmente, quando você projeta amplificadores valvulados, você projeta em relação ao cátodo comum (CC). Você quer amplificar a tensão o máximo possível. |
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A expressão comum para amplificação de tensão em um estágio CC é: |
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<math>Av=Uout/Uin=-\frac{\mu Ra}{Ra+rp+(\mu +1)Rk}</math> |
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Isso é mostrado no link acima. |
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Por favor, note o sinal de menos, ou seja, muda de fase em 180 graus. |
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Você pode usá-lo em cascata se quiser, por exemplo, projetar um estágio RIAA e colocar o filtro RIAA passivo entre os tubos. |
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E se a amplificação não for suficiente, você pode desacoplar as resistências catódicas (Rk) com um capacitor e obter: |
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<math>Av=-\frac{\mu Ra}{Ra+rp}</math> |
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para freqüências relevantes. |
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== Polarização da Válvula == |
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[[Image: triode_bias.PNG | thumb | Viés do triodo]] |
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A imagem à direita mostra como influenciar um tubo / triodo. |
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Com polarização, você quer dizer como deixar o tubo pronto e capaz de cuidar do sinal recebido sem distorcê-lo. |
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Imax e Umax refletem o que acontece ao carregar o tubo. Você tem uma voltagem máxima, Umax, que você planeja colocar no tubo. Mas você entende que precisa colocá-lo por meio de uma resistência anódica (a resistência do catodo é tão pequena que negligenciamos isso). Então a linha de carga chamada RL na figura mostra como o tubo irá funcionar. A corrente máxima, Imax, nunca será alcançada e é igual a Umax, dividida pela resistência do ânodo, neste caso chamada RL. |
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Desta forma, temos uma chamada linha de carga para o tubo e seu ponto de trabalho. |
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Com ponto de trabalho significa a corrente, Iaq e tensão, Uaq, com a qual o tubo começará a trabalhar. |
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O ponto de trabalho vem de qual corrente queremos fluir ao mesmo tempo que queremos alguma margem antes de Ug = 0 e, assim, o recorte do tubo. |
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Quando agora colocamos o tubo no ponto de trabalho, ele pode funcionar como quiser. |
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Eu já afirmei anteriormente as equações para a amplificação real da tensão (que é muito dependente do ponto de trabalho / polarização). |
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== Representação Dinâmica de Amplificação == |
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[[Image: triode_bias_dyn.PNG | thumb | Triode viés dyn]] |
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A imagem mostra como um triodo conectado no CC amplifica um sinal de entrada. |
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A entrada assim varia em torno do viés (Ugq) e o tubo então gera um sinal amplificado mas invertido (Av * Uin). |
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Se a carga (RL) tivesse sido infinita, teríamos µ como amplificação. |
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Você só precisa colocar a régua horizontalmente no diagrama da placa e ler quanto mais voltagem você recebe para x voltagem para obter µ. |
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Outro parâmetro importante é a chamada transcondutância, ou seja, quantos mAs você obterá para x número de volts. Nesse caso, você só precisa colocar a régua na vertical. |
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O decaimento da transcondutância, gm, geralmente é uma medida de quão bem o tubo é. |
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Se você colocar a régua ao lado de um ponto de operação e dividir o número de volts com o número de miliamperes, você obtém a resistência da placa, rp. gm * rp é então o mesmo que µ. |
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O sinal de saída é um pouco sobrecarregado pela entrada na imagem. Isto é possível se a fonte de condução é |
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w-impedância e capaz de fornecer corrente para a rede que começará a conduzir como um diodo quando a entrada exceder 0V dinamicamente. |
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== Válvula na Vida Real == |
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[[Image: tube_real.PNG | thumb | Tubo real]] |
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Quando nós polarizamos um tubo para amplificação (voltagem), usamos o esquema para a direita. |
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O tubo na imagem é chamado automaticamente (ou auto) polarizado, isto é, uma pequena resistência do cátodo (Rk) garante que o tubo seja negativamente polarizado. No entanto, isso significa que a resistência da grade (Rg) não deve ser muito grande (<1M normalmente). |
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É um pouco difícil escolher o Rk, mas se o diagrama do anodo estiver disponível e você souber a carga, é bastante fácil. Tudo o que você precisa fazer é escolher a menor margem para Ugk = 0 (para a maior amplificação sem o uso do capacitor de desacoplamento Rk) e separar essa Ugk com a corrente escolhida na linha de carga. |
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Um problema na realidade com esse tipo de estágio CC é que a impedância de saída é bastante alta. Isto tem como consequência que altas frequências são difíceis de amplificar se certas precauções não forem tomadas. |
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O limite de baixa passagem para um estágio CC carregado com uma capacitância (que sempre aparece nos cabos f.i) é: |
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<math>f_o=\frac{1}{2\pi ZoC}</math> |
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Onde Zo é a impedância de condução. |
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Este limite de frequência fica rapidamente baixo se Zo estiver alto. |
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Existem inúmeras maneiras de contornar este problema. Uma é usar um seguidor de cátodo, outra é usar como pequenas resistências quanto possível. |
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A impedância Za '(antes da paralelização de Ra) na figura é: |
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<math>Za'=rp+(\mu+1)Rk</math> |
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onde Rk quase sempre é desacoplado e pode ser colocado em 0 para freqüências relevantes. A impedância é no entanto ainda bastante alta (rp). |
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Zk 'é bastante similar (e antes do paralelismo de Rk): |
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<math>Zk'=\frac{Ra+rp}{\mu +1}</math> |
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que se rp >> Ra e µ >> 1 podem ser escritos: |
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<math>Zk'=\frac{rp}{\mu}=\frac{1}{gm}</math> |
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onde gm é a transcondutância do tubo. |
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Se Ra = 0 e você extrair o sinal do catodo, você obtém um chamado seguidor de cátodo, onde a amplificação de tensão quase sempre está muito próxima de um. Neste caso, também obteremos uma impedância de saída muito baixa. |
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== Power Stages == |
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Neste capítulo, tentarei explicar como conectar os tubos para obter potência de saída nos alto-falantes. |
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=== Single-End === |
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[[Image: tube_SE_power.PNG | thumb | Estágio de potência do tubo de extremidade única]] |
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Para obter energia em um alto-falante, é necessário combinar a alta impedância dinâmica do tubo com a baixa impedância do alto-falante. Isso é mais comumente feito escolhendo-se impedância refletida do alto-falante equivalente a duas vezes a resistência do tubo, rp. Desta forma, você obterá a máxima potência disponível. |
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Para poder conectar um tubo a um alto-falante, você precisará de um transformador (TR1). Este transformador não é trivial em seu design. Mesmo que a impedância refletida signifique a razão de volta ao quadrado. Os interessados podem ler [http://en.wikibooks.org/wiki/OPT_Design enbook: OPT Design]. |
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Os projetos Single-End (SE) são muito interessantes, mas eles têm o problema de baixa potência de saída (geralmente). |
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=== Push-Pull === |
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[[Image: tube_PP_power.PNG | thumb | Estágio de potência do tubo Push-Pull]] |
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A solução para o problema acima pode ser chamada de Push-Pull (PP). Com esta solução, você pode dobrar a potência de saída com poucos componentes extras, exceto outro tubo. Mas o ganho não pára por aí porque tanto as demandas do transformador de saída (OPT) quanto a regulação da oferta ficam menores. A tensão pode realmente variar bastante em um design push-pull bem balanceado e isso é porque Push-Pull realmente significa que só amplifica os sinais diferenciais. Além disso, o transformador acima precisa ser capaz de lidar com polarização total (CC) sem entrar em saturação (na prática, o que significa que um intervalo de ar é necessário). Mas, no caso do Push-Pull, essa demanda desaparece porque ambos os desvios do tubo cancelam a magnetização do OPT. Ela só precisa ter as primárias igualmente separadas e ser capaz de lidar com a voltagem nas freqüências escolhidas (baixas). |
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=== O divisor de fases === |
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[[Image: tube_phase_splitter.PNG | thumb | Um estágio de condução Push-Pull chamado de Fase-Divisor]] |
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A imagem à direita mostra um design de divisor de fase bem conhecido. Funciona de tal maneira que o sinal que entra na grade do segundo tubo é invertido no ânodo e não invertido no cátodo. Além disso, o ganho absoluto de grade para ânodo e grade para cátodo é realmente muito precisamente o mesmo. Assim, tomando a diferença do sinal do cátodo e do sinal anódico e comparando-o com a entrada da grade, na verdade, gera um ganho diferencial (DM) muito próximo de dois. O importante é que eles tenham a mesma amplitude e fiquem 180 graus fora de fase. |
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Um design sólido de PP, como o amplificador Williamson, tem muitos benefícios. Quando se trata de zumbido, um design de PP bem balanceado (Classe A) também tem o benefício de não ser dependente da ondulação da fonte. Isso porque, idealmente, os tubos de saída são uma perfeita combinação dinâmica e só amplificarão os sinais de DM para o alto-falante. Ou seja, somente se o zumbido for maior noânodo do divisor do que no cátodo, o zumbido irá propagar para o alto-falante. |
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Então, vamos dar uma olhada na possibilidade de talvez cancelar totalmente o zumbido! |
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Considere a reatância, Xc, dos capacitores (C) para ser muito menor que Ra1 ou Ra2 a 100 Hz (muito verdadeiro na prática). |
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Nota: C = 33 uF é igual a 50 ohms a 100 Hz. |
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Então nós temos: |
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<math>Er1'=\frac{Xc1}{Ra1}*Ur </math> |
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<math>Er2'=\frac{Xc2}{Ra2}*Ur </math> |
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<math>Er1=\frac{Za1}{Ztot1}*Er1'</math> |
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<math>Er2(a)=\frac{Za'}{Ztot'}*Er2'-Ava*Er1=\frac{Za'}{Ztot'}*Er2'-Ava*\frac{Za1}{Ztot1}Er1'=\frac{Za'}{Ztot'}*\frac{Xc2}{Ra2}Ur-Ava*\frac{Za1}{Ztot1}Er1'</math> |
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<math>Er2(k)=\frac{Zk'}{Ztot'}*Er2'+Avk*Er1=\frac{Zk'}{Ztot'}*\frac{Xc2}{Ra2}Ur+Avk*\frac{Za1}{Ztot1}Er1'</math> |
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<math>Er2(a)-Er2(k)=\frac{Xc2*Ur}{Ztot'*Ra2}(Za'-Zk')-(Ava+Avk)*\frac{Za1}{Ztot1}Er1'==0</math> |
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<math>=>Er1'=\frac{\frac{Xc2*Ur}{Ra2*Ztot'}(Za'-Zk')}{(Ava+Avk)*\frac{Za1}{Ztot1}}==\frac{Xc1}{Ra1}*Ur</math> |
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If Xc1=Xc2 and the capacitors are relatively large, it doesn't matter how large they are. They vanish from the equations! |
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Moreover, the ripple (Ur) itself vanishes! That is, the supply ripple may be very large! |
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Xc1=Xc2=> |
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<math>Ra1=Ra2*\frac{(Ava+Avk)\frac{Za1}{Ztot1}}{\frac{(Za'-Zk')}{Ztot'}}</math> |
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And because Zk'<< Za'=> |
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<math>Ra1=Ra2*(Ava+Avk)\frac{Ztot'}{Za'}*\frac{Za1}{Ztot1}</math> |
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And because Ava and Avk is very close to one => |
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<math>Ra1=Ra2*2\frac{Ztot'}{Za'}\frac{Za1}{Ztot1}</math> |
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And because Za' for this type of phase-splitter is very close to Ztot' => |
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<math>Ra1=2\frac{Za1}{Ztot1}*Ra2</math> |
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Finally, let's calculate Ra1 for the Williamson Phase-Splitter: |
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Ra2=22k |
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Za1=rp+(u+1)Rk=7k+21*470=17k |
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Ztot1=Za1+Ra=17k+47k=64k |
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Putting this into the above equation yields: |
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Ra1=11,7k=12k (note that the original value is 33k). |
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Thus, using this value will reduce residual hum problems to be of 50 Hz only (AC-heating, that is). |
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====Gain and Output Impedance==== |
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<math>Ava=(-)\frac{Ra*\mu}{Ra+rp+(\mu+1)Rk}=(-)0,896</math> |
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<math>Avk=\frac{Rk*\mu}{Ra+rp+(\mu+1)Rk}=0,896</math> |
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<math>Za'=rp+(\mu+1)Rk=469k</math> |
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<math>Zk'=\frac{rp+Ra}{\mu+1}=1,38k</math> |
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<math>Za=Za'//Ra=21,0k</math> |
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<math>Zk=Zk'//Rk=1,3k</math> |
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Essas equações mostram que o ganho para o anodo (Ava) e o ganho para o cátodo (Avk) é exatamente o mesmo. Isso não é tão estranho porque a corrente descarregada não pode fluir em nenhum outro lugar além do Ra e do Rk. |
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Para manter este bom recurso, no entanto, precisamos carregar o ânodo e o catodo igualmente. |
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A impedância de saída do ânodo é bastante alta (21k), enquanto a impedância de saída do cátodo é bastante baixa (1,3k). |
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Se nesta fase, onde dirigir um estágio de saída PP diretamente, precisaríamos ajustar as impedâncias de saída (devido a resistência de grade do tubo de saída, muitas vezes sendo da ordem de 100k). |
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Mas isso não é problema, porque nós poderíamos injetar 19,7k em série com a saída do cátodo, resultando em um divisor de fase com ganho DM puro e impedância de perna igual. |
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=== Análise do Estágio de Potência === |
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[[Image: put.PNG | thumb | Palco de potência do tubo]] |
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A imagem mostra como um tubo pode funcionar como um amplificador de potência. |
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O tubo é fornecido com B + e vieses automaticamente pela resistência do cátodo, Rk. |
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Se as perdas de cobre em TR1 podem ser omitidas, este caso estático significa que RL = Rk. |
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No caso dinâmico, quando o sinal é aplicado, RL, no entanto, é igual a n ^ 2 vezes a impedância da carga da coluna. |
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Quando Ugk é igual a Ua-B + o equlíbrio é alcançado e uma corrente estacionária, Iq, flui. |
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Devido à alta tensão neste ponto, uma alta dissipação de ânodo é alcançada, Pa. |
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Como você pode ver na pequena área triangular comparada com a grande área do retângulo, a efetividade é bem baixa (teoricamente no máximo 32%, eu acho) |
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No entanto, não consegui escolher o melhor viés porque há algumas margens para cima na tensão do ânodo. |
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Mas, apesar disso, você pode determinar uma potência de saída do amplificador Classe A: |
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Pout = (Uq-Umin) * (Imax-Iq) / 2 \ cdot [Watt, Sine] </ p> |
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A área do triângulo, isto é. |
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== Links Externos == |
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* [http://elektronikforumet.com/forum/viewtopic.php?f=14&t=63380 EF: Rörbyggarskola] |