Este artigo é muito prático para quem quer projetar e enrolar um transformador de saída para amplificador valvulado, foi publicado originalmente em: Referência: RABITTI, Eng. Antonio R.. Transformadores de saída para áudio valvulado. Disponível em: <http://diy-rbt3.tripod.com/>. Acesso em: 26 jun. 2018. o nosso muito obrigado a Antonio pela contribuição.Segue o artigo:

Para fornecer um algo mais consistente a quem gosta de som valvulado e/ou quem curte construir seus próprios componentes, volto ao tema.

Mas volto com uma abordagem pelas beiradas. Quero dizer, este não é um artigo de cunho acadêmico nem comercial.

Não é de cunho acadêmico porque não vamos esmiuçar aqui os conceitos físicos nem a matemática embarcada nos trafos. Para isso existem excelentes publicações que tratam tudo nos detalhes. Não é de cunho comercial porque não houve a preocupação de minimizar custos. Para o hobbista, que talvez vá construir um amplificador por ano (se tanto!), vale mais um resultado final previsível que a economia de alguns centavos no equipamento.

Nos modelos construídos existe até um certo superdimensionamento para cobrir a qualidade duvidosa do material utilizado.

Então qual é a abordagem?

É a de como um experimentador é tratado na prática. Ele consegue comprar material porem as especificações do que comprou são desconhecidas por quem o vendeu.

Adquiri um leque de lâminas, carretéis e fios para transformadores de força, material barato, nada especial, portanto fácil de se encontrar no mercado. Com este material em mãos (repito: sem suas especificações) e tendo como ponto de partida a equação geral dos transformadores N = Ep/(KxBxSxf) e das considerações sobre a indutância mínima, montei diversos transformadores de diferentes dimensões, potências e configurações dos enrolamentos. O resultado final de cada um foi avaliado nas condições reais de trabalho com a ajuda de alguma instrumentação. A partir dos resultados obtidos foi feito o caminho inverso do usual, adaptou-se a teoria aos resultados. Coloco o resultado deste trabalho em tabelas que tem por objetivo dar algum subsídio a quem quer construir seus transformadores de saída.

Desde já é bom avisar que pelos materiais utilizados - que são para trafos de força – e pelas limitações inerentes às construções caseiras, não espere especificações hi-fi. Porem o que ficou claro é que com estes materiais básicos e um pouco de habilidade é possível construir em casa trafos suficientemente bons para serem experimentados em equipamentos destinados a instrumentos musicais e para música… que não seja para audiófilos.

Como as chapas que você irá usar com certeza não serão idênticas às que utilizei, é de se esperar que possa ocorrer algum desvio no resultado final. Acredito, entretanto, que não sejam desvios significativos porque a folga utilizada no dimensionamento foi deixada para que o núcleo trabalhe longe de seu limite.

Como sempre faço questão de escrever em meus textos, este trabalho não termina aqui. Ele é apenas o fio da meada de um tema a partir do qual outros colegas poderão incrementar, lapidar, corrigir, desde que dediquem um pouco de tempo ao assunto.

Para as medições construí um berço com uma pequena base de madeira e 2 placas cobreadas. Este berço pode receber até duas válvulas de potência e mostrou versatilidade no uso, facilitando a avaliação dos trafos. As fotos que ilustram as descrições mostram os detalhes.

As tabelas geradas são 5, que determinam as dimensões do núcleo e número de espiras dos enrolamentos.

Observe que as potências indicadas vão de 5 a 40W. Isto porque os modelos de transformadores que construí e avaliei cobriram estas potências. Não me atrevi a extrapolar para outras potências ou outros paramentos que não os experimentados.

As tabelas são:

TABELA 1 DETERMINAÇÃO DA SEÇÃO DO NÚCLEO

TABELA 2A DERMINAÇÃO DO NUM. DE ESPIRAS DO PRIMÁRIO (trafos de 5 a 14W)

TABELA 2B DERMINAÇÃO DO NUM. DE ESPIRAS DO SECUND. (trafos de 5 a 14W)

TABELA 3A DERMINAÇÃO DO NUM. DE ESPIRAS DO PRIMÁRIO (trafos de 15 a 40W)

TABELA 3B DERMINAÇÃO DO NUM. DE ESPIRAS DO SECUND. (trafos de 15 a 40W)

Vamos agora à parte prática.

EXEMPLO 1

Vamos construir um transformador de saída para uma válvula 6V6 trabalhando em classe A S.E. que responda a partir de 90 Hz. A carga é um alto falante de 4 Ohms.

O manual de válvulas fornece este dado para vários pontos de operação da 6V6. Escolhemos este:

Tensão de placa (VP) = 250 V

Tensão de grade 2 (Vg2) = 250 V

Tensão de grade 1 (Vg1) = -12,5V

Impedância de carga (Zc) = 5.000 Ohms

Potência de saída (Po) = 4,5 Watts

Entrando na TABELA 1 com P = 5W (o valor superior mais próximo dos 4,5W) e 90 Hz vemos que a seção do núcleo deve ser de 3,2 cm2.

O número de espiras do primário é dado na TABELA 2A (NÚMERO DE ESPIRAS DO PRIMÁRIO PARA POTÊNCIAS DE 5 A 14 WATTS), onde entramos com Zc = 5.000 e a freqüência mínima de 90 Hz.

O número de espiras do primário é: ne(p) = 2.452 espiras.

A TABELA 2B (NÚMERO DE ESPIRAS DO SEC. POTÊNCIA ENTRE 5 E 14 WATTS) indica que para 4 Ohms ne(s) = 69 espiras. Para 8 Ohms ne(s) = 98 espiras.

Execução dos transformadores

O enrolamento dos transformadores de saída deve obedecer algumas regras em sua execução uma vez que, diferente dos trafos de força, eles trabalham com um espectro amplo de freqüências e daí a necessidade de se manter baixa a indutância de dispersão e a capacitância entre camadas.

Uma das maneiras de baixar a dispersão é fazer o entrelaçamento dos enrolamentos. Isto é feito dividindo-os em seções e mesclando-as, primário e secundário. Há muitas maneiras de se seccionar os enrolamentos para esta finalidade e a teoria deste detalhe é bastante extensa. Quem quiser se aprimorar deve ir à literatura especializada.

O que vamos descrever aqui é a maneira básica, de um entrelaçamento simples, até porque estamos partindo do pressuposto que quem vai fazer o trafo vai fazê-lo em casa, sem utilizar máquinas (como no meu caso). O uso de entrelaçamentos com mais camadas, com sentidos alternados, e/ou com carretel dividido é impraticável de se fazer “na mão”.

O entrelaçamento simples consiste em enrolarmos primeiramente metade do enrolamento secundário (o do alto falante), depois metade do primário (o da alta tensão), depois a outra metade do secundário e por fim a outra metade do primário.

A figura abaixo mostra de forma esquemática como é feito.

Entrelaçamento simples

A figura mostra apenas o lay out, pois cada metade, seja do primário ou do secundário, é composta de diversas camadas de fio.

A separação entre cada camada do primário ou cada camada do secundário foi feita com uma volta de papel manteiga. As separações entre primário e secundário foram feitas com 3 voltas de papel Kraft. Muita atenção nesta isolação porque entre primário e secundário há alta tensão.

Vamos aos detalhes construtivos tomando como exemplo o transformador push pull para as 5881, que é o mais completo.

Relembrando os dados do estágio de saída:

Tiramos do manual de válvula

Tensão de placa = 360V

Tensão de grade 2 = 270V

Impedância de carga (Zc) = 3800 Ohms

Potência de saída (Po) = 18 Watts

Vamos admitir uma eficiência de 85% para o trafo.

A potência entregue pela válvula no primário (Pe) para se ter 18 Watts na saída (Po) é:

Pe = Po/0,85 = 18/0,85 = 21W

A corrente alternada eficaz no primário é de

Ief(p) = √(Pe/Zc) = √(21/3800) = 74 mA (valor muito próximo da corrente contínua de placa com máximo sinal)

Vamos utilizar este valor para determinar a bitola do fio

Para uma densidade de corrente de 2,5A/mm² podemos usar, para suportar os 74 mA, o fio 32

No caso do secundário, a corrente eficaz que circula no enrolamento de 4 Ohms (Zl) é de

Ief(s) = √(Po/Zl) = √(18/4) = 2,1 A

O fio 18 da conta do recado.

Para o núcleo foi escolhida a chapa de 1 polegada (largura da perna central). Como precisamos de uma área de 7,6 cm2, o carretel comercial mais próximo tem por dimensões internas (onde vão entrar as chapas) 2,5 x 3,1 cm = 8 cm2

Arquitetura do trafo

Com estes dados, temos as definições para este trafo:

Primário = 2640 espiras de fio 32

Secundário = 88 espiras de fio 18

Como os enrolamentos são seccionados, vamos fazer da seguinte maneira:

Meio secundário = 44 espiras de fio 18 Meio primário = 1320 espiras de fio 32 Meio secundário = 44 espiras de fio 18 Meio primário = 1320 espiras de fio 32

O esquemático é o seguinte:

Agora vem a pergunta: o enrolamento cabe na janela do núcleo?

É preciso verificar isto ANTES de começar o trabalho, senão a surpresa no final pode não ser boa.

Principais dimensões a considerar:

O comprimento do carretel para esta chapa é L = 33 mm e a altura do carretel é H = 10 mm

Primeiro enrolamento: metade do secundário

Vamos deixar 2 mm no início e no final do enrolamento, de modo a não encostá-lo no carretel, para que o papel isolante cubra-o totalmente. Nas primeiras camadas isso é fácil. A medida que o enrolamento cresce, você vai ver só! Dica: use alguma cola de secagem rápida para segurar as primeiras espiras. Claro, escolha uma cola que não ataque o verniz do fio.

Temos então uma largura útil de 33 mm – 4 mm = 29 mm

O diâmetro do fio 18 é de 1,02 mm, portanto em cada camada do primário teremos 29/1,02 = 28 espiras.

Enrolamos 28 espiras juntas, sobre elas colocamos uma volta de papel manteiga e aí enrolamos as restantes 16 espiras, para totalizar as 44. Com isso finalizamos metade do secundário.

A altura ocupada por este enrolamento é de 2x 1,02mm + 0,02mm = 2,06mm

(0,02 é a espessura aprox. do papel que separa as 2 camadas).

Depois vamos passar 3 voltas de papel Kraft para se ter isolação adequada entre primário e secundário, pois no primário há a alta tensão de alimentação das placas.

Segundo enrolamento: metade do primário

Repetimos o processo acima, agora para o primário.

O diâmetro do fio 32 é de 0,2mm

Em cada camada teremos L/d(fio) 29mm/0,2mm = 145 espiras. Na pratica, como o enrolamento será feito a mão, vamos adotar um valor 15% menor, ou seja 120 espiras por camada.

Como vamos enrolar 1320 espiras, teremos 1320/120 = 11 camadas, cada uma separada por 1 volta de papel manteiga.

A altura total deste enrolamento será de aprox. 11 x 0,2 + 11 x 0,02 = 2,42 mm ou aprox. 2,6 mm com o Kraft.

Até aqui ocupamos 2,06 + 2,6 = 4,66 mm de altura.

Como isso tudo é só metade do enrolamento, a altura total ocupada será de 2 x 4,66 = aprox 9,5 mm. Portanto o enrolamento cabe no carretel.

Um detalhe: se não houver muito capricho e paciência para executar este trabalho e em cada camada acontecer desvios dos valores acima, há o risco de, depois de feito, o enrolamento ficar “gordo” demais e não entrar no núcleo. Aí… lamento, mas o seu trabalho foi perdido. Mas, como diz a frase de auto ajuda, sempre é tempo de recomeçar!

ADVERTÊNCIA: Extremo cuidado para as isolações entre primário e secundário. Lembrar que as tensões envolvidas são bastante elevadas e qualquer contato entre estes dois enrolamentos implica em risco para segurança.

As fotos do link abaixo mostram como fiz o trabalho.

Relaxe e mãos a obra e se algo der errado, faz parte do aprendizado.

Outra coisa aos que vão tentar: Lembre-se sempre que você não está numa corrida. Não tenha pressa em terminar. Esta é uma construção que exige habilidade e você irá economizar muito mais tempo fazendo com calma e acertando na primeira.

No trafo deste nosso exemplo não foi necessário utilizar entreferro porque, por suas dimensões, o núcleo não satura com esta corrente. Eu disse lá atrás que há um superdimensionamento embutido nestas tabelas em prol da qualidade final. As medições foram feitas, portanto, com as chapas entrelaçadas.

O protótipo deste trafo foi ensaiado no setup das figuras abaixo

Ensaio do trafo 5W

Os resultados obtidos foram:

Potência de saída para início do clipping = 4,8 Watts

Resposta de freqüência (dentro de 3 dB) = 110Hz a 90 kHz

EXEMPLO 2

Neste exemplo está um transformador de saída para 2 válvulas 5881 em push pull na categoria de 20 Watts. Típico amplificador para uso com teclado, onde uma freqüência de corte inferior de 60Hz atende. O alto falante é de 4 Ohms

1) - Dados do manual para a 5881 nesta configuração:

Tensão de placa = 360V

Tensão de grade 2 = 270V

Tensão de grade 1 = -22,5V

Impedância de carga (Zc) = 3800 Ohms

Potência de saída = 18 Watts

2) - Seção do núcleo - determinada pela Tabela 1 - entrando com 20 Watts & 60 Hz = 7,6 cm2

3) - Número de espiras do primário – Tabela 3A

Como não há 3800 Ohms na tabela, vamos fazer uma interpolação linear com o valor mais próximo, que é de 4000 Ohms

Então ne(p) = 2780 x (3800 / 4000) = 2640 espiras.

Como o trafo é para saída push pull ou seja, tem derivação central, enrolamos 1320 + 1320 espiras

4) – Número de espiras do secundário para carga de 4 Ohms:

Como fizemos uma interpolação para determinar o número de espiras do primário, aqui também temos que fazer um ajuste.

Para Zc = 4000 Ohms a TABELA 3A diz que ne(p) = 2780 espiras e pela TABELA 3B ne(s) = 88 espiras. A relação é:

 2780 / 88 = 31,59

Como corrigimos o primário para ne(p) = 2640 espiras, o secundário será de

 ne(s) = 2640 / 31,59 = 85 espiras.

Conferindo: Ligando-se uma carga de 4 Ohms no secundário, teremos refletido no primário

 Zc = Zs x [ne(p) / ne(s)]² =

 Zc = 4 x (2640/85)² = 3858 Ohms

Par de 5881 em push pull

Resultados obtidos:

Potência de saída = 19,2 Watts

Resposta de freqüência = 48 Hz a 35 kHz

Estes exemplos são suficientes para ver como se usam as tabelas. A bem da verdade construí vários outros modelos para checar a aderência dos números e parece que a coisa funciona razoavelmente bem.

OUTROS MODELOS AVALIADOS

Abaixo está o ensaio de um transformador para saída push pull com 2 válvulas 25L6 fornecendo 10W de saída.

Embora tenha sido utilizado um par de 25L6 nesta montagem, elas podem ser substituídas por um par de outro tipo de válvula desde que elas aceitem o mesmo ponto de trabalho. Por exemplo, devo utilizar este trafo num futuro amplificador com duas ECL85 em push pull. Só não fiz o ensaio com as ECL85 porque os soquetes do berço de teste são octais e eu não queria ficar mudando isto.

Estágio final com 2 6L6 / 35 Watts. O transformador é o mesmo utilizado com as 5881. Previ derivações nos enrolamentos deste trafo para poder usa-lo com diferentes impedâncias.

Por último um trafo para impedância muito baixa com o objetivo de verificar se podemos estender nossa tabela para a região das Zc da ordem de 1K Ohms.

Para conseguir impedância tão baixa em classe A foi necessário utilizar uma válvula de saída horizontal. Elas são búfalos que topam trabalho deste porte.

Cabe dizer que este amplificador tem interesse puramente didático, pois possui uma eficiência tão baixa que não faz sentido seu uso prático.

Para uso em amplificadores classe B estas válvulas podem ser de alguma utilidade e existem uns poucos trabalhos publicados a respeito. Quem tiver interesse neste nicho procure por aplicações da EL36 em áudio. Vale a pena dar uma olhada.

A explicação da baixa eficiência geralmente obtida com estas válvulas é que elas foram desenhadas para uso em amplificadores classe C. Daí serem idolatradas pelo pessoal que lida (ou lidava) com powers de RF.

A escolhida para avaliar este trafo foi uma 6BQ6GA operando em classe A. Também aqui não há dados no manual para este uso.

O ponto de trabalho escolhido foi:

Tensão de placa = 180V

Tensão de grade 2 = 150V

Corrente de repouso = 100 mA

Potência de entrada = 18W (*)

Impedância de carga = 1500 Ohms

(*) Os ortodoxos podem ficar escandalizados com esta potência de entrada 60% acima da recomendada para a 6BQ6. Para uso em áudio e considerando que estamos lidando com a versão GA, ela topa esta parada. Pelo menos sem reclamação aparente.

Neste modelo a potência de saída medida foi de 5,9 Watts. Os extremos de resposta não medi, pois o enrolamento não foi feito com o primor exigido.

CONCLUSÃO

Houve um aprendizado importante nesta experimentação. A teoria dos transformadores, que foi base para este trabalho, prevê um mesmo comportamento independente tamanho físico e potência do componente. A prática mostrou algo um pouco diferente. A medida que a potência - conseqüentemente o tamanho físico - cai, a previsão teórica começa a se descolar do resultado prático. Talvez as dimensões dos detalhes como espessura dos isolantes, uniformidade do enrolamento, bordas dos enrolamentos, etc. sejam percentualmente mais significativas nos trafos pequenos e portanto influenciem mais na dispersão. Ou talvez o modelo teórico tomado como base tenha sido simples demais por não considerar isso tudo.

Seja qual for o motivo foi ele que levou à necessidade construir 2 tabelas diferentes para determinação do número de espiras. Observei que de aproximadamente 15W para baixo é necessário um desvio nos cálculos. Mesmo assim nos trafos pequenos a freqüência de corte inferior teima em ficar mais alta que a previsão. Proponho uma correção na indutância primária (tabela proposta), a qual não testei. Esgotou-se minha paciência em fazer enrolamentos. Ao menos por ora.

Finalmente um conselho aos que querem se aventurar: A construção de seu próprio trafo é uma tarefa lenta que requer cuidado e muito capricho. Como tudo na vida, para se fazer algo bem feito não há atalho… há trabalho. Toda “simplificação” ou queima de etapas durante construção será regiamente cobrada no desempenho final.

Boa sorte aos que toparem a parada!

Referência: RABITTI, Eng. Antonio R.. Transformadores de saída para áudio valvulado. Disponível em: <http://diy-rbt3.tripod.com/>. Acesso em: 26 jun. 2018.