Williamson

Segunda parte:

Antecedentes.

W.T. Coking High Quality Amplifier 1ª Versão – 1934

(Wireless World 18 may 1934)

W.T. Coking High Quality Amplifier Versão 1936

A história os Williamsom começa em maio de 1934 quando W.T. Coking publicou na Wireless World o seu “High Quality Amplifier”. A princípio os leitores receberam o artigo de modo meio cético. Em 1936 foi publicada uma versão mais compacta e o mesmo autor republicou o artigo em 1938, agora com uma adaptação para ser um radio receptor completo, de alto estilo. (figuras dos amplificadores de 1934 e 1936 logo acima, e adaptador para rádio a seguir neste nosso artigo) O amplificador era em essência um push pull de triodos excitado por um sistema balanceado de impulsores precedido de um inversor de fase. (Veja a seguir circuito original de Wireless World republicado em dezembro de 1943 com as adaptações para válvulas americanas). O amplificador de W.T. Cocking funcionava bastante bem em recepção de rádio, mas deixava a desejar nas reproduções de gravações em disco pela sua falta de amplificação. Em 1946 W.T. Cocking em novo artigo sugere a adoção de uma nova vávula (MH4) antes do inversor de fase para uso em reprodução de discos (gramofone, como dizem os ingleses). (Veja em fig2 –A pre-amplifier for recording deficiencies..). Neste mesmo amplificador foi recomendada a adoção da realimentação negativa. A base do Williamsom estava pronta!

Observe a configuração acima e compare-a com a do amplificador Williamson.

Veja explicações a seguir.

No ano seguinte era publicado o amplificador de Williamson. “Design for a High Quality Amplifier”

Com base no mesmo circuito e incorporando o préamplificador para discos diretamente no próprio circuito, agora com acoplamento direto na inversão de fase, e acima de tudo reprojetando o tansformador de saída, e aumentando o nível de realimentação negativa para 20dB, nascia o circuito de maior sucesso comercial em todo o mundo. O transfmador de força foi mantido dentro dos mesmos cálculos, agora, porém com blindagem eletrostática e dispersão magnética, sendo novamente pioneiro nesta técnica.

W.T. Coking High Quality Amplifier Versão dezembro de 1943

Circuito original na versão “Tempos de Guerra” 1943

Original Valves

Wireless World Dezembro de 1943

Circuito para opção por válvulas americanas. 1943 (saídas com 6V6).

Em Janeiro de 1946  W.T. Coking sugeria a adoção do circuito abaixo no estágio de entrada do amplificador original na versão “Tempos de Guerra” 1943.

Pré-amplificador corretor de deficiências.

A famosa afirmação de Williamson, "Tudo leva a crer que o projeto de um amplificador de som destinado a mais alta qualidade de reprodução e fidelidade deve-se basear em triodos em configuração push-pull e deve também incorporar a realimentação negativa. Já havia sido predita por W.T. Coking, mas Williamson reforçou-a com vários fatos constatados:

1)    A impedância de saída de um amplificador deve ser “muito mais baixa” que a impedância do alto-falante, “De sorte a evitar a ressonância de baixa freqüência.” “A rigidez da suspensão de um alto-falante de grande classe deve ser mantida em baixo nível, mas apenas o suficiente para que não o faça perder energia”. Desta forma o amortecimento do alto-falante deve ser eletro magnético pois somente assim poderemos controlar o movimento do cone.”  Williamson também sugeriu que um fator de amortecimento ao redor de 20 a 30 seria o ideal para os falantes de bobina móvel.

2)    A realimentação negativa foi optimizada em 20dB. E observou que o aumento deste valor na realimentação não causava qualquer benefício audível.

3)    Para menor desvio de fase, a resposta de freqüências deveria ter um mínimo de -3dB  entre 3.3Hz à 60kHz.

4)    Nestas condições o desvio de fase não seria maior que 20º dentro do espectro audível.

5)    O amplificador deveria possuir reserva de potência para poder reproduzir passagens fortes com grandes picos dinâmicos. Da mesma forma a fonte de alimentação deveria possuir uma reserva de energia para poder suprir estes momentos.

6)    O transformador de saída deveria ser feito de acordo com o projeto fornecido. (veja projeto do transformador).

W.T. Coking Sintonizador de A.M. por Rádio Freqüência sintonizada 1938.

Neste sintonizador encontramos a “válvula extra” na entrada de pick-up, o que aproxima o amplificador de W.T. Coking, a um Williamson.

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Variante Americana do circuito para opção por válvulas americanas. 1943 com 30Watts de saida e realimentação negativa. Observe nota sobre C1 e veja adoção do métido no Williamson melhorado.

RCA Radiotron Designers Handbook

Curvas de respostas de freqüência do mesmo amplificador.

Circuito para estudo com realimentação positiva e negativa.

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A Evolução.

Ao visualizarmos e estudarmos os Williamsons veremos que os mesmos influenciaram todas as gerações seguintes de amplificadores. Seu mérito principal foi desvendar o transformador de ainda e o desvio de fase nos estágios anteriores às válvulas de potência. A geração pós Williamsom na verdade herdou a topologia geral dos anteriores, com as devidas correções no sentido de aproveitar ao máximo a eficiência do sistema sem desperdício de energia como nos modelos anteriores. Ilustramos um dos modelos pós Wiulliamsom. O amplificador Dynaco, que herdou não somente o transformador Ultra linear, mas também um dos projetistas do mesmo, o Sr. David Hafler. Esta configuração foi utilizada nos amplificadores da H. H. Scott e nos Fisher dentre outros mais. No próximo segmento, comentaremos detalhes de cada estágio circuito de potência.

Dynakit 60Watt sucessor natural do Williamson. Nele eliminou-se o estágio impulsor, aumentando-se o ganho no primeiro estágio pela adoção de um pentodo. Optou-se pelo uso de transformador de saída Ultra linear utilizando-se núcleo menor e com menos resposta de graves. Adotou-se o método da polarização das válvulas de saída em separado e catodos praticamente aterrados para maior eficiência na manipulação de potência e transientes. Scott, Fisher, Eico e outros adotaram circuitos bem semelhantes. O transformador de saída poderá ser um Dynaco ou um Thordarson.

A Teoria e a Evolução dos amplificadores Williamson.

Em 1950, Pouco se sabia sobre realimentação negativa. Williamsom mostrou através de gráficos de fase como funcionava a realimentação negativa para que esta pudesse ser estável. O problema residia nas margens de fase. Para se obter uma realimentação estável, o transformador de saída teria necessariamente que ter uma resposta de 2 a 200,000 Hz. Somente assim conseguiríamos um amplificador que tivesse uma resposta favoravelemente estável no espectro audível de 20 a 20,000 Hz. O mérito do critério adotado foi a difusão do hábito da realimentação negativa em praticamente todos os amplificadores de alta classe.

Os amplificadores Williamson de primeira geração, contudo traziam alguns probleminhas que foram sendo aos poucos resolvidos.

A Fonte de Alimentação:

Os primeiros Williamson possuíam fonte de alimentação em separado.  A alta voltagem correndo de um chassis para outro não é um processo seguro. Tais configurações não são mais aprovadas pelos padrões da UL. Além do mais não há razão técnica para tal procedimento.

O circuito original com 5U4 de aquecimento instantâneo tinha na entrada um capacitor de 4 mf 400 Volts a óleo um choque de 5 Henry e um posterior de 30 Henry para suavizar a onda de A.C.  Os demais capacitores eram também unidades de 4 mf.400 volt, o que tornava o conjunto pesadíssimo e ainda pouco eficiente quanto a filtragem, com a agravante de ser uma solução bem cara.

Há quem critique o estagio de entrada com o inversor de fase por acoplamento direto, justificando o excesso de corrente de grade no segundo triodo, devido ao aquecimento rápido da retificadora e lento dos duplos triodos, mas lembre-se que a corrente máxima que o estágio pode atingir seria de 1,6mA  durante 10 segundos, que é o tempo máximo de aquecimento destas válvulas, e 1.6 mA durante 10 seg é muito menos do que a válvula pode resistir, portanto não teremos razão de nos preocuparmos. Não poderemos nos esquecer que o acoplamento direto foi um recurso para minimizar o desvio de fase no circuito como um todo, facilitando a aplicação da realimentação negativa em doses mais elevadas.

O circuito Williamson, porém foi desenhado para trabalhar com aquelas tensões, naquelas emissões das válvulas e com aquelas polarizações, para que se tornasse estável com aquela realimentação negativa. Ao desligar-se o a primeira geração destes aparelhos, ouvia-se um forte “pop” no alto falante (semelhante aos aparelhos transistorizados). Esse fenômeno era causado pela instabilidade do circuito que se manifestava ao serem alteradas subitamente as polarizações corretas. Em alguns casos quando desligados queimavam ou danificavam os alto-falantes que recebiam um forte pulso de sinal. Cumpre lembrar que àquela época produziam-se alto falantes de alta compliância com bobinas móveis relativamente frágeis. Talvez isto não mais acontecesse com os alto falantes modernos, mas havia que se eliminar o pulso de oscilação ao desligar-se o aparêlho. A solução seria criar fonte de alimentação com capacitores maiores para agüentarem a carga quando desligados e suavemente decaírem suas tensões enquanto as válvulas esfriam.

Por esta razão, os caros e volumosos capacitores de filtro a óleo foram logo substituídos por eletrolíticos de maior valor e bem mais baratos. Além de ser introduzido um amortecimento de altas freqüências no primeiro estágio de alimentação. Veja C1 da figura 7/42 e C10 e R26 da figura 7/35F.

O amplificador de voltagem e o inversor de fase: 

Esta seção é composta de um primeiro triodo amplificador de tensão, um inversor de fase de carga dividida e dois impulsores em triodo.  As válvulas são do tipo duplo triodo tais como a 6SN7, estas foram escolhidas devido a baixa distorção que oferecem, mas também não possuem grandes possibilidades de amplificação, por esta razão foram utilizados os dois impulsores entre o inversor e o estágio de saída (as duas KT66). O acoplamento direto entre o primeiro estagio de amplificação e o inversor de fase é ótimo, pois não apresenta desvio de fase, mas os impulsores intermediários, os dois triodos da segunda 6SN7, apresentam desvio de fase por serem acopladas em RC e isto limita a realimentação negativa. A situação é agravada pela baixa potência oriunda da conexão triodo das KT66, usadas aqui apenas por ser uma válvula mais comum (da MOV), pois poderiam ser usadas as PX4 ou PX25 que são triodos de potência mais eficientes, também da MOV, mas muito mais difíceis de serem achados em função a sua baixa produção. As KT66, todavia deram certo, pois com a introdução da configuração Ultra Linear 33%, a potência passou de 15/16W para 30/35W sem qualquer mudança de tendão de excitação ou de alimentação, e mais, manteve a mesma curva de resposta! 

 Este foi o caminho, pois a potência de saída aumentou sem aumentar a distorção, e mais, pelo fato de entrar em configuração pentodo, as excitações de grade do estágio de saída passaram a ser menores necessitando de menos amplificação nos estágios anteriores. A Dyna eliminou os impulsores, automáticamente diminuindo a rotação de fase, aplicou maior ganho no estágio anterior subtituindo o meio triodo da 6SN7 por um meio pentodo de uma 6AN8 que dá um pouco mais de distorção, mas v. poderá aplicar mais realimentação negativa, bixar a distorção e aumentar a estabilidade. Esta foia fórmula do sucesso.

 O inversor de fase empregado no Williamsom é o mais simples possível. Sempre foi mantido o acoplamento direto, para mínima rotação de fase. Este tipo de inversor é criticado entre os “conhecedores” em função de que a impedância de placa não é a mesma de catodo, como também não é a relação entre as capacitâncias individuais, e isto causaria uma variação do espectro de freqüências entre as duas saídas, de sorte que as impedâncias diferenciadas não poderiam adequadamente excitar as válvulas de saída. Cumpre lembrar, porém que as impedâncias de entrada das válvulas de saída são tão enormemente maiores que as impedâncias objecionadas que este fenômeno torna-se imperceptível e só vai ocorrer fora do espectro audível e fora do espectro de som gravado não representando nenhuma dificuldade para a audição. Por isto mesmo é o tipo de inversor mais largamente usado nos equipamentos comerciais em geral. O sistema porém, começa a se manifestar em falta de estabilidade em baixas freqüências limitando a resposta de transientes quando da aplicação de realimentação negativa em doses elevadas. A solução da Dyna eliminando os impulsores favorceu sobremaneira esta deficiência crônica.

O estágio de saída:

Todos os tipos de primeira e segunda geração dos Wiliiamson empegavam resistor de polarização de catodo nas válvulas de saída. Apesar de simples, este arranjo rouba potencia das válvulas de saída, e por não termos capacitor de desacoplamento, também diminui a resposta nas baixas e altas freqüências. Na época era costume gastarem-se tipos poderosos de va´lvulas (como as KT66) e grandes transformadores de saída para um rendimento de apenas 10 Watts de saída. Este procedimento ainda é o usado nos tradicinais Quad II. Na versão 2-40 partiu-se para o aumento da eficiência. http://www.novacon.com.br/audiohmq3.htm

O Williamson encontrou dois grandes adversários. O Mc Intosh http://www.novacon.com.br/audioampmac.htm , http://www.novacon.com.br/audioampmac2.htm , http://www.novacon.com.br/audioampmac3.htm, que com válvulas menos poderosas (6L6) oferecia 50 Watts com especificações de resposta equivalentes e o Brook que também com válvulas menos potentes (2A3) oferecia uma resposta idêntica. http://www.novacon.com.br/audio2a3amp.htm.  Vemos aí outro mérito. –O de provocar a emulação. O Williamson continuou estável no mercado, pois ainda ganhava no preço mais baixo.

Brooks 12A

Brook 10C3

Veja detalhes em:  Amplificadores com Auto Correção de Polarização Lincoln Walsh Brook Amplifier

http://www.novacon.com.br/audiooutpre32.htm

Acredito que devamos fazer um comentário sobre os Brook. Estes amplificadores surgiram em 1948 logo após a publicação dos Williamsom. Não restam dúvidas que os mesmos foram “colados” dos Williamsom. Ao mesmo tempo em que introduziram varias novas idéias de melhoria eles também se limitaram pelo fato de se estagnarem apenas nos triodos. (2A3 e 6B4) A primeira versão foi o 12 A que praticamente em nada difere do Williamson Até as válvulas dos estágios amplificador, inversor de fase e impulsores são do mesmo tipo. Mas o Brook partiu para aumentar a eficiência. Apesar dos dois modelos introduzirem um pouquinho de rotação de fase na entrada do inversor, eis que os construtores do Brook optaram pela impulsão a choque para maior excitação das Válvulas de saída. A qualidade de áudio é fantástica segunda alguns, mas logo sentiu-se que os mesmos perdiam algo em passagens fortes da orquestra. O segundo modelo da Brook o 10C3 passou a ter uma excitação a transformador driver, semelhante ao Mc Intosh 50W1 seguido de seguidores de catodo para excitação das 6B4. Estes amplificadores trabalhavam em classe AB2 enquanto o modelo 12A estava permanentemente em classe A. Mas eis que o 10C3 introduziu um interessante refinamento. O controle de zumbido, que pegando o sinal pelo centro dos catodos das 6B4 os reintroduzia ao centro do inversor de fase para equilíbrio e anulação, exatamente como propôs em 2004 John Broskie em seu amplificador Aikido, apenas 53 anos após ter sido utilizado o mesmo princípio no Brook 10C3!    http://www.novacon.com.br/audioamprand.htm  .

Vamos aqui fazer uma comparação entre o cmportamento triodo e o comportamento pentodo das KT66 (e das #807).

Apesar de muitas críticas na época ao uso das KT66 em ligação triodo, e não usar diretamente um triodo, este foi também mais um grande trunfo dos Williamson. Serem aperfeiçoados com o tempo, isto é, não se tornarem rápidamente obsoletos.

D. T. N. Williamson escreveu: *
"Tudo leva a crer que o projeto de um amplificador de som destinado a mais alta qualidade de reprodução e fidelidade deve-se basear em triodos em configuração push-pull e deve também incorporar a realimentação negativa. As melhores válvulas para isto são as PX25 e as KT66.
Entre elas, prefiro as KT66 pelo fato de serem mais atuais e serem do tipo de filamento com aquecimento indireto com 6.3 volt, o que simplifica o circuito de alimentação do filamento. Além do mais, em conexão triodo as KT66 possuem características quase idênticas as das PX25."

* N.T. Hoje esta afirmação é bem discutível e veremos novos detalhes ao analisarmos o Audiopax noutro segmento.

Apesar da limitação de potência que os triodos impõem, a sua baixa resistência interna favorece o uso em caixas acústicas com divisores de freqüência mal preparados, isto é com excesso reativo causando grandes desvios de resposta; Lembre-se que a caixa acústica não se comporta como um simples resistor de carga.

Em termos de comportamento, poderíamos dizer que os triodos são basicamente amplificadores de voltagem, isto provoca grandes variações de corrente na carga; enquanto os pentodos ou os tetrodos de feixe dirigido mantêm suas correntes de placa quase constantes durante a variação do sinal. Se a carga fosse apenas resistiva,  em ambos os casos não haveria qualquer problema.

Os Falantes, porém apresentam-se como cargas bastante reativas, mais ainda quando usados com divisores de freqüências. A reação eletro magnética que se efetua na linha de carga altera o comportamento das válvulas de saída sejam triodos ou pentodos, alterando o consumo e fornecimento de energia à linha de alto-falantes em diversos pontos do espectro audível.

Eis que a meta seria conseguir um fornecimento e um consumo de energia constantes ao longo de todo o espectro de áudio. Esta é a definição de linearidade de resposta. O transformador Ultra-linear de Hafler e Keroes conseguiu esta meta através de uma derivação para cada grade aceleradora das etapas de saída. Assim, o problema das voltagens constantes ou das correntes constantes encontrados nos triodos ou nos pentodos foi finalmente substituído pelo sistema de transferência energia sempre proporcional.

Harry Olson demonstrou em seu “Acoustical Engeneering” que as ligações de alto-falantes se comportam como indutâncias e capacitâncias reativas que geram potências reativas na linha eu ocasionam rotações de fase as mais diversas, que em alguns casos matam até o efeito estéreo de certas gravações ou eliminam o som de alguns instrumentos.

Através da operação em potência constante, estes efeitos são minimizados e principalmente quando trabalhando com divisores de freqüência, o sistema de ligações em Ulta-linear oferece uma menor degradação do som ouvido, que os demais sistemas, até oferece uma melhor resposta geral, e maior potência de transferência, mas perde pela dinâmica de resposta apresentada pelos triodos.

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Continua>>>>>>>>