Expansor dinâmico (ART5508)

Detalhes: Escrito por: Newton C. Braga

Como melhorar a qualidade de som de fitas e discos que apresentem nível elevado de chiados e ruídos? Como receber melhor estações fracas de AM ou FM que apresentem excesso de ruído? Tudo isso pode ser conseguido com a ajuda de um equipamento bastante simples que pode ser montado em pouco tempo e instalado com facilidade em qualquer equipamento de som. Apresentamos neste artigo um expansor de faixa dinâmica, que reduz sensivelmente o nível de ruídos de qualquer tipo de sinal de áudio.

A ideia é simples: com um amplificador cujo ganho não seja linear, podemos reduzir os sinais correspondentes a chiados e ruídos, elevando, por outro lado, a intensidade dos sinais do programa que deve ser reproduzido.

Na figura 1 temos a curva de resposta deste sistema em termos de intensidade de sinal de entrada.

Como os ruídos e chiados são sinais mais fracos em relação ao sinal que deve ser reproduzido, eles são amplificados menos, o que significa que não aparecem em relação ao sinal de programa que apresenta uma amplificação maior. Os dois sinais, tendo amplificações diferentes podem ser separados com maior facilidade.

Tudo o que devemos fazer então é intercalar este amplificador não linear entre a fonte de sinal de baixa intensidade e o amplificador final de potência, como sugere a figura 2.

Este tipo de ligação é necessária, dada as características elétricas do circuito, que são:

Características:

Impedância de entrada…100 Kohms

Impedância de saída . . . 2500 Ohms ou mais

Distorção…. 0,05% (entre O e 2 V)

Níveis de sinal…. 300 mV à 2 V

Tensão de saída 5 a 9 V rms

Veja, então, que temos de operar com sinais fracos de entrada e obtemos na saída níveis suficientes para excitar qualquer amplificador comum.

O circuito pode operar tanto na rede local, como também a partir de bateria, com uma saída proporcionalmente menor.

Uma aplicação interessante a mais para este aparelho é na redução do ruído de fundo em intercomunicadores e receptores de VHF, já que na ausência de sinal o ganho do circuito cai a ponto de cortar os sinais de menor intensidade, como por exemplo, o ruído.

Como funciona

A base do circuito é um amplificador operacional quádruplo da Texas Instrumentos, tipo TL074 ou TL084.

Este integrado é do tipo Lin-Mos, possuindo transístores de efeito de campo, de altíssima impedância, na entrada.

O primeiro operacional (CI-1a) opera como seguidor de tensão, simplesmente fornecendo um ganho de potência para o sinal de entrada. Nesta configuração, em que a saída é ligada por um jumper à entrada inversora, temos um ganho unitário de tensão, mas em compensação obtemos uma elevadíssima impedância de entrada (neste caso da ordem de milhões de mega Ohms) e uma baixa impedância de saída. Como os milhões de mega Ohms são muito para a aplicação indicada, um resistor (R1) de 100 K é quem, praticamente, determina a impedância de entrada.

Se o sinal a ser trabalhado for excessivamente fraco, em lugar do jumper pode ser ligado um resistor, cujo valor determinará o ganho da etapa, maior que 1, no caso.

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Caso o leitor deseje, pode colocar em lugar do jumper um potenciômetro linear de 2M2, conforme mostra a figura 3, controlando assim, entre 1 e 20 o ganho da etapa.

O sinal de saída desta etapa é levado via C11-X, R3, R4 e Q1 a um circuito atenuador controlado por tensão.

Neste circuito, o integrado amplifica o sinal numa proporção não linear determinada pelo ajuste de R10. CI-1c forma, então, um comparador de tensão que vai determinar o limiar da atenuação feita pelo transístor.

O ajuste de R10 determina, então, em que nível de sinal ocorre a expansão. Em função do nível de ruído devemos, pois, ajustá-lo para que a ação do atenuador seja maior apenas até o máximo de intensidade atingida pelo ruído, conforme é visto na figura 4. Desta forma, o ruído é atenuado, e os sinais que desejamos que sobressaiam, são ampliados normalmente.

O transistor Q1, que forma o atenuador, atua como um resistor de derivação para a passagem do sinal via R3 para o integrado CI-1b.

Se o transístor apresentar um alta resistência entre dreno e fonte, em função da baixa polarização de sua comporta, então o sinal passa normalmente para a etapa seguinte. Isso deve ocorrer com os sinais de maior intensidade.

No entanto, os sinais mais fracos levam o comparador a entrar em ação, de modo que uma polarização via R5 é aplicada ao transistor, fazendo-o reduzir a resistência do canal. Nestas condições, o sinal de baixo nível é atenuado, obtendo-se o efeito desejado. Veja a figura 5.

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O integrado IC -1c é polarizado de tal forma, que pode ser ajustado para atuar com sinais a partir de 160 mV mas até menos de 10 mV rms. Com a operação a partir de bateria de 9 V, este limiar decresce até, aproximadamente, 130 mV.

O integrado CI-1b serve apenas como buffer de saída, também apresentando um ganho unitário de tensão (seguidor de tensão). Isso permite que a salda tenha baixa impedância e bom nível de sinal, sendo capaz de excitar facilmente a entrada de qualquer bom amplificador de áudio.

O quarto amplificador operacional é usado como um indicador visual para o limiar da atuação do circuito. Quando, a partir do ajuste de R10 se obtém um nível de sinal em que o sistema atua, reduzindo o ganho para a eliminação do ruído, o integrado CI-1d é polarizado, fazendo com que o led1 acenda. Veja que é muito importante ajustar R10, de modo que o led brilhe apenas com as variações de música, não ficando aceso permanentemente, pois isso indica que o sistema está no limiar e, portanto, atuando da maneira esperada.

Construção

Começamos por dar na figura 6 o diagrama completo do aparelho.

Na falta do integrado sugerido podem ser utilizados equivalentes como o TL071, TL081, TL072 ou TL082. Os dois primeiros são amplificadores operacionais simples, caso em que serão empregadas 4 unidades. No segundo caso temos amplificadores operacionais duplos, devendo ser empregadas duas unidades.

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As modificações na placa de circuito impresso para a utilização dos equivalentes não devem causar problemas ao montador experiente. Para a versão original, damos o desenho da placa de circuito impresso na figura 7.

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Os resistores são todos de 1/8 ou 1/4 W, conforme a disponibilidade do montador. Os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho de 25 V, exceto os da fonte que devem ser para 35 V. Para as entradas e saídas, devem ser usados jaques de acordo com o seu sistema de som. A sugestão básica consiste no emprego de jaques tipo RCA.

O transistor de efeito de campo usado no projeto original é o 2N3819, mas equivalentes mais comuns em nosso mercado, como o MPF102 ou BC245 podem ser usados com pequenas eventuais alterações de valor de R4.

Os valores de R4 dependem da atenuação desejada que será explicada na parte referente a operação. Valores entre 1,5 e 33 K serão sugeridos, conforme a aplicação. A fonte é bastante simples, já que o consumo de corrente da unidade é bastante baixo. O transformador é de 12 + 12 V com 100 mA de corrente de secundário e primário, de acordo com a rede local. A fonte é simétrica de 15 V mas o circuito também operará com duas baterias de 9 V, conforme mostra a figura 8.

A caixa empregada deve ser metálica, de modo a servir também de blindagem. Na furação devem ser previstos locais para fixação do led, do potenciômetro, a passagem do cabo de alimentação e a colocação dos jaques de entrada e saída de sinal.

Para os integrados deve ser. usado um soquete e existe um procedimento recomendado para sua instalação, de modo a se evitar danos. Os operacionais com transistores de efeito de campo na entrada são bastante delicados, podendo ser queimados se você os segurar diretamente, causando assim, descargas estáticas, ou tentar energizar o circuito sem que todos os terminais estejam devidamente polarizados.

Antes de colocar o integrado no soquete, ligue a alimentação e certifique-se de que os potenciais da fonte sejam menores que 18 V e estejam na polaridade correta. Depois disso, desligue a fonte e descarregue todos os capacitores, curto-circuitando momentaneamente seus terminais. Somente depois disso é que você deve colocar o integrado em seu suporte, observando com cuidado sua polaridade.

Prova e uso

Intercale o expansor entre uma fonte de sinal e um amplificador, conforme mostra a figura 9. Ligue todos e atue sobre R10, de modo a obter sinal com e sem expansão, atentando para as diferenças em relação ao ruído.

O projeto deverá ser, eventualmente, alterado em função das características dos aparelhos com os quais for usado. Por este motivo é que já se prevê o emprego de um jumper no circuito de realimentação com a consequente troca por um potenciômetro de ajuste de ganho. Por outro lado, a atenuação nos sinais de baixo nível também depende da fonte de sinal, daí o resistor R4 admitir diversos valores possíveis.

A tabela de valores dada em função da atenuação é a seguinte:

Para a audição de velhos discos fonográficos (tipo 78 RPM, por exemplo), uma atenuação de 3 dB a 6 dB é o ideal. Este mesmo nível de atenuação também é recomendado para se fazer gravações da voz ou reproduções a partir de fundos em locais barulhentos. A cópia de filmes pode também ter uma atenuação de 3 a 6 dB para eliminação de ruídos.

Para sistemas musicais domésticos (sintonizadores, receptores, gravadores etc.) o nível preferido de atenuação é 12 dB a 6 dB, dependendo de cada caso. Para public address o nível mais alto é o indicado, com 20 dB. No caso do aumento do ganho da unidade, com a colocação do potenciômetro, ou resistor fixo externo, na realimentação de CI-1a, pode ocorrer a captação de zumbidos a partir da fonte. Neste caso, será conveniente a utilização de um filtro adicional, que é mostrado na figura 10.

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Os capacitores eletrolíticos adicionais deverão ser montados os mais próximos possíveis da placa do sistema ou no próprio sistema para se garantir sua eficiência. Na figura 11 mostramos uma maneira de se obter um ganho fixo de 10 vezes para a etapa de entrada com o emprego de um resistor de 100 K na realimentação.

Para experimentos com música eletrônica (sintetizadores, guitarras etc.) pode-se ter efeitos especiais com a mudança da constante de tempo do circuito comparador. Neste caso, modifica-se a forma de onda (ataque e decaimento) com a mudança de timbre. Isso pode ser conseguido com a modificação mostrada na figura 12.

Os potenciômetros permitirão o ajuste dos tempos de subida e descida dos sinais atenuados e, com isso, a mudança de timbre do som. Para utilizar o sistema com equipamentos estereofônicos tudo que se necessita é montar duas unidades semelhantes. A alimentação pode ser feita a partir da mesma fonte sem problemas, já que o consumo de corrente é muito baixo.

Os pontos assinalados por letras do diagrama (A, B, C, D, E e F) são interligados nos dois canais para que a atenuação ocorra de modo simultâneo nos dois, o que garante assim, que não ocorram deslocamentos de sinal de um canal para outro com entradas muito baixas.