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quarta-feira, 25 de maio de 2005
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Da válvula ao simulador
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por por Sólon do Valle
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Por quê válvulas?
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Muita discussão tem rolado a respeito deste tema, e a pergunta que serve de título a este texto se repete quase todo dia na minha vida: por quê válvulas?
Como se sabe, a válvula surgiu como primeiro dispositivo capaz de amplificar sinais, ou seja, controlar grandes potências por meio de potências muito pequenas.
Quando Edison inventou a lâmpada, ainda no século 19, notou que, ao acendê-la, alguma coisa ficava flutuando no vácuo em torno do filamento aquecido. Essa coisa eram elétrons que, com o calor, se desprendiam do filamento e ficavam orbitando afastados dele.
Ora, elétrons são negativamente carregados. Introduzindo dentro da lâmpada uma placa metálica, e aplicando-se a esta uma tensão positiva em relação ao filamento, os elétrons são atraídos por ela, e pelo espaço dentro do vácuo da lâmpada passa uma corrente de elétrons do filamento em direção à placa positiva. É claro que, no sentido oposto, não pode fluir corrente, já que a placa, positiva, jamais cederá elétrons ao filamento.
Portanto, fica criado o primeiro dispositivo que controla elétrons, ou seja, eletrônico. Por só permi-tir passagem de corrente num único sentido, a lâmpada modificada de Edison passou a se chamar válvula. O filamento aquecido, capaz de fornecer elétrons, recebeu o nome de catodo; a placa, recebendo elétrons, passou a ser também chamada de anodo; e essa primeira válvula, de dois elementos, recebeu o nome de diodo.
Passaram-se bons anos até, na segunda década do século 20, o inventor Lee deForest ter a idéia de introduzir uma grade metálica entre o catodo e a placa da válvula, numa tentativa de controlar o fluxo de elétrons através do diodo. Não só foi possível controlar o fluxo, como também produzir grandes variações na corrente através da válvula, ao se variar a tensão aplicada à grade. A nova válvula, com três elementos, recebeu o nome de triodo.
Foi inventado o amplificador! Pequenas tensões de entrada produziam grandes variações de corren-te na placa, que produziam grandes variações de tensão na saída do circuito. Essas tensões e corren-tes puderam alimentar antenas de transmissão, linhas de telefone e telégrafo e, é claro, alto-falantes!
A nova ciência - a Eletrônica - não parou mais. Alguns triodos foram aperfeiçoados, e ganharam mais uma grade, entre a grade de controle original e a placa, chamada grade auxiliar ou screen. Sua finalidade era acelerar os elétrons ao encontro da placa, aumentando o ganho do triodo. Se você ainda não adivinhou, esta novidade se chamou tetrodo. No entanto, os elétrons "batiam" com tanta velocidade na placa, que retornavam ao interior da válvula, para serem novamente atraídos pela placa. Isto produzia um fenômeno denominado emissão secundária, causadora de sérias deslineari-dades no funcionamento do dispositivo.
Os engenheiros sofreram com o tetrodo até surgir, por volta de 1930, uma nova e sensacional válvula: o pentodo. Introduzindo-se uma terceira grade, negativa em relação à placa, chamada supressora, entre a screen e a placa, evitou-se o retorno dos elétrons e se conseguiu uma operação segura e linear da nova válvula, capaz de operar com ganhos e potências elevadas. Muitas válvulas empregadas em áudio, seja como pré-amplificadoras, seja como válvulas de potência, são pentodos - por exemplo, EF86, EL34 e EL84.
Uma variação do pentodo é o tetrodo de feixe dirigido que, em vez de uma terceira grade, utiliza eletrodos defletores (também negativos) para focalizar o feixe de elétrons na placa, eliminando a emissão secundária. Esta técnica é comum em válvulas de potência de áudio, como as populares 6L6, 6550 e KT88.
Posteriormente, vários outros tipos de válvulas foram criados para aplicações fora do áudio, tais como heptodos (5 grades), eneodos (7 grades), olho mágico, thyratrons, reguladoras de tensão, magnetrons (usadas até hoje nos fornos de micro-ondas) e tubos de raios catódicos (tão populares nos televisores e monitores de computador!). Foram também desenvolvidas válvulas de dimensões minúsculas, chamadas Nuvistores, de aplicação pouco comum em áudio.Em 1948, surgiu o transistor, inventado por William Shockley, e nasceu o germe da revolução da eletrônica moderna. Principalmente a partir da criação dos chips, em 1960, nunca mais o mundo foi o mesmo. Mas o mundo do áudio sempre sentiu falta do "calor" e do romantismo da era das válvu-las, que acabou voltando com força para um novo milênio.
Som de válvula
O que vem a ser som de válvula? Todos sabem que existe, sabem que é gostoso, quente, bonito, musical, etc. Mas, tecnicamente falando, o que seria o tal "calor"?
" Soft clipping: os circuitos a transistor são extremamente lineares e precisos... desde que não se excedam seus limites. Excedidos os limites, os circuitos solid state não têm mais ampli-tude para se expandir, e se mantêm fixos no limite atingido (ora inferior, ora superior).
Para entender melhor isso, vejamos o que é uma curva de transferência. Ela é um gráfico que relaciona o sinal que entra e o sinal que sai de um processo ou circuito, de maneira grá-fica e fácil de se visualizar. A curva de transferência de um circuito a transistor típico é um segmento de reta perfeito, inclinado, terminando pelas duas pontas em semi-retas horizontais.
A interpretação desse gráfico é a seguinte: entre Vmin e Vmax, o circuito amplifica linearmen-te o sinal de entrada - isto é, o sinal de saída é uma cópia fiel do sinal de entrada, só que com maior nível. Abaixo de Vmin e acima de Vmax, o circuito não consegue mais acompa-nhar o sinal de entrada, e o sinal de saída é ceifado ou "clipado", como se diz pegando-se a expressão emprestada do inglês. Este tipo de ceifamento é chamado hard clipping (ceifa-mento duro).
Num circuito típico a válvula, em vez de se manter rigorosamente linear entre os limites e, bruscamente, entrar em clipping, a curva de transferência é relativamente linear apenas no centro, e vai logo se "achatando" em direção aos limites.Devido ao funcionamento das válvulas e também ao uso de outros componentes como o transformador de saída, praticamente nunca se chega aos extremos horizontais - o hard clipping - como no transistorizado. Vai havendo uma espécie de "compressão" do sinal, que não elimina de todo sua dinâmica nem chega a produzir ondas quadradas como as que se observa no caso do hard clipping. Este comportamento é chamado de soft clipping.
É claro que circuitos de estado sólido podem ser elaborados para produzir soft clipping e, neste caso, o som distorcido se mostra mais agradável do que num circuito "careta" com hard clipping.
Mas, por quê o soft clipping soa melhor?
Fourier explica! O matemático Jean-Baptiste Fourier provou que qualquer forma de onda, por mais complicada que seja, pode ser decomposta em várias ondas senoidais de freqüên-cias diferentes. A onda senoidal é de uma freqüência única, completamente desprovida de harmônicos - um tom puro e totalmente sem graça quando ouvido sozinho.
Outras formas de onda podem ser sintetizadas somando-se harmônicos, ou seja, múltiplos da freqüência fundamental. Por exemplo, uma onda quadrada de 1kHz possui, além da fun-damental de 1kHz, todos os harmônicos ímpares: 3kHz com 1/3 da amplitude, mais 5kHz com 1/5 da amplitude, mais 7kHz com 1/7 da amplitude, e assim por diante. Outras formas de onda - triangular, dente-de-serra, pulsos, etc. - podem ser sintetizadas por outras fórmu-las desse tipo.
No hard clipping, quando a onda atinge o limite "duro" da curva de transferência, é cortada formando um ângulo bem definido, como aquele que existe na onda quadrada. Em conse-qüência, harmônicos ímpares e de ordem alta (7º, 9º, 11º, etc.) são gerados, produzindo grande aspereza ao som, pela quantidade de altas freqüências acrescentadas e pela pouca musicalidade desses harmônicos, que não constituem sequer notas musicais afinadas.
No soft clipping, não aparecem as bordas em ângulo vivo - típicas das ondas quadradas -, e assim não são gerados harmônicos "duros de se ouvir".
Efeitos sobre a guitarra
Nas duas seqüências de figuras a seguir, vemos os efeitos de distorções soft clipping e hard clipping sobre o som de uma guitarra elétrica.
A primeira seqüência mostra, nesta ordem, o som original ("clean") da guitarra, o som dis-torcido por válvula (soft clipping) e o som distorcido por transistor (hard clipping). Nos dois últimos casos, houve uma saturação de 12dB.
Note que, com soft clipping (2ª figura), a dinâmica é parcialmente preservada; com hard clipping (3ª figura), a dinâmica desaparece totalmente.
Agora vamos ver as mesmas três ondas em detalhe. Ampliaremos um mesmo trecho 64 vezes, para observar o que acontece com cada ciclo da forma de onda.
Na primeira onda, correspondente à guitarra clean, os picos das ondas se mostram bem "a-fiados", sem mostras de saturação. Na segunda figura, que mostra a onda distorcida por válvula, nota-se forte compressão, porém os picos ainda têm pontas e mesmo nos trechos mais saturados ainda se podem ver muitos detalhes harmônicos. Na terceira figura, corres-pondente à ação do transistor, o achatamento é brutal: os picos se tornam absolutamente chatos e todos os detalhes se perdem. A dinâmica desaparece.
" Harmônicos pares x harmônicos ímpares: quando a curva de transferência se mostra simé-trica entre a parte superior e a parte inferior, apenas são gerados harmônicos ímpares. É o caso, por exemplo. da onda quadrada, que é totalmente achatada em cima e embaixo. Os circuitos a transistor, em geral, são simétricos, e produzem baixa distorção... enquanto não clipam. Ao exceder seus limites, geram muitos harmônicos altos e ímpares.
Os circuitos valvulados não são quase nunca simétricos (apenas os estágios finais em push-pull o são), e por isso geram harmônicos pares. Além disso, o soft clipping contribui para que só sejam gerados harmônicos baixos. Estas duas características, somadas, dão aos amps valvulados uma característica musical, quente, ou qualquer nome do gênero.
" Amortecimento do circuito: os amplificadores valvulados são circuitos de alta impedância (trabalham com altas tensões e baixas correntes), ao contrário dos transistorizados. Os am-plificadores de potência usam transformadores de saída, para conseguir acoplar as válvulas (com suas centenas de volts e dezenas de miliampères) aos alto-falantes (com suas dezenas de volts e vários ampères). Os transistores se entendem bem com os alto-falantes e não pre-cisam de tradutores para poderem conversar com eles.
Assim, o acoplamento entre os amps valvulados e os falantes é mais frouxo, ou seja, os fa-lantes vêem o amplificador com uma certa impedância no caminho. A razão entre a impe-dância do alto-falante (geralmente 4 ou 8 ohms) e a impedância interna do amplificador se chama fator de amortecimento. Nos amps de estado sólido convencionais, o fator de amor-tecimento é alto, tipicamente acima de 100. Isto é, um alto-falante de 8 ohms "vê" uma im-pedância de 0,08 ohms ou menos na saída do amp.
Nos valvulados, os fatores de amortecimento são consideravelmente mais baixos, geralmen-te abaixo de 20.
Qual a conseqüência disso? Um alto-falante, ao ser excitado, produz uma força contra-eletromotriz (f.c.e.m.), que é absorvida (amortecida) pelo amplificador. Se a impedância de saída do amp é baixa (alto fator de amortecimento), a f.c.e.m. do alto-falante é absorvida pelo amp, e o movimento do cone do falante obedece perfeitamente à saída do amplifica-dor. Isto é excelente para uma reprodução "seca", como se deseja numa sala de controle de estúdio ou num bom sistema de home theater.
Se, por outro lado, o fator de amortecimento é baixo demais, o alto-falante vibra mais li-vremente, contribuindo muito mais com seu timbre próprio para a reprodução do som. Nu-ma situação de monitoração crítica, isto é impensável. Mas, se você tem alto-falantes vinta-ge, montados em caixas acústicas clássicas para guitarra ou baixo... provavelmente vai ado-rar perceber essas cores no som de seu instrumento. Neste caso, os amps valvulados, com seus baixos amortecimentos, são - mais uma vez - recomendados para a amplificação de instrumentos.
" O que fazem os simuladores? Os simuladores de amplificadores - sejam eles montados dentro de amplificadores hi-tech, aparelhos de rack, pedais ou plug-ins de programas de e-dição de áudio - se propõem todos a recriar, usando sofisticadas técnicas de programação de DSPs (processadores digitais de sinais), o comportamento dos tradicionais amplificado-res valvulados. Ou então, é usado o método exatamente oposto: aparelhos valvulados, mon-tados segundo as técnicas tradicionais, fornecendo exatamente o que se espera deles: a es-sência das válvulas.
Alguns deles apenas melhoram o som do instrumento. Mas alguns fazem autênticos mila-gres: como máquinas do tempo, transportam o músico a épocas, locais e até estilos de vida que a tecnologia não-tão-nova sepultou, e a novíssima tecnologia fez reviver com saúde.
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