Instalando Pré-Amplificador, Captador Piezo e Amplificador de Fone Dentro da Guitarra

Uma guitarra normalmente é vista como a fonte do sinal: tocamos as cordas, o captador transforma as vibrações em um sinal elétrico e enviamos esse sinal para um amplificador.

Mas será que podemos colocar todo o sistema básico de captação e monitoração dentro da própria guitarra?

Neste projeto faço justamente isso: instalo um captador piezoelétrico, um pré-amplificador e um pequeno amplificador para fones de ouvido dentro da guitarra.

A ideia transforma o instrumento em um sistema muito mais independente, permitindo captar o som, condicioná-lo eletronicamente e ouvi-lo diretamente em um fone.

O sistema completo dentro da guitarra

Podemos visualizar o projeto em três blocos principais:

VIBRAÇÃO DA GUITARRA
        ↓
 CAPTADOR PIEZO
        ↓
 PRÉ-AMPLIFICADOR
        ↓
AMPLIFICADOR DE FONE
        ↓
      FONES

Cada estágio possui uma função diferente.

O piezo transforma vibração mecânica em sinal elétrico.

O pré-amplificador recebe e condiciona esse sinal.

O amplificador de fone fornece capacidade suficiente para acionar os pequenos transdutores dos fones.

Entender essa divisão é fundamental, porque pré-amplificador e amplificador de fone não são simplesmente dois nomes para a mesma coisa.

Como funciona o captador piezoelétrico?

O elemento piezoelétrico produz uma diferença de potencial quando sofre deformação mecânica.

Quando instalado em um instrumento, ele responde às vibrações que chegam ao material piezoelétrico.

De maneira simplificada:

CORDA
  ↓
VIBRAÇÃO
  ↓
CORPO / PONTE
  ↓
PIEZO
  ↓
SINAL ELÉTRICO

Isso é diferente do princípio de funcionamento de um captador magnético convencional de guitarra elétrica.

O captador magnético depende da interação entre campo magnético, bobina e cordas ferromagnéticas.

O piezo responde à vibração mecânica aplicada ao elemento.

Onde colocamos o piezo altera bastante o resultado

Como estamos captando vibrações mecânicas, a posição do sensor influencia aquilo que será captado.

Um piezo colocado em determinado ponto do instrumento pode responder de maneira diferente do mesmo elemento instalado em outro local.

Isso significa que a instalação não precisa ser apenas:

“cole o piezo em qualquer lugar.”

Vale experimentar posições antes de realizar uma montagem definitiva.

A própria estrutura da guitarra participa da transmissão das vibrações.

Por que o piezo precisa de um pré-amplificador?

Essa é provavelmente a parte eletronicamente mais interessante deste projeto.

Captadores piezoelétricos apresentam impedância de fonte muito elevada e comportamento predominantemente capacitivo. Se forem conectados a uma entrada com impedância baixa demais, a resposta em baixas frequências pode ser prejudicada e o resultado pode ficar excessivamente magro ou estridente.

Por isso é muito comum utilizar um buffer ou pré-amplificador de alta impedância logo depois do piezo.

Podemos representar:

PIEZO
 │
 │ sinal de alta impedância
 ↓
PRÉ-AMPLIFICADOR / BUFFER
 │
 │ saída mais adequada
 ↓
CIRCUITO SEGUINTE

Essa etapa evita carregar excessivamente o captador.

Alta impedância de entrada é importante

É comum encontrarmos entradas de instrumento próximas de 1 MΩ, mas determinados sistemas de piezo podem se beneficiar de valores ainda maiores. Há pré-amplificadores comerciais específicos para piezo com entradas de 1 MΩ e projetos que trabalham com vários megaohms.

Isso explica um fenômeno que às vezes parece estranho.

O piezo pode estar funcionando perfeitamente, mas quando conectado diretamente a determinada entrada o som fica:

fraco, sem graves ou muito “fino”.

O problema pode não estar no captador.

Pode estar no casamento entre a impedância do piezo e a impedância da entrada.

O pré-amplificador não serve apenas para aumentar volume

O nome “pré-amplificador” pode dar a impressão de que sua única função é aumentar a amplitude.

Não necessariamente.

Neste tipo de aplicação, uma função importantíssima é a adaptação de impedância.

Podemos ter um circuito com ganho relativamente pequeno e, ainda assim, ele ser extremamente útil porque apresenta:

ENTRADA
impedância muito alta
      ↓
    BUFFER
      ↓
SAÍDA
impedância mais baixa

Isso permite que o estágio seguinte receba o sinal sem carregar inadequadamente o piezo. Essa é justamente a função dos buffers específicos para captadores piezoelétricos.

Então por que precisamos de outro amplificador para o fone?

Porque adaptar e pré-amplificar o sinal não significa necessariamente possuir corrente suficiente para movimentar um fone de ouvido.

Temos dois problemas diferentes.

Primeiro:

receber corretamente o sinal do piezo.

Depois:

entregar potência suficiente aos fones.

Por isso nossa cadeia fica:

PIEZO
 ↓
PRÉ
 ↓
sinal condicionado
 ↓
AMPLIFICADOR DE FONE
 ↓
potência para o fone

Essa separação é semelhante ao que encontramos em sistemas maiores de áudio: uma etapa trabalha principalmente com o sinal e outra com a carga.

Por que não ligar o fone diretamente ao piezo?

Porque um fone representa uma carga completamente diferente daquela que um captador piezo deveria enxergar.

Enquanto o piezo se beneficia de uma entrada na ordem de centenas de quilohms ou megaohms, fones podem apresentar impedâncias de apenas algumas dezenas de ohms.

São mundos eletricamente muito diferentes.

Uma orientação técnica para essa aplicação recomenda justamente um pré-amplificador com entrada acima de aproximadamente 1 MΩ seguido de uma etapa capaz de fornecer corrente ao fone.

Portanto:

PIEZO → FONE

não é a solução adequada.

Precisamos das etapas intermediárias.

Podemos transformar a guitarra em um instrumento ativo

Quando colocamos um circuito eletrônico alimentado dentro da guitarra, deixamos de ter apenas um sistema passivo.

Passamos a ter:

CAPTAÇÃO
   +
ELETRÔNICA ATIVA
   +
ALIMENTAÇÃO

Esse conceito já aparece em muitas guitarras e baixos comerciais que possuem pré-amplificadores internos.

No nosso projeto vamos além, porque incluímos também a possibilidade de monitorar diretamente pelo fone.

A bateria passa a fazer parte do instrumento

Naturalmente, toda essa eletrônica precisa de energia.

Isso significa que precisamos acomodar uma bateria dentro da guitarra.

Agora o projeto passa a envolver também:

autonomia, acesso para troca da bateria, chaveamento e consumo dos circuitos.

Não adianta instalar tudo perfeitamente e descobrir depois que é necessário desmontar metade da guitarra para trocar a bateria.

O planejamento mecânico é tão importante quanto o eletrônico.

O jack pode ligar e desligar automaticamente a bateria

Existe um truque muito utilizado em guitarras e baixos ativos.

Um jack TRS pode ser utilizado como uma espécie de chave para a bateria.

Quando não existe plugue:

BATERIA
  ↓
circuito interrompido

CONSUMO ≈ zero

Ao inserir o plugue apropriado:

PLUGUE INSERIDO
      ↓
CIRCUITO FECHA
      ↓
PRÉ-AMPLIFICADOR LIGA

É por isso que muitos instrumentos ativos continuam consumindo bateria quando deixamos o cabo conectado, mesmo sem estar tocando.

Essa é uma solução muito elegante porque dispensa uma chave liga/desliga adicional.

Neste projeto temos também a saída para fone

Agora surge outra conexão.

Podemos ter uma arquitetura semelhante a:

                ┌──→ SAÍDA NORMAL
PIEZO → PRÉ ────┤
                │
                └──→ AMP DE FONE → FONES

Isso torna o instrumento bastante versátil.

Podemos manter uma saída para utilização convencional e, ao mesmo tempo, possuir monitoração local.

É possível praticar sem amplificador externo

Essa é provavelmente uma das aplicações mais interessantes.

Normalmente temos:

GUITARRA
   ↓
CABO
   ↓
AMPLIFICADOR
   ↓
ALTO-FALANTE

Com o amplificador de fone interno:

GUITARRA
   ↓
FONE

Naturalmente existem vários circuitos intermediários dentro do instrumento, mas para o músico a utilização se torna extremamente simples.

Sistemas comerciais de guitarra com pré-amplificador e saída de fone integrada utilizam justamente essa ideia para permitir prática silenciosa.

O amplificador de fone precisa ser adequado à carga

Assim como não devemos ligar um alto-falante de potência diretamente na saída de um amplificador operacional qualquer, também precisamos observar a capacidade da etapa destinada ao fone.

A impedância do fone influencia a corrente necessária.

Pela Lei de Ohm:$$I=\frac{V}{R}$$

Se a impedância diminui, para uma mesma tensão a corrente aumenta.

Portanto, o circuito precisa ser realmente apropriado para fornecer a corrente necessária sem distorção excessiva ou sobrecarga.

E se o sinal ficar distorcido?

A distorção pode surgir em vários pontos.

Por exemplo:

PIEZO
 ↓
PRÉ ← pode saturar
 ↓
VOLUME
 ↓
AMP DE FONE ← pode saturar
 ↓
FONE

Se aumentarmos demais o ganho do pré-amplificador, podemos produzir clipping antes mesmo de chegar ao amplificador de fone.

Se o pré estiver correto, mas exigirmos amplitude ou corrente demais da saída, o estágio de fone também pode distorcer.

Por isso é importante diagnosticar em qual estágio o problema aparece.

Blindagem e organização dos fios são importantes

Agora estamos colocando dentro da guitarra:

sensor de alta impedância + pré-amplificador + alimentação + amplificador de fone + vários fios.

Sinais de alta impedância são especialmente sensíveis à captação de interferências. Manter o trecho entre o piezo e o primeiro estágio de alta impedância curto e utilizar blindagem adequada pode ajudar a reduzir ruídos.

Isso também é uma boa razão para instalar o pré-amplificador dentro da guitarra e próximo ao captador.

Depois do buffer, temos um sinal menos vulnerável às características do cabo e da carga seguinte.

Cuidado com loops e organização do terra

Quando adicionamos diferentes circuitos dentro do mesmo instrumento, precisamos definir corretamente os pontos de terra.

Uma montagem desorganizada pode introduzir:

hum, buzz, oscilações e outros ruídos.

Isso é especialmente importante quando trabalhamos com um amplificador de fone, porque o ganho está literalmente ao lado do ouvido.

Um pequeno ruído que talvez passasse despercebido em outra aplicação pode se tornar bastante evidente no fone.

O volume do fone precisa ser controlado

Outro recurso importante é o controle de nível.

Não devemos projetar a saída simplesmente para funcionar sempre no máximo.

Uma sequência mais apropriada é:

PRÉ
 ↓
CONTROLE DE VOLUME
 ↓
AMPLIFICADOR DE FONE
 ↓
FONE

Além do conforto, isso é importante para evitar níveis sonoros excessivos.

Ao testar pela primeira vez, comece sempre com o volume baixo e aumente gradualmente.

Veja toda a eletrônica instalada dentro da guitarra

No vídeo abaixo mostro a instalação do captador piezo, pré-amplificador e amplificador para fones de ouvido dentro da própria guitarra.

É um projeto interessante porque reúne vários assuntos que já apareceram separadamente em outros experimentos.

Temos:

captação → impedância → pré-amplificação → amplificação → alimentação → fones de ouvido.

E desta vez tudo precisa caber dentro do instrumento.

Um pequeno sistema de áudio completo dentro da guitarra

Olhando o projeto pronto, podemos pensar que simplesmente instalamos três pequenos circuitos.

Eletronicamente, porém, construímos algo bem mais interessante:

ENERGIA MECÂNICA
das vibrações
      ↓
PIEZO
      ↓
SINAL ELÉTRICO
      ↓
PRÉ-AMPLIFICADOR
      ↓
SINAL CONDICIONADO
      ↓
AMPLIFICADOR DE FONE
      ↓
ENERGIA ACÚSTICA
nos fones

Começamos com a vibração do instrumento e terminamos novamente com som.

Entre os dois extremos existe toda uma cadeia eletrônica.

É justamente isso que torna este projeto tão interessante para quem quer entender eletrônica aplicada ao áudio e aos instrumentos musicais.