Amplificadores, Caixas Acústicas e uma tal de impedância - Parte 2

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1 Amplificadores, Caixas Acústicas e uma tal de impedância - Parte 2 Autor: Fernando Antônio Bersan Pinheiro No artigo anterior, tratamos da teoria envolvendo os fatores citados acima. Neste, vamos tentar colocar tais conhecimentos em práticas. Prática de ligação (associação) entre caixas acústicas Primeiro, é importante citar que alto-falantes disponíveis no mercado são quase sempre de 4 Ohms (mais usados em sistemas automotivos) ou de 8 Ohms (mais usados em sistemas de P.A.). Falantes de 6 Ohms são pouco comuns, e quando encontrados são em sistemas domésticos. Também existem alguns raros falantes de PA de 16 Ohms (alguns drivers). Por isso, nossos cálculos sempre vão considerar ou valores de 4 Ohms ou de 8 Ohms, mas é exatamente o mesmo princípio para qualquer outra impedância. A teoria que estudamos referentes às associações de resistores (ou alto-falantes ou mesmo caixas acústicas) pode parecer chata e até complicada, mas tudo é muito mais fácil que parece. Vamos primeiro "pegar leve", apresentando alguns exemplos bem simples. Sempre é necessário estarmos atentos às ligações entre os falantes. No exemplo acima, os positivos estão interligados entre si, assim como os negativos. Isso mostra uma associação paralela. Neste caso, temos: Req = R/ n (onde "n" = número de falantes) - se tivermos dois alto-falantes (ou caixas acústicas) de 8 Ohms, temos uma impedância final de 4 Ohms. Req = 8/ 2 = 4 - se tivermos dois falantes de 4 Ohms, temos uma impedância final de 2 Ohms. Req = 4/2 = 2 - se tivermos um falante de 8 Ohm associado com um falante de 4 Ohms, teremos que fazer aquela conta chata: 1/Req = 1/R1 + 1/R2 1/Req = 1/8 + 1/4 1/Req = 1/8 + 2/8

2 1/Req = 3/8 Req = 8/3 = 2,6 Ohm Note que, ao fazermos esta associação entre um falante de 8 Ohms e um de 4 Ohms, só poderemos usála com amplificadores com impedância mínima de 2 Ohms. Lembrando que a maioria dos amplificadores disponíveis no mercado é de 4 Ohms de impedância mínima. Neste exemplo, observe como o negativo do primeiro alto-falante é interligado ao segundo alto-falante. Nesta situação, temos uma ligação em série. Neste caso, temos: Req = R1 + R2 Logo, se tivermos dois alto-falantes (ou caixas) de 4 Ohms, teremos uma impedância final de 8 Ohms (Req = 4+4). Se forem duas caixas de 8 Ohms, teremos uma impedância final de 16 Ohms. E se for uma caixa com 4 Ohms e outra com de 8 Ohms, teremos 12 Ohms ao final. Note que as associações produzem impedâncias de grande valor, bem acima do mínimo especificado pela maioria dos amplificadores (4 Ohms ou 2 Ohms) do mercado. Agora vamos "pegar pesado" com dois exemplos que misturam associações em série e paralelo. Repare na figura abaixo: O exemplo acima mostra um conjunto de 4 alto-falantes (ou caixas acústicas, tanto faz), cada um (ou cada caixa) de 8 Ohms. Para obtermos a impedância equivalente (ou impedância final) do sistema, temos que fazer os cálculos. Há alguns passos a seguir:

3 - repare as linhas verticais de falantes. Há dois falantes seguidos, onde o negativo de um liga-se ao positivo de outro. Estamos diante de uma associação em série, onde as impedâncias serão somadas. Temos então: 8 Ohms + 8 Ohms = 16 Ohms. - agora, onde há os dois falantes em série, devemos "enxergar" apenas um único falante, de 16 Ohms. Observando agora na horizontal, podemos dizer que "existem" dois falantes de 16 Ohms em paralelo (note que os positivos estão interligados entre si, assim como os negativos), e então podemos aplicar a fórmula: Req = R/ n Req = 16 / 2 Req = 8 Ohms. O segredo é "usar a imaginação" e ir fazendo aos poucos. Fora isso, é conta de somar e dividir (às vezes tem que mexer com fração, mas não estamos na escola e podemos usar calculadoras à vontade). Outro exemplo, bem mais complicado: - se observarmos no sentido horizontal, existem dois conjuntos com 4 alto-falantes cada. Repare na forma de interligações entre eles: os positivos estão todos interligados. Os negativos também estão todos interligados. Estamos diante de uma associação em paralelo! Na fórmula: Req = R / n Req = 8 / 4 Req = 2 Ohms. Assim, cada conjunto horizontal de 4 falantes, interligados entre si em paralelo, tem impedância final de 2 Ohms por conjunto. Mas precisamos notar que são dois conjuntos de 4 falantes, interligados entre si. - se observamos no sentido vertical, existem dois conjuntos de 2 Ohms cada interligados entre si. Reparem como o negativo do primeiro conjunto é que vai alimentar o positivo do segundo conjunto de caixas. Ora, isso é uma ligação em série, então as impedâncias dos conjuntos devem ser somadas. 2 Ohms + 2 Ohms = 4 Ohms. Ao final, o amplificador (que só enxerga impedância resultante) recebe uma carga de 4 Ohms. Temos 8 alto-falantes (ou caixas acústicas) e 4 Ohms de impedância. Por outro lado, se cada conjunto de 4 falantes fosse ligado ao outro através de uma ligação em paralelo, teríamos 1 Ohm, que é um valor baixo demais para a grande maioria dos amplificadores, o que os

4 levariam a trabalhar fora das especificações da maioria dos amplificadores disponíveis no comércio (e com grande possibilidade de danos). Disso podemos tirar diversas conclusões importantíssimas: 1) A primeira (e mais óbvia) é que, através de diversas associações, podemos calcular a impedância resultante de forma que tenhamos o melhor aproveitamento da potência do amplificador (onde a impedância resultante do sistema de caixas seja próxima ou igual à impedância mínima do amplificador), permitindo assim um bom "casamento" de impedâncias. 2) Apesar de ser possível trabalhar com um número ímpar de falantes/caixas, o mais normal é trabalharmos com números pares, baseados em potências de 2 (2, 4, 8, 16, 32, etc). Isso facilita os cálculos, e as impedâncias finais serão sempre números inteiros. 3) Mesmo sistemas com grande número de falantes, como 32 ou 64, podem ser associados de forma a se ter um resultado compatível com 2, 4 ou 8 Ohms, os valores mais facilmente encontrados como impedância mínima de amplificadores. Ou seja, sabendo fazer estes cálculos, podemos montar o sistema de sonorização de um pequeno shopping, supermercado, loja, etc. 4) Nos exemplos citados acima, considerando todos os falantes de mesma impedância, a potência será dividida igualmente por todos os falantes (já que a corrente elétrica é a mesma e as impedâncias também). Ou seja, eles vão "falar" igual, terão o mesmo volume, o que é uma coisa sempre desejada. Note que isso não depende do tipo de associação, depende é da impedância de cada falante/caixa. 5) Por outro lado, se interligarmos falantes de impedâncias diferentes, como 4 Ohms e 8 Ohms, eles vão "falar" diferente. A corrente elétrica é constante, mas a impedância não. Teremos mais volume no falante com 4 Ohms que no falante de 8 Ohms. Apesar de às vezes querermos isso, quase sempre é algo indesejado. Um bom motivo para sempre trabalharmos com falantes e caixas acústicas iguais! 5) Em um local onde já existe um sistema de caixas, podemos descobrir qual a impedância final desse sistema medindo com um multímetro diretamente nos terminais que são ligados aos amplificadores. Não saberemos qual o tipo de ligação nem as impedâncias de cada caixa, mas o que mais nos importa é saber o quanto o amplificador "enxerga", que deve ser um valor igual ou maior que o mínimo suportado. Qual a melhor ligação: série ou em paralelo? Essa pergunta é importante. Teoricamente, não existe uma ligação melhor que a outra, já que ambas são úteis dependendo do caso. Entretanto, na prática, a ligação em paralelo é muito mais comum que a ligação em série. Por causa dos cabos! A maioria das caixas possui, no seu painel de conexão, duas ou mais entradas, e praticamente sempre em paralelo. Reparem:

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6 Através dessas conexões, podemos levar um único cabo do amplificador até a primeira caixa, e através de outro cabo interligamos a primeira caixa com a segunda. Isso é muito comum em sonorização ao vivo. Imaginem uma sonorização feita com duas caixas, ambas distantes do amplificador, a primeira a 15 metros de distância e a segunda a 30 metros. Para interligá-las, podemos ter 1 cabo de 15 metros (para a primeira caixa) e outro cabo de 30 metros (para a segunda caixa), fazendo a associação no amplificador. Por outro lado, podemos ter apenas dois cabos de 15 metros. Um cabo vai até a primeira caixa e o segundo cabo interliga a primeira caixa com a segunda, em paralelo (através da conexão existente na própria caixa). Economizamos cabos e tempo. Por outro lado, se usássemos uma ligação em série nessas caixas, teríamos que levar o condutor positivo do amplificador até a primeira caixa, dela sairia um condutor negativo que seria ligado no positivo da segunda caixa, e desta sairia um condutor negativo em direção ao amplificador. Uma solução bem mais complicada! Outra opção seria seguir com o cabo de 15m até a primeira caixa e com o cabo de 30 metros até a segunda caixa, deixando as ligações a serem feitas no amplificador (o positivo da primeira caixa no borne (+) do amplificador, o negativo da primeira caixa emendado com o positivo da segunda, o negativo da segunda caixa no borne (-) do amplificador). Isso faria com que o sinal percorresse 45 metros entre o negativo de uma caixa e o positivo da outra! Complicado, muito complicado... Assim, o mais comum de encontrarmos nos eventos é termos associações em paralelo, simples e rápidas. Associações em série são mais utilizadas em sistemas fixos, onde ninguém mexa. No caso

7 abaixo, por exemplo, seria facílimo implementar associação em série (caso necessário associar em série, claro), já que as caixas estão uma ao lado da outra e em local fixo. Há também um outro ponto importante a se considerar. Em uma associação em série, as ligações entre uma caixa e outra fazem parte do trajeto da energia. Se alguma dessas ligações for interrompida (malcontato, uma interrupção indevida, ou mesmo um falante que queima e pára de funcionar), todo o sistema de caixas pára de "falar". O caminho da energia elétrica foi interrompido, então não há mais energia passando pelo circuito.já imaginaram, em um evento com alguns milhares de pessoas, toda uma série de caixas de som parar de tocar porque alguém passou junto das caixas e tropeçou nos fios, soltando-os? Por outro lado, em um sistema em paralelo, se por algum motivo uma caixa parar, ainda existem outros caminhos por onde a energia poderá passar, e o sistema continuará tocando. Bem melhor, não? Inclusive, se uma caixa parar, a impedância que o amplificador "enxerga" subirá, o que não há problema (problema é ela descer abaixo do limite mínimo). Tal fato nos permite inclusive trocar uma caixa que não esteja funcionando sem ter que parar todo o sistema. Isso pode ser muito útil em determinadas situações. Já sonorizamos um evento em local aberto com cerca de 16 caixas, e ao detectar uma com problema no driver, foi só tirá-la do lugar e substituir por outra, tudo isso no decorrer normal do evento. Prática de Impedância em Caixas Ativas Muitas caixas ativas (caixa de som com um amplificador integrado) apresentam dois valores de potência, um para 8 Ohms e outro para 4 Ohms. São modelos que apresentam saída para alimentar uma caixa externa, passiva. Especificação de potência de uma caixa ativa Cicltron Titanium T-700A Isso acontece porque seu(s) amplificador(es) interno(s) tem impedância mínima de 4 Ohms, mas os

8 falantes instalados na caixa são de 8 Ohms. Dessa forma, o(s) amplificador(es) só atinge(m) a potência máxima quando a caixa ativa está interligada com uma passiva, com os falantes em paralelo, perfazendo 4 Ohms. Também já vimos o caso de uma única caixa ativa que alimenta outras 3 caixas passivas. Nada mais é que um amplificador de 2 Ohms de impedância mínima ligado a falantes de 8 Ohms. Quando o sistema está completo (4 caixas de 8 Ohms: Req = 8/4 = 2 Ohms), o amplificador consegue fornecer toda a sua potência. Por outro lado, se usarmos uma única caixa, o amplificador só fornecerá cerca de 1/4 da sua potência. Caixas ativas que não alimentam passivas em geral têm seus falantes com impedância adequada para extrair o máximo de potência do amplificador interno. Prática de Amplificadores e Impedâncias Primeiro, uma coisa que ainda não falamos. A impedância mínima é estabelecida por canal. Em um amplificador com 2 Ohms de impedância mínima, isso quer dizer que cada canal aceita no mínimo 2 Ohms, mas não há problema algum se em um dos canais colocarmos 4 Ohms e no outro 2 Ohms. Problema é ter algum dos canais com menos do que o mínimo. No projeto do amplificador, cada fabricante estabelece qual será a impedância mínima. No mercado profissional, a esmagadora maioria dos amplificadores suporta 4 Ohms (de pequeno a médio porte) ou 2 Ohms (de médio ou grande porte). Mas existem amplificadores específicos que tem impedância mínima de 8 Ohms, apesar de raros. Também existem alguns raros modelos que suportam 1 Ohm! Existe uma importância nisso. Considerando que as caixas mais comuns utilizadas em sonorização ao vivo são de 8 Ohms e que o tipo de ligação mais utilizada é a paralela, então temos: Impedância mínima do amplificador 8 Ohms 4 Ohms 2 Ohms 1 Ohm Quantidade de caixas por canal Repare: podemos ter de 2 a até 16 caixas (no total, considerando 2 canais por amplificador) em nosso sistema de sonorização. A escolha de um sistema ou outro dependerá do uso a que se destina. Exemplos: Os DJs que animam festas e eventos de pequeno porte, costumam usar 2 caixas full-range e dois subwoofers. Uma boa escolha de compra seria um único amplificador com 4 Ohms de impedância mínima: - um canal alimenta as duas caixas full-range em paralelo, totalizando 4 Ohms - um canal alimenta os dois subwoofers em paralelo, totalizando 4 Ohms. Ou seja, um único amplificador poderá dar conta de todo o evento (evidente que há outras considerações a fazer, como potência. Estamos simplificando). Mas se ele quiser usar mais caixas, além dessas 4, também precisará de outro amplificador para alimentá-las. Por outro lado, se as caixas forem de 4 Ohms em vez de 8, ele precisará de 2 amplificadores, pois só poderá usar uma única caixa por canal. Uma boa idéia para quem costuma sempre usar muitas caixas seria comprar um amplificador de 2 Ohms, que permite a ligação de até 8 caixas de 8 Ohms (4 caixas por canal). Mas seria uma péssima idéia ligar apenas uma caixa de 8 Ohms por canal, situação em que a potência do amplificador seria de cerca de 1/4

9 da sua capacidade máxima. Para quem sempre só usa 2 caixas com um amplificador, uma boa solução é comprar um amplificador de 4 Ohms e caixas full-range também de 4 Ohms. Nesta condição, terá o máximo de potência do amplificador, quase o dobro do que obteria se usasse caixas de 8 Ohms. Entretanto, não poderia adicionar nenhuma caixa a este sistema, a não ser que o faça em série. Já empresas de sonorização que fazem grandes eventos preferem comprar amplificadores de 2 Ohms ou mesmo 1 Ohm, já que na maioria das vezes utilizará uma grande quantidade de caixas. Fazendo isso, precisarão de uma menor quantidade de amplificadores para alimentar todas as caixas. Com isso, queremos demonstrar que a impedância deve ser levada em consideração sempre, de acordo com o uso que se terá para o sistema de sonorização. E isso ANTES DA COMPRA. O operador deve pensar antecipadamente na quantidade de caixas que serão necessárias para o local, e com isso pensar na melhor escolha de impedâncias, tanto das caixas quanto dos amplificadores, de forma a promover o melhor "casamento" possível. Mais de uma vez vi operadores decepcionados por terem comprado caros amplificadores de 2 Ohms muito potentes, mas que "não fala nada", ou "anêmico, nem parece que tem tantos mil Watts"! Na verdade, ao alimentar apenas 2 caixas de 8 Ohms, tais amplificadores não poderão nunca mostrar toda a sua potência. Projeto, potência e impedância Lá no artigo sobre teoria, comentamos que a potência de um amplificador segue uma relação de dobro/metade. Novamente: Potência = (80V) ² / 1 (Ohm) = 6400 / 1 = Watts Potência = (80V) ² / 2 (Ohms) = 6400 / 2 = Watts Potência = (80V) ² / 4 (Ohms) = 6400 / 4 = Watts Potência = (80V) ² / 8 (Ohms) = 6400 / 8 = 800 Watts Note que a cada dobra da impedância a potência cai pela metade. Em teoria correto, mas a prática não é bem assim. Dependendo do projeto, os fabricantes fazem produtos com mais ou menos potência nas outras impedâncias. Por exemplo: - amplificador X Potência total em 2 Ohms = Watts Potência total em 4 Ohms = Watts Potência total em 8 Ohms = Watts Note: se a teoria fosse seguida à risca, teríamos 3.000W em 2 Ohms, 1.500W em 4 Ohms e 750W em 8 Ohms. - amplificador Y Potência total em 2 Ohms = Watts Potência total em 4 Ohms = Watts Potência total em 8 Ohms = Watts Neste segundo amplificador, repare que, apesar da potência máxima ser idêntica a do amplificador anterior, o fabricante fez um projeto em que privilegia o uso em 4 Ohms ou mesmo em 8 Ohms. Se o operador de som sempre trabalhar com 8 caixas acústicas, poderá optar tanto por um quanto por outro. Se trabalhar principalmente com 2 ou 4 caixas e somente esporadicamente com 8 caixas, a opção pelo amplificador Y será mais vantajosa, já que neste projeto tais impedâncias tem melhor rendimento que no amplificador X. Impedância das caixas abaixo do mínimo especificado no amplificador O que acontece com o amplificador quando ele está conectado a um sistema de caixas cuja impedância é menor que o mínimo indicado pelo fabricante?

10 A princípio, nada! O amplificador continua funcionando, normalmente. Alguns bons projetos conseguem até indicar ao operador tal situação, através de algum indicativo luminoso (Overload ou algo parecido). Mas o amplificador funciona, em baixos volumes. O problema é quando o operador aumenta o volume. Vamos imaginar um aparelho cujas especificações sejam de 500Watts em 4 Ohms. Se colocarmos sobre ele uma carga de 2 Ohms, ele tentará fornecer algo próximo a 800 ou Watts. Só que o aparelho não é feito para isso, e esquentará demais. O fusível queimará por causa do excesso de corrente (se acontecer só isso, agradeça a Deus), e pode chegar até mesmo a queimar transistores e outros componentes eletrônicos. Também acontecerão distorções no som. Por operar além dos limites, a distorção harmônica gerada pelos próprios componentes poderá causar danos aos falantes, queimando-os. Claro que existem projetos e projetos, fabricantes e fabricantes. Se o aparelho for corretamente projetado, seu circuito de proteção irá desligá-lo ou limitar a potência de saída, protegendo-o. Caso contrário... Então é melhor não arriscar. NUNCA use falantes com impedâncias menores que os valores mínimos suportados pelo amplificador. E se seu amplificador constantemente queima fusíveis, verifique se a impedância do sistema está correta. Impedância e Conexões de Amplificador Não citamos, até agora, nada sobre conexões e conectores nos amplificadores. Entretanto, existem alguns tipos de conexões existentes nos amplificadores que merecem ser citados. Muitos amplificadores de baixa potência têm conectores de ligação para as caixas acústicas em plugues P10, como na foto abaixo: Repare que existem 2 conectores P10 em cada canal. Há até mesmo uma indicação de impedância mínima em cada um deles: 8 Ohms (o que não é exatamente certo). Este amplificador, um Ciclotron DBL, tem impedância mínima de 4 Ohms por canal, segundo o manual. Estes dois conectores estão internamente ligados em paralelo. Assim, podemos fazer o seguinte: ligar duas caixas de 8 Ohms por canal ou ligar uma única caixa de 4 Ohms por canal. Seria errado tentarmos ligar 2 caixas de 4 Ohms em cada canal (uma caixa por canal sim, duas por canal não), pois neste caso o amplificador trabalharia com 2 Ohms, o que é inadequado ao seu projeto. Existem amplificadores onde as ligações para caixas acústicas são feitas através de bornes, como abaixo:

11 Neste caso, o borne aceita conexão com o fio solto ou - muito melhor - conectores "banana". Neste caso, podemos implementar ligações através dos próprios conectores "banana". Por exemplo:

12 Como podemos ver na figura acima, temos positivo com positivo, negativo com negativo, ou seja, uma ligação em paralelo! Os próprios conectores "banana" já vem com esta previsão de serem encaixados uns nos outros. Bastante útil. É possível implementar ligação em série também, mas...

13 Mas confesso que não é algo muito bonito. Claro que, se isso realmente fosse necessário, os conectores positivo e negativo unidos teriam que ser devidamente isolados, para evitar encostar em outras partes e fechar curto-circuito.