REATIVOS E AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA
- SOBRE A INFLUÊNCIA DA CARGA NOS APLIFICADORES DE POTÊNCIA;
O objetivo do presente artigo é de esclarecer um assunto ainda bastante obscuro no meio
profissional. Felizmente temas como: fator de amortecimento, distorção, potência, entre outros, já são assuntos devidamente "esmiuçados".
No entanto, em pouco conhecimento permanece o fato de que os amplificadores interagem com as suas cargas e têm seu comportamento grandemente influenciado por elas. Uma destas formas de interação ocorre quando alimentamos impedâncias fortemente reativas, ou seja, justamente as cargas que todos nós utilizamos: os alto-falantes.
A iniciativa é motivada por um quadro preocupante: poucos amplificadores são bons nesse aspecto (conforme já citado e brevemente comentado pelo Prof. Homero Sette Silva em Backstage). Distorção harmônica, instabilidade e até queima do estágio de saída são comuns. O principal objetivo deste texto, é levar à compreensão básica do fenômeno através de uma explanação simples, não pretendendo ser definitiva ou completa; visa elucidar o leitor, profissional de áudio ou não, de modo que se tenha sempre em mente esse fato ao adquirir-se uma ferramenta tão básica como um amplificador
de potência. Todavia, para que se compreenda bem este assunto, convém começar do início e seguir passo a passo o caminho que leva até ele.
Uma primeira análise da amplificação - cargas resistivas A grande maioria dos amplificadores de potência modernos trabalham na configuração amplificador de tensão, isto é, produzem na saída uma tensão que é proporcional àquela aplicada em sua entrada e que representa o programa de áudio. Esta tensão de saída tem usualmente grandes amplitudes de modo a gerar uma corrente também de grande amplitude ao percorrer-se uma carga de valor ôhmico muito baixo, como alto-falantes por exemplo. Naturalmente, a impedância de saída de tais geradores (amps) deve ser bem mais baixa do que a impedância da carga, de outra maneira não seria possível gerar correntes de grandes amplitudes.
Considera-se, agora, um amplificador (fictício e que não se refere à nenhuma marca) recebendo um sinal senoidal e alimentando uma carga puramente resistiva[1], ou seja, que não possui reatância (que caracteriza um comportamento reativo). Neste caso especial a carga aproveita toda energia fornecida pelo gerador (dissipa potência por efeito Joule, ou seja, toda energia é transformada em calor).
Como resultado, a potência consumida por uma carga puramente resistiva é pulsante e sempre positiva, pois num mesmo instante a tensão e a corrente são positivas ou negativas (produto de 2 positivos ou 2 negativos = sempre positivo), lembrando que a carga está sendo percorrida por uma corrente alternada e senoidal.
A interpretação de potência positiva diz-nos que o receptor está consumindo a potência fornecida pela fonte. Potência sempre positiva significa portanto que a carga comporta-se sempre como um receptor, consumindo a potência fornecida pela fonte (amplificador), que por sua vez, comporta-se sempre como um gerador.
Neste caso, como já foi visto, 100% da energia fornecida à carga é convertida em calor por efeito Joule. Essa situação é extremamente confortável para o amplificador, visto que ele não toma conhecimento da carga, exceto pelo fato de estar fornecendo energia; contudo pode-se dizer que nesse caso não há interação com a carga, o desempenho do amplificador fica sendo apenas função dele próprio, importando muito pouco pois, a carga.
OS ALTO - FALANTES
Mas afinal não se utilizam amplificadores de potência para alimentar resistores, mas sim para alimentar alto-falantes. É justamente neste momento que o processo torna-se mais complicado. Os alto-falantes modernos são componentes eletrodinâmicos que, conforme demostrou Neville Thiele, têm um comportamento idêntico (do ponto de vista elétrico) ao de um circuito ressonante paralelo do tipo RLC [2], que pode ser visto na figura 2.
O trabalho de Thiele, intitulado "Loudspeakers in Vented Boxes" posteriormente ampliado por Richard Small em sua tese de doutorado, constitui atualmente o principal pilar em que se apoiam as técnicas de análise de alto-falantes e caixas acústicas, conhecido como Teoria de Thiele-Small.
Aqui no circuito equivalente pode-se divisar dois lados envolvidos, o do amplificador representado por Eg e pela sua resistência interna Rg (que é responsável pelo valor do fator de amortecimento do amplificador) e o lado do alto-falante em que se encontra RE representando a resistência do fio que constitui a bobina móvel e Le que representa a indutância dessa mesma bobina.
Na seqüência deparamo-nos com as quantidades Res, Lces e Cmes que são as características mecânicas do alto-falante (resistência mecânica, compliância e massa móvel). Esses parâmetros mecânicos estão, pelo conceito da dualidade, refletidos no seu circuito equivalente elétrico, podendo ser assim analisados de maneira mais fácil.
CIRCUITOS REATIVOS – DEFINIÇÃO E ANÁLISE DA POTÊNCIA
Define-se como reativo qualquer circuito que apresente capacitância ou indutância, ou ainda ambos os efeitos combinados.
Capacitância é a propriedade apresentada pelos capacitores. Estes, por sua vez, são dispositivos que armazenam energia na forma de um campo elétrico. Analogamente, indutância é a propriedade dos indutores que também armazenam energia, porém na forma de um campo eletromagnético.
Ao contrário dos resistores, nos capacitores (e nos indutores) ocorre uma defasagem ou atraso entre as ondas de corrente e tensão. Se for aplicado um certo valor de tensão em corrente contínua, observar-se-á que o capacitor leva um certo tempo para carregar-se e atingir o máximo valor da tensão entre seus terminais.
Lembre-se que variando a freqüência varia junto o tempo necessário para que ela complete um determinado ciclo. Usando a notação de freqüência angular um período sempre terá 360º, meio período 180º, etc, independente da freqüência que tiver o sinal senoidal, simplificando bastante as coisas.
Agora, assim como foi feito para um circuito resistivo, analisa-se a potência num circuito capacitivo. O amplificador, que recebe um sinal senoidal, alimenta uma carga puramente capacitiva (que pode ser um simples capacitor). Através da expressão p(t)=v(t)×i(t) pode-se levantar ponto a ponto o gráfico da potência instantânea na carga, ficando como mostra a figura 4.
OS ALTO – FALANTES COMO COPONENTES RATIVOS E IMPEDÂNCIA COMPLEXA
Referindo-se novamente ao gráfico da curva de impedância e de fase de um alto-falante ao ar livre (fig 5), concentremo-nos na curva de fase que ao assumir ângulos negativos até -90º, denotará comportamento capacitivo, sendo puramente capacitivo se o ângulo for exatamente -90º (analogamente será indutivo para ângulos positivos).
Vê-se no gráfico que o ângulo assume vários valores não chegando, porém à exatamente -90º (ou +90º). Isso revela a existência de uma parte resistiva, ou matematicamente, parte real, responsável pela geração da potência ativa, que dissipa energia.
A parte reativa, que em matemática chama-se imaginária (tal nomenclatura é utilizada na especialidade matemática que trata dos chamados números complexos), é a responsável pela geração da potência reativa e não aproveita nenhuma energia fornecida pelo gerador, ou seja, não dissipa potência, mas apenas troca energia com o gerador.
Essa é uma das maneiras de definir-se impedância, que por sua vez, é um número complexo. Este possui uma quantidade real que representa uma resistência e uma quantidade imaginária, representando esta, uma reatância. A soma vetorial das duas partes do número complexo é conhecida como módulo da impedância.
Tipicamente em alto-falantes o módulo da impedância vale 4 ou 8 Ohms, para freqüências próximas da segunda freqüência de ressonância. Como conclusão, o alto-falante na maior parte das freqüências é reativo, ou seja, existe impedância complexa (ângulo de fase diferente de zero), havendo portanto potência ativa e reativa coexistindo.
Já foi demostrado que potência ativa dissipa energia, mas potência reativa somente a troca com o gerador. Assim sendo, o falante aproveita apenas uma parcela da energia fornecida pelo gerador, pois somente a parte resistiva da carga dissipa potência. Pode-se concluir que quanto mais a curva afasta-se do eixo zero, mais reativo será o alto-falante e mais energia será trocada com o gerador, em detrimento de uma cada vez menor parcela resistiva, que eficazmente aproveita potência.
Esta é a chave para a compreensão deste artigo. Se como carga usar-se alto-falantes, sempre haverá uma parte dela trocando energia com o amplificador, exceto apenas nas freqüências de ressonância em que o comportamento é puramente resistivo
E COMO FICAM OS AMPLIFICADORRES
Exige-se portanto que o amplificador lide com essa troca de energia (não há como evitar) que, por sua vez, representa um esforço bem maior do que simplesmente fornecer potência, havendo a necessidade de absorver-se a energia da descarga do circuito reativo, que é a carga. É possível agora, analisar o que pode acontecer ao sinal de áudio e ao próprio amplificador.
· DISTORÇÃO
Os estágios de saída dos amps de grande potência quase sempre operam em push-pull e em simetria complementar (ou quase complementar em alguns circuitos), ou seja, existem dois "braços" ou "lados", cada um contribuindo com um semiciclo da onda de corrente e de maneira alternada (estágios classe B e AB), de modo a refazer o sinal de áudio na saída (figura 6). Se o circuito não tiver um projeto bem elaborado, o esforço adicional provocado pela absorção de energia que retorna da carga fará com que o sinal não seja coerentemente amplificado e a onda de saída não mais corresponderá à onda de entrada, pois apresentará distorção.
Os tipos de alterações geradas no áudio pelo amp mal projetado e/ou dimensionado que opere nessa condição, são difíceis de prever-se e muito sujeito às condições do uso/teste e da topologia do circuito, porém a presença de distorção harmônica deve ser considerada.
Pode-se verificar também que a alta impedância de saída (ou baixo fator de amortecimento) de alguns amps dificulta o desvio das ondas de descarga para um terra ac (+Vcc e -Vcc). A resistência interna alta faz com que a onda de descarga permaneça na saída do amplificador, sobrepondo-se à onda original e gerando "coloração" ou distorção.
Na figura 6, pode-se ver um exemplo simples de estágio de saída em classe B, e o desenvolvimento das tensões e correntes (apenas para ac). A incapacidade de lidar com o esforço (troca de energia) pode levar o amplificador a um estado de total incoerência de funcionamento. Oscilação é possível, bem como a queima do estágio de saída
· SUBDIMENSIONAMENTO
No caso da queima a causa pode ser simplesmente fadiga excessiva quando a etapa de saída atinge seus limites operacionais. Observe que essa situação de limites poderia ser alcançada com uma simples carga resistiva, bastando que para isso o amplificador fosse muito exigido ou que o valor ôhmico fosse muito baixo. Porém, a carga fortemente reativa fará com que essa extrema fadiga ocorra com muito mais facilidade, obtendo como resultado (muito provável) a possibilidade de queima do estágio de saída.
Esse quadro é comum em amps que foram dimensionados a partir de uma carga resistiva. Como foi visto, existe uma enorme diferença entre uma carga resistiva de 2 ohms e outra reativa, também com 2 ohms. No caso da primeira o gerador apenas fornece potência, sendo submetido a um certo esforço, porém no caso da segunda existe, além desse esforço, outro adicional a que o estágio de saída terá que se submeter para dissipar a energia devolvida pela carga reativa, consequentemente a etapa aquecerá mais e exigirá um dimensionamento mais avantajado e cuidadoso.
Deve-se considerar também que em cargas resistivas o valor ôhmico (no exemplo 2W) é fixo, o que não acontece com cargas reativas (como alto-falantes), nesse caso, o módulo da impedância varia com a freqüência (consultar a fig. 5), podendo atingir valores bem inferiores a 2W. Normalmente dimensiona-se um amp a partir de uma carga resistiva sem levar em consideração que falantes e caixas acústicas são extremamente reativos; o estágio fica assim subdimensionado e corre sério risco de queima; para o usuário esse seria um fato inexplicável, já que seu amp "queimou-se sozinho" sem nenhuma falha no seu sistema de caixas e talvez até em volume baixo ou mediano.
Lembre-se que somente a potência ativa gera trabalho aproveitável (som), porém a potência reativa existe e exige esforço do amplificador para dissipá-la.
· OSCILAÇÃO
Outro problema muito encontrado em amps de marcas não idôneas, é a oscilação. Novamente aqui o efeito é muito mais pronunciado em cargas reativas, devendo-se considerar a importância de serem feitos testes com esse tipo de carga no trabalho de desenvolvimento de um amplificador. Amps que em cargas resistivas não oscilam, podem perfeitamente oscilar em cargas fortemente reativas e provavelmente queimarão o estágio de saída (o que foi confirmado em testes).
· UMA ANÁLISE MAIS PROFUNDA
Quando um amplificador oscila ocorre uma sucessão de fatos que levam à destruição do estágio de saída. Embora não estejam ainda fundamentadas em sua totalidade, pode-se fazer algumas suposições bastante seguras do que afinal de contas acontece.
Uma teoria cativante sugere que a queima ocorre devido a um efeito conhecido como avalanche térmica, sugestão esta feita pelo Eng. Rosalfonso Bortoni. Para a justificativa, supõe-se um estágio de saída composto por apenas um par de transistores de potência operando em push-pull, sendo o exemplo válido também para estágios que contenham qualquer número de transistores, visto que são geralmente ligados em série e/ou paralelo.
O que acontece então é o seguinte: Quando o circuito oscila, a pastilha semicondutora dos transistores de saída aquece provocando um aumento da corrente de coletor IC, que deveria depender somente da tensão VBE (tensão entre base e emissor ou tensão de polarização). Quando a tensão VBE sobe, a corrente IC também sobe em resposta (e de maneira muito mais pronunciada pois: IC = corrente de base × ganho do transistor). Com o aumento da temperatura, diminui a VBE requerida ou seja, a polarização que seria necessária e IC será bem maior do que antes, o que aquecerá ainda mais o transistor.
Tipicamente, num estágio de saída classe B ou AB, um aumento de 30ºC na temperatura se não for compensado, será acompanhado de um aumento na corrente de coletor por um fator de 10! Com o transistor ainda mais quente IC será ainda maior quando ele for à região ativa o que novamente elevará sua temperatura. Este ciclo realimentado progredirá até que o transistor atinja sua máxima corrente de coletor admissível, e então finalmente será destruído (entrará em curto).
Observe que tal processo leva apenas alguns poucos segundos para acontecer. É interessante notar que os circuitos de compensação térmica presente em todos os amplificadores push-pull de grande potência classes B, AB, G e H não são suficientemente rápidos para realizar a compensação e assim evitar a queima. A causa é devido principalmente ao fato de serem as trocas de calor processos físicos essencialmente lentos. Esse fato perde importância em estágios de saída que empreguem tecnologia E-MOSFET, graças ao seu coeficiente negativo de temperatura.
