Entendendo a Instalação em “Linha de Tensão Constante”

A instalação “em linha de tensão constante” é uma prática antiga. Começou nos EUA no final dos anos 1920, tornando-se uma Norma Americana em 1949. Sonorizações com arandelas no teto ou com pequenas caixas distribuídas pelas paredes de um amplo ambiente (ou mesmo em vários ambientes) como ocorre em lojas de departamentos, supermercados, restaurantes, aeroportos, etc., são exemplos de som distribuído.

A necessidade de se ter longos cabos interligando os alto-falantes e o amplificador exigiu técnicas diferentes da normalmente usada, onde ligamos os alto-falantes diretamente aos amplificadores - e sempre que fazemos desta forma, ficamos preocupados com o comprimento do cabo, que terá que ser muito curto para não provocar perdas significativas de potência e de qualidade sonora.

Já os sistemas distribuídos exigem cabeamento que pode superar meio quilômetro de comprimento! Se encarássemos uma tarefa destas pelo método convencional, inevitavelmente acabaríamos esbarrando na necessidade de fios de espessura impraticável para interligar todo o sistema de caixas...

Então como fazer esta instalação de uma forma mais inteligente?

A solução veio do entendimento do conceito das linhas de distribuição de energia. Sim, o método usado para trazer energia elétrica das usinas geradoras até as cidades e depois até as nossas casas, atravessando centenas ou milhares de quilômetros, forneceu uma elegante solução para este problema. Tudo deriva da compreensão de o que se pretende entregar é potência (ou energia), e não tensão!

Vamos analisar o cerne do problema através de um exemplo simples. Dêem uma boa olhada na figura abaixo.

Figura 1 – a instalação pelo método convencional de baixas impedâncias

Neste exemplo precisamos levar 10W (PAMP) de som de um amplificador até um alto-falante de 8Ω (ZAF). Mas ele está a 50m de distância do amplificador. Então teremos 100m de condutor (ida + volta), que poderia ser, digamos, um cabo de espessura 1,5mm2.

Ora, 100m deste condutor de 1,5mm2 têm uma resistência de 2,1Ω (resistência total do condutor, RCOND). Então podemos calcular as perdas (perdas totais no condutor, PD), ou seja, a potência que será perdida no fio ao longo de todo o caminho, através da fórmula:

PD (perdas no fio) = (PAMP / ZAF ) × RCOND = (10W/8Ω) × 2,1Ω = 2,6W

Vejam que estaríamos jogando fora 2,6 de 10W... São 26% da energia que irá dissipar na forma de calor, ao longo dos 100m de fio.

Definitivamente esta não é uma boa solução!

Além disso, a qualidade sonora será afetada. O critério de Thielle nos diz que devemos garantir um fator de amortecimento de, no mínimo, igual a 20 no alto-falante, para não degradar a qualidade do som. E neste exemplo, o fator de amortecimento visto por este alto-falante de 8Ω será de:

FA = ZAF /(ZAMP + RCOND) = 8Ω/2,1Ω = 3,8

NOTA: nesta conta não somamos a impedância de saída do amplificador ZAMP com a resistência do fio RCOND, que seria o correto, pois ZAMP é tão menor que RCOND que não faria nenhuma diferença no resultado!

Este fator de amortecimento muito baixo (3,8) certamente resultaria em um som muito ruim, com graves e médio-graves “embolados” e sem definição.

Então este é problema que se apresenta: muitas perdas de potência (desperdício) e um baixo fator de amortecimento no alto-falante (som ruim).

COMO RESOLVER?

Para resolver este problemão, bem cedo se percebeu que um elegante “truque” aplicado pelos engenheiros eletricistas às redes de distribuição de energia elétrica poderia facilmente dar conta do recado. A idéia é aumentar a tensão, diminuindo proporcionalmente a corrente, que por sua vez fará diminuir as perdas. Ora, se o que pretendemos "entregar" é a potência, e potência é tensão vezes corrente (P = V × I), então podemos manipular a tensão para obter correntes mais baixas, tanto quanto quisermos.

Lembrando que as perdas no condutor valem I2× RCOND então, se dobrarmos a tensão, por exemplo, reduziremos a corrente pela metade, e as perdas em quatro vezes!

Vamos voltar ao nosso exemplo: se fizéssemos o mesmo serviço, mas agora em “linha de 70,7V”, o esquema ficaria assim:

Figura 2 – a instalação em linha de tensão constante

E as perdas, que antes eram de 2,6W, seriam reduzidas para:

PD (perdas) = (10W/500Ω) × 2,1Ω = 0,04W62 vezes menos!

E o critério de Thielle, de um fator de amortecimento mínimo de 20, seria facilmente satisfeito, vejam:

FA = ZAF / (ZAMP + RCOND) = 500Ω/2,1Ω = 238

NOTA: posteriormente irei fornecer uma planilha para fazer os cálculos necessários de forma rápida e precisa... Por ora, quero apenas mostrar como a “instalação em linha” resolve, de forma simples e elegante, o problema do cabeamento de longa distância.

Na distribuição de energia elétrica o “truque” é feito convertendo-se, através de transformadores, a tensão extraída dos geradores em valores extremamente altos (345.000V) que em seguida são entregues à linha de transmissão, percorrendo centenas ou mesmo milhares de quilômetros. No destino (as subestações de energia) estas tensões altíssimas são convertidas para um valor intermediário (13.800V) e entregues as redes de distribuição urbanas. Somente bem perto de nossas casas ela é finalmente convertida em 127 ou 220V, pelos transformadores que vemos nos postes. Vejam que estes transformadores servem a poucas quadras, distribuindo energia em um raio de poucas dezenas de metros de distância.

Na instalação em linha ocorre basicamente isso... Conectamos a saída do amplificador a um transformador para elevar a tensão de saída. Este transformador ficou conhecido pelo nome de “transformador-tronco”. E agora no “destino”, esta tensão aumentada precisa ser reconvertida para o valor original, para poder alimentar um alto-falante convencional. Este transformador, que é sempre individual para cada alto-falante e instalado bem junto deste, ficou conhecido pelo nome de “transformador de linha”. Este esquema, mostrado na figura abaixo, é o que então se convencionou chamar de “distribuição em linha de tensão-constante”.

Figura 3 – som distribuído em linha de tensão constante

MAS O QUE É “CONSTANTE” AFINAL?

O termo “tensão constante” é bastante enganador e costuma causar muita confusão! É óbvio que a tensão na saída de um amplificador tocando música jamais será constante...  Claro que não é! Estamos tocando música e variando continuamente a tensão na sua saída... Então por que usar este termo?

Em teoria eletrônica existem dois tipos de fontes de energia de propriedades opostas: as fontes de corrente constante e as fontes de tensão constante. A fonte de corrente constante fornece uma quantidade fixa de corrente, independentemente da carga - então a tensão varia, mas a corrente não, esta permanece fixa. A fonte de tensão constante é exatamente o oposto: a tensão permanece constante, independentemente da carga - e é a corrente de saída que varia agora.

Quando aplicamos a idéia de fonte de tensão constante a sistemas de som distribuídos, o termo “constante” é usado para descrever o sistema somente na sua potência máxima. Este é o ponto chave da compreensão!

Na potência máxima, a tensão “na linha” é constante e não varia em função do número de alto-falantes conectados. Isto é: você pode adicionar ou remover (sujeito, claro, aos limites do amplificador) alto-falantes à vontade e a tensão na linha permanecerá sempre a mesma.

Ficou claro?

A outra coisa que é constante é a tensão de saída dos diversos modelos de amplificadores na sua potência nominal - que é a mesma para todas as classificações de potência. Se tomarmos como exemplo o padrão de 70,7V isso implica que todos os modelos de amplificadores deste valor de linha, não importando a sua potência, emitem 70,7V em sua respectiva potência máxima! Em outras palavras: seja de 10, 100, 500 ou 1 milhão de Watts, a tensão de saída em sua respectiva potência máxima será 70,7V.

Os valores de linha mais comuns são 25V, 70,7V, 100V, 141,4V (que é o 70,7V em “bridge”) e 210V. E não esquecer que esses valores sempre são dados em tensão eficaz, ou seja, sempre em Volts RMS.

AMPLIFICADORES DE LINHA SEM TRANSFORMADOR-TRONCO

Importante notar que o “transformador-tronco”, concebido para converter um amplificador convencional em “amplificador de linha”, não é obrigatório. Vamos lembrar que tudo começou na década de 1920, sendo que nesta época a única maneira de se construir um amplificador de linha viável era justamente converter um amplificador convencional através de um transformador elevador de tensões (que ficou conhecido como transformador-tronco).

Décadas depois, com o advento de transistores de alta potência e tensão, foi possível construir amplificadores com tensões de saída tão elevadas quanto 70,7 ou 100V diretamente, ou seja, sem a necessidade de um transformador “elevador” ligado à sua saída. Estes amplificadores ficaram conhecidos como direct-drivers ou de “acoplamento direto”. São exemplos de amplificadores deste tipo os Next Pro NA2350/70 e NA2650/70, da Série Nano.

Figura 4 – som distribuído em linha de tensão constante, com amplificador de acoplamento direto (sem transformador-tronco)

Reforçando que, embora o transformador-tronco não seja mais normalmente necessário, os transformadores de linha (os que ficam junto a cada alto-falante) ainda são absolutamente necessários.

POR QUE AS LINHAS DE 70,7V SÃO AS MAIS COMUNS?

A resposta está no custo. Dos amplificadores e principalmente no custo da “linha” em si. Por força das normas elétricas, como a brasileira NBR 5410, as instalações com tensões de 70,7V não necessitam dos cuidados típicos que são obrigatórios em tensões mais altas. Estes cuidados incluem condutores de isolação específica, bem como o uso de conduítes ou eletrodutos. Em outras palavras, os mesmos cuidados reservados às instalações prediais de 127 ou 220Vac deverão ser observados nas linhas de 100, 141,4 e 210V.

POR QUE NOS SISTEMAS EM LINHA RARAMENTE NOS PREOCUPAMOS COM AS IMPEDÂNCIAS?

O conceito de tensão constante permite que os amplificadores e os alto-falantes apenas precisem ser classificados pela potência. Então podemos deixar os cálculos com impedâncias de lado e simplesmente somar as potências dos alto-falantes até, no máximo, igualar a potência do amplificador utilizado, e só.

Vamos ver um exemplo.

Para determinada instalação em linha de 70,7V dispomos de alto-falantes equipados com transformadores de linha com 3 “tapes” de potência. Estes “tapes” são de 10, 25 e de 50W. Vamos então distribuir os alto-falantes e a potência de acordo com a necessidade de cada setor.

O problema se resume então a uma mera questão de selecionar a potência que atingirá o SPL necessário a cada setor e em seguida, somar todas as potências selecionadas para obter a potência necessária de amplificador nesta linha.

Por exemplo. Digamos que esta linha consista de:

  • 10 alto-falantes no tape de 25W para o setor-1
  • 5 alto-falantes no tape de 50W para o setor-2
  • 15 alto-falantes no tape de 10W para o setor-3

Somando tudo você obterá 650W de potência total nesta linha – basta então selecionar um amplificador de 650W/canal @ 70,7V, como o NA2650/70 e pronto!

NOTA: não é necessário “chegar” a potência máxima do amplificador... Você poderia usar menos alto-falantes, ou selecionar “tapes mais baixos”, sem nenhum problema... Mas não se pode ultrapassar a potência máxima!

Vejam que, se o amplificador em questão fosse o NA2650/70, ainda teríamos o outro canal para fazer mais uma linha, que poderia ser igual à primeira ou não, não importa! Vejam como tudo ficou muito simples... Nem chegamos a falar em impedâncias!

Porém, se quisermos calcular a impedância (ou carga) que um alto-falante ou arandela fará "na linha", depois de acoplado ao seu respectivo transformador de linha (veja a figura 5), ou seja, a sua "impedância refletida", basta aplicar a fórmula:

Z= VL2 / PTRAFO

 

Figura 5 - a impedância do alto-falante "refletida" pelo transformador de linha

Aplicando para o caso do exemplo que demos no início, ou seja, linha de 70,7V com conjunto alto-falante/transformador de 10W, resultaria em uma impedância ZR = 500Ω. Em outras palavras, a impedância do alto-falante, originalmente de 8Ω, foi "refletida" para 500Ω, através do transformador de linha.

O QUE SÃO “TAPES DE POTÊNCIA”?

Alguns transformadores de linha mais sofisticados permitem escolher quanta potência irão retirar da linha. São os “tapes de potência” ou “tapes de loudness”. Estes transformadores geralmente possuem 3 tapes, por exemplo 5, 10 e 15W. Na figura 6 vemos uma arandela equipada com um transformador deste tipo, com tapes de 6, 12 e 24W. A vantagem óbvia é poder retirar da linha a quantidade de potência realmente necessária para determinado setor, “poupando” potência para os setores mais exigentes, e ainda assim utilizar um único tipo de transformador de linha. Por este motivo, estes tapes são às vezes chamados de “tapes de volume” (loudness). Eles podem até mesmo serem comutados por chave externa, funcionando de fato como um controle de volume.

Figura 6 – uma arandela para uso em linhas de 100V, com tapes de potência de 6, 12 e 24W

E COMO DIMENSIONAR A BITOLA DA FIAÇÃO DA LINHA?

A bitola necessária para a linha está relacionada a dois fatores principais:

  • Da tensão de linha que escolher (70,7V, 100V... etc). Quanto mais alta a tensão escolhida, mais fina poderá ser a bitola;
  • Do comprimento no ponto mais distante. Quanto mais longa for a linha, mas grossa deverá ser a bitola.

Se a instalação demandar distâncias realmente longas, é melhor pensar em tensões maiores já logo de partida, tal como 100 ou mesmo 141V (que é o amp stereo de 70,7V colocado em “bridge”). A partir daí calcula-se as perdas e testa-se pelo critério de Thielle - para cada bitola de cabo considerada.

Porém, a execução destes cálculos realmente não é trivial. Para facilitar o dimensionamento irei em breve disponibilizar uma planilha, que tornará este trabalho algo fácil, rápido e preciso.

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