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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. Deem 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 1mm2.

Ora, 100m deste condutor de 1mm2 têm uma resistência de 3,35Ω (resistência total do condutor, RCOND). Então podemos calcular as perdas (perdas totais no condutor, PCOND), ou seja, a potência que será perdida no fio ao longo de todo o caminho, através da fórmula:

Fazendo as contas, obtemos PCOND (perdas no fio) = 2W

Vejam que estaríamos jogando fora 2W de 10W... 20% da energia 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/3,35Ω = 2,4

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 (2,4) 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 problema, 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 ideia é aumentar a tensão, diminuindo proporcionalmente a corrente, que por sua vez fará diminuir as perdas. Ora, se o que pretendemos "entregar" é 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 2W, seriam reduzidas para:

PCOND (perdas) = 0,07W30 vezes menos!

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

FA = ZAF / (ZAMP + RCOND) = 500Ω/3,35Ω = 149

NOTA: Ainda que os cálculos não sejam simples, por hora quero apenas mostrar como a “instalação em linha” resolve, de forma simples e elegante, o problema do cabeamento de longa distância. No final do artigo existe um link para fazer o dimensionamento de forma muito simples.

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 elevador ficou conhecido no Brasil 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 ideia 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-ELEVADOR

Importante notar que o “transformador-elevador”, 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 (no Brasil 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 modernos 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-elevador)

Reforçando que, embora o transformador-elevador não seja mais normalmente necessário, os transformadores de linha (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 aparente menor custo, mas também na tradição. As linhas de 70,7V se popularizaram nos EUA e também por aqui por não necessitarem de cuidados especiais com a instalação dos condutores. Em tensões maiores que 100Vrms, as normas elétricas, como a brasileira NBR5410, exigem o uso de conduítes, eletrodutos, separação e outros cuidados com a isolação. Em outras palavras, os mesmos cuidados reservados às instalações comuns de 127V ou 220Vac.

Por outro lado, em linhas de tensões mais altas, como 100V ou 141,4V, torna-se possível utilizar condutores mais finos e mesmo considerando um gasto maior com os cuidados necessários, o custo destas linhas acaba sendo compensador, principalmente se as distâncias e/ou as potências forem grandes.

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 141,4V dispomos de transformadores de linha de 4 potências diferentes, 5, 10, 15 e 25W. Vamos então distribuir os alto-falantes e a potência de acordo com as necessidades 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 tudo para obter a potência necessária de amplificador.

Por exemplo. Digamos que esta linha consista de:

  • 8 alto-falantes com transformadores de 25W para o setor-1
  • 10 alto-falantes com transformadores de 15W para o setor-2
  • 20 alto-falantes com transformadores de 10W para o setor-3
  • 10 alto-falantes com transformadores de 5W para o setor-4

Somando tudo você obterá 600W de potência total – basta então selecionar um amplificador de 600W @ 141,4V como o NA2350/70 e pronto!

NOTA: não é necessário “chegar” a potência máxima do amplificador... Você poderia usar menos pontos, sem nenhum problema... Mas não se pode ultrapassar a potência máxima!

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 em uma linha de 141,4V com conjunto alto-falante/transformador de 10W, resulta em uma impedância ZR = 2000Ω. Em outras palavras, a impedância do alto-falante, originalmente de 8Ω, foi "refletida" para 2000Ω, através do transformador de linha.

O QUE SÃO “TAPES DE POTÊNCIA”?

Alguns transformadores de linha permitem escolher quanta potência irão retirar da linha. São os “tapes de potência” ou “tapes de loudness”. 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 assim utilizar um único tipo de transformador em toda a instalação. 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 condicionada a três fatores principais:

  • A tensão de linha que escolher (70,7V, 100V, 141,4V... etc). Quanto mais alta a tensão, mais fina poderá ser a bitola do cabo;
  • O comprimento no ponto mais distante. Quanto mais longa for a linha, mas grossa deverá ser a bitola;
  • A potência total a ser transportada pela linha.

Se a instalação demandar distâncias realmente longas, ou muita potência, é melhor pensar em tensões mais altas já logo de partida, tal como 141,4V, que é o amp stereo de 70,7V operando 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 não é realmente uma tarefa trivial. Para dimensionar a bitola do cabo utilize o nosso suporte personalizado clicando no link abaixo:

consulte a bitola do cabo de linha

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Marcelo Barros é físico com mestrado em conversão de potência. Recebeu seus B.Sci e M.Sci pela Universidade Federal de São Carlos, importante centro de pesquisas no interior de São Paulo. Apesar de jovem, pode ser considerado um veterano, pois atua na indústria desde 1992. Desenvolveu projetos em quase todas as áreas do áudio profissional, assinando o projeto de alguns produtos hoje considerados marcos da indústria, como o primeiro pré-amplificador de microfone valvular nacional tido do mesmo nível dos clássicos. A partir de 2005 especializou-se em amplificadores e fontes chaveadas e liderou o projeto do primeiro amplificador digital profissional produzido em série no Brasil. É coordenador do Grupo de Trabalho de Amplificadores da Comissão de Estudo CB003/CE003-100-001 da ABNT, que elabora a Norma Brasileira de Amplificadores e o CEO de tecnologia da Next Pro.