CURSO DE SOM AUTOMOTIVO – AULA 12

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.


MAIS UM PROBLEMA

Um outro problema que aparentemente acompanha amps mal projetados e/ou dimensionados é o da condução simultânea, que pode surgir quando o circuito atinge os limites impostos pelo projeto e/ou pelos componentes. Mais uma vez, considera-se que amps mal projetados e/ou dimensionados sempre terão esses limites drasticamente reduzidos, pois num projeto de alto nível procura-se atingir o máximo desempenho da configuração adotada e dos componentes utilizados, o que naturalmente não ocorreria em um trabalho com menor respaldo técnico.
Convém lembrar que as cargas reativas sempre farão qualquer amp atingir seus limites antes das cargas resistivas. Para entender o que acontece, antes de mais nada é preciso saber que sendo o estágio de saída push-pull, operando em classe B, AB, G ou H, os transistores entram na região ativa um de cada vez (pelo menos considerando a maior parte do tempo). Em outras palavras, quando um está na região ativa o outro está na região do corte.
Engenheiros e técnicos podem enxergar de outra maneira: essencialmente os dois transistores têm o seu ponto Q (quiescente ou de operação) posicionado no extremo inferior da reta de carga ac, em VCE corte. Estágios classe AB posicionam o ponto Q um pouco acima de VCE corte , mas o funcionamento é semelhante. A tensão ac (sinal de áudio) aplicada às bases desloca o ponto Q para cima da reta de carga ac, porém, quando um deles é deslocado o outro permanece firme, próximo à VCE corte.
A condução simultânea é um fenômeno que surge principalmente pela falta de velocidade do circuito em processar sinais de freqüência muito alta (acima de 20kHz), ou seja, há uma dificuldade do circuito em fazer a transição entre um estado e outro (quanto mais rápido, mais difícil). Essa dificuldade, em primeira análise, introduz distorções do tipo de “crossover”. Mas se a freqüência do sinal for realmente alta o circuito poderá “confundir-se”, por assim dizer e permitir que os dois transistores conduzam corrente (IC > ICQ) ao mesmo tempo, ou ainda que o ponto Q dos dois transistores posicionem-se bem acima de VCE corte num mesmo instante, podendo ser ambos destruídos caso IC seja suficientemente alta.
É interessante notar que isso pode acontecer até sem carga alguma, mas há razões sutis para crer que em situação de fadiga a ocorrência seja bem maior, possivelmente até diminuindo o valor da freqüência necessária para que o circuito “confunda-se”. Novamente, considera-se neste artigo que a carga reativa fará com que qualquer estágio de saída seja muito mais exigido. Para a justificativa dessa hipótese é considerado apenas um par de transistores de saída.
No entanto, convém lembrar que a explanação visa justificar fatos observados em testes de laboratório. A explicação a ser dada é a seguinte: Com o transistor no corte, seu VCE (tensão entre coletor e emissor) é o próprio valor da fonte. Considera-se como exemplo Vcc=100Vdc. Ao encontrar o semiciclo positivo da onda de tensão de descarga do circuito reativo (que é a carga) o emissor “enxerga” um potencial que varia desde zero até +100V, e para isso, supõe-se que a onda tenha um valor de 200Vpp, o que é comum em alta potência. O VCE assim seria no máximo o valor da própria fonte que é Vcc=100V (100V-0V) e no mínimo de 0V (100V-100V). Mas no semiciclo negativo da descarga a situação inverter-se-ia. O emissor veria no máximo 0V e no mínimo -100V e como 100-(-100)=200, o VCE teria o valor de 200V por um breve instante, perigosamente perto da região de ruptura, onde o funcionamento do transistor não é mais normal.

Ex: o VCE máximo dos transistores 2SC3281/2SA1302 = 200V. Esses modelos são muito empregados neste tipo de aplicação. Analisando um gráfico da IC (corrente de coletor) no domínio da VCE (figura 7), nota-se que a IC próxima da região de VCE máxima, sobe rapidamente, mostrando que poderia assumir qualquer valor (este efeito é conhecido como multiplicação por avalanche), o que bastaria para provocar sua destruição, talvez não imediata, mas abreviaria consideravelmente sua vida útil. Com a queima de um transistor do par (curto), o outro também seria destruído.
Entretanto, se o transistor ainda não se destruir estará conduzindo fortemente, pois por um breve instante existirá corrente apreciável no diodo coletor (na verdade um pulso de corrente). Com o outro transistor do par já conduzindo na região ativa, teríamos a condução simultânea independente do valor da freqüência e que destruiria ambos, caso a corrente desenvolvida seja suficiente.
Convém lembrar que estágios classe B, AB, G ou H geralmente não são dimensionados para suportar uma condução simultânea, o que ocorre normalmente em estágios classe A, sendo estes, portanto, naturalmente imunes a esse problema. Para concluir, deve-se dizer que essa situação é aparentemente facilitada no caso do amplificador não possuir uma baixa resistência interna (baixa impedância de saída).
Observe que tanto a ocorrência de avalanche térmica (vista na edição anterior) como a de condução simultânea (nessa situação em específico) não passam de hipóteses ainda a serem confirmadas como fatos. Os sintomas são muito variáveis e sujeitos a condições, de maneira que não se pode ter muita certeza disso ou daquilo, no entanto ao que parece são as causas da queima de amps mal projetados e/ou dimensionados nas condições de extrema fadiga proporcionadas por uma carga fortemente reativa.
É claro que as pesquisas continuam, de modo que novas confirmações serão relatadas. É importante salientar que as duas causas descritas (avalanche térmica e condução simultânea) são teses, mas o mau desempenho e as queimas dos estágios de saída não, estes sim são fatos e ocorreram inclusive nos testes realizados.
(Nota:Em leitura de recente trabalho, do pesquisador norte-americano G. Randy Slone, comprovei tais teses. Slone afirma serem estes fenômenos fatos, mas não relata detalhes desses trabalhos, o que será objeto de pesquisa futura)
O subdimensionamento é também fato comprovado e mereceu inclusive fazer parte da dissertação de mestrado do Eng. Rosalfonso Bortoni (UFSC). Cabe aqui, portanto uma descrição das condições de teste a que foram submetidos alguns aparelhos comerciais e também circuitos experimentais e/ou de desenvolvimento.

• Sinais aplicados: ondas, senoidal e quadrada, na faixa de 1Hz à 100kHz.
• Cargas utilizadas: resistiva e puramente capacitiva com valores oscilando entre 1uF e 10uF.

Regime de trabalho: variando entre baixo e o máximo, respeitando as limitações próprias de cada
aparelho.


· CAIXAS ACÚSTICAS E CROSSOVERS PASSIVOS

Porém, até agora neste artigo, considera-se como uma possível carga reativa prática somente o alto-falante ao ar livre. Na realidade a situação é ainda mais difícil, pois o esforço do estágio de saída é ainda maior quando se usam caixas acústicas com diagramas fasoriais mais complicados.
Levando-se em consideração que ninguém utiliza falantes ao ar livre, essa observação atinge todos os casos (exceto em situações onde se usam caixas closed-box do tipo fechada, pois o diagrama fasorial dessas caixas é semelhante ao de um falante ao ar livre). Caixas bass-reflex teriam pelo menos mais duas freqüências de ressonância e por conseqüência mais duas inversões de fase em relação ao falante ao ar livre (ou caixas closed-box).
Caixas band-pass e caixas-corneta têm comportamento ainda mais complexo. Naturalmente o circuito equivalente de tais sistemas é algo bem mais complicado do que o apresentado na figura 2. Analogamente, falantes que possuem fator de qualidade total (Qts) mais altos, exigem mais dos amplificadores e expõem bem mais um eventual circuito mal dimensionado a falhas, pois são mais reativos do que outros possuidores de Qts mais baixos (normalmente um indicador de falantes de alta qualidade).
Assim se pode generalizar esse raciocínio para o sistema formado pela caixa+falante. Estes sempre exigirão mais dos amplificadores quanto maior for o fator de qualidade resultante do sistema (Qt), que por sua vez é função do falante e do alinhamento adotado. Estendendo ainda mais, verifica-se que caixas acústicas com crossovers passivos apresentam forte reatância adicional, devido aos circuitos sintonizados formados por redes de capacitores e indutores.
Os diagramas fasoriais dessas caixas seriam ainda mais complexos que se estivessem sem o crossover passivo. Naturalmente se este crossover passivo possuir alguma equalização ou Notch Filters, a situação tornar-se-á ainda mais problemática para o amplificador. O circuito equivalente desses sistemas pode ultrapassar a 16ª ordem.


· CONCLUSÃO

Cargas reativas impõem uma dificuldade aos amplificadores de potência que cargas resistivas jamais poderiam fazer sob iguais circunstâncias.
As reativas, portanto exigirão um maior “preparo” dos amps, pode-se assim dizer, o que muitas vezes não acontece, pois os próprios fabricantes não as consideram no seu desenvolvimento e dimensionamento; também acabam por não usá-las nos testes finais com os seus aparelhos e muitos deles sequer têm conhecimento do fato (nem todos são assim, felizmente).
Observei através de testes em alguns amps comerciais, que em aparelhos de marcas “estranhas” todos os problemas descritos anteriormente são comuns, possuem estágios mal dimensionados e ao conectar-se uma carga reativa apresentam grande alteração de comportamento.
Viu-se que quando o circuito não é bem elaborado e/ou dimensionado, qualquer esforço requerido pela carga (como trocas de energia) fará com que o sinal não seja coerentemente amplificado, resultando assim numa distorção e até oscilação e queima, sendo uma das causas disso tudo, o fato de que, no período de desenvolvimento não se previu que a carga seria reativa e nos testes de prototipagem os amps não foram avaliados com cargas fortemente reativas, mas tão somente com cargas resistivas (se é que).
Mas na esmagadora maioria dos casos, isso acontece porque seus circuitos foram copiados de outros amplificadores. Freqüentemente a topologia do circuito acaba sendo utilizada em aplicações e/ou condições para qual não foram previstos pelos projetistas originais, resultando assim num aparelho mal dimensionado e sujeito a problemas de todos os tipos já mencionados, principalmente à queima por fadiga excessiva (repetindo: isso chegou a acontecer nos testes).
Assim também como no desenvolvimento de amplificadores de potência estes fatos devem ser considerados pelos projetistas e tratados à parte. Muitos fabricantes testam seus amplificadores somente com cargas resistivas e por esse mesmo motivo mascaram o surgimento dos problemas. O projetista deve portanto submeter seu projeto a testes meticulosos, dentro e fora da faixa audível, com várias formas de onda e vários tipos de carga.
Da mesma maneira, os testes de longa duração feitos ao final da linha de montagem, normalmente em cargas resistivas, deveriam ser também realizados com cargas fortemente reativas, revelando com mais facilidade a existência de problemas (componentes e/ou montagem). O profissional de áudio e o público que afinal de contas são os maiores interessados agradecem.
Sempre bom lembrar: quando o usuário compra um equipamento, ele não está adquirindo simplesmente um monte de peças, e sim um trabalho de pesquisa e desenvolvimento. Se o fabricante deste equipamento não tiver condições de lidar com sua tecnologia (o que freqüentemente ocorre), o desempenho e por conseqüência o investimento serão prejudicados.