Potência, uma coisa mais que complicada - Parte I

PARTE I - POTÊNCIA E AMPLIFICADORES DE ÁUDIO

Aaaarrrggg, meu cérebro fundiu! Fui olhar um som para comprar e voltei para casa sem entender nada. Primeiro, vi um sonzão de 3.200 Watts de um tal de PMPO, mas quando parei para testá-lo, descobri que ele "fala" menos que um outro aparelho da loja, com apenas 150 Watts de outro tal de RMS. Fui também em uma loja de aparelhos usados e o vendedor me ofereceu um sistema da década de 1980 com 300 Watts do tipo IHF. Descobri que também existe a potência True RMS, potência AES, potência IEC e potência Musical. E ainda li em uma revista os termos potência média, de pico, contínua e regime musical. Fiquei perdido em meio a tantas potências diferentes.

Dentro de mesas de som, periféricos (equalizadores, compressores, etc.), o sinal trafega a níveis muito baixos. Esse nível de energia é suficiente para o sinal de áudio ser processado, mas absolutamente insuficiente para "empurrar" um alto-falante de caixa acústica, gerando som.

Entra em cena os amplificadores que, após receber um sinal pequenininho o transforma em um sinal muito maior (dezenas, centenas ou milhares de vezes maior), agora sim capaz de produzir som através de caixas acústicas.

O grande problema é que existem diversos métodos de aferição (medição) das potências que os amplificadores são capazes de gerar. Alguns métodos refletem o comportamento dos circuitos eletrônicos. Outros levam em consideração o comportamento das músicas que ouvimos. Outros parecem terem sido feitos apenas para enganar os consumidores.

Assim, é mais que importante saber o que significa isso tudo. Para tanto, vamos antes estudar alguns conceitos ligados à eletricidade.

POTÊNCIA E POTÊNCIA ELÉTRICA

Potência é uma grandeza da Física que significa a força que algo precisa fazer para realizar um trabalho, durante um certo intervalo de tempo. Um estivador que carrega um saco de 60kg de café é muito mais "potente" que o sedentário que vos escreve, que mal dá conta de carregar o filho pequeno de apenas 13kg. No caso, a capacidade de levantar mais ou menos peso (fazer mais ou menos força - realizar um trabalho maior ou menor) é a potência.

A questão do tempo também importa. Este sedentário, mesmo sem muita potência nos braços, consegue levantar os mesmos 60kg que o estivador, mas por poucos segundos, apenas. Ou seja, consigo ter um pico de 60kg, mas continuamente (por um período longo de tempo) carrego apenas 13kg. Já o estivador consegue carregar os 60kg continuamente, mas com certeza deve conseguir ter um pico de 120 ou até 150kg por alguns segundos. Esses conceitos de "potência contínua" e "potência de pico" nos serão muito úteis mais à frente.

Em equipamentos elétricos (aqueles que, para funcionar, precisamos ligar "na tomada"), a potência é chamada de potência elétrica (porque depende de eletricidade), e pode ser expressa pela seguinte fórmula:

Potência = Voltagem x Intensidade da Corrente elétrica

Como a intensidade da corrente elétrica é medida em Ampéres (A), essa fórmula pode aparecer também dessa forma:

Potência (Watts) = Voltagem (V) x Amperagem (A)

A potência elétrica é sempre expressa em Watts.

Assim, se tivermos em mãos um amplificador que consome 3 Ampéres em 220 Volts, podemos calcular sua potência elétrica como 3 x 220 = 660 Watts.

A potência elétrica representa o consumo de energia elétrica que o aparelho está realizando em um determinado instante (tempo).

CONSUMO ELÉTRICO (OU POTÊNCIA ELÉTRICA CONSUMIDA)

Todo equipamento elétrico usa energia elétrica para funcionar. O consumo dessa energia em geral é proporcional ao trabalho que se está realizando.

Um chuveiro elétrico, quando na posição "Verão", tem que esquentar menos a água, logo consome menos energia (em geral 2.800 Watts). Mas na posição "Inverno", precisa esquentar mais a água e para isso consome mais energia (5.600 Watts ou mais).

Agora, vejamos um ventilador de teto equipado com controle de velocidade variável. Podemos fazê-lo ventilar pouco ou muito, da forma que melhor nos agradar. Quanto menos o motor tiver que trabalhar (pouca ventilação), menor será consumo de energia. Quanto mais o motor tiver que trabalhar (máxima ventilação), maior será o consumo.

Note que existe uma potência elétrica instantânea, que pode ser aferida por meio de um amperímetro (aparelho que mede os ampéres de uma corrente elétrica). Mas quando o equipamento estiver realizando o máximo trabalho que lhe é possível, ele estará consumindo a máxima corrente elétrica, e temos então a potência elétrica máxima do aparelho.

POTÊNCIA ÚTIL

Existe uma lei na Física (Lei da Conservação de Energia) que diz que a energia não se cria nem se perde, se transforma.

Vejamos um liquidificador. Quando acionamos o seu motor elétrico, ele passa a consumir uma certa quantidade de energia elétrica, suponhamos 100 Watts. Desses, ele vai gastar 10 Watts como som (energia sonora, o barulho que as engrenagens do motor produzem), 20 Watts como calor (energia calorífica, representada pelo aquecimento que os componentes do motor causadas pelo atrito) e, finalmente, a maior parte da energia (70 Watts) vai mesmo é movimentar é movimentar as lâminas (energia mecânica).

A energia que efetivamente é transferida para a parte que realiza trabalho no equipamento é chamada de potência útil. Logo:

Consumo elétrico = potência útil + perdas de energia

Todo equipamento elétrico tem perdas, principalmente as perdas de calor. Essas perdas são chamadas de "potência dissipada". Quanto menos perdas o equipamento tiver, mais eficiente ele é.

No caso de amplificadores de áudio, os amplificadores mais comuns (projetos do tipo classe AB) tem eficiência entre 60% e 70%. Amplificadores de altíssima potência (alguns milhares de Watts) costumam ser de classe H, com eficiência entre 80% e 90%. Lembrando que tudo depende do projeto. Por exemplo, existem amplificadores classe H com eficiência de apenas 65%.

Em geral os fabricantes divulgam a classe do aparelho. Caso não o façam, provavelmente é do tipo classe AB, o mais comum.

Ter um amplificador mais eficiente não significa mais potência, mas significa uma conta de energia (da concessionária) menor. Mas esta é uma outra discussão, bem complicada (envolve eficiência da fonte, do estágio de saída, etc) que não vem ao caso neste artigo .

NOTAÇÃO DE POTÊNCIA

Notação quer dizer "a forma de escrever, expressar algo". Potência elétrica é sempre expressa em Watts, e somente Watts. RMS, PMPO, AES, IHF, Contínua, Musical, etc, são métodos de se medir essa potência, e não a potência em si.

Isso quer dizer que está tecnicamente errado escrever "Watts RMS", "Watts PMPO" ou Watts qualquer coisa. O certo seria escrever "Potência medida de acordo com a norma EIA: X Watts". Ou então escrever simplesmente "Potência EIA: X Watts".

Entretanto, é muito mais prático e rápido escrever diretamente "X Watts EIA, ou Y Watts RMS, ou Z Watts Musicais. Mesmo não sendo a forma correta, essa forma de escrever está tão disseminada entre quem trabalha com áudio que, ao se escrever algo do tipo 1234 Watts AES, todos vão saber que se refere à 1234 Watts de potência medida segundo a norma AES!

PRIMEIRAS CONCLUSÕES

Disso tudo que já aprendemos, podemos tirar algumas conclusões muito úteis para o trabalho em sonorização:

- Nenhum equipamento produz mais energia do que consome (Lei da Conservação de Energia). Se consome 100 Watts, nunca vai produzir mais que 100 Watts.

- Por mais eficiente que seja, todo equipamento tem perdas. A eficiência é sempre menor que 100%. A potência útil sempre será menor que a potência consumida.

- O tempo da medição de potência também irá influenciar nos resultados obtidos. Há pelo menos dois tipos de potência: de pico e contínua.

Dada essa introdução, finalmente, podemos passar aos vários métodos de análise de aferição de potência.

POTÊNCIA RMS (ou Potência Real ou Potência Contínua ou Potência Eficaz ou Potência Efetiva ou Potência Nominal ou Potência EIA ou Potência IEC)

É definida como a potência que o amplificador pode fornecer continuamente (por um tempo que vai de alguns minutos a várias horas, depende da norma adotada), a partir de um sinal senoidal simples (uma única frequência), sem que a distorção harmônica total (THD) seja maior que 1%, sobre uma carga resistiva (resistência elétrica) conhecida.

Alguns fabricantes e projetistas preferem o limite de 0,1% para a THD. A diferença entre 1% e 0,1% é pequena, mas mostra um cuidado maior do fabricante. Existem fabricantes que toleram menos distorção ainda. Quanto menos distorção, obviamente que será melhor o equipamento.

O sinal senoidal mais utilizado é o de 1KHz. Outros fabricantes (melhores), testam com várias ondas, de forma a abranger todos os sons entre 20Hz e 20KHz. Em geral os valores obtidos com o sinal de 1KHz são mais altos do que no teste de 20Hz a 20KHz. Entretanto, o teste de 20Hz a 20KHz se aproxima mais à real utilização do produto.

A resistência elétrica simula a existência de falantes (isso facilita muito, pois o engenheiro pode testar o amplificador em silêncio e em qualquer lugar, e não incomodando os vizinhos). As resistências têm valores de Impedâncias (medida de resistência elétrica) similares às encontradas na prática, tais como 2 Ohms, 4 Ohms ou 8 Ohms.

A potência é medida nos conectores (bornes) da caixa de som, medindo-se a Voltagem. A potência será obtida pela seguinte fórmula:

Potência = (Voltagem de saída)² / Impedância da Resistência

Por exemplo, vejamos um amplificador com saída de 80 Volts sobre carga de 4 Ohms:

Potência = 80² / 4 = 6400 / 4 = 1.600 Watts

Para se obter a potência RMS, são feitas várias medições, e depois é feita uma fórmula matemática para se tirar a média dos valores medidos. Essa fórmula é conhecida como Root Mean Square (abreviação RMS), ou Raiz Quadrada Média:



Este teste é realizado com equipamentos próprios, que analisam não só a voltagem na saída, mas também a forma de onda gerada pelo amplificador, para perceber a ocorrência da distorção. A Neutrik é um fabricante que produz esse tipo de equipamento. Bons fabricantes citam até o aparelho em que o amplificador foi testado.

Muitos fabricantes medem a potência RMS da seguinte forma: calculam a potência máxima que um único canal pode fornecer e depois multiplicam por dois. Outros (melhores), ao contrário, fazem o teste com os dois canais sendo utilizados simultaneamente, aproximando-se mais do uso real.

A fonte de alimentação é fator limitante da potência máxima de um amplificador. Quando o teste é realizado em somente um único canal, é como se a fonte de alimentação fosse toda desse canal, e a potência obtida será maior do que no teste dos dois canais sendo testados simultaneamente. No teste de um canal, é como se a fonte trabalhasse mais "folgada". Já no teste com dois canais, ela é exigida ao máximo, e suas limitações aparecem.

Bons fabricantes sempre a colocam especificando as condições em que foram medidas. Repare:

- 100W RMS contínuos com carga de 4 Ohms, sinal senoidal de 1kHz, máxima distorção harmônica total de 0,5%.

Alguns fabricantes escrevem o texto acima de forma resumida:

- 100 W RMS em 4 Ohms @ 1KHz, THD 0,5%.

Existem normas internacionais (de associações de fabricantes, de associações de engenheiros, de órgãos governamentais) que ditam as formas de se medir a potência RMS. Por exemplo, existem as normas EIA e IEC. Assim, podem aparecer o termo "Potência EIA" ou "Potência IEC", sempre se referindo à forma RMS de calcular potência. Bons fabricantes citam a norma que foi utilizada para fazer a medição de potência.

A potência RMS é a forma mais aceita internacionalmente de exprimir a potência de um amplificador de áudio. É o melhor método para efetuar comparações entre equipamentos.

POTÊNCIA MUSICAL (ou Potência em Regime Musical ou Potência de Programa Musical ou Potência de Pico)

Qualquer música tem uma alternância entre momentos de volume mais alto (picos) e outros de volume mais baixo. Em geral, a média de volume das músicas é bem inferior (50%) aos picos ocasionais. Ou seja, se uma música atinge picos de 1.000 Watts, a média de potência da música é de "apenas" 500 Watts.

Os amplificadores possuem, internamente, capacitores (um tipo de componente elétrico) que armazenam energia (funcionam como uma reserva de energia). Assim, podem fornecer potências bem mais altas que a potência RMS (e mesmo maior que a potência elétrica consumida) por pouco tempo (alguns milisegundos, em geral o tempo de duração dos picos). Em geral, a potência musical equivale ao dobro da potência RMS. Ou seja, tem +3dB em relação à potência RMS.

A Potência Musical não invalida a Lei da Conservação da Energia. Os capacitores realmente armazenam energia suficiente para fornecer o dobro da potência RMS por um tempo bem curto. Mas, uma vez descarregados, essa potência não consegue ser mantida, ou seja, não é contínua. Logo, é potência de pico.

A fórmula de calcular permanece a mesma, Potência = (Voltagem de saída)² / Impedância, só que agora se leva em conta apenas os picos de voltagem que acontecem nas saídas do amplificador. E a distorção não pode ultrapassar valores grandes (tipicamente 1% ou 2%, no máximo 5%, pois acima disso os falantes serão danificados).

Exemplo prático envolvendo potência RMS e Musical

Observe agora o quadro abaixo, do manual de amplificadores Yamaha:



Observe que o fabricante teve o cuidado de testar seus equipamentos com menos distorção que o normal (0,05%), o cuidado de testar com todas as frequências(20Hz~20KHz) e com o sinal de 1KHz. Ainda apresentou os valores com ambos os canais funcionando simultaneamente (X Watts + X Watts). Também apresentou os valores suportados nos picos (a potência musical), para 1KHz, por 20 milisegundos.

Note que o fabricante não escreveu claramente que a potência foi calculada pelo método RMS, mas podemos perceber isso pelo fato dele ter apresentado as condições de teste (a frequência, a impedância e a distorção). Para ficar perfeito, só faltou citar a norma.

Além disso, se dúvidas persistirem sobre o método de aferição de potência, devemos procurar no manual do produto o seu consumo elétrico máximo. Para o caso acima, o modelo P4500 tem consumo máximo de 2000 Watts, o P3200 tem consumo de 1500 Watts e o P1600, 750 Watts. Como as potências declaradas são sempre menores que o consumo máximo (exceto a potência musical), realmente o método de aferição da potência útil do aparelho foi o RMS. Repare:


Modelo
Classe
Consumo Máximo (W)
Potência Máxima (W)
Eficiência

P4500
AB
2000
1440
72%

P3200
AB
1500
100
69%

P1600
AB
750
460
61%



Conferir o consumo elétrico do aparelho é sempre interessante.

POTÊNCIA IHF

O Institute of High Fidelity, dos EUA, mantinha na década de 1970 um método próprio de aferição de potência. Ele levava em conta o regime musical. Seus valores costumavam ser de 35% a 50% maiores que os RMS.

Aqui no Brasil, muitos equipamentos fabricados na década de 1970 ou mesmo na década seguinte apresentavam esses dados. Meu Cygnus PA-400, velho de guerra (mais de 20 anos), tem os seguintes dados, retirados de um anúncio publicado na época:



Repare:
135 Watts RMS em 4 Ohms @ 1KHz por canal
200 Watts IHF em 4 Ohms @ 1KHz por canal

Qualquer leigo concluirá que, a partir das potências por canal e tendo o aparelho 2 canais e que o equipamento fornece, no total (ambos os canais operando) 270 W RMS e 400 W IHF. Mas repare no consumo máximo: 300 Watts.

O valor de 270W RMS é muito próximo (90%) do consumo máximo, 300 W. Como ele é classe AB, podemos estimar a potência RMS com ambos os canais operando em 200 Watts (66% dos 300W). Que diferença! E até hoje tem fabricante que só especifica potência "por canal", e nunca com os dois canais operando.

Quanto a potência IHF, teríamos 400 W produzidos para um consumo de 300 W. Pela Lei da Conservação da Energia, o aparelho estaria produzindo mais do que consumindo, e isso não é possível. Em 1979, o próprio Instituto desistiu de usar esse método, em favor do método RMS.

Atualmente, a potência IHF não serve para nada, só como curiosidade e para confundir mesmo.

POTÊNCIA PMPO (Peak Music Power Output, Potência Musical para Otário, Pura Mentira Para Olhar)

Há 17 anos atrás, quando eu comecei a trabalhar com áudio, o IHF estava em desuso e começava a aparecer uma tal de "potência PMPO". Acompanhei, na época, o lançamento de alguns produtos de um fabricante nacional de aparelhos domésticos.

No primeiro produto que teve sua potência especificada em PMPO, a correspondência era de 4 Watts PMPO para 1 Watt RMS.

Meses depois, no segundo produto, a correspondência passou a ser de 7 Watts PMPO para 1 Watt RMS.

No terceiro produto, já quase um ano depois, a correspondência passou a ser 17 Watts PMPO para 1 Watt RMS. Isso dentro de produtos do mesmo fabricante, e quase duas décadas atrás!

A potência PMPO corresponde ao valor máximo de pico que um amplificador consegue responder, não importa por quanto tempo nem o quanto de distorção aconteça. Ora, qual a utilidade prática de saber que um amplificador vai conseguir responder 1.000.000 Watts por um tempo de 0,0000005 seg com distorção de 50%? Nenhuma!

Na década de 1990, a potência PMPO se popularizou. O que aconteceu? Os departamentos de Marketing das empresas descobriram que os consumidores gostam de números bem grandes. A população não costuma entender os aspectos técnicos do que estão comprando, nem param para ler as letras miudinhas, mas compram os produtos que apresentarem os números mais altos.

Ora, se um fabricante X lançasse um sistema de sonorização com 10 Watts reais (RMS), e fizesse a especificação dele como 500 Watts PMPO, o departamento de Marketing da empresa Y, concorrente, desenvolvia outro produto com os mesmos 10 Watts RMS e colocava logo 600 Watts PMPO. E os consumidores compravam o produto da empresa Y porque ele é "mais potente" (na verdade, porque o número é maior). Literalmente, PMPO é um medida de potência especificada pelo Marketing, e não pela Engenharia da empresa!

Por sorte, o mercado profissional (de sonorização ao vivo) não foi contaminado com isso. Mas o mercado de sistemas domésticos sofreu muito com essa praga!

Aliás, o INMETRO já tomou medidas para reverter essa situação. Demorou muito (somente em 2006). Para saber mais, dê uma olhada no seguinte link:

http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/potSonora.asp

POTÊNCIA TRUE RMS

Um fabricante nacional de amplificadores apareceu com uma nova forma de medir potência. Observe o texto do fabricante sobre o assunto:

"Em toda a linha XXXXX, em suas três séries distintas de modelos de audioamplificadores, o valor da potência máxima total dos seus dois canais é especificado no painel do produto de três formas:

1º - Em Watts Musical Program - potência em watts musicais - (forma de medição: sinal de entrada musical e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Osciloscópio Digital - Tektronix - TDS 210).

2º- Em True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - (forma de medição: sinal de entrada musical e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Fluke 189 Multimeter em modo True RMS na escala "Fast Max").

3º- Em Watts RMS Continuous (forma de medição: sinal de entrada senoidal e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Neutrik A 2 - Audio Test & Service System, na função THD+N).

Todos esses dados são obtidos com o aparelho ligado à tensão AC de alimentação em 120 V ou 230 V para os modelos da série YY, e 230 V para os modelos das séries ZZ.

Para se chegar à potência máxima do aparelho, em Watts Musical Program - potência em watts musicais -, foram somadas as potências dos dois canais de saída, e a potência de cada canal foi medida nas formas acima descritas através da fórmula: Potência em Watts = tensão máxima encontrada - levando-se em conta apenas 1 semiciclo do sinal de saída -, elevada ao quadrado e dividida pelo valor da carga resistiva, que é 2 ou 4 ohms. Nesse caso, os valores encontrados estão 6 dB (4 vezes) acima do valor expresso em RMS Continuous.

Para se chegar à potência máxima do aparelho, tanto em True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - quanto em Watts RMS Continuous, foram somadas as potências dos dois canais de saída, e a potência de cada canal foi medida nas formas acima descritas através da fórmula: Potência em Watts = tensão RMS encontrada, elevada ao quadrado e dividida pelo valor da carga resistiva, que é 2 ou 4 ohms.

Em True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - os valores encontrados estão 3 dB (2 vezes) acima do valor expresso em RMS Continuous. Na condição extrema, que é a potência máxima e com carga resistiva na saída, e superexcitação na entrada, o limiter incorporado deve garantir que a distorção harmônica máxima total, mais ruído (THD+N), não ultrapasse 2%. Na condição mais aproximada da típica de uso (- 6dB da potência máxima e com carga resistiva), a distorção harmônica total mais ruído não deve ultrapassar 0,05%.

Essas três formas de medições de potência de saída de audioamplificadores (e que inclusive estão todas especificadas no painel dos produtos XXXXX) são as aceitáveis para produtos profissionais. Medir a potência útil de audioamplificadores de potência utilizando o método onde se determina a capacidade de fornecer potência através de Watts RMS Continuous, é uma maneira clássica, conservadora e até exagerada para essas medições, pois, na verdade, o RMS Continuous - que só pode ser medido através de carga resistiva substituindo os alto-falantes, e o sinal senoidal contínuo, proveniente de gerador de áudio, substituindo a fonte de programa, além disso, com o medidor da tensão mantida na carga resistiva, em modo RMS - está muito além do objetivo do aparelho, que é audioamplificação de potência para carga indutiva (alto-falantes e drivers de alta freqüência), e com sinais provenientes de fontes de programas repletos de dinâmica. De acordo com o exposto, podemos dizer que o "nosso" True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - é a maneira mais equilibrada de se mensurar potências em audioamplificadores.

Muitos fabricantes de equipamentos de audiossonorização - até mesmo os de grande renome no mercado já estão adotando Watts Musical Program (watts musicais), como forma de medição - técnica e comercialmente aceita para se mensurar potências em audioamplificadores. Neste caso, os valores provenientes deste tipo de medição apresentam 3dB a mais que True Watts RMS Musical Program (potência musical em RMS verdadeiro), e 6dB a mais que os encontrados em Watts RMS Continuous. Até aí é uma questão de quanto se quer, ou não, ser conservador, sem se distanciar da realidade; em todo caso, marcamos as três formas de medições de potência nos painéis desses produtos da linha XXXXX - para deixar bem claro suas potencialidades.

Entendeu tudo? O fabricante espera que sim. Mas vamos nos ater mais atentamente ao que eles explicaram:

"3º- Em Watts RMS Continuous (forma de medição: sinal de entrada senoidal e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Neutrik A 2 - Audio Test & Service System, na função THD+N)."

Essa é a Potência RMS que já conhecemos. Uma única onda senoidal e a medição da potência máxima em relação à distorção harmônica total (THD), sobre uma carga resistiva, por um tempo contínuo.

2º- Em True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - (forma de medição: sinal de entrada musical e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Fluke 189 Multimeter em modo True RMS na escala "Fast Max").(...) Em True Watts RMS Musical Program - potência musical em RMS verdadeiro - os valores encontrados estão 3 dB (2 vezes) acima do valor expresso em RMS Continuous.(...) deve garantir que a distorção harmônica máxima total, mais ruído (THD+N), não ultrapasse 2%

Esse deve ser um novo método de aferição de potência... será mesmo? O sinal de entrada não é mais uma onda senoidal, mas sim "entrada musical" - música! O multímetro está na escala Fast Max (Máximo de Rapidez) para detectar os picos que ocorrem durante a execução da música. A distorção não pode ser superior a 2%. E o fabricante diz que os valores encontrados são o dobro (+3dB) da potência RMS. Agora está fácil reconhecer: é a Potência Musical (ou Potência em Regime Musical ou Potência de Programa Musical). Só que com outro nome.

1º - Em Watts Musical Program - potência em watts musicais - (forma de medição: sinal de entrada musical e carga resistiva, com tensão medida com o instrumento de medição de laboratório - Osciloscópio Digital - Tektronix - TDS 210).(...) Para se chegar à potência máxima do aparelho, em Watts Musical Program - potência em watts musicais -, foram somadas as potências dos dois canais de saída, e a potência de cada canal foi medida nas formas acima descritas através da fórmula: Potência em Watts = tensão máxima encontrada - levando-se em conta apenas 1 semiciclo do sinal de saída -, elevada ao quadrado e dividida pelo valor da carga resistiva, que é 2 ou 4 ohms. Nesse caso, os valores encontrados estão 6 dB (4 vezes) acima do valor expresso em RMS Continuous.

Todo esse blá-blá-blá do fabricante foi para dizer uma coisa só: essa potência não tem nada a ver com distorção nem com tempo. E potência que não leva em conta esses fatores é enganação.

Repare que essa "forma de calcular" potência tem um nome que lembra a Potência Musical (se confundem de tão semelhantes). Assim, alguém pode comparar a potência musical de um amplificador qualquer com a desse fabricante e encontrará valores muito maiores, mas que não refletem a realidade. Parece enganação (e deve ser mesmo), mas pelo menos o fabricante AINDA coloca a potência RMS, então dá para descartar os outros métodos e comparar os produtos apenas pelo método RMS mesmo.

POTÊNCIA DE AMPLIFICADORES E IMPEDÂNCIA

À medida que a impedância dos falantes (associados ou não) ligados ao amplificador aumenta, é normal a potência diminuir. Isso é uma conseqüência direta da forma de medição de potência:

Potência = (Voltagem de saída)² / Impedância

Como a impedância é fator de divisão, quanto menor ela é, maior a potência será (ou quanto maior for a impedância, menor a potência). São valores inversamente proporcionais. Por exemplo, um amplificador de 1.000 Watts de potência sobre carga de 2 Ohms deveria apresentar:

1.000 Watts = 44,72 Volts / 2 Ohms
500 Watts = 44,72 Volts / 4 Ohms
250 Watts = 44,72 Volts / 8 Ohms

Entretanto, isso não acontece na prática, porque as fontes de alimentação dos amplificadores também variam as suas voltagens de acordo com as impedâncias. Veja:

Amplificador marca X, 2 Ohms, com 3.000 Watts totais, tem:
- 1.500 Watts/canal em 2 Ohms = 54,77 Volts
- 1.300 Watts/canal em 4 Ohms = 72,11 Volts
- 750 Watts/canal em 8 Ohms = 77,45

Amplificador marca Y, 2 Ohms, com 3.000 Watts totais, tem:
- 1.500 Watts/canal em 2 Ohms = 54,77 Volts
- 1.000 Watts/canal em 4 Ohms = 63,24 Volts
- 600 Watts/canal em 8 Ohms = 69,28 Volts

Note que, apesar das especificações à plena potência RMS serem idênticas (e as fontes fornecerem a mesma voltagem), quando a impedância aumenta o comportamento das fontes é completamente diferente.

As potências em diferentes impedâncias devem ser levadas em conta na hora da compra de um amplificador. No caso acima, se o usuário sempre utilizar os amplificadores em sistemas de 2 Ohms, tanto fará escolher um ou outro. Mas se o usuário variar bastante as caixas acústicas (e as suas impedâncias), vemos que o amplificador X tem um melhor aproveitamento quando em 4 Ohms (30% a mais de potência) e também quando em 8 Ohms (15% a mais). Portanto seria uma melhor escolha.

POTÊNCIA E DECIBÉIS

Decibéis são muito utilizados para comparar potências. Mas já sabendo que há tantas formas diferentes de se mensurar potências, aqui cabe um aviso importante: só podemos fazer comparações entre potências de mesmo tipo. RMS com RMS, Musical com Musical, etc. De preferência, ao comparar equipamentos, compare sempre as suas potências RMS.

Só não perca tempo comparando PMPO com PMPO, não há a menor correspondência entre valores de um fabricante para outro (às vezes nem entre produtos de um mesmo fabricante).

POTÊNCIA E DECIBÉIS SPL (Volume de som)

A potência de saída tem impacto óbvio sobre o som: quanto mais potência, mais volume sonoro. No entanto, a potência sozinha não determina o volume de som (dB SPL) produzido. Isso dependerá dos falantes utilizados, e da sensibilidade (eficiência eletroacústica - na transformação de energia em som) deles. A sensibilidade de um falante, especificada em dB SPL / 1 watt a 1 metro, é tão importante quanto a potência do amplificador ao qual ele está ligado. Por exemplo: uma caixa acústica que fala 98 dB/1W/1m, alimentada com modestos 10 watts, fornece o mesmo volume sonoro que uma outra que rende 88dB/1W/1m, alimentada por 100 watts.

CONCLUSÃO

Conhecer um pouco mais sobre potências e seus métodos de medição nos faz olhar para os manuais dos amplificadores de outra forma. Agora, podemos entender muito melhor o que as especificações (ou a falta delas) querem dizer. Com essas informações, podemos evitar os "artifícios" de alguns fabricantes e comprar realmente os melhores produtos possíveis.

No próximo artigo, estudaremos normas de medição de potência em alto-falantes.

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Revisado por Samuel Monteiro, StudioR. http://www.studior.com.br/

Potência, uma coisa mais que complicada - Parte III
Autor: Fernando Antonio Bersan Pinheiro

Parte III - Potência e Alto-Falantes

Pelos primeiros dois artigos desta série, já descobrimos como a potência de um amplificador é calculada. Mas o amplificador é apenas um dos vários equipamentos de um sistema de sonorização, e a potência produzida por eles tem que ser "descarregada" em algum lugar - nas caixas de som e nos alto-falantes. São eles que vão receber de alguns poucos a centenas ou mesmo milhares de Watts (energia elétrica) e os transformar no som que ouvimos (energia sonora).

Aliás, está tecnicamente errado (mas todo mundo fala assim mesmo) dizer que um alto-falante tem X ou Y Watts de Potência. Falantes não produzem nada, somente recebem potência. Alguns falantes vão "agüentar" receber 100W de potência, enquanto outros vão "agüentar" receber 1.200 Watts de potência. Na verdade, quando falamos em potência de alto-falantes, o termo correto é POTÊNCIA MÁXIMA ADMISSÍVEL, ou seja, o máximo de potência que o falante admite receber sem sofrer danos.

Também já vimos os vários tipos de especificações de potência que podem aparecer na especificação de um amplificador (RMS, Musical, IHF, PMPO, etc) e as normas que são utilizadas nessas medições (IEC, EIA, etc). Tudo isso se aplica aos alto-falantes. Mas há algumas particularidades que convém conhecer.

Só para relembrar, amplificadores são submetidos a um sinal senoidal simples (uma única freqüência, em geral 1KHz), por um determinado tempo (segundo algumas normas, 5 minutos). Através de alguns cálculos, chega-se à potência dos aparelhos.

Alto-falantes também são submetidos a testes, só que bem mais complicados. Eles não são testados com um sinal senoidal simples, mas sim com um ruído muito complexo, formado por sons de todas as freqüências audíveis pelo homem - 20Hz a 20KHz. Esse é o Ruído Rosa (Pink noise, em inglês).



O ruído rosa é um sinal que produz a mesma energia em todo a faixa audível. A figura acima mostra como o ruído rosa é visto em um analisador de espectros.

Além do sinal de teste ser diferente, também é diferente o Fator de Crista do sinal. O sinal senoidal simples tem uma dinâmica de 3dB (o "volume" do sinal varia em 3dB), o que corresponde ao dobro da potência. Ou seja, se o sinal senoidal tiver uma potência contínua de 100W, pode haver picos de +3dB (200W) por um tempo curto. Um amplificador precisa ser construído para suportar essa variação.

Já o ruído rosa também tem uma dinâmica, mas esta é de +6dB, o que corresponde ao quádruplo (4x) da potência contínua. Ou seja, um falante que é construído para suportar 100W precisa suportar picos de até 400W.



Há diferença também na duração dos testes. Se um amplificador sofre testes por 5 minutos a algumas horas, os alto-falantes precisam reproduzir o ruído rosa por um tempo entre 2 horas a até 100 horas!

Note que o teste ao qual um alto-falante é submetido é muito mais "duro" que o teste feito em um amplificador. É um teste com um sinal mais "complicado", por muito mais tempo e com uma dinâmica maior! Porque essa diferença de metodologia?

Um amplificador é formado por componente eletrônicos, que são sensíveis ao calor, possuem uma resistência térmica. Ao submeter os componentes a um sinal simples, eles são "forçados" ao máximo de calor que podem agüentar sem sofrer danos e sem produzir distorção além de limites pré-estabelecidos (em geral 1 a 2%).

Por outro lado, um alto-falante é formado por peças que tem que suportar altas temperaturas (a bobina) e também esforço mecânico - o movimento da bobina, do cone, da aranha, etc. E as normas especificam que eles precisam suportar até 5% de distorção. Assim, esse maior rigor é a forma de assegurar que eles realmente irão agüentar o tranco!

Assim, vamos ver os diversos tipos de potência e as metodologias utilizadas para a medição de potência de falantes:

TIPOS DE POTÊNCIA

Potência RMS (ou Potência Contínua ou Potência Nominal)

É definida como a potência que o falante pode fornecer continuamente por um tempo de algumas horas (a quantidade depende da norma adotada), a partir de um sinal de ruído rosa, sem o falante sofra danos.

Potência Musical (ou Potência em Regime Musical ou Potência de Programa Musical)

Qualquer música tem uma alternância entre momentos de volume mais alto e outros de volume mais baixo. Como em geral a média de volume das músicas é de 50%, o valor da Potência Musical costuma ser definida como o dobro do valor da Potência RMS.

Potência de Pico

Aqui temos a grande diferença entre os tipos de potência dos amplificadores e dos alto-falantes. Potência de Pico é sempre considerada em relação ao fator de crista do sinal. Para amplificadores, onde o fator de crista é de 3dB, a Potência de Pico se confunde com a Potência Musical, e equivale ao dobro da Potência RMS.

Entretanto, para alto-falantes, a potência de pico é diferente, pois o fator de crista do ruído rosa é de 6dB (4x mais potência) que a potência RMS. Logo, este valor costuma ser 4x maior que a potência nominal do falante.

Assim, uma especificação de potência que podemos encontrar em um falante é a seguinte:


Potência
Exemplo

RMS
100 W

Musical
200 W

Pico
400 W



Potência PMPO

A onda de "falsificação" de potências não se restringiu apenas aos amplificadores. Os fabricantes de falantes também colocaram valores irreais nos seus produtos. Tudo o que se aplica aos amplificadores, sobre esta "Potência para Otários", já citado no primeiro artigo da série, se aplica aqui também.

NORMAS DE MEDIÇÃO

Da mesma forma que alguns organismos internacionais determinaram normas para o processo de medição de potência em amplificadores, o mesmo foi feito para alto-falantes. Se nas normas para amplificadores a diferença de metodologias reside principalmente sobre o tempo e o tipo de sinal, tal situação não é diferente nas normas de falantes. As principais diferenças também residem no tempo de teste e no tipo de filtragem do ruído rosa.

O ruído rosa na verdade raramente é empregado em toda a sua extensão: 20Hz a 20KHz. Na verdade, é aplicado aos falantes apenas uma "parte" desse espectro. Como colocar 20KHz para um woofer de 18" que mal responde a 2KHz? Como colocar 20Hz em um tweeter que só começa a "falar" a partir de 5KHz? Assim, as normas mandam "filtrar" o ruído rosa, atenuando (diminuindo) alguns sinais. Veremos isso melhor mais adiante.

As normas são:

EIA RS-426-A, (1980)

Norma da Electronic Industries Alliance, pede uma prova com duração de 8 horas, com ruído rosa. Só que o ruído rosa da norma EIA tem um forte componente de graves e médio-graves, mas o conteúdo de médio-agudos e agudos é atenuado.

AES2-1984

O ruído rosa filtrado empregado na norma EIA é interessante para o teste de subwoofers e woofers, mas o fato do conteúdo de médios e agudos ser bastante atenuado traz resultados irreais quando aplicados a um driver ou tweeter. Como resolver esse problema?

Pensando nisso, a AES - Sociedade dos Engenheiros de Áudio - criou sua própria norma. Ela foi criada pensando nas várias vias de um sistema profissional - graves, médio-graves, médio-agudos e agudos - e nos seus respectivos falantes. Exatamente como os profissionais fazem em um show.

Assim, eles criaram uma "variação" do ruído rosa, onde o falante é submetido a apenas uma "década de freqüências". "Década de freqüências" é um grupo de freqüências em que a freqüência final é 10 vezes (daí o nome, década) que a freqüência inicial. Por exemplo, temos*:

20 a 200Hz (200 = 20 x 10) - bom para testar subgraves
60 a 600Hz - bom para testar graves
100 a 1000Hz - bom para testar médio-graves
1.000 a 10.000 - bom para testar médio
2.000 a 20.000 - bom para testar tweeters.

* Os valores colocados acima são apenas para exemplificar. O fabricante pode estabelecer o valor de década que melhor corresponder à resposta de freqüência do falante.

E, dentro dessa década, as freqüências têm a mesma energia, ou seja, não são atenuadas.

Norma inteligentíssima, pois só manda para o falante o que ele realmente pode "falar". Coisa de engenheiro, só podia ser. Muitos fabricantes têm adotado essa norma, especificando seus produtos como Potência AES (Potência RMS com Norma AES).

A norma especifica ainda que o teste seja feito por 2 horas, "apenas".

IEC268-1 (1985)

Norma da International Electrotechnical Commission. Especifica um sinal de ruído rosa com uma variação para aproximá-lo do conteúdo de uma música real. Ou seja, tem atenuação nos agudos e nos graves abaixo de 100Hz. Já é uma evolução em relação à norma EIA, já que a ênfase é nos sons entre 100Hz e 10KHz, pois poucos sistemas eram feitos para reproduzir sons fora destes limites (isso é válido para a época, década de 1980).

A duração do teste é de incríveis 100 horas.



O gráfico acima demonstra as variações de "ruído rosa" de acordo com as diversas normas. Veja que a norma AES é apresentada na forma de duas décadas.

NBR 10.303

A ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas também estabeleceu sua norma, que usa o ruído rosa com filtragem própria, conforme figura abaixo (é semelhante à filtragem da norma IEC), com testes realizados por 2 horas.



Por exigência do INMETRO, os fabricantes de alto-falantes brasileiros precisam fazer constar que a potência especificada é segundo a norma NBR 10.303. Os fabricantes sérios fazem, os outros....

Como todas as normas especificam formas de cálculo baseados em potência RMS, muitos fabricantes especificam a potência diretamente quanto à norma. Assim, podemos encontrar: Potência AES, Potência EIA, Potência IEC. No Brasil, por força de regulamento local, o mais comum mesmo é encontrar "Potência NBR 10.303". Em todos estes casos, seria a mesma coisa que falar:

"Potência RMS máxima admissível, segundo norma EIA RS-462-A"

É importante saber a norma para comparar produtos que foram testados da mesma forma. Mesmo com a potência especificada em Watts RMS, saber como foi feita a filtragem do ruído rosa também é importante. É difícil comparar um tweeter com 100 Watts EIA com outro com 100 Watts AES.

FILTRAGEM DE RUÍDO ROSA E POTÊNCIA DE FALANTES DE MÉDIOS E AGUDOS

O conceito de "filtragem de ruído rosa" pode trazer algumas dúvidas, por isso uma melhor explicação é interessante.

Na verdade, não há problema algum em um woofer receber sinais agudos (por exemplo, 5KHz a 20KHz). O woofer, devido ao grande tamanho e massa, não consegue reproduzi-los, e a energia elétrica será convertida apenas em energia térmica. Mas esse calor a mais faz pouca diferença, devido à grande massa do falante. Então, não há problema em enviar um sinal de ruído rosa puro (20Hz a 20KHz) para se testar um woofer.

Mas há de se notar que, se o woofer receber apenas sinais que consegue reproduzir, menos energia elétrica será transformada em calor e mais energia será transformada em som. Na prática, se mandarmos ruído rosa para um woofer, a sua potência total será uma. Mas se filtrarmos o ruído de forma que seus componentes sejam apenas sons que ele consegue responder, sua potência será outra, maior. A diferença será pouca, mas existirá.

Por outro lado, falantes de médios e agudos (drivers, mid-ranges, tweeters e supertweeters) não reproduzem sons graves, e a energia desses sons será transformada em calor. Mas devido ao seu pouco peso, existe um grande risco de sons nessas freqüências esquentarem demais a bobina do falante, que se romperá. Por isso, sempre os falantes de médios e agudos serão protegidos por filtros, como indutores e capacitores, de forma que não recebam sons desses tipos.

Por exemplo, veja o exemplo da especificação de um alto-falante do tipo driver:

Driver Hinor HMH200 - DRIVER MID HIGH
Potência RMS : 40 Watts (com crossover 2000Hz/ 12dB/ Oitava)
Potência RMS : 75 Watts (com crossover 4000Hz/ 12dB/ Oitava)

Repare que, quando o driver recebe sons a partir de 2KHz, ele agüenta receber um certo valor de potência. Nessa faixa, mais energia será transformada em calor e menos em som. Já quando o driver recebe apenas sons a partir de 4KHz, mais energia será transformada em som e menos em calor, por isso a potência recebida pode ser maior.

Ao se projetar uma caixa de som, o projetista precisa levar em conta vários fatores:
- o tipo de divisor de freqüência que será utilizado (um capacitor filtra 6dB/oitava, um capacitor com indutor filtra 12 dB/oitava, existem filtros mais complexos com 18db/oitava e até mesmo 24dB/oitava),
- a resposta de freqüência a qual o falante será submetido
- a atenuação de sensibilidade que será necessária.

Assim, a potência máxima que os falantes de médios e agudos suportarão não dependerá apenas da potência do próprio falante, mas de todo um conjunto de fatores. Muita gente acaba danificando seus drivers e tweeters por causa da não observância desses fatores. Impõe-se aos alto-falantes um regime de trabalho para o qual eles não são preparados e, com isso, podem vir a queimar.

POTÊNCIA DOS FALANTES X POTÊNCIA DOS AMPLIFICADORES

Um dos assuntos que mais levanta dúvidas para quem trabalha com sonorização é uma frase comentada por todos os profissionais:

"A potência do amplificador precisa ser duas vezes maior que a potência dos falantes"

Vejam um exemplo disso: http://www.studior.com.br/especial.htm

Por que isso? Por causa da diferença de formas de medição - sinal senoidal simples para amplificadores e ruído rosa para falantes - e também por causa do fator de crista desses sinais (+3dB e + 6dB.

Entenda que, quando o amplificador é levado ao seu limite, ele começa a distorcer - é o terrível Clipping. Todo amplificador profissional tem luzes indicativas de Clipping. Quando o amplificador trabalha abaixo do limite, a distorção é mínima (abaixo de 1%) e os falantes trabalham "folgados". Mas quando o amplificador trabalha acima desse limite, a distorção sobe muito e ultrapassa os limites suportados pelos falantes.

Quando acontece distorção, a onda de sinal se afasta muito do seu formato original (senóide) e forma uma onda quadrada. Ondas quadradas são fatais para os falantes, que não conseguem reproduzi-las, transformando tudo em calor e com isso ultrapassando o limite térmico da bobina, que se rompe, entre outros problemas.





Assim, o grande problema não é evitar que o falante receba mais potência do que a admissível. Eles são feitos para agüentar até 4x mais potência que o normal (fator de crista = +6dB). O grande problema é receber ondas quadradas. Nesses casos, mesmo com potências abaixo da máxima admissível, o falante pode sofrer danos. Aliás, os profissionais dizem que é mais comum ver falantes danificados por causa de baixa potência e alta distorção do que por causa de alta potência e nenhuma distorção (lembrando que existem outros motivos também para queima de falantes).

Por causa disso, muitos amplificadores (os melhores) são construídos com circuitos limitadores, de forma que o sinal é constantemente monitorado e - ao menor sinal de clipping - o nível do sinal é diminuído, de forma a não formar ondas quadradas. Quem não tem amplificador com limitadores deve proteger seus sistemas com compressores/limitadores.

Assim, por regra, se os amplificadores tiverem o dobro da potência máxima admissível pelas caixas (por exemplo: 2 caixas de 300W - total 600W - exigem um amplificador de 1.200 W), os limites de potência sem distorção das caixas acústicas e do amplificador serão idênticos, minimizando os riscos de queima de falantes.

Mas....será que é todo mundo que precisa disso? Amplificador é tão caro...

Não, nem todos precisam de amplificadores com mais potência que os falantes. Eu mesmo tenho mais que o dobro de potência de caixas em relação ao amplificador com o qual trabalho, e nunca tive nenhum problema de queima de falantes. Quase todo mundo que trabalha com igrejas também é assim, tem mais potência de caixas que potência de amplificador. Aliás, isso porque amplificadores são realmente caros!

O segredo não é a relação entre potências, mas sim o fato de não haver clipping. O segredo é vigiar a luz indicativa de clipping constantemente. Ela não está lá no amplificador à toa (apesar da maioria dos operadores não fazer idéia da sua função).

Os textos com a opinião dos fabricantes refletem uma situação do mercado profissional, gente que ´"tira o máximo" do equipamento, como um DJ tocando em uma festa, um trio elétrico, um show. Para quem leva o equipamento ao limite, é melhor mesmo que o limite do amplificador seja o mesmo que o limite das caixas. Mas em igrejas, onde temos crianças, idosos, vizinhos e o Disque-Silêncio, é comum estarmos longe do alcançar esses limites.

Agora, o quanto de potência precisamos realmente... isso fica para um próximo artigo.




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