Alto-falantes III - Em série e paralelo
Impedância e ligações em série e paralelo: nem sempre é positivo com positivo e negativo com negativo. No artigo anterior mostramos que a quantidade ideal de alto-falantes para um carro depende do objetivo (mais qualidade ou mais intensidade) e vimos como aumentar a intensidade sonora sem perder qualidade. Neste artigo veremos como a quantidade de alto-falantes vai influenciar na escolha do amplificador.
O xis da questão está em conciliar a impedância que o amplificador pode trabalhar com a impedância resultante da ligação dos alto-falantes. Mas o que vem a ser impedância?
Um dos conceitos mais básicos e, ao mesmo tempo, menos compreendido, a impedância tem grande influência sobre o rendimento de um sistema de áudio automotivo.
Tecnicamente, impedância é o resultado da reatância capacitiva e da reatância indutiva em um determinado circuito. De uma maneira bastante resumida, impedância pode ser definida como a resistência elétrica (medida em Ohms) de um circuito por onde passa uma corrente alternada. Em um alto-falante essa resistência varia de acordo com a freqüência (medida em Hz) dessa corrente elétrica. E é justamente porque varia conforme a freqüência que a resistência de um alto-falante chama-se impedância (e não simplesmente resistência). Também por esse motivo você nunca vai conseguir medir a impedância de um alto-falante apenas usando um multímetro.
Para medir a impedância, precisamos de, no mínimo, um gerador de freqüência, um multímetro e cargas resistivas precisas (fazendo uso do multímetro mede-se apenas a resistência ôhmnica da bobina, que possui um valor próximo ao da impedância).
Com isso podemos fazer uma pergunta: se o valor da impedância não é fixo, como os fabricantes afirmam que um determinado alto-falante tem impedância de 4 Ohms?
A resposta está na curva de impedância, conforme a figura 1. Nesta figura observamos o gráfico da curva de impedância de um alto-falante ao ar livre e notamos que existe um pico de quase 20 Ohms em 30Hz. Acima dessa freqüência a impedância tem uma queda e estabiliza-se em 4 Ohms até uns 40Hz e, a partir disso, passa a aumentar lentamente, mas sem chegar aos 20 dB novamente.
Agora vem o interessante: a impedância de um alto-falante é justamente o menor valor encontrado após o pico no gráfico da curva de impedância. Observe a figura 2. Nos dois exemplos (figuras 1 e 2) os gráficos mostram que o menor valor de impedância do alto-falante é 4 Ohms. Isso significa que a menor impedância que esse alto-falante vai apresentar para qualquer amplificador será 4 Ohms. Assim, quando um fabricante diz que seu alto-falante tem impedância de 4 Ohms, ele quer dizer que o menor valor de impedância que o alto-falante pode apresentar é 4 Ohms.
Na prática, ou seja, nas instalações de som do dia-a-dia você só precisa prestar atenção a esse valor fornecido pelo fabricante para saber qual o valor da impedância do alto-falante (a não ser que você esteja querendo disputar um campeonato de SPL, mas isso já é outra história que deixarei mais para frente, à medida que os artigos forem ficando mais aprofundados).
Sabendo o que é impedância (pelo menos, de uma forma bastante resumida), vamos ver como a grandeza afeta a relação entre nossos alto-falantes e nossos amplificadores. Sempre que você conectar um (ou mais) alto-falante a um amplificador é bom saber que a impedância resultante vai influenciar muito no rendimento desse amplificador. Quanto menor a impedância resultante da ligação entre os alto-falantes maior será a potência liberada pelo amplificador, desde que o valor dessa impedância esteja de acordo com a capacidade do amplificador. Vejam como funciona a coisa. A fórmula para cálculo de potência é:
P = (V2/R)
onde:
P = Potência (no caso em watts);
V = Tensão AC (em volts);
R = Resistência (em Ohms).
Para visualizarmos melhor, consideremos a figura 3. Nesta figura temos um determinado amplificador que libera em sua saída 30 volts de corrente alternada e está conectado a um alto-falante de 8 Ohms. Dessa forma, a potência liberada deve ser algo em torno de 112,5 watts:
P = (302 / 8).:
P = 900 / 8.:
P = 112,5 watts
Se substituirmos, entretanto, o alto-falante por um outro com uma impedância de 4 Ohms, teremos uma diferença na potência total liberada pelo amplificador. Analise a figura 4. Nesta figura temos o mesmo amplificador de potência (que libera os mesmos 30 volts AC). Só que, dessa vez, temos um alto-falante de 4 Ohms. A potência total liberada nesse caso deve ser de aproximadamente 225 watts. Veja o cálculo:
P = (302 / 4).:
P = 900 / 4.:
P = 225 watts
Diminuindo a impedância, teremos cada vez mais potência. Isso pode fazer você acreditar que, se colocar 1 Ohm de impedância, conseguirá 900 watts de potência do amplificador, pois fazendo o cálculo:
P = (302 / 1).:
P = 900 / 1.:
P = 900 watts
Mas isso somente será possível se o amplificador puder trabalhar com impedância de 1 Ohm. Caso contrário, você não vai conseguir aumentar a potência (só aumenta a distorção). Em compensação, irá provocar danos no amplificador (vai superaquecer até acionar o sistema de proteção ou queimar).
Digamos que seu amplificador seja capaz de trabalhar com uma impedância mínima de 2 Ohms por canal. Se você usar alto-falantes com ligação que apresente uma impedância final superior a 2 Ohms, nunca conseguirá obter a potência máxima desse amplificador. Por outro lado, se usar alto-falantes com impedância final inferior a 2 Ohms, vai superaquecer o amplificador e aumentar muito o nível de distorção. Não há como fugir disso, pois é Física pura.
De acordo com a Lei de Ohm, se a tensão permanecer a mesma, sempre que a potência aumenta é porque a resistência diminuiu. E, se a resistência aumentar, a potência vai diminuir.
Assim, para que um amplificador forneça sua potência máxima com o mínimo de distorção sem superaquecer, é necessário que se respeite o limite mínimo de impedância (especificado no manual de instruções) para os canais de saída desse amplificador.
Para que a impedância final de uma certa quantidade de alto-falantes tenha um valor igual ou próximo ao valor mínimo de impedância de trabalho do seu amplificador, basta ligar os alto-falantes em série ou em paralelo, ou ainda em série-paralelo, usando apenas o valor de impedância que está no manual de instruções fornecido pelo fabricante.
Ligação em paralelo: O objetivo de se fazer uma ligação em paralelo é o de diminuir o valor da impedância. Quanto mais alto-falantes ligados em paralelo menor será a impedância. Para se ligar um ou mais alto-falantes em paralelo basta unir os pólos positivos com os pólos positivos e os negativos com os negativos, conforme as figuras 5 e 6. O valor final da impedância é calculado pela seguinte fórmula:
Z = 1 / [ (1/z1) + (1/z2) + ... (1/zn)]
onde:
Z = impedância final
z1 = z2 = zn = impedância nominal de cada alto-falante envolvido na ligação
A partir dessa fórmula entendemos que dois alto-falantes de 4 Ohms ligados em paralelo apresentam impedância de 2 Ohms (veja novamente a figura 5).
Ligação em série: O objetivo de se ligar alto-falantes em série é aumentar o valor da impedância. Quanto mais alto-falantes ligados em série maior será a impedância. Para se ligar um ou mais alto-falantes em série, basta unir o pólo positivo do primeiro alto-falante com o pólo negativo do segundo alto-falante. Dessa forma, sobram dois pólos (um positivo e um negativo) os quais serão ligados ao amplificador. Considere as figuras 7 e 8. O valor final da impedância é calculado pela seguinte fórmula:
Z = z1 + z2 + ... zn
onde:
Z = impedância final
z1 = z2 = zn = impedância nominal de cada alto-falante envolvido na ligação
Com essa fórmula entendemos que dois alto-falantes de 4 Ohms ligados em série apresentam impedância de 8 ohms (veja novamente a figura 7).
Ligação em série-paralelo: O objetivo de se ligar falantes em série-paralelo é aumentar a quantidade de falantes sem aumentar ou diminuir muito o valor da impedância. Para ligar alto-falantes em série-paralelo é necessário que haja ao menos três alto-falantes (dois se tiverem bobina dupla), mas recomendamos que se façam ligações em série-paralelo com quantidade maior ou igual a quatro alto-falantes, no caso dos modelos de bobina simples, e dois, no caso dos de bobina dupla. A figura 9 mostra a configuração da ligação em série-paralelo. O valor final da impedância é calculado pela união das fórmulas mencionadas. Deve-se tomar apenas cuidado em calcular primeiro a impedância resultante das ligações em paralelo para depois fazer a soma das ligações em série. Por exemplo, a figura 9 apresenta uma impedância resultante de 4 Ohms, pois:
2 falantes em paralelo-série e 2 falantes em paralelo
Z = 1 / [ (1/z1) + (1/z2)] + 1 / [ (1/z3) + (1/z4)]
Z = 1 / [ (1/4) + (1/4)] + 1 / [ (1/4) + (1/4)]
Z = 1 / 0.50 + 1 / 0.50
Z = 2 + 2
Z = 4 Ohms
A partir dos três tipos de ligações entre alto-falantes fica bem fácil extrair a máxima potência de qualquer amplificador. Basta utilizá-lo em sua impedância mínima de trabalho.
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