Tudo que você sempre quis saber sobre Casamento de Impedância!
julho 20, 2011 Deixe um comentário
Hoje vamos falar de um tema que aflige e tira o sono de muitos músicos e profissionais do áudio – mesmo os mais experientes: como conectar caixas, amplificadores, potências e pré-amps com tantas conexões, impedâncias e modelos diferentes disponíveis no mercado.
Por mais que pareça um bicho de sete cabeças, essas conexões não são complicadas e seguem sempre um padrão lógico. Para explicarmos isso de forma clara, precisamos começar lá do começo: o casamento de impedância. Mas, afinal, o que é “casamento de impedância”? Se você pensou em alianças, padre, altar, glamour e coisas do gênero, você está no caminho certo… para queimar seu sistema de áudio! Sem o glamour de um casamento tradicional com véu e grinalda, o casamento de impedância é, de fato, uma união, mas de circuitos!
Impedância
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Para entendermos o que é o casamento de impedância, precisamos primeiro entender o que é impedância. Tecnicamente, impedância é o resultado da reatância capacitiva e da reatância indutiva em um determinado circuito. De maneira simples, a impedância elétrica (ou simplesmente impedância) é a oposição (impedimento, resistência, força contrária) que um circuito (o “caminho” da energia elétrica entre os pólos positivo e negativo) faz à passagem de corrente elétrica.
Todo material apresenta impedância, em maior ou menor grau. Materias condutores apresentam baixa impedância, ou seja, são facilmente atravessados por corrente elétrica, enquanto materiais isolantes (não condutores) apresentam altas (ou altíssimas) impedâncias, não deixando que a corrente elétrica os atravesse ou apresentando muita resistência a essa corrente.
A impedância é medida em Ohms e seu símbolo é uma simpática ferradura (Ω), símbolo originário do alfabeto grego, indicativo da letra Ômega. O nome é uma homenagem ao físico alemão George Simon Ohm, quem primeiro descreveu estes fenômenos no início do século XIX. Materiais condutores apresentam poucos Ohms de resistência, enquanto materiais isolantes apresentam milhares (K Ohms, sendo K o indicativo de mil) ou milhões (M Ohms, sendo M o indicativo de milhão) de Ohms de impedância. A letra “Z” é indicada para representar a impedância elétrica. Em áudio, encontramos em Direct Boxes e em alguns cubos para instrumentos conexões chamadas de “High Z” e “Low Z”, indicando conexões para equipamentos de alta impedância e de baixa impedância.
Alto-falante e Caixas Acústicas
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Um alto-falante possui uma parte condutora chamada bobina (um fio enrolado sobre si mesmo diversas vezes) e uma parte mecânica (cone, aranha, etc). A energia elétrica, ao passar pelo alto-falante, encontra uma resistência elétrica (o fio da bobina), uma resistência magnética (a interação entre o campo magnético da bobina e o imã fixo do alto-falante) e uma resistência mecânica (uma dificuldade causada pela inércia para movimentar os componentes mecânicos). A soma desses três fatores é que dará a “resistência”, ou impedância nominal, desse alto-falante. Essa “resistência” varia de acordo com a freqüência da corrente elétrica circulando e é justamente por isso que se chama impedância (e não simplesmente resistência). Também por esse motivo você nunca vai conseguir medir a impedância de um alto-falante apenas usando um multímetro.
Como a impedância varia de acordo com a frequência (um mesmo alto-falante pode apresentar uma impedância quando recebe 200Hz e outra quando recebe 2kHz), a impedância nominal é definida então como o menor valor da soma das resistências (elétrica + mecânica), encontrada em toda a resposta de frequência do falante. Em geral, alto-falantes são construídos em valores padronizados em todo o mundo, nos valores de 2, 4, 8, 16 e 32 Ohms. Os mais comum de encontrarmos são os falantes com uma impedância nominal de 4 Ohms (muito comum para sistemas automotivos) ou 8 Ohms (muito comum para sistemas de PA). Entretanto, apesar da padronização, nada impede que exista um falante com características específicas (feito para usos especiais).
Como vimos, podemos considerar a impedância nominal de um alto-falante para efeitos de cálculo e para realizarmos a associação de 2 ou mais alto-falantes. Ao montarmos uma caixa acústica com mais de um alto-falante, podemos realizar essa associação de diversas formas e cada uma dessas formas vai resultar em um valor diferente de impedância. Essa impedância, vai ser a impedância nominal da caixa; aquele número que aparece escrito em uma etiqueta junto ao conector de entrada da caixa.
Ligação dos Alto-Falantes
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Existem, em suma, três formas de ligar alto-falantes em uma caixa acústica: série, paralelo e a junção das duas.
Considerando que o alto-falante é um resistor com valor nominal, podemos fazer essas ligações conforme mostram as figuras ao lado. Em uma associação em série de resistores, o resistor equivalente é igual à soma de todos os resistores que compõem a associação.
A imagem mostra que o caminho da energia elétrica (a letra “i”, em vermelho) entre os pólos positivo e negativo de uma fonte de tensão (uma bateria, uma pilha, a tomada de energia da casa, etc) é composto por uma série de resistores ligados um ao outro (daí o nome: associação em série). Na verdade, seria a mesma coisa que atravessar um único resistor cujo valor é equivalente à soma de todas as resistências dos diversos componentes ligados em série.
Para calcular o valor da resistência equivalente (Req) temos a fórmula: Req = R1 + R2 + R3 + R5 + … + Rn, sendo “n” o último dos resistores que compõem o caminho. É importante também citar que a resistência equivalente de uma associação em série sempre será maior que o resistor de maior valor da associação.
Uma outra forma de ligar os resistores é fazendo múltiplos caminhos para a energia, caminhos estes um ao lado do outro (ou seja, paralelos entre si), sendo que a energia elétrica será distribuíra por todos estes caminhos. Neste caso, a Req é calculada de outra forma: 1/Req = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3) + (1/R4) + … + (1/Rn). Enquanto a outra fórmula era só somar, essa daqui exige alguns cálculos mais complicados. Entretanto, se os diversos resistores tiverem valores idênticos, podemos usar uma fórmula mais simples: Req = R/n. Onde R representa o valor da impedância dos resistores (o valor de um deles, lembrando que todos têm que ter o mesmo valor) e “n” é o número de resistores. É importante citar que a impedância total será sempre menor que o resistor de menor resistência da associação.
Amplificadores e Casamento de Impedância
Agora que você já sabe tudo sobre impedância, ligação de alto-falantes e caixas acústicas, deve estar se perguntando onde entra a história do casamento. O casamento de impedâncias nada mais é do que a conexão de circuitos diferentes (com impedâncias diferentes) de forma que o máximo em rendimento possa ser obtido. Colocando isso de forma simples e no contexto do áudio: é a melhor forma de conectar um amplificador em uma caixa acústica para que ambos rendam o máximo possível e para que não haja danos a nenhum dos dois.
Cinco fatores de igual importância devem ser considerados nessa conexão: a potência do amplificador, a potência suportada pela caixa, a impedância de saída do amplificador, a impedância de entrada da caixa e a qualidade do cabo utilizado para a conexão. Cada um desses fatores é determinante para o sucesso (ou fiasco) da operação.
Uma das leis da Física que regem o tema (Lei de Ohm), diz o seguinte: Potência = Voltagem² / Impedância.
Ou seja, a potência sempre é calculada em relação a uma voltagem e a uma determinada impedância de carga. Considerando que os amplificadores utilizados em áudio produzem uma determinada voltagem quando submetidos a uma impedância (uma caixa acústica ou um conjunto de caixas*), então a fórmula citada pode ser usada para aferir a potência desses aparelhos.
*os amplificadores não sabem se há uma única caixa acústica ou diversas caixas ligadas a ele. Só enxergam impedância, seja ela de uma só caixa ou a impedância equivalente de um conjunto de caixas.
Vamos dar uma olhada no que acontece com os amplificadores quando variamos a impedância do sistema de caixas acústicas/falantes. Por exemplo, vejamos um amplificador com saída em 80 Volts sobre uma impedância de 8 Ohms:
Potência = (80V) ² / 8 (Ohms) = 6400 / 8 = 800 Watts
Mantendo a voltagem constante, só que agora com 4 Ohms:
Potência = (80V) ² / 4 (Ohms) = 6400 / 4 = 1.600 Watts
Agora com 2 Ohms:
Potência = (80V) ² / 2 (Ohms) = 6400 / 2 = 3.200 Watts
Agora com 1 Ohm:
Potência = (80V) ² / 1 (Ohm) = 6400 / 1 = 6400 Watts
Então, podemos concluir que quanto menor o valor da impedância encontrada no sistema de caixas acústicas,
maior será a potência obtida do amplificador.
Vamos aumentar a impedância do sistema de caixas para ver o que acontece. A mesma voltagem, só que agora com 16 Ohms:
Potência = (80V) ² / 16 (Ohms) = 6400 / 16 = 400 Watts
Agora com 32 Ohms:
Potência = (80V) ² / 32 (Ohms) = 6400 / 32 = 200 Watts
Agora com 64 Ohms:
Potência = (80V) ² / 64 (Ohms) = 6400 / 64 = 100 Watts
Com 128 Ohms:
Potência = (80V) ² / 128 (Ohms) = 6400 / 128 = 50 Watts
Disso podemos concluir que quanto maior o valor da impedância encontrada no sistema de caixas acústicas,
menor será a potência obtida do amplificador.
Ou seja, Impedância e Potência são grandezas inversamente proporcionais. Quando uma aumenta, a outra diminui, e vice-versa. Se você está atento à explicação, concluiu facilmente que a melhor situação é utilizar a impedância sempre a mais baixa possível, através de associações em paralelo. Certo? Não é bem assim…
Parte traseira de um amplificador SWR Headlite. Repare na descrição da saída “4 Ohm Min – 400W”. Isso especifica impedância mínima de 4 Ohms e informa que o amplificador fornece 400W nessa impedância.
Amplificadores de áudio são projetados de forma a ter o máximo rendimento em uma determinada impedância mínima, em geral 8 Ohms, 4 Ohms ou 2 Ohms (alguns, inclusive, têm uma chave para mudar a impedância de saída). Se diminuirmos a impedância para valores abaixo desse mínimo (por exemplo, 2 Ohms em um amplificador projetado para 4 Ohms), o amplificador continuará realizando seu trabalho, mas agora fora das condições normais de uso, o que irá provocar danos ao equipamento. Essa é a situação mais comum onde caixas acústicas são danificadas e os alto-falantes acabam queimados. A corrente circulando pelo alto-falante é maior do que ele pode suportar e, em geral, a bobina se abre, inutilizando o alto-falante. Por outro lado, não há limites para o aumento da impedância, mas é importante salientar que a potência fornecida pelo amplificador será cada vez menor, muitas vezes inadequada para uma sonorização eficiente.
Lembre-se: a ligação ideal onde amplificador e caixa rendem o máximo possível é quando a impedância de saída do amplificador é igual à impedância da caixa, resultando num casamento perfeito, não só de impedância, mas de todo o sistema de áudio!
