Quando as pessoas estão olhando para comprar um amplificador de áudio automotivo, a especificação que verificam com mais frequência é quanta potência ele pode produzir. Potência é medida em watts – uma unidade universal de medida de potência. Neste artigo, explicamos o que é um watt e como ele é medido – tanto da maneira correta quanto incorreta.
Vamos tirar a definição formal de watt do caminho primeiro. Um watt é uma unidade SI (Système International) de medida de potência. A potência não precisa ser elétrica. Na verdade, a unidade watt foi nomeada em homenagem a James Watt e criada para quantificar o trabalho que um motor a vapor podia fazer. Naquela aplicação cinética, um watt era o trabalho realizado quando a velocidade de um objeto estava se movendo constantemente a 1 metro por segundo com uma força de 1 newton se opondo a ele. Ao nos referirmos a um motor elétrico, 1 horsepower equivale a 746 watts.
Por mais divertido que seja falar sobre horsepower, somos entusiastas de áudio automotivo, então vamos voltar aos trilhos com uma explicação do watt elétrico.
Em termos elétricos, um watt é uma transferência de 1 joule de energia sobre um período de 1 segundo. A próxima pergunta lógica é: o que é um joule? Um joule é outra unidade SI de medida, e define a quantidade de trabalho necessária para mover uma carga de 1 coulomb através de um potencial elétrico de 1 volt. Sim, a pergunta agora passa para o coulomb – o que diabos é isso? Um coulomb é uma unidade de carga elétrica – e é igual a -6,242 x 10^18 elétrons.
Perdido? Não se preocupe; estamos apenas apaziguando os nerds de matemática e medição entre nós. Vamos dividir isso no que importa.
Quando queremos usar eletricidade para fazer trabalho, temos que fluir elétrons através de um dispositivo como um filamento, motor ou bobina de voz. O resultado será, no caso de um alto-falante, que o campo magnético criado pelo fluxo de elétrons fará a bobina de voz ser atraída ou repelida do ímã fixo no nosso alto-falante. Quando fluímos mais elétrons, mais trabalho é feito, e o alto-falante se move mais para perto ou para longe do ímã.
Aqui é onde começamos a falar sobre equações de potência. Existem três métodos comuns de calcular a potência em um circuito – mas precisamos conhecer os valores de outras variáveis como voltagem, resistência ou amperagem. Quaisquer duas dessas variáveis podem ser usadas para calcular a potência feita em um circuito. Aqui estão as equações:
Se tivermos um circuito com resistência de 4 ohms e aplicarmos uma voltagem a ele com potencial de 10 volts, então temos 25 watts de potência. Aumentando essa voltagem para 20 volts, a potência disponível agora é de 100 watts. Podemos substituir e rearranjar as variáveis nas equações acima para descobrir qualquer outra variável – é álgebra simples.
Quando um técnico tem um amplificador em um banco de testes e quer medir potência, o técnico tipicamente conecta o amplificador a um banco de resistores de carga de alta potência, então mede a saída do amplificador quando o sinal atingiu um nível de distorção de 1%. A medição tomada é voltagem. Mais frequentemente, assumimos que a carga não é variável. Digamos que medimos 44 Volts RMS de um amplificador e temos o amplificador conectado a uma carga de 2 ohms. Isso resulta em 968 watts. É muito simples e muito repetível – mas não funciona no mundo real. Vamos ver por quê.
Isso vai ficar um pouco técnico. Sinais de áudio são sinais de corrente alternada (CA). Sinais CA são necessários para fazer o cone do alto-falante mover para frente e para trás de sua posição de repouso, mas eles tornam a medição de potência muito mais complicada. A forma como condutores e cargas reagem a sinais CA é diferente de sinais de corrente contínua (CC).
Como sinais CA mudam de direção, a polaridade dos campos magnéticos que criam também muda de direção. Tentar mudar a polaridade de campos magnéticos causa estragos no comportamento do fluxo de corrente. Uma vez que a corrente começa a fluir e configura um campo magnético, ela não gosta de parar. Imagine uma voltagem CC – todos os elétrons estão se movendo na mesma direção o tempo todo. Eles estão felizes e não têm reclamações. Quando se trata de sinais CA, porém, esse fluxo de elétrons tem que mudar de direção. Com um sinal de 20 kHz, a mudança de direções acontece 20.000 vezes por segundo. Elétrons são preguiçosos – eles gostam de continuar fazendo o que estavam fazendo. Por causa disso, eles se opõem a uma mudança de direção.
Um indutor é verdadeiramente nada mais que uma bobina de fio. Vemos indutores em redes de crossover passivo e estágios de filtro de amplificadores Classe D. Quando elétrons estão fluindo através de um indutor, eles configuram um forte campo magnético. Quando você tira a fonte de voltagem, os elétrons tentam continuar fluindo. Na verdade, se você já viu um relé com um diodo conectado a ele, esse diodo está lá para dar a esse fluxo de elétrons para onde ir, em vez de voltar para o circuito que controlava a função do relé.
Quando aplicamos um sinal CA a um indutor, quanto maior a frequência, mais difícil é mudar a direção do fluxo de elétrons. A resistência ao fluxo de corrente alternada é chamada de reatância indutiva. Pense nisso como resistência, mas apenas aplicável a sinais CA. Indutores se opõem a uma mudança no fluxo de corrente. Se desconectarmos nossa fonte de corrente alternada e medirmos a resistência CC de um indutor com um multímetro, o número que vemos na tela é a resistência. Para medir a reatância de um indutor, precisamos de um dispositivo que possa aplicar um sinal CA e medir a queda de voltagem efetiva através do indutor.
A fórmula para calcular reatância indutiva é Xl = 2 x pi x F x L, onde F é a frequência do sinal CA aplicado, L é o valor de indutância do indutor medido em henries e Xl é a reatância indutiva em ohms. Você pode ver que a indutância aumenta com a frequência, como mencionamos anteriormente.
A bobina de voz de um alto-falante é e age como um indutor.
Temos mais más notícias para você. Como um indutor se opõe à mudança no fluxo de corrente, surge um erro de temporização. Temporização de quê, você pergunta? O tempo relativo entre a voltagem CA através do indutor e o valor CA da corrente fluindo no indutor. Em um indutor perfeito (sem resistência CC), a corrente através do indutor atrasa a voltagem através do indutor em 90 graus ou ¼ da frequência do sinal sendo passado.
Deixe isso afundar por um segundo, então pense de volta às nossas equações para potência. Potência é voltagem vezes corrente. Mas e se o pico de corrente não estiver acontecendo no mesmo momento que o pico de voltagem? Não podemos simplesmente multiplicar os dois números juntos para obter a potência no circuito. Pior, a quantidade de tempo que a corrente atrasa a voltagem depende da resistência CC do indutor e da reatância indutiva – para a maioria dos alto-falantes de áudio automotivo, a resistência CC geralmente está entre 2 e 8 ohms. A indutância está entre 0,04 mH para um tweeter de alta qualidade a mais de 5 mH para um grande subwoofer.
Há mais um desafio: A indutância muda dependendo do nível de excitação do alto-falante e da posição do cone do alto-falante.
Temos certeza que você concorda – É tudo muito complicado, mas não desista ainda.
Como medimos a potência real em um circuito CA? Existem algumas maneiras. Podemos medir corrente e voltagem instantâneas em uma taxa de amostragem muito alta e multiplicá-las. A taxa de amostragem teria que ser 20 ou 30 vezes a frequência que medimos para ser razoavelmente precisa. Também podemos usar medidores convencionais para medir a quantidade de corrente e voltagem no circuito, então usar um Medidor de Ângulo de Fase para encontrar a relação relativa entre os dois. Praticamente nenhum de nós tem um medidor de ângulo de fase independente em nossas caixas de ferramentas. O que não podemos fazer é apenas multiplicar voltagem e corrente uma pela outra.
Se você está lendo isso, provavelmente vagueia pela Internet com alguma frequência. Você sem dúvida viu entusiastas de SPL tentarem medir a potência produzida por seus amplificadores por "grampo" (clamping). Eles conectam um grampo de corrente a um dos fios do alto-falante saindo do amplificador e colocam um voltímetro através dos terminais do amplificador.
Isso cria três problemas:
Se você achou nossa definição de watt complicada, então explicar como calcular potência em uma carga reativa o empurraria para a borda, então não vamos explicar tudo. Esse é um tópico salvo para cursos de faculdade ou universidade sobre potência CA. O que vamos fazer é fornecer uma solução para fazer medições de potência complicadas.
A realidade é que quando se trata de medir potência de um amplificador enquanto conectado a um alto-falante, obter resultados precisos é muito difícil. Algumas empresas produzem medidores de potência de áudio automotivo. A unidade mais popular é a D'Amore Engineering AMM-1. O AMM-1 é um medidor portátil que mede simultaneamente corrente e voltagem, e calcula o ângulo de fase entre eles para fornecer uma medição de potência precisa. O AMM-1 mostrará quanta potência real seu amplificador está produzendo. (Por favor, não chore se for menos do que você pensava.)
O AMM-1 também pode mostrar volt-ampères. Volt-ampères são calculados multiplicando corrente pela voltagem. Você também pode ver o ângulo de fase da carga em outra tela. Se você é sério sobre medir potência quando um amplificador está acionando uma carga reativa como um alto-falante, então esta é a ferramenta que você precisa.
Quando você está comprando um amplificador, os números que geralmente vê citados são medidos em cargas resistivas. A maioria dos amplificadores não tem problema em acionar cargas reativas, então você pode confiar nos números publicados, desde que a especificação de distorção seja claramente definida.
A especificação CEA-2006A (agora chamada CTA-2006A) para medição de potência define a distorção máxima do sinal durante a medição como sendo 1%, e não mais que 14,4 volts podem alimentar o amplificador. Comparar especificações de potência usando este padrão nivelou o campo de jogo na indústria de áudio automotivo.
Olharemos para outras especificações de amplificadores muito importantes em outro artigo. Estas outras especificações podem, de fato, ser mais importantes para escolher o amplificador certo para seu sistema do que quanta potência o amplificador produz. Até lá, passe no seu varejista especialista em áudio automotivo local para descobrir sobre os amplificadores mais recentes disponíveis para seu sistema. Existem alguns amplificadores incríveis no mercado com muitos recursos legais.
Boa audição!
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