À medida que avançamos para o final de nossa discussão sobre teoria elétrica de áudio automotivo, precisamos falar sobre capacitância e indutância e como as características desses fenômenos interagem com sinais CA e CC. Não há dúvida de que estes são conceitos avançados, mas mesmo uma compreensão básica de como capacitores e indutores funcionam é fundamental para uma compreensão completa de sistemas de eletrônica móvel.
Um capacitor é um componente eletrônico de dois terminais que armazena energia. Capacitores são feitos de duas placas metálicas separadas por um isolante elétrico. Quando aplicamos uma tensão a um terminal do capacitor, os elétrons em uma placa exercem uma força na placa oposta para criar uma carga oposta. O resultado é que as placas têm cargas iguais e opostas e, assim, mantêm um campo elétrico. Como as placas em um capacitor estão muito próximas, eles podem armazenar uma grande quantidade de energia para seu tamanho total.
Capacitores são quantificados em unidades de farads. Um farad é definido como um coulomb de carga em cada placa, resultando em uma tensão de um volt nos terminais.
Capacitores são, em sua função mais básica, um dispositivo que armazena um campo magnético microscópico entre suas placas. Quando aplicamos uma tensão CC a um capacitor descarregado, ele aparece como um curto-circuito por um instante enquanto os campos magnético e elétrico começam a se formar entre suas placas. À medida que o capacitor começa a armazenar energia, sua resistência efetiva aumenta e a quantidade de corrente fluindo através do dispositivo é reduzida. Uma vez que o capacitor igualou a tensão de alimentação, quase nenhuma corrente passa através do dispositivo.
Quando removemos a tensão de alimentação de um capacitor, ele tentará manter a tensão nos terminais. É essa característica que torna os capacitores uma solução ideal para reduzir variações de tensão. Capacitores resistem a mudanças de tensão.
Dentro dos amplificadores em nossos sistemas de áudio automotivo, capacitores são usados para armazenar grandes quantidades de energia na tensão do rail. Quando há uma demanda repentina por corrente que excede a capacidade da fonte de alimentação, os capacitores liberarão energia para manter sua tensão inicial. Essa característica ajuda a estabilizar a tensão do amplificador durante transientes dinâmicos. Esse mesmo conceito se aplica a "capacitores de reforço" usados na alimentação de 12V do seu amplificador. Quando implementados com componentes de alta qualidade, a adição de um grande capacitor pode ajudar a fornecer corrente transitória ao amplificador.
Em circuitos de corrente alternada, os capacitores assumem um fenômeno interessante de "resistência virtual". Como sabemos, capacitores não gostam de mudar a tensão, mas um sinal CA é definido como constantemente variável. Dependendo da relação entre o valor do capacitor e a frequência do sinal CA, alguma quantidade de corrente é permitida passar pelo capacitor.
Se tentarmos medir a resistência de um capacitor com um multímetro convencional, veremos que ele mostra um valor extremamente alto. Para sinais CA, usamos a fórmula Xc = 1 / (2 x 3,1416 x F x C) para calcular a resistência efetiva, onde F é a frequência do sinal e C é o valor do capacitor em farads. Como essa resistência não está presente em sinais CC, a chamamos de reatância capacitiva.
Se quisermos criar um circuito de filtro simples para limitar a quantidade de sinal de baixa frequência indo para um alto-falante, poderíamos ligar um capacitor não polarizado em série com o alto-falante. Para calcular a frequência na qual o capacitor começa a reduzir os graves indo para o alto-falante, podemos reorganizar a equação acima para F = 1 / (2 x 3,1416 x R x C), onde R é o mesmo valor da resistência do alto-falante. Para um alto-falante de quatro ohms e um capacitor com valor de 200 uF (microfarads), obtemos uma frequência de 198,9 Hz. Nesta frequência, o capacitor parece ter a mesma reatância que o alto-falante, e o sinal que vai para o alto-falante é reduzido em 50%. Como a capacitância é inversamente proporcional à frequência, a impedância do capacitor aumenta à medida que a frequência diminui. A 99 Hz, a reatância é 8 ohms, a 50 Hz, é 16 ohms, e assim por diante. Esse fenômeno simultaneamente reduz a corrente fornecida pelo amplificador e atua como um divisor de tensão entre o capacitor e o alto-falante.
Um capacitor em série com um alto-falante é conhecido como filtro passa-alta de primeira ordem. Ele reduz a saída do alto-falante a uma taxa de -6dB por oitava à medida que você se afasta da frequência de crossover definida acima. Capacitores são adequados como filtros para drivers de médios e agudos em designs passivos e como dispositivos de proteção para tweeters em designs ativos.
Em termos mais simples, um indutor é uma bobina de fio que cria um campo magnético baseado na quantidade de corrente fluindo através dele. Muitos indutores possuem núcleos de ferro para aumentar a intensidade do campo magnético. Onde um capacitor resiste a mudanças de tensão, um indutor resiste a mudanças no fluxo de corrente. Sabemos de nosso artigo anterior sobre magnetismo que a corrente fluindo através de um condutor cria um campo magnético ao redor desse condutor. Se enrolarmos o condutor em um laço, a proximidade dos laços uns dos outros intensifica o campo magnético.
Também de nosso artigo anterior, sabemos que um campo magnético pode induzir uma tensão em um condutor. Se a corrente em um indutor tenta mudar, o campo magnético tenta criar uma tensão no dispositivo para manter o fluxo de corrente.
Uma boa analogia para um indutor é um volante em um motor. Uma vez que você estabeleceu uma velocidade rotacional específica, é necessário uma grande quantidade de trabalho para aumentar ou diminuir sua velocidade. Indutores funcionam da mesma forma com a corrente. Eles resistem a mudanças no fluxo de corrente. Indutores são classificados usando a unidade henry (H). Um henry é definido como a oposição ao fluxo de corrente elétrica através de um dispositivo que resulta em um volt de força eletromotriz aparecendo nos terminais.
Na maioria das aplicações, não queremos indutores em um circuito CC de 12V porque eles resistem a mudanças no fluxo de corrente. Para uma carga variável como um amplificador, uma grande quantidade de indutância na fiação de alimentação resultaria em uma tensão de alimentação instável à medida que os requisitos de corrente mudam.
Existem alguns casos onde indutores são usados em combinação com um capacitor para atuar como filtro de ruído.
Em um circuito CA, indutores permitem que sinais de baixa frequência passem pelo dispositivo com pouco ou nenhum efeito. Se ligarmos um indutor em série com um alto-falante, ele atua como um filtro passa-alta. Ao contrário de um capacitor, em um circuito CC, um indutor aparece como um curto-circuito com resistência muito baixa. Para um sinal CA, podemos calcular a reatância indutiva de um capacitor usando a equação Xl = 1 x 3,1416 x F x L, onde F é a frequência e L é a indutância em henries.
Se quisermos usar um indutor como filtro passa-alta, podemos determinar o ponto de crossover efetivo trocando o Xl pela resistência do alto-falante. Neste exemplo, usaremos um indutor com valor de 6 mH (milihenries) e um alto-falante com impedância nominal de 4 ohms. Lá, o ponto -3dB do circuito de filtro seria F = 4 / (2 x 3,1416 x 0,006), ou 106,1 Hz. Esse valor de indutor faria um bom filtro passa-baixa para um woofer. Assim como um capacitor em série com um alto-falante, um indutor atua como um filtro de primeira ordem e reduz a saída a uma taxa de -12dB por oitava à medida que a frequência aumenta a partir do ponto de crossover.
Sempre que dois condutores são paralelos entre si e em proximidade próxima, haverá algum nível de capacitância. Muitos entusiastas excessivamente exuberantes falam sobre capacitância em cabos de interconexão. Embora isso seja um fator, as mudanças microscópicas (se de fato alguma for perceptível) podem ser compensadas durante o processo de ajuste do sistema. Quando se trata de comprar interconexões de alta qualidade, rejeição de ruído e durabilidade geral do design devem ser seus principais objetivos.
O enrolamento da bobina de voz nos alto-falantes que usamos tem uma certa quantidade de indutância. Essa característica reduz a saída de alta frequência reduzindo o fluxo de corrente em altas frequências. Como os alto-falantes são dinâmicos, seus parâmetros mudam à medida que o cone do alto-falante se move. Da mesma forma que ter um núcleo de ferro em um indutor aumenta a indutância em comparação com um design de núcleo de ar, a indutância de uma bobina de voz do alto-falante aumenta quando o conjunto do cone se move para trás na cesta. O T-yoke no centro do alto-falante aumenta a força do campo magnético criado pela corrente na bobina de voz. Da mesma forma, à medida que o alto-falante se move para frente, a indutância diminui. Essas distorções de indutância baseadas na posição podem causar um efeito de warbling de alta frequência que pode ser prejudicial à reprodução da sua música. Uma solução é implementar um design de bobina de voz under-hung onde o gap é mais alto que o enrolamento da bobina. A desvantagem desse design é que a bobina de voz é frequentemente pequena e carece de capacidade de potência. Outra opção é incluir uma tampa de polo de cobre para reduzir o campo magnético e minimizar a distorção. Uma tampa de cobre é uma opção cara, mas oferece excelentes benefícios de desempenho.
Por enquanto, este é o fim de nossa série de artigos sobre teoria elétrica de áudio automotivo. Esperamos que você tenha gostado de aprender sobre a física por trás de como seu sistema de áudio automotivo funciona. Nosso objetivo é educar entusiastas para que eles possam fazer compras e atualizações informadas em seus sistemas de som móveis. Se você tiver alguma dúvida, visite seu revendedor especializado em eletrônica móvel local. Eles podem ajudá-lo a projetar uma atualização que realmente transformará seu trajeto em uma experiência auditiva agradável.
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