Está confuso sobre o que exatamente capacitores ou indutores fazem num crossover de alto-falante? Chegou ao lugar certo!
Neste artigo, encontrará tudo explicado com diagramas claros e fáceis de entender que criei. Adoraria ajudá-lo a aprender e compreender melhor estes componentes de áudio extremamente úteis. Continue a ler e aproveite!
Indutores e capacitores são os componentes básicos por trás de todo tipo de eletrónica de áudio maravilhosa, incluindo sistemas de alto-falantes em casa ou no carro. Cada um é considerado um componente passivo, pois não necessitam de fonte de alimentação para funcionar.
O que é realmente interessante é como são quase opostos polares, mas podem trabalhar juntos num crossover não alimentado (crossover passivo) para melhorar drasticamente a qualidade do som e obter o máximo dos seus alto-falantes.
Um indutor é uma bobina de fio bem enrolada com um número específico de voltas que aproveita uma propriedade chamada indutância. A indutância é a tendência de um condutor (neste caso, uma bobina de fio) a opor-se a uma mudança na corrente elétrica que o atravessa, devido aos campos magnéticos que gera.
São usados em motores elétricos, solenoides, bobinas de ignição e, claro, em projetos de crossovers de alto-falantes. Os indutores comportam-se como o oposto dos capacitores: um indutor opõe-se a sinais de alta frequência, o que significa que passa sinais de áudio de baixa frequência mais facilmente.
Um comportamento elétrico chamado reatância torna isto possível. Quando a frequência muda, também muda a oposição de um indutor ou capacitor ao fluxo de eletricidade.
Para indutores, a unidade de medida é o Henry. Por convenção, indutores são geralmente vendidos em miliHenries (1/1.000 de um Henry, ou 0,001 H). Um crossover típico de alto-falante pode usar um indutor de 10 mH, por exemplo.
Capacitores armazenam carga elétrica usando condutores extremamente finos e bem enrolados separados por um isolante. Este pode ser um eletrólito, mica ou vários outros materiais. Embora não permitam a passagem de corrente contínua (CC), permitem que tensão e sinais de corrente alternada (CA) passem.
Têm uma característica interessante: capacitores permitem apenas a passagem de altas frequências – aumentam a sua impedância (resistência baseada na frequência) quando frequências mais baixas são aplicadas.
O ponto onde isto ocorre é cuidadosamente escolhido para ser a frequência de crossover. Existem dois tipos fundamentais de capacitores, sendo um em particular usado para áudio.
Para capacitores, a unidade de medida é o Farad. Por convenção, capacitores são frequentemente vendidos em microFarads (1/1.000.000 de Farad, ou 0,000 001 F), às vezes escrito com a letra grega mu "µ" para representar "micro". Ao comprar capacitores para os seus crossovers, verá capacitores listados em "µF".
Os menores podem usar picoFarads (pF) ou nanoFarads (nF), que são ainda menores e usados em eletrónica geral.
Capacitores usados em áudio quase sempre tendem a estar na gama de microFarads. Por exemplo, um bloqueador de graves para um tweeter pode usar um capacitor de 47 µF.
Capacitores eletrolíticos são essencialmente o tipo mais comum e mais acessível, daí a sua popularidade em todo tipo de eletrónica e aplicações de alto-falantes. Encontrá-los-á frequentemente num crossover passivo ou ligados diretamente a um tweeter como crossover de alta passagem.
Têm uma caixa metálica fina e contêm um eletrólito entre as placas condutoras superfinas carregadas no interior.
Um capacitor eletrolítico não polarizado permite a passagem de uma forma de onda de corrente alternada (CA) como a usada num sinal musical. Também são chamados capacitores "bipolares". Os tipos polarizados (CC), por outro lado, não podem e só devem ser usados para corrente contínua, como numa fonte de alimentação.
Nota: Capacitores não polarizados normalmente são marcados como tal e são os únicos tipos que deve usar para áudio. Capacitores polarizados podem ser danificados (e até explodir!) se usados em aplicações de áudio. No mínimo, terá um som distorcido que odiará.
Um capacitor de filme usa um material de filme fino para separar as suas placas carregadas e é tipicamente um pouco mais caro. Também têm vida útil mais longa, melhor desempenho (em alguns casos) para áudio e podem ter limites de temperatura mais altos.
Capacitores de filme também são oferecidos em tipos de alta tensão, ótimos para projetos de áudio com válvulas. São também uma boa atualização para capacitores eletrolíticos mais baratos se tiver jeito com ferro de soldar.
Capacitores cerâmicos normalmente não são usados em crossovers porque os seus valores de capacitância são geralmente bastante pequenos (na gama de picoFarads, por exemplo), enquanto frequentemente precisamos de valores na gama de microFarads para alto-falantes.
São usados para outros fins, tipicamente como capacitor de bypass numa fonte de alimentação para controlar ruído de sinal elétrico ou num crossover ativo.
Um crossover usa um capacitor, indutor, ou ambos para limitar a gama de frequências de áudio enviada a um ou mais alto-falantes. Isto é extremamente útil para impedir que frequências graves cheguem a um tweeter ou que médios-agudos e agudos cheguem a um subwoofer.
O ponto de crossover é frequentemente recomendado pelo fabricante do alto-falante ou escolhido como um bom compromisso entre os limites da resposta de frequência de cada alto-falante usado. A frequência do filtro (também chamada de frequência de canto ou Fc) é diretamente afetada pela impedância do alto-falante.
Quando falamos da "ordem" de uma rede de crossover, referimo-nos ao número de estágios (secções). Isto afeta a eficácia da inclinação – a capacidade de filtragem de áudio.
Um design de 1ª ordem usa um único indutor ou capacitor, enquanto 2 compõem uma 2ª ordem, três uma 3ª ordem, e assim por diante. Cada estágio (ordem) tem uma inclinação de -6dB por oitava, sendo -12dB/oitava uma das mais usadas tanto para crossovers de alto-falante quanto de amplificador.
Um filtro passa-alta funciona passando frequências mais altas para um alto-falante e opondo-se a frequências mais baixas. Em frequências baixas, a impedância de um capacitor tem um valor Ohm muito alto, reduzindo drasticamente a tensão de saída para o alto-falante.
Da mesma forma, o oposto é verdadeiro em altas frequências. Frequentemente encontrará estes instalados num tweeter de áudio de carro ou casa para bloquear graves distorcendo e potencialmente danosos.
Um filtro passa-baixa funciona bloqueando frequências mais altas para um alto-falante e permitindo que frequências mais baixas passem. Em frequências altas, a impedância do indutor significa que tem um valor Ohms muito alto, reduzindo drasticamente a saída para um alto-falante.
Este tipo é normalmente usado com um woofer ou alto-falante de médios para impedir que agudos ou "altos" que não conseguem reproduzir bem sejam tocados.
Uma rede de crossover de 2 vias, 2ª ordem é essencialmente um filtro passa-alta e passa-baixa combinados em paralelo.
No entanto, como adicionam um segundo estágio (2ª ordem, filtro -12dB/oitava), são melhores que um design simples de 1ª ordem. São o tipo mais comum, usando um woofer e tweeter para criar um sistema de alto-falante 2-vias para áudio doméstico ou um conjunto de componentes para áudio de carro.
Mesmo conjuntos de componentes 2-vias 2ª ordem baratos podem soar excelente com drivers de qualidade decente e design adequado.
Devido ao ponto de sobreposição na sua frequência de corte, as coisas podem complicar-se um pouco nos crossovers 2-vias, como explicarei mais abaixo.
O resultado final são dois estágios de crossover escalonados em série, o que significa que se combinam para uma inclinação de crossover 2x mais eficaz que um design de estágio único (-6dB/oitava). Esta é uma inclinação de -12dB/oitava.
Embora redes de crossover de 1ª ordem sejam menos comuns agora, ainda existem. Frequentemente encontrará elas em:
De modo geral, no entanto, crossovers de 12dB/oitava são os mais populares pois são um bom compromisso entre custo, contagem de peças e complexidade. De facto, amplificadores de carro e receivers AV domésticos comumente usam design de 12dB/oitava mesmo nos seus crossovers ativos eletrónicos.
Existem vários designs de rede de crossover que um projetista pode escolher, mas alguns são preferidos:
Por que isto importa? Normalmente, não importa muito para a pessoa média. No entanto, se estiver interessado em fazer o seu próprio crossover de alto-falante, é útil entender as opções possíveis.
Cada tipo de rede de crossover usa um conjunto de fórmulas matemáticas ligeiramente diferente para calcular os valores das peças que precisará. Em todos os casos, um bom livro de design de alto-falantes pode ajudá-lo a fazer você mesmo se estiver interessado em obter o melhor desempenho ou em projetos de alto-falantes DIY.
Quer aprender habilidades avançadas de design de alto-falantes ou fazer os seus próprios crossovers? Recomendo vivamente o Loudspeaker Design Cookbook de Vance Dickason. Está cheio de excelentes informações!
Crossovers domésticos ou de carro aftermarket geralmente usam design Linkwitz-Riley e somam nível 0dB no seu ponto de crossover. Uma razão é assumir que os alto-falantes que está a usar terão saída adequada perto desse ponto. Se não for o caso, pode investigar designs mais avançados e compensar as fraquezas de um alto-falante específico.
Crossovers têm outro problema: cada componente de crossover individual adiciona um desfasamento de 90° ao sinal enviado ao alto-falante. Capacitores e indutores têm "desfasamento de fase" quando um sinal passa por eles.
Para crossovers simples de estágio único, isto não é realmente uma preocupação, pois não é algo que provavelmente notará, embora seja um detalhe para designs de alto-falantes mais avançados. No entanto, para designs de 2ª ordem, isso significa que há uma diferença de 180° entre as duas saídas, resultando frequentemente num som "estranho" e também significa que o som não chega aos ouvidos do ouvinte ao mesmo tempo.
Para remediar isto, crossovers de 2ª ordem/ordem par normalmente têm a saída do tweeter invertida. Esta inversão de uma saída de alto-falante significa que ambos estão "em fase" e não há mais problema com atraso de som. Se já comprou crossovers de alto-falante 2-vias, provavelmente nem sabia que foi projetado de propósito assim!
Uma rede Zobel é uma rede de equalização de impedância usada para compensar o aumento da impedância do alto-falante ao longo da gama de frequência devido à indutância da bobina de voz. Por exemplo, muitos alto-falantes com bobina de voz mostram comumente um aumento na sua impedância total à medida que a frequência aumenta. Pode ver isto em gráficos de impedância traçados para alto-falantes.
Como o comportamento de um crossover é diretamente afetado pela impedância, este design simples pode melhorar o desempenho do sistema de alto-falantes compensando e "aplanando" a subida normal da carga Ohm que o crossover vê.
A rede usa uma simples rede RC (resistor-capacitor) em paralelo com um driver de alto-falante para compensar a impedância, resultando no crossover a ver uma impedância quase plana ao longo da gama de resposta de frequência.
O resistor garante que a impedância total mínima seja sempre atingida, enquanto o capacitor trabalha para diminuir a carga total Ohm do crossover à medida que a frequência sobe.
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