Cálculo de potência em amplificadores

[hgamal]

Pessoal,

não aguento mais as dúvidas sobre amplificadores e as potências produzidas. Vamos falar de potência. Como calcula?

A matemática é única. A potência de saída média de um sinal elétrico é dada pela fórmula:



Onde f(t) é função da potencia instantânea produzido pelo sinal que depende da natureza do sinal e T é o período escolhido para a avaliação da média.

O valor da potência instantânea é regida pela velha e conhecida lei de ohm, ou seja, ela depende do valor do sinal e da resistência da carga no em um dado instante do tempo.  Para facilitar as coisas, vamos prosseguir sempre imaginando que a (resistência da carga) não varia  com o tempo. Assim, segundo a lei de ohm, em um dado tempo é dada pela velha fórmula:



Agora ficou simples, não foi? Bom, como nem todos aqui estão familiarizados com integrais e cálculo, vou tentar simplificar ao máximo para ir adiante, colocando os resultados finais, para que a integral apresentada acima não precise ser avaliada.

Nos sinais de corrente contínua, como eles não variam com o tempo, a potência instantânea é igual à potência média, ou seja,

f(t) = P(t) = V

Assim, o resultado, da potencia média é igual à instantânea:



Por exemplo, uma bateria de 12V ligada a uma resistência de 8 ohm, produzirá 18 watts.

Para um sinal senoidal, a potência instantânea é dada pela fórmula:



Aplicando a fórmula acima a integral da potência (usando um período de 0 a pi/2), obtemos:



Por exemplo, um amplificador que consiga fornecer um sinal senoidal de 24 Volts pico a pico, em carga de 8 ohms, fornecerá uma potência média de 9.05 Watts.

Como um a coisa tão simples pode causar tantas dúvidas? Simples, se o sinal medido na saída não for senoidal, a fórmula acima não vale! Simples, outros sinais, produzem potências de saídas diferentes.

Quando o amplificador distorce, o sinal de saída não é senoidal, ele contém harmônicos que normalmente (vejam bem normalmente) colaboram par aumentar a potência de saída.

Agora faz sentido "datasheets" de válvulas apresentando potências maiores justamente para sinais com 3% ou mais de distorção harmônica. (EL-84 17 Watts @ 4% THD)

Notem mais uma coisa, se o sinal de saída for uma onda quadrada perfeita, a potência de saída será muito maior que a mesma medida realizada para uma onda senoidal.

Colocar um amplificador distorcendo produz mais potência? Eu diria que, numericamente, sim. Mas na realidade ele não apresenta nominalmente a potencia que desejamos. A medida de potência tem que se ser realizada com o amplificador na sua região linear, sem distorção, para um sinal senoidal.

Vamos comparar 50 Watts RMS senoidais de um amplificador com 50 Watts RMS senoidais de outro, por favor!

[Patines]

Se a onda fosse uma onda quadrada pura:



Exemplo:
Temos uma fonte de 12V, que alimenta um amplificador.  A tensão mais baixa da fonte, quando a plena carga é 10,5V.  O amplificador alimenta um falante de 8 ohms por um capacitor e aplicamos uma onda quadrada perfeita.  No amplificador, quando satura, tem saída que vai de 1V até 9,5V, numa excursão de 8,5V.  A onda quadrada de saída, tem então, 8,5V/2 =4,25V de amplitude.

A potência então no falante seria:
P = (4,25^2)/8 = 2,25W  aproximado..  nunca é exato!

Viu só, como um exemplo pode ser bom!!

Se fosse uma onda senoidal, seria a metade da potencia:
P= 1,12W!!!

 

Abraços, T+

[hgamal]

O problema é que uma onda quadrada perfeita, passando por um capacitor, excitando uma carga de 8 ohms, não resultaria em uma saída quadrada perfeita. Mas o cálculo aproximado é próximo do correto!

[Patines]

O problema é que uma onda quadrada perfeita, passando por um capacitor, excitando uma carga de 8 ohms, não resultaria em uma saída quadrada perfeita. Mas o cálculo aproximado é próximo do correto!

Nada em eletrônica é perfeito ou exato, todos os cálculos são apenas aproximações, para que possamos nos referenciar para construir ou entender algo.  Na prática, tudo muda..  quanto mais comparamos um com o outro, melhor fica pra gente se basear na próxima vez que calcular.   É A REALIMENTAÇÃO DIFUSA!!

T+

[xformer]

Só para complementar o assunto potência em amplificadores ou alto-falantes (ou potência elétrica em geral), é o uso errôneo do termo "potência rms" ou "watts rms".  Não existe essa figura de associar valor rms à potência. A unidade de potência real (média) é simplesmente o watt (W).  O conceito de root mean square é aplicado à tensão elétrica e corrente elétrica (e outras grandezas físicas como aceleração, etc) que variem positivamente e negativamente, de modo que para obtermos uma média (sem zerar como numa média simples) temos que elevar os valores ao quadrado, somar, tirar a média e depois achar a raiz quadrada. 

Já os valores instantâneos de potência real nunca ficam negativos (pois é média de trabalho realizado ou energia transformada pelo tempo). Para uma resistência atravessada por uma corrente alternada, pra ela não importa se os elétrons vem de um lado e depois de outro, ela esquenta dissipa potência e sempre num sentido positivo (senão ela esfriaria). O próprio conceito de tensão e corrente rms é "o valor de tensão ou corrente alternada que aplicado a uma carga resistiva dissipa a mesma potência que uma tensão ou corrente contínua".  Então não tem sentido a expressão "potência rms" ou "watts rms", pois qual seria a conceituação para elas ?
 
A potência reativa sim, varia positivamente (recebe energia) e negativamente (devolve energia), por isso não dissipa potência, e a unidade é VAr (volt ampére reativo).

Multiplicando-se tensão rms por corrente rms, simplesmente obtemos o valor de potência em watts, nada de watts rms.   

[Jupterra]

Meus primeiros valvulados, foram feitos com componentes recuperados em sucata (pela falta de capital).
Como a fonte tornaria-se cara, com transformador exclusivo, fiz o uso de duplicador para alta tensão e na saída, enrolei transformadores, até um resultado satisfatório.
Como o mesmo distorcia em volumes altos; procurei contato com meu amigo  Leandro (técnico da MG-Music) e o mesmo disse-me que isso era o que mais agradava em "Amplificadores Valvulados".

Com isso senti-me feliz e não preocupo-me tanto com as distorções.

E como diz o "hgamal", no inicio do tópico, "Quando o amplificador distorce, o sinal de saída não é senoidal, ele contém harmônicos que normalmente (vejam bem normalmente) colaboram par aumentar a potência de saída."
Realmente esse efeito é sentido... aparenta maior potencia que normalmente teria.

Meus amplificadores ficaram bons para "Grunge".

[designermx2]

Só para ver o palhaço sair queimado porque o circo já está pegando fogo...
Vejam o artigo que encontrei: http://www.qgdaluz.com.br/Apostilas%20e%20Cursos%20de%20Áudio%20Profissional/Potência%20uma%20coisa%20mais%20que%20complicada%20-%20Parte%20VI%20-%20Conclusão.pdf


Só uma dúvida... meu falante não aguenta o amp. Pelos cálculos, ele daria 12,5w wrms , mas o falante com 15w RMS satura com uns 80% do volume e já começa a "peidar" (usei esse termo porque realmente parece isso). Perdão aos moderadores, mas não achei outro termo.

Colocando num falante de 120w rms, o som é ótimo até o final! A pergunta é. Como o falante de 15w não suporta os 12,5w se existe sobra de mais de 10% da potência do amp?

Pelas contas que fiz (agora falando de voltagem, datasheet e válvula) ele está dando entre 16w e 18wrms de potência:

pré : 12at7
power: 6l6wxt+ com sua configuração máxima segundo o datasheet eu cheguei na bucha!

[hgamal]

Quando um amp de 12 Watts RMS distorce, ele produz mais que 12 Watts!

Se você entendeu a minha explicação inicial, vai perceber que a potência máxima para um amp é um parâmetro calculado para quando ele está sendo alimentado por uma senoide e não está distorcendo. Em teoria, ele pode produzir até o dobro da potência quando distorcendo. Daí a regra de usar sempre um alto-falante maior que a potência do amp.

Não conheço a forma com que a máxima potência admissível de um alto-falante é calculada, mas o fato é que devemos ter sempre um fator de segurança. EU (veja bem, EU) sempre que posso, uso um alto-falante de pelo menos o dobro da potência do AMP. Como isso é bem difícil em alguns casos, pelo menos 50% é uma boa idéia!

[Eduardo]

Não conheço a forma com que a máxima potência admissível de um alto-falante é calculada,...

Pois é... Essa eu também queria saber! E para piorar, agora os falantes estão vindo com duas marcações. Vem "potência RMS" e "potência musical". Vai saber que raio é cada uma!

[gfr]

Eu vi uma página que explicava (especificação de potência de alto falantes). Vou tentar achar o link.
-----http://www.amplifiedparts.com/tech_corner/guitar_speaker_power_handling

How the Speaker Power Rating is Determined
Many speaker manufacturers rate their speakers based on industry standards similar to IEC 60268-5 or AES2-1984. These standards specify a pink noise test signal with a crest factor of two (i.e. 6 dB) which is meant to simulate the transient character of music having an average value, as well as frequent instantaneous voltage spikes that swing up to twice the average value. Pink noise is a particular type of random noise with equal energy per octave and actually sounds like a space shuttle launch. The test signal is applied to the test speaker for a few hours, allowing for a reasonable way to test the speaker's real world thermal and mechanical capabilities. After testing, the speaker must be in working order, without permanent alteration of its technical features. The power rating is calculated using the RMS value of the applied voltage and the minimum value of electrical impedance within the working range of the speaker.

[hgamal]

Belo artigo heim Guilerme (gfr).

A figura abaixo, traduz muito bem as considerações sobre cálculo de potência:



Vejam que conforme a distorção aumenta, a tensão RMS aumenta também, até o limite da tensão de pico. E ainda por cima ele fecha com chave de ouro:

"This simplified overdrive distortion model illustrates how the 100 watt Marshall® amp which puts out 115 watts at 4% THD could put out an additional 50 watts at 10% THD."

[designermx2]

Sim, eu tinha entendido hagmal, mas deixa eu ver se consigo passar como entendi... Achei que o valvulado em especial, produzia sempre uma senoide na potência e a saturação viria sempre do pré... ou seja, os engenheiros que produziam as válvulas de potência, colocariam no datasheet as especificações de uso para ela dar sua potência desse jeito (senoide). Quando agente "arregaça" o volume o pré que transformava a onda em onda quadrada e deixava distorcendo para agente curtir mais o som. Isso acontece por exemplo no JCM800 que no volume 1 você tem como deixar um drive bacana com o ganho no talo. E ai pensei que a potência fosse relacionada somente à tensão, corrente e impedância geral (isso para valvulados). Transistor, já achei que fosse o do citado abaixo porque eles são produzidos em teoria para serem o mais linear possível, mas quando chega a seu limite, você acaba distorcendo ele.

Mas peço perdão pela ignorância na interpretação. 

[Tiago Vulgar]

 Pessoal, tô retomando o tópico porque não quero abrir um tópico novo, pois creio que a dúvida se resolva aqui. Vamos lá!!


 Minha dúvida é o seguinte:
  
   Se eu tiver um amplificador de potência (genérico) com a especificação de 100 watts, com  impedância de 8 ohm, fazendo os cálculos eu chego na seguinte conclusão...

   P= U²/R, onde P=Potência, U=tensão do transformador e R=impedância do alto falante;
  
  100 watt=U²/8, isolando "U" temos que U~28,28ac e que 28,28ac x raiz quad(2)= 40cc (40 volts simétrico)
  
   P=R.I², onde P=Potencia, R=impedância do alto falante e I= corrente consumida

  100=8.I², isolando "I" temos que I~3,53A e que 3,53 x 1,5 = 5,295A (por segurança)


  ...Resumindo: Terei uma alimentação simétrica de 40-0-40/5,295A para dissipar até 100 watt, correto?

   Agora aí é que entre uma dúvida, se eu colocar um falante com impedância de 4 ohms ao invés de 8 ohms e refazendo todas essas contas novamente, teriamos uma alimentação simétrica de aproximadamente 28-0-28/7,5A para dissipar os mesmos 100 watts. Eu posso mudar o valor da carga e configurando a  alimentação de acordo com os cálculos mesmo que, no projeto esteja especificando um valor de carga e alimentação diferente? Não sei se conseguiram entender minha dúvida mas no caso seria esse projeto do site construyasuvideorockola onde está especificado uma carga de 4 ohm (...e pretendo usar 8 ohm para 120 watts).

 

 

[kem]

Tiago, não conferi seus calculos sobre a potencia, mas...
Se você tem 3.53A na saida do amplificador, você tem que lembrar de 2 coisas.
1: Qual a classe do amplificador. Se for AB (o mais comum, a eficiência é de aproximadamente 60%). Então seria necessário uma fonte capaz de fornecer 5.88A.
2: Precisa levar em conta também a eficiência do tipo de retificação, que costuma ser entre 50 e 60% para poder calcular o transformador mais indicado ao seu projeto.

[Eduardo]

Oi Tiago

O raciocínio está no caminho certo, mas tem uns quiproquós a serem considerados. Primeiro é o que se chama de "eficiência" do amplificador. Como o Kem comentou, de acordo com o tipo de circuito ela pode variar de 50% a no máximo 75%. Essa energia perdida é dissipada no aquecimento dos transistores do amplificador.

Quando você muda a impedância da carga, não basta apenas rever a tensão e corrente do transformador. É preciso saber se os transistores da saída vão suportar a corrente extra. Normalmente, não é o caso.

Assim, ao especificar um transformador para um amplificador que você tem poucos dados a respeito, melhor usar de 50% a 75% mais capacidade de corrente do que o calculado pela formula de potência.

Abraços

Eduardo