À medida que avançamos para o final da nossa discussão sobre a teoria elétrica do áudio do carro, precisamos falar sobre capacitância e indutância e como as características desses fenômenos interagem com os sinais AC e DC. Não há dúvida de que esses são conceitos avançados, mas mesmo um entendimento básico de como os capacitores e indutores funcionam é fundamental para uma compreensão completa dos sistemas eletrônicos móveis.
O que é um capacitor?
Um capacitor é um componente eletrônico de dois terminais que armazena energia. Capacitores são feitos de duas placas metálicas que são separadas por um isolante elétrico. Quando aplicamos uma tensão a um terminal do capacitor, os elétrons em uma placa irão impor uma força na placa oposta para criar uma carga oposta. O resultado é que as placas têm cargas iguais e opostas e, portanto, mantêm um campo elétrico. Como as placas de um capacitor estão muito próximas umas das outras, elas podem armazenar uma grande quantidade de energia para seu tamanho total.
Os 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 em circuitos CC
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, pois os campos magnético e elétrico começam a se formar entre suas placas. À medida que o capacitor começa a armazenar energia, aumenta a resistência efetiva e a quantidade de corrente que flui através do dispositivo é reduzida. Uma vez que o capacitor tenha equalizado com a tensão de alimentação, quase nenhuma corrente passa pelo 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 as variações de tensão. Capacitores resistem a mudanças de tensão.
Dentro dos amplificadores em nossos sistemas de áudio de carro, os capacitores são usados para armazenar grandes quantidades de energia na tensão do trilho. Quando há uma demanda repentina de corrente que excede a capacidade da fonte de alimentação, os capacitores liberam energia para manter sua tensão inicial. Esta característica ajuda a estabilizar a tensão do amplificador durante transientes dinâmicos. Este mesmo conceito se aplica aos “capacitores de reforço” usados na alimentação de 12V do seu amplificador. Quando implementado usando componentes de alta qualidade, a adição de um grande capacitor pode ajudar a fornecer corrente transitória ao amplificador.
O capacitor em circuitos CA
Em circuitos de corrente alternada, os capacitores assumem um fenômeno interessante de “resistência virtual”. Como sabemos, os capacitores não gostam de alterar a tensão, mas um sinal CA é definido como sempre em mudança. Dependendo da relação entre o valor do capacitor e a frequência do sinal CA, uma certa quantidade de corrente pode passar pela tampa.
Se tentarmos medir a resistência de um capacitor com um multímetro convencional, descobriremos que ele mostra um valor extremamente alto. Para sinais AC, 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, chamamos de reatância capacitiva.
Se quiséssemos criar um circuito de filtro simples para limitar a quantidade de sinal de baixa frequência que chega a um alto-falante, poderíamos conectar um capacitor não polarizado em série com o alto-falante. Para calcular a frequência na qual a tampa 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. Nessa frequência, o capacitor parece ter a mesma reatância do 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 de 8 ohms, a 50 Hz, é de 16 ohms e assim por diante. Este fenômeno reduz simultaneamente a corrente fornecida pelo amplificador e atua como um divisor de tensão entre a tampa 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 cruzamento, conforme definido acima. Os capacitores são adequados como filtros para drivers de médio e alta frequência em projetos passivos e como dispositivos de proteção para tweeters em projetos ativos.
O que é um indutor?
Nos termos mais simples, um indutor é uma bobina de fio que cria um campo magnético com base na quantidade de corrente que flui através dele. Muitos indutores apresentam núcleos de ferro para aumentar a intensidade do campo magnético. Onde um capacitor resiste a mudanças na tensão, um indutor resiste a mudanças no fluxo de corrente. Sabemos pelo nosso artigo anterior sobre magnetismo que a corrente que flui através de um condutor cria um campo magnético em torno desse condutor. Se enrolarmos o condutor em um laço, a proximidade dos laços entre si intensifica o campo magnético.
Também de nosso artigo anterior, também sabemos que um campo magnético pode impor uma tensão em um condutor. Se a corrente em um indutor tentar mudar, o campo magnético tentará criar uma tensão no dispositivo para manter o fluxo de corrente.
Uma boa analogia para um indutor é um volante em um motor. Depois de estabelecer uma velocidade de rotação específica, é preciso muito trabalho para aumentar ou diminuir sua velocidade. Os indutores funcionam da mesma maneira com a corrente. Eles resistem a mudanças no fluxo de corrente. Os 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 que aparece nos terminais.
Indutores em circuitos elétricos
Na maioria das aplicações, não queremos indutores em um circuito de 12V DC 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 em que os indutores são usados em combinação com um capacitor para atuar como um filtro de ruído.
Em um circuito CA, os indutores permitem que sinais de baixa frequência passem pelo dispositivo com pouco ou nenhum efeito. Se conectarmos um indutor em série com um alto-falante, ele atuará como um filtro passa-alta. Ao contrário de um capacitor, em um circuito DC, um indutor aparece como um curto-circuito com muito pouca resistência. Para um sinal AC, podemos calcular a indutância reativa 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-altas, podemos determinar o ponto de cruzamento 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 de -3dB do circuito do filtro seria F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006), ou 106,1 Hz. Este valor de indutor seria 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 cruzamento.
Outros casos de indutância e capacitância
Sempre que dois condutores são paralelos entre si e próximos, haverá algum nível de capacitância. Muitos entusiastas excessivamente exuberantes falam sobre capacitância em cabos de interconexão. Embora este seja um fator, as mudanças microscópicas (se de fato alguma é perceptível) podem ser compensadas durante o processo de ajuste do sistema. Quando se trata de comprar interconexões de alta qualidade, a rejeição de ruído e a 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. Esta 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 projeto de núcleo de ar, a indutância de uma bobina de 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 avança, a indutância diminui. Essas distorções de indutância baseadas em posição podem causar um efeito de distorção de alta frequência que pode ser prejudicial à reprodução de sua música. Uma solução é implementar um projeto de bobina de voz suspensa, onde a folga é mais alta que o enrolamento da bobina. A desvantagem desse design é que a bobina de voz geralmente é pequena e não possui manuseio de energia. Outra opção é incluir uma tampa 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.
Teoria Elétrica do Áudio do Carro
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 do funcionamento do sistema de áudio do seu carro. Nosso objetivo é educar os entusiastas para que possam fazer compras e atualizações educadas em seu sistema de som móvel. Se você tiver alguma dúvida, passe pelo seu revendedor local especializado em eletrônicos móveis. Eles podem ajudá-lo a projetar uma atualização que realmente transformará seu trajeto em uma experiência auditiva agradável.
