Entendendo THD x watts (distorção x potência)

rmlazzari58 · 12 de junho de 2022

Amigos, gostaria de ajuda para ajustar um amplificador de forma que a máxima distorção fosse 1%.

Pelo que entendi no datasheet, a distorção está relacionada à tensão de alimentação e à impedância dos alto-falantes, como mostram os gráficos abaixo:

Digamos que a alimentação seja de +/- 26v simétricos e os alto-falantes de 8ohm.

Nesse caso, a máxima potência para manter a distorção em 1% seria de 30w.

A pergunta é: como se faz para que a potência na saída se limite a esses 30w?

Digo, mesmo que o potenciômetro esteja no máximo, será que tem um jeito para a potência máxima na saída fique nesses 30w?

Não estou certo mas no chutômetro acho que talvez talvez tenha a ver com o ganho. Se tiver, os gráficos abaixo mostram tanto o circuito quanto uma tabela que mostra onde é que se ajusta o ganho:

Mas será que é isso mesmo? E se for, como calcular R5, R8, R6 e R9 para que o ganho não faça a saída ultrapassar 30w?

Aqui (clique) tem o datasheet completo, que sabe ajuda?

albert_emule · 12 de junho de 2022

O que causa a distorção harmônica é a senoide deixar de ser senoidal perfeita:

aphawk · 13 de junho de 2022

@rmlazzari58 ,

Se fosse tão simples …..

Tem muita coisa a ser definida. Primeiro, o ganho desse circuito nunca pode ser inferior a 29dB ou o circuito fica instável.

Segundo, o ganho do amplificador indica em quantas vezes a tensão RMS na entrada vai aparecer multiplicadas na saída , então você precisa definir primeiro qual o nível do sinal que será aplicado na entrada.

A partir disso se calcula os valores dos resistores, deixando alguns Dbs de sobra, mas não muitos, para evitar ruído desnecessário.

Agora, limitar a distorção a 1% … só mesmo não deixando um volume alto no sinal de entrada ok?

Paulo

rmlazzari58 · 13 de junho de 2022

20 horas atrás, albert_emule disse:

O que causa a distorção harmônica é a senoide deixar de ser senoidal perfeita

Aula super interessante, uma precisa explicação do que é THD!

Mas ainda não deu para relacionar THD e potência de forma a conter a potência para evitar essa distorção...

No primeiro gráfico, aquela tabela, diz que se aplicar 26v simétricos no chip usando alto-falantes de 8ohm de impedância a THD será de 10% se a potência for de 40w. Usando a mesma tensão e a mesma impedância mas ajustando a potência de saída para 30w, aí a THD será de 1%.

No gráfico abaixo dessa tabela, na figura 7 (R = 8ohm) seguindo a curva THD = 1%, com uma tensão de 25v a gente encontra os tais 30w. Mas seguindo a coluna dos mesmos 25v para cima, encontra que nos mesmos 25v, com os mesmos 8ohm de impedância, se admitirmos 10% de THD, dá para esperar uma potência de 40w.

Essa está sendo minha dificuldade: gostaria de que, caso na entrada o sinal não tenha nenhuma distorção, ajustar o chip para que o máximo de distorção que ele gere internamente seja de 1%.

18 minutos atrás, aphawk disse:

Agora, limitar a distorção a 1% … só mesmo não deixando um volume alto no sinal de entrada ok?

Digamos que não haja um potenciômetro na entrada, que o sinal seja uma senoidal pura, como no vídeo, nível de entrada de 1KHz e de amplitude precisamente controlado, injetado no chip que, por sua vez, está alimentado com +/- 26v e com R = 8ohm na saída.

Nesse caso, que potência será mandada à R, 30w ou 40w?

Renato.88 · 13 de junho de 2022

3 horas atrás, rmlazzari58 disse:

Digamos que não haja um potenciômetro na entrada, que o sinal seja uma senoidal pura, como no vídeo, nível de entrada de 1KHz e de amplitude precisamente controlado, injetado no chip que, por sua vez, está alimentado com +/- 26v e com R = 8ohm na saída.

Nesse caso, que potência será mandada à R, 30w ou 40w?

Depende da tensão da senoide da entrada e do ganho.

Por exemplo, se seu amplificador tiver um ganho de 100 vezes, ao aplicar aproximadamente 150mV terá os 30W na saída.

Por outro lado, se subir a tensão para uns 180mV terá os 40W.

Sendo assim os 18V terão uma tensão de pico de mais de 25V que estão bem perto da tensão de alimentação, como existem as quedas de tensão nos transistores vai chegar no topo da alimentação e vai distorcer.

Se ficar subindo muito a tensão de entrada na senoide chega um momento em que ela vira uma onda quadrada na saída.

aphawk · 13 de junho de 2022

6 horas atrás, rmlazzari58 disse:

ajustar o chip para que o máximo de distorção que ele gere internamente seja de 1%.

Ahhhhhh se isso fosse possível .....

Repare o Datasheet : conforme o nível de potência na saída a distorção varia muito, concorda ?

Então, a única maneira de limitar a 1% no máximo é utilizar a potência máxima onde a distorção é de 1%.

Mas agora que vem os problemas : imagine que a sua fonte de sinal seja a saída de toca-cd de excelente qualidade, do tipo que entrega uma faixa dinâmica de pelo menos uns 70 dB .

Pegue um CD bem gravado, e vai perceber que a faixa dinâmica que ele solta é em torno de uns 60 dB.

Aí, se você definir um ganho para o seu amplificador de 30 Db , e o seu sinal na entrada vai variar 60 dB, vai perceber que terá de atenuar muito o sinal na entrada para evitar que nos picos máximos ocorra distorção acima de 1% , mas no restante da música o sinal vai ficar muito baixo, e você terá de aumentar bastante o volume.

Mas aí quando vier um pico na música, a distorção vai ultrapassar em muito esse 1%, podendo até danificar os alto-falantes.

Complicado né ?

Paulo

rmlazzari58 · 13 de junho de 2022

1 hora atrás, aphawk disse:

Complicado né ?

Sim, são bastantes variáveis: tensão de alimentação, ganho, tensão do sinal a ser amplificado, quedas nos transistores, impedância tanto da entrada quanto na saída... coisa de chinês equilibrando 20 pratos rodando em finas varas de bambu, rs...

Uma curiosidade: eu achava que se se ajustasse um circuito amplificador para entregar, por exemplo, 30w na saída com alimentação de 20v simétricos, e na hora de aplicar, usasse apenas +/- 18v, o risco de distorção harmônica diminuiria, estaria sendo "bonzinho" com o circuito em vez de forçá-lo... mas não.

3 horas atrás, Renato.88 disse:

Sendo assim os 18V terão uma tensão de pico de mais de 25V que estão bem perto da tensão de alimentação, como existem as quedas de tensão nos transistores vai chegar no topo da alimentação e vai distorcer.

A onda amplificada jamais terá picos senóides maiores do que a própria alimentação.

E estou percebendo que distorção harmônica não é a mesma coisa que distorção por achatamento do pico da senóide da fundamental, aquela que ocorre quando a gente aumenta muito o volume da música. Distorção harmônica, se entendi direito, é a distorção provocada pelas, ué... harmônicas, mesmo.

Digamos um amplificador que entregue 5w de saída. Usando alto-falantes para até 15w, ainda que de alta sensibilidade, pela concepção que tinha antes dessa verdadeira aula, mesmo no volume máximo, a música não sairia distorcida, as notas e harmônicas seriam reproduzidas exatamente como estão na sua fonte.

Só que a realidade não batia com essa conjectura. P = 5w e alto-falantes para 15w na prática distorce. É que nesse caso a distorção não está nos alto-falantes e sim no amplificador...

Um sistema fonte de sinal + amp + falantes, ainda mais se tiver um prá-amp no meio, é um delicadíssimo equilíbrio...

Sem querer fechar o tópico, já estou grato aos amigos!

aphawk · 13 de junho de 2022

9 horas atrás, rmlazzari58 disse:

Aula super interessante, uma precisa explicação do que é THD!

Vamos 'a definição correta : Total Harmonic Distortion é a relação dos valores RMS de todas as frequências presentes em um sinal, dividida pelo valor RMS da frequência fundamental.

Voltando ao dia a dia : aplica-se uma frequência fundamental gerada por um oscilador senoidal de altíssima pureza na entrada do amplificador.

Na saída do mesmo, irão inevitavelmente aparecer também outras frequências diferentes da fundamental, causadas por não linearidades existentes no amplificador, e claro, a fundamental também.

Se o amplificador fosse perfeito, apenas a fundamental estaria presente na saída.

Mas sempre aparecem outros sinais, que aparecem como pequenas distorções do sinal senoidal fundamental ( lembrem-se de Fourier ), e o aparelho medidor de distorção THD consegue medir os valores totais em RMS dessas tensões , e esse valor é dividido pelo valor RMS da tensão fundamental.

1% é um valor baixo, mas perfeitamente notado pelo ouvido humano.

Já valores abaixo de 0.1% dificilmente seriam percebidos, e portanto este valor é o que procuramos quando falamos de um amplificador HI-FI, cujo resultado ideal seria o seguinte :

Para qualquer potência entre 0 e a potência máxima de uso do amplificador ( claro aquela que não ultrapassa os 0.1% ), e para qualquer frequência entre 20 Hz e 20 Khz, um amplificador que não ultrapasse 0.1% pode ser considerado como de excelente qualidade ( em termos de THD).

Claro que ainda tem o fator relação sinal/ruído, o qual pode comprometer o resultado final.

Completando a escrita, existem CI´s excelentes que permitem obter esse resultado, mas não são tão baratos, e podem precisar de transistores de excelente qualidade também.

@rmlazzari58 ,

A ideia é sempre esta :

Ter um amplificador que possa fornecer 100 Watts com alta qualidade, mas escutar música no volume médio em torno dos 30 Watts. Assim você tem uma sobra para os picos de música. Mas tem de ter alto-falantes que suportem os 100W também !

Paulo

Andreas Karl · 14 de junho de 2022

Bom espero não estar falando besteira por não ter compreendido direito a pergunta. Mas muitos amplificadores de potência profissionais usam um circuito relativamente simples que é um limiter. É um compressor com resposta rápida inserido antes da entrada do estágio de potência. Quando um pico do sinal vai causar um “clipping” ou um achatamento da onda ele imediatamente atenua o sinal mantendo ele abaixo de, como sugere o nome, um limite. Mas calibrar isso pra manter a distorção abaixo de 1% é complicado principalmente porque as fontes de amplificadores quase nunca são estabilizadas. Portanto variando a tensão da rede o ponto de “clipagem” obviamente varia. Além da tensão da rede tem o problema da distância e a qualidade da instalação elétrica entre o transformador da rua e o amplificador. Quando eu alugava som na década de 90 e as lâmpadas do salão piscavam nas batidas dos graves eu já sabia que o som seria ou baixo ou distorcido e que eu levaria a culpa kkk. A seguir um exemplo de amplificador com limiter:

Nesse esquema não estão os transistores de saída mas posso postar a segunda parte caso necessário. A entrada da etapa de potência propriamente dita é o TL071 numa configuração pouco usual onde o sinal é retirado pelos pinos de alimentação e a saída dele conectada através do resistor de 1 K no ponto D que é a saída para os alto falantes. O U3A que é metade de um TL072 retira o sinal da saída para alto falantes e entrega para um circuito complicado cheio de diodos de sinal que suponho ser um retificador de onda completa e responsável por acender o led de limiter e controlar o gate do BF245 responsável por atenuar o ganho. AVISO: Essa etapa tem uns errinhos como o Q10 que é um BC557 npn e o erro que fez o “cego” aqui sofrer até pra consertar a falta de ganho, o c14 em curto: uma indicação de +15 V que está na cara que é o – 15… grrr

rmlazzari58 · 14 de junho de 2022

Seria legal um limitador que diminuísse a amplitude da onda clipada apenas na frequência que estourou...

Por exemplo, se um baixo causasse distorção num determinado momento, que apenas ele, naquela nota (frequência fundamental) tivesse seu volume reduzido, mantendo, por exemplo, o prato - ou um solo de guitarra - em seu volume original.

Isso dá para fazer manualmente através do Audacity, por exemplo (há outros programas que permitem, também), mas dá um trabalhão... é que tem que aumentar a amplitude, o volume da música toda e aí ir reduzindo um a um onde ocorrer o clipe. Mas é só mais ou menos: nada garante que, ao diminuir a amplitude naquele instante, não se está diminuindo junto a amplitude de todas as outras frequências que soam nesse mesmo instante. O que salva é que esses programas de edição de som conseguem selecionar frações de milésimos de segundo, o que faz com que o sinal não clipe a saída sem que quem ouve perceba.

aphawk · 14 de junho de 2022

49 minutos atrás, rmlazzari58 disse:

Seria legal um limitador que diminuísse a amplitude da onda clipada apenas na frequência que estourou...

Por exemplo, se um baixo causasse distorção num determinado momento, que apenas ele, naquela nota (frequência fundamental) tivesse seu volume reduzido, mantendo, por exemplo, o prato - ou um solo de guitarra - em seu volume original.

Isso dá para fazer manualmente através do Audacity, por exemplo (há outros programas que permitem, também), mas dá um trabalhão... é que tem que aumentar a amplitude, o volume da música toda e aí ir reduzindo um a um onde ocorrer o clipe. Mas é só mais ou menos: nada garante que, ao diminuir a amplitude naquele instante, não se está diminuindo junto a amplitude de todas as outras frequências que soam nesse mesmo instante. O que salva é que esses programas de edição de som conseguem selecionar frações de milésimos de segundo, o que faz com que o sinal não clipe a saída sem que quem ouve perceba.

Lembre-se de Fourier .....

Todo compressor adiciona distorção, e não é pouca. A finalidade principal é proteger os alto-falantes.

Agora, clipando uma forma de onda, aparecem centenas de harmônicos, que criam uma distorção facilmente acima de 10% .

O que eu já ví por aí, e até implementei na Bolsa de Valores de São Paulo nos idos de 1984, foi um sistema de compressor/limitador para voz, que é bem menos desagradável aos ouvidos. Para música o efeito é sempre muito ruim.

Paulo

alexandre.mbm · 15 de junho de 2022

Em 14/06/2022 às 14:47, aphawk disse:

implementei na Bolsa de Valores de São Paulo nos idos de 1984

Qual era o objetivo?

aphawk · 16 de junho de 2022

18 horas atrás, alexandre.mbm disse:

Qual era o objetivo?

Aquilo era um loucura, todo mundo falando e berrando nos microfones, e saía mais alto quem tinha mais pulmão, e quando o diretor tentava falar mal se escutava ele.

Eu separei duas fontes de áudio : uma o microfone do diretor do pregão ; outra, a soma de todos os microfones dos operadores.

A finalidade era de que quando o diretor usasse o microfone, todos os outros microfones fossem atenuados e assim o do diretor sairia bem mais alto.

Usei um compressor, que recebia o audio do diretor, mas agia no áudio dos operadores kkkkkk !

O pessoal da diretoria adorou o resultado !

Paulo

rmlazzari58 · 16 de junho de 2022

4 horas atrás, aphawk disse:

Aquilo era um loucura, todo mundo falando e berrando nos microfones, e saía mais alto quem tinha mais pulmão, e quando o diretor tentava falar mal se escutava ele.

Eu separei duas fontes de áudio : uma o microfone do diretor do pregão ; outra, a soma de todos os microfones dos operadores.

A finalidade era de que quando o diretor usasse o microfone, todos os outros microfones fossem atenuados e assim o do diretor sairia bem mais alto.

Usei um compressor, que recebia o audio do diretor, mas agia no áudio dos operadores kkkkkk !

O pessoal da diretoria adorou o resultado !

Paulo