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Divisor de 3 canais para sistemas de som (ART396)

A separação dos sinais de um sistema de som para alto-falantes de graves, médios e agudos é uma necessidade para quem deseja obter maior qualidade de reprodução no carro, em caso, no home theater ou num salão de festas. Como fazer esta divisão é o assunto deste artigo que descreve a montagem de um filtro passivo com características que se adapta a maioria dos sistemas de som domésticos comerciais, televisores e outros equipamentos. Fácil de montar e instalar ele pode operar com sistemas de até 100Wrms (400Wpmpo) por canal.

Não existem alto-falantes perfeitos que podem reproduzir sem distorções ou perdas toda a faixa de sons audíveis. Os alto-falantes que, sozinhos formam os sistemas reprodutores de equipamentos de som, se bem que satisfatórios no rendimento geral, se analisados por um ouvido exigente revelam perdas e distorções principalmente nas frequências extremas.

Uma maneira de se obter uma reprodução melhor em toda a faixa de frequências audível é com a divisão em faixas de operação por diversos alto-falantes.

Podemos ter duas maneiras de fazer a divisão da faixa: por dois alto-falantes, destinando um aos graves e médios (baixas e médias frequências na faixa de 15 a 3 000 Hz) e um para os agudos (acima de 3 000 Hz), ou ainda por três alto-falantes, destinando um aos graves (15 a 700 Hz) outro para os médios (700 a 3 000 Hz) e finalmente o terceiro para os agudos (acima de 3 000 Hz).

Na figura 1 mostramos a faixa típica da divisão de frequências que normalmente encontramos num sistema de 3 alto-falantes.

 

Característica típica de um divisor de 3 canais.
Característica típica de um divisor de 3 canais.

 

No entanto, os alto-falantes não são "inteligentes" a ponto de reconhecer as frequências que devem reproduzir. Os alto-falantes recebem sinais de todas as frequências, indistintamente, e aquelas "que não interessam" são convertidas em calor, com sério risco para sua integridade.

Isso significa que, para que um sistema deste tipo funcione sem perdas, sem riscos e com o melhor desempenho é preciso dividir os sinais nas diversas faixas ANTES deles serem aplicados aos alto-falantes, conforme mostra a figura 2.

 

O filtro é intercalado entre o amplificador e os altos falantes.
O filtro é intercalado entre o amplificador e os altos falantes.

 

Essa divisão é feita por meio de filtros que são intercalados entre o sistema de som e os alto-falantes, podendo ser tanto externos como embutidos numa própria caixa acústica.

A montagem dos filtros assim como sua instalação é relativamente simples, pois não são necessários ajustes e ele usa apenas componentes passivos, isto é, não precisa de alimentação alguma.

Assim, para os leitores interessados em montar seu próprio filtro em lugar de contar com os tipos comerciais, damos neste artigo um interessante projeto.

Com ele o leitor poderá:

 

 

  • Montar sua própria caixa acústica de 3 alto-falantes
  • Instalar três tipos de alto-falantes no som de seu carro
  • Implementar seu home theater com um som muito melhor para o televisor mono ou estéreo, auxiliado por amplificador externo.

 

 

COMO FUNCIONA

Num sistema divisor de frequências para três alto-falantes, a faixa de áudio é dividida em três setores, conforme vimos na figura 1: graves, médios e agudos.

O ponto de transição de cada faixa (chamado de crossover) em que cada alto-falante deixa de reproduzir o som, para que outro assuma a função, varia bastante em função das características dos próprios alto-falantes. Os fabricantes normalmente nos folhetos de especificações indicam as frequências recomendadas de transição para se utilizar um determinado filtro.

Para a maioria dos alto-falantes, estes pontos estão em 700 Hz e 3 000 Hz, mas o próprio montador pode alterar os valores dos componentes usados no filtro e mudar essas frequ6encias.

A separação dos sinais que vêm do amplificador em faixas de frequências diferentes é feita normalmente por meio de filtros passivos. Estes filtros são elaborados com bobinas, capacitores e eventualmente resistores.

As propriedades desses componentes que são aproveitadas no projeto são bem conhecidas de todos que tenham um conhecimento básico de eletrônica.

Enquanto os capacitores se opõem tanto menos à passagem de um sinal quanto maior for a sua frequência, os indutores apresentam uma característica de se opor tanto menos à passagem de um sinal quanto menor for sua frequência.

Dizemos tecnicamente que esses componentes possuem reatâncias que dependem da frequência, conforme as características mostradas na figura 3.

 

Reatância capacitiva (Xc) e indutiva (Xi) em função da freqüência mostrando os comportamentos diferentes dos capacitores e bobinas diante de um sinal de áudio.
Reatância capacitiva (Xc) e indutiva (Xi) em função da freqüência mostrando os comportamentos diferentes dos capacitores e bobinas diante de um sinal de áudio.

 

Assim, se quisermos deixar passar somente os sinais de baixas frequências (que correspondem aos graves) ligando-o em série com o woofer (alto-falantes de grave) basta intercalar em seu percurso (ligando em série) um indutor de valor apropriado.

Da mesma forma, se quisermos deixar passar somente os agudos para um tweeter (alto-falante de agudos), basta ligar em série com ele um capacitor de valor apropriado.

Combinando capacitores e indutores de maneiras apropriadas podemos "filtrar" as diversas faixas de frequências dirigindo-as para os alto-falantes apropriados.

Assim, no nosso circuito final L1 deixa passar somente os graves para o alto-falante de graves (FTE1), enquanto que C1, C2 e L2 formam um filtro passa altas que bloqueia os graves que não foram para FTE1 e deixa passar para o bloco seguinte os médios e os agudos.

L3, de pequena indutância deixa passar os sons de frequências médias, deixando-os chegar ao FTE2. Os agudos que eventualmente conseguirem passar por este componente, são curto-circuitados pelos capacitores C3 e C4.

Sobram então os agudos que podem chegar por C5 e C6 ao tweeter. Os médios que ainda conseguirem passar por estes capacitores são curto-circuitados por L4 que não os deixa chegar ao tweeter.

Usando alto-falantes de 4 ?, a impedância total do circuito, com capacitores e indutores apropriados ficará em torno de 4 ? e da mesma forma, usando alto-falantes de 8 ? com capacitores e indutores apropriados, a impedância do conjunto será de 8 ?.

É importante observar que, como estamos trabalhando com sinais de áudio, os capacitores devem ser despolarizados. Existem capacitores deste tipo à venda em casas especializadas, mas na sua falta podemos improvisá-los usando dois eletrolíticos ligados em oposição como mostra o diagrama.

Veja que temos de considerar o modo de ligação na escolha de valores. Assim, um despolarizado pode ter a metade do valor dos dois eletrolíticos usados: um despolarizado de 10 µF substitui, por exemplo dois de 22 µF em oposição (não recomendamos 11 µF pois não existe esse valor comercialmente e o mais próximo é 10 µF).

 

MONTAGEM

O diagrama completo do filtro é mostrado na figura 4.

 

Diagrama completo do divisor.
Diagrama completo do divisor.

 

Existe a opção de se fixar as bobinas numa caixa acústica ou painel (caso do carro) sem a necessidade de placa de circuito impresso, mas uma montagem em placa será mais fácil de se usar e esteticamente mais agradável. Damos assim a disposição dos componentes nesta placa na figura 5.

 

Placa de circuito impressor do divisor de 3 canais.
Placa de circuito impressor do divisor de 3 canais.

 

Os valores do diagrama são para uma impedância de 4 ?.

Para 8 ? os capacitores devem ter os valores reduzidos à metade e as bobinas devem seguir as características da tabela dada a seguir:

 

Bobina espiras (4 ?) espiras (8 ?)
L1 300 450
L2 200 320
L3,L4 120 200

 

Para as bobinas pode ser usado o fio 20 para potências de amplificadores até 50W por canal. Para potências na faixa de 50 a 100 W deve ser usado o fio 18.

Na figura 6 temos o aspecto dessas bobinas.

 

Aspecto das bobinas.
Aspecto das bobinas.

 

Tomando como referência um lápis enrole as bobinas de modo que fiquem com um comprimento da ordem de 3 cm passando depois a formar camadas. Feito o enrolamento para mantê-lo firme despeje cera de vela derretida ou mesmo verniz.

Os fios de conexão da entrada e saídas do divisor devem ser grossos para que não ocorram perdas ou alterações de impedância. Use fio 18 flexível do tipo apropriado para caixas acústicas.

Os alto-falantes empregados no sistema devem ter a impedância do amplificador e uma potência igual ou maior a que cada canal do sistema fornece. Não adianta colocar um alto-falante de potência muito maior, pois o que um alto-falante fornece é apenas o que o amplificador lhe entrega. Se você usar um alto-falante de 200 num sistema de 50W, só vai ter 50W porque o alto-falante não pode "criar" energia.

 

UTILIZAÇÃO

Num sistema comum de som, caixa acústica, por exemplo, o filtro é empregado como mostramos na figura 2.

Para um Home-Theater podemos colocar o alto-falante de graves em caixa separada da forma indicada na figura 7, obtendo assim o efeito do "bass booster" que torna explosões, desmoronamentos e outros ruídos de catástrofes muito mais reais.

 

Uso num Home-Theater.
Uso num Home-Theater.

 

Finalmente, na figura 8 damos uma sugestão de como usar o divisor no som do carro, com a separação de canais e de faixas num som muito mais "quente" que os sistemas comuns podem fornecer.

 

Uso no carro.
Uso no carro.

 

Alto-falantes:

FTE1 - Woofer - alto-falante de graves conforme potência e impedância desejadas

FTE2 - Mid-range - alto-falante de médios conforme potência e impedância desejadas

FTE3 - Tweeter - alto-falante de agudos conforme potência e impedância desejadas


Capacitores:

C1, C2 - 100 µF/35V - eletrolíticos (ou um só de 47µF despolarizado)

C3, C4, C5, C6 - 22 µF/35V - eletrolíticos (ou dois de 10 µF despolarizados)

Bobinas:

L1,L2,L3,L4 - bobinas - ver texto


Diversos:

Placa de circuito impresso, fios esmaltados, terminais de ligação, caixas acústicas ou painéis, fios polarizados, etc.

 

 

 

 

GRAVES/MÉDIOS/AGUDOS

Uma das características dos sons que nos permite fazer sua identificação é a frequência ou número de vibrações por segundo (medido em hertz - Hz).

Assim, os sons de baixas frequencias (menor número de vibrações) são percebidos pelos nossos ouvidos como graves. Estes sons são os produzidos por instrumentos como a tuba, o contra-baixo, o bumbo, etc. Já, os sons de frequências numa faixa intermediária são percebidos de um modo diferente, que nos permite classificá-los como médios. Os sons de altas frequências são os agudos e são os produzidos por instrumentos como a flauta, violino, etc.

Às vibrações sonoras podemos associar um número que corresponde ao "comprimento de onda". Fisicamente, ele significa o espaço que o som percorre em um dos seus ciclos. Assim, se um som tem 680 vibrações por segundo (680 Hz) e sendo sua velocidade 340 metros por segundo, podemos perceber que um ciclo deste som "preenche" um espaço de meio metro que corresponde ao seu comprimento de onda.

Perceba então que, quanto maior for a frequência, ou seja, mais agudo for um som, menor será seu comprimento de onda.

Este fato deve ser levado em conta nos projetos dos alto-falantes que, para terem certo rendimento, precisam ter dimensões compatíveis com os comprimentos de onda dos sons que devem reproduzir. É por este motivo que os alto-falantes de graves, de bom rendimento, devem ser grandes enquanto que os de agudos são pequenos.

Técnicas especiais que levam em conta outros fatores, entretanto, permitem que alto-falantes pequenos em caixas compactas sejam bons reprodutores de graves, o mesmo ocorrendo com os fones de ouvido.

O fato é que os diversos tipos de alto-falantes têm características (dimensões, construção, etc.) que dependem justamente da faixa de frequências que devem reproduzir.

 

 

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