Divisor de 3 canais para sistemas de som (ART076)

A separação dos sinais de um sistema de som para alto-falantes de graves, médios e agudos é uma necessidade, tanto para quem deseja obter maior qualidade de reprodução no carro, em casa, ou no "home theater" e 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 até 100 Wrms (400 Wpmpo) de potência por canal.

 

Não existem alto-falantes perfeitos, capazes de 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 freqüências extremas. Uma maneira de se obter uma reprodução melhor em toda a faixa de freqüências audíveis é através da 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 freqüências na faixa de 15 a 3 000 Hz) e outro 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 as faixas típicas da divisão de freqüências que normalmente encontramos num sistema de 3 alto-falantes.



 Figura 1 - Espectro audível

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



Figura 2 - O divisor de frequências.


Essa divisão é feita através de filtros intercalados entre o sistema de som e os alto-falantes, podendo ser tanto externos como embutidos numa própria caixa acústica ou caixa de som. A montagem dos filtros, assim como sua instalação é relativamente simples, pois não são necessários ajustes e ele usa apenas componentes passivos, ou seja, não precisa de alimentação alguma. Assim, para os leitores interessados em montar seu próprio filtro, em lugar de contar com os tipos comerciais, damos nesse 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 freqüências 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 freqüências recomendadas de transição para se utilizar um determinado filtro. Para a maioria dos alto-falantes, esses 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 freqüências. A separação dos sinais que vêm do amplificador em faixas de freqüências diferentes é feita normalmente através de filtros passivos. Esses 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 freqüência, os indutores apresentam uma característica de se oporem tanto menos à passagem de um sinal quanto menor for sua freqüência. Dizemos tecnicamente que esses componentes possuem reatâncias que dependem da freqüência, conforme as características mostradas na figura 3.



Figura 3 - Características dos capacitores e dos indutores.


Assim, se quisermos deixar passar somente os sinais de baixas freqüências (que correspondem aos graves) ligando-o em série com o woofer (alto-falantes de graves) 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 formas determinadas podemos "filtrar" as diversas faixas de freqüências 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 freqüências 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 ohms, a impedância total do circuito, com capacitores e indutores apropriados ficará em torno de 4 ohms e da mesma forma, usando alto-falantes de 8 ohms com capacitores e indutores apropriados, a impedância do conjunto será de 8 ohms.
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 capacitores eletrolíticos comuns ligados em oposição como mostra o diagrama. Veja que temos de considerar o modo de ligação na escolha de valores. Assim, um despolarizado terá a metade do valor dos dois eletrolíticos usados: um despolarizado de 10 uF substitui, por exemplo dois de 22 uF em oposição (não recomendamos 11 uF pois não existe esse valor comercialmente e o mais próximo é 10 uF).



MONTAGEM

O diagrama completo do filtro é mostrado na figura 4.

Figura 4 - Um divisor de frequências para três alto-falantes.


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 na placa na figura 5.



Figura 5 - Aspecto da montagem do divisor.


Os valores do diagrama são para uma impedância de 4 ohms. Para 8 ohms os capacitores devem ter os valores reduzidos à metade e as bobinas devem seguir as características da tabela dada a seguir:

         Bobina          espiras           espiras
                            (4 ohms)       (8 ohms)
 
            L1              300               450

             L2              200               320
            L3,L4           120               200  

Para as bobinas pode ser usado o fio 20 AWG para potências de amplificadores até 50Wrms  por canal. Para potências na faixa de 50 a 100 W deve ser usado o fio 18 AWG. Na figura 6 temos o aspecto dessas bobinas.



Figura 6 - 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 o leitor usar um alto-falante de 200W num sistema de 50W, só vai obter 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.



Figura 7 - Utilizando num home theater.


 
LISTA DE MATERIAL
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 uF/35V - eletrolíticos (ou um só de 47uF despolarizado)
C3, C4, C5, C6 - 22 uF/35V - eletrolíticos (ou dois de 10 uF 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 freqüência ou número de vibrações por segundo (medido em hertz - Hz). Assim, os sons de baixas freqüências (menor número de vibrações) são percebidos pelos nossos ouvidos como sons graves. Esses sons são produzidos por instrumentos como a tuba, o contra-baixo, o bumbo, etc. Já, os sons de freqüências numa faixa intermediária são percebidos de um modo diferente, o que nos permite classificá-los como sons médios. Os sons de altas freqüências são os sons agudos e são 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 (680Hz) 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 freqüência, ou seja, mais agudo for um som, menor será seu comprimento de onda. Esse fato deve ser levado em conta nos projetos dos alto-falantes que, para terem um certo rendimento, precisam ter dimensões compatíveis com os comprimentos de onda dos sons que devem reproduzir. É por esse motivo que os alto-falantes de graves, de bom rendimento, devem ser grandes enquanto que os de agudos são pequenos. É claro que técnicas especiais modernas, que levam em conta outros fatores, 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 freqüências que devem reproduzir.

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