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A REDE BALANCEADA E O ÁUDIO/VÍDEO
FUNCIONA
MESMO??
Elétrica
Jorge
Knirsch
Introdução
Anunciamos,
há mais ou menos um ano, através de alguns artigos da revista,
que iríamos apresentar detalhados estudos a respeito da rede elétrica
balanceada, mostrando o efeito que ela traz ao nosso sistema de reprodução
de som e imagem.
A
idéia de começar estes estudos surgiu a partir de alguns folhetos que
chegaram às nossas mãos, de uma empresa americana chamada “Equi=Tech
Corporation”, que fabrica aparelhos em várias potências, para a
alimentação de equipamentos com redes elétricas balanceadas. Na
realidade, existem inúmeras empresas, como vocês poderão constatar
pela Internet, que tratam deste assunto. Logo depois, soubemos que em
muitos shows, espetáculos, estúdios e no meio profissional de forma
geral, a alimentação dos equipamentos é feita de forma balanceada.
Inclusive, no meio bancário, a rede balanceada é muito utilizada, porém
com uma finalidade um pouco diferente, a qual não iremos abordar aqui.
Diante de tanto interesse no mercado, resolvemos também iniciar os
nossos estudos a respeito deste assunto, visando a sua aplicação para
o áudio/vídeo.
Decidimos
de imediato construir um segundo sistema de alimentação para o nosso
laboratório de som, transformando a rede elétrica em uma rede elétrica
balanceada. Ficamos então com a possibilidade de optar ora por um
sistema, ora por outro, a fim de podermos fazer as devidas comparações
e análises. O investimento foi muito alto, mas como vocês sabem, o
conhecimento não é gratuito, custa caro! E após vários meses de medições
elétricas, muitas audições e muitas discussões, inclusive acadêmicas
(iniciamos a preposição em fins de 2001), após muitas análises e
re-análises, chegamos às conclusões que agora estamos apresentando e
relatando aqui. Todos estes resultados poderão ser comprovados em meu
laboratório de som, inclusive com uma demonstração auditiva. Vejam as
fotos do painel que construímos.
© 2004-2016 Jorge Bruno Fritz Knirsch
Todos os direitos reservados
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A Expectativa
Inicialmente,
antes de começarmos qualquer experiência, tínhamos uma grande
expectativa, imaginando que a melhoria seria de fato um avanço
incontestável. Esperávamos obter uma resolução maior do som, com
maior nitidez nos agudos, médios e graves e maior palco sonoro quando
conseguíssemos retirar os ruídos randômicos da linha. Nossa esperança
era que a CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) aumentasse
significativamente. CMRR é a rejeição ao sinal de modo comum, ou
melhor, a rejeição ao ruído eletromagnético que entra aleatoriamente
na linha. O que vem a ser isto? Quando temos uma rede elétrica, com
seus fios, os ruídos eletromagnéticos existentes no ar, oriundos da
transmissão de ondas de rádio (RF), de televisão, de celulares, de
radioamadores, além de outros sinais afins, entram nestes fios e também
nos nossos aparelhos elétricos! A CMRR, medida em dB, é a capacidade
que um circuito, aparelho ou componente elétrico tem de rejeitar sinais
iguais (também chamados sinais comuns, ou em fase), que entram pelos
dois fios da entrada dos equipamentos. Esses ruídos são uma somatória
de vários sinais senoidais existentes no ar, em alta e altíssima freqüência
e de baixa amplitude de tensão.
É
bom frisar aqui que estes ruídos não têm nada a ver com os harmônicos
da rede elétrica que, de modo geral, são muito mais perniciosos para o
resultado final dos nossos sistemas. Queremos deixar claro que a nossa
expectativa não era a de que viéssemos a obter uma redução dos harmônicos
da rede elétrica, pois a rede balanceada não elimina nenhum harmônico,
por impossibilidade teórica e técnica!
Outro
ponto importante: não queremos que ninguém confunda rede elétrica
balanceada com sinal de áudio/vídeo balanceado, pois são duas coisas
bem diferentes! Neste artigo estaremos analisando a energia elétrica
balanceada, como é normalmente utilizada pelo mercado, para alimentação
dos equipamentos de áudio/vídeo, algo bem diferente do sinal de áudio/vídeo
balanceado. Ao longo do artigo, mostraremos a diferença entre um e
outro, de forma bem clara.
O Circuito
O circuito de
uma rede elétrica balanceada, como comumente é realizado por aí, é
obtido através de um transformador isolador em série com a rede.
Abaixo vocês poderão ver o esquema deste transformador isolador, para
terem uma idéia de como isto se processa e a maneira como a indústria
realiza este sistema.
FIG.1
- Esquema de um transformador balanceado
A entrada, no esquema deste exemplo, é uma tensão de 120V entre
fase e neutro. Poderia ser também uma tensão em 220V entre fase e
neutro ou, como ocorre em São Paulo, em 220V entre fase e fase, com saída
em 120V. O importante é o secundário! No secundário sai a tensão
preestabelecida (110V, 115V, 120V ou 127V) que desejamos, ou seja,
aquela tensão adequada, própria para a alimentação dos nossos
equipamentos. A entrada poderá ter qualquer uma das tensões
padronizadas da rede elétrica, as quais foram recentemente redefinidas
(Resolução ANEEL 505 de 26/11/2001, onde os limites foram extendidos!)
pela ANEEL de Brasília, e o secundário também, da mesma forma, mas
com o seu terminal central sempre aterrado. Normalmente a tensão do
primário é igual à do secundário, pois a intenção é apenas
transformar a rede normal em rede balanceada. No nosso exemplo da figura
1, a tensão do primário é 120V, transformada no secundário em +60V e
–60V contra o terminal central, permanecendo 120V entre os dois
terminais T1 e T2 do secundário. O importante a se verificar é se o
aterramento do meio do enrolamento do secundário foi realmente
executado. Este aterramento pode ser um aterramento TT, que possui menor
ruído do que o aterramento TN. Porém se for aterramento TT é necessário
ter uma boa proteção entre o terra e o neutro para evitar problemas com
transientes na rede elétrica.
Com o terminal central aterrado, criam-se duas tensões senoidais
contra T1 e T2, defasadas entre si em 180 graus, ou invertidas, como se
costuma dizer, ou ainda, em contra-fase. Nas figuras 2 e 3, vocês poderão
observar, na teoria, as ondas senoidais entre o Terminal 1 X Terra e
entre o Terminal 2 X Terra.
FIG.2 – Tensão entre
Terminal 1 X Terra.
FIG.3
– Tensão entre Terminal 2 X Terra.
Como vocês vêem, estas duas ondas senoidais, medidas contra o
terra, e somadas, resultam na onda senoidal de entrada, ou seja, a tensão
no secundário entre T1 e T2 é igual à tensão da entrada. Em outras
palavras, a onda aqui atravessou o transformador isolador numa relação
1:1, que é o mais comum acontecer, como vocês podem verificar nas
figuras 1 e 4.
FIG.4 – Onda de tensão da entrada no secundário.
As duas ondas, das
figuras 2 e 3, contra o terra, estão defasadas em 180 graus e são
comumente chamadas de ondas balanceadas da rede elétrica. Elas
alimentam todo o sistema de áudio e vídeo. Porém, como vamos lhes
mostrar, o processamento do sinal balanceado em áudio e vídeo é
diferente disto como, inclusive, já mostramos no artigo publicado sob o título “Sua Excelência: O Pré-Passivo”.
A Rede Balanceada no Áudio/Vídeo
Ali, naquele artigo, analisávamos o pré-passivo balanceado,
e apresentávamos toda a definição do sinal balanceado. (Sinal é uma
somatória de ondas senoidais de pequena amplitude e de baixa potência).
Falávamos que um sistema de sinal balanceado tem por objetivo levar um
sinal a percorrer longas distâncias, sem permitir que este sinal, no
seu destino final, apresente distorções decorrentes da influência dos
ruídos eletromagnéticos que estão no ar e que, inevitavelmente,
entram, ao longo do percurso, nos fios da linha. Para isto, este sistema
possui um circuito, logo no início, que cria, a partir do sinal normal,
um sinal invertido e, a partir daí, este novo sinal percorre todo o
trajeto necessário, juntamente com o sinal normal. Então, já dentro
do aparelho de destino, em outro circuito específico, o sinal invertido
volta a ser transformado em sinal normal e, ao ser sobreposto ao sinal
normal original, os ruídos são eliminados, justamente por estarem
agora defasados entre si em 180 graus. É este sinal recuperado, sem ruídos,
que continua então seu processamento, no interior do aparelho, já
limpo das impurezas.
Vejam este
processo esquematizado na figura.
FIG. 5 – O Sistema de Sinal Balanceado Correto
Se
vocês derem uma relida naquele artigo do pré-passivo, poderão
perceber que, ao se criar um sistema balanceado, o novo sinal criado
deverá ficar defasado 180 graus em relação ao sinal original, e isto
é realizado no primeiro circuito, porém deverá permanecer com a mesma
amplitude do sinal original até ao final do percurso. Mas não é
exatamente isto o que acontece com a nova onda criada no transformador
da rede balanceada, pois embora ela esteja defasada em 180 graus com
relação à onda inicial, não sai do transformador com a mesma
amplitude da onda original (120V), mas com a metade da amplitude inicial
(60V). Portanto, as ondas senoidais de +60V e –60V representam uma
rede balanceada, porém para que seja possível lhe retirar o ruído
induzido por qualquer fonte de interferência eletromagnética é necessário
que o ponto central do secundário esteja interligado a um terra de altíssima
qualidade. Não é suficiente para este fim, por exemplo, o neutro
proveniente da concessionária, pois a impedância associada ao mesmo,
principalmente para os componentes de alta freqüência, não é nem um
pouco desprezível! Desta forma, a eliminação de ruídos fica
seriamente comprometida!
A Chegada do Sinal ao seu Destino
Bem,
este sinal de +60V e –60V, criado na rede balanceada, sofre no seu
trajeto, desde o secundário do transformador até o sistema de áudio e
vídeo a influência do ruído eletromagnético que está presente no ar
e que entra nos três fios, se sobrepondo às ondas senoidais da fase
+60V, da fase invertida –60V e do terra. Este ruído eletromagnético
do ar evidentemente entra menos no terra, quando bem instalado, do que
nas fases, o que é normal. Percebam que, quanto melhor for o
aterramento, este ruído, presente tanto na onda senoidal da fase
invertida quanto na onda senoidal da fase normal, vai estar em fase, um
com o outro. Porém, se em vez do terra, for usado o neutro da rede, a
situação de ruído neste neutro não ficará melhor do que a situação
de ruído nas fases, devido à precariedade do aterramento do neutro
entre nós. Além disso, o nível de ruído do neutro é muito grande e
tiraria de fase os ruídos que estão na fase normal (T1) e na fase
invertida (T2), pois o secundário do transformador flutua em cima deste
ruído do neutro, anulando os efeitos da rede balanceada. Portanto não
teria sentido utilizarmos uma rede balanceada usando o neutro da rede elétrica!
Mas... continuando, e agora, na chegada destes fios aos seus destinos, o
que acontece?
Vamos
ver primeiro o que ocorre com o sinal balanceado de áudio e vídeo (que
na realidade é constituído por dois sinais), num verdadeiro sistema
balanceado. Nestes sistemas, ou em aparelhos eletrônicos balanceados de
forma geral, a fase invertida é novamente desinvertida, para voltar a
ficar em fase com a outra fase. Quando isto ocorre, o ruído da fase
agora desinvertida, é que fica invertido e, portanto, defasado 180
graus com relação ao ruído da outra fase que não foi alterada. E, ao
se realizar a sobreposição das duas ondas, para se recuperar o sinal
original... Ocorre o cancelamento dos ruídos, neste mesmo instante, já
que estão defasados 180 graus, um em relação ao outro, e assim a soma
dos ruídos se torna nula, permanecendo o sinal original limpo dos ruídos
eletromagnéticos captados. Portanto, o ruído é eliminado! Este
processo de limpeza ocorre lá no segundo circuito da figura 5. Primeira
conclusão: os sistemas balanceados têm por objetivo primordial a
eliminação dos ruídos eletromagnéticos da linha de sinal! Porém não
eliminam o conteúdo harmônico da rede elétrica!
Nas
redes elétricas balanceadas, a obtenção do sinal original é feita de
uma forma diferente da que é realizada com o sinal balanceado de áudio/vídeo,
porque estas redes não têm o segundo circuito (da figura 5). Portanto,
a eliminação dos ruídos vai depender da rejeição ao sinal de modo
comum que o próximo componente ligado à rede balanceada tiver. Ou
seja, quanto maior, em dBs, for o índice de rejeição ao modo comum do
próximo componente, maior será a eliminação dos ruídos da rede.
Como nos transformadores a rejeição aos ruídos de modo comum não é
significativa (devido às capacitâncias parasitas existentes entre os
enrolamentos primário e secundário), isto compromete as vantagens
proporcionadas por uma rede balanceada.
Portanto,
comparada à rede elétrica normal, a rede balanceada não apresenta
diferença significativa quanto aos ruídos eletromagnéticos que contém,
principalmente se for usado o neutro! Segunda conclusão: A rede que
o mercado chama de rede elétrica balanceada não tem a capacidade de
retirar os ruídos eletromagnéticos da linha e se torna dependente do
índice de rejeição de modo comum do próximo componente. (Vejam que
estes ruídos vão sendo captados desde o secundário do transformador,
quando esta rede balanceada tem início e continuam sendo captados por
todo o percurso da linha, até o destino, que corresponde ao nosso
sistema de áudio e vídeo). Podemos concluir que a rede balanceada,
com terminal central do secundário ligado ao neutro, nada mais é do
que a passagem da energia elétrica por um transformador isolador, com o
terminal central aterrado no neutro no secundário!! E com todas as
desvantagens que isto trás!! Nada mais!!!
© 2004-2016 Jorge Bruno Fritz Knirsch
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Seria
possível se eliminar em uma rede elétrica balanceada, os ruídos
eletromagnéticos? Tecnicamente seria, porém isto é de difícil
realização, sendo necessário utilizarmos mais componentes eletrônicos,
com mais transformadores isoladores, o que pioraria ainda mais a distorção
harmônica total (%THD), e o circuito se tornaria muito mais complexo. E
o que é pior, esta distorção harmônica, que o transformador isolador
introduz, acaba se revelando muito mais maléfica para o nosso sistema
de áudio e vídeo do que a distorção provocada pelos próprios ruídos
eletromagnéticos! Até hoje não encontramos nenhuma rede elétrica
realmente balanceada com eliminação dos ruídos, pela enorme
dificuldade que representa sua implementação e, como veremos, ... pela
total falta de necessidade de fazê-lo!
A
próxima colocação, agora, é muito interessante e importante! Vejam
bem!! Toda a rede elétrica tem por objetivo alimentar os equipamentos
com energia e, no interior dos aparelhos, via de regra, esta energia vai
apenas até o primário dos transformadores, pois ali é feita a adaptação
da tensão AC, para em seguida se obter o nível DC, necessário para
alimentar todos os circuitos eletrônicos internos. Observem que, na prática,
isto ocorre tanto na rede balanceada, quanto na rede normal. Acontece
que os transformadores isoladores de alimentação dos aparelhos de áudio/vídeo,
de modo geral já são filtros passa-baixas, com freqüências de corte
em torno de alguns mil Hertz, dependendo da qualidade da sua construção.
Ou seja, em outras palavras, todo o sinal que entra no primário do
transformador de alimentação, com freqüência acima de alguns mil
Hertz, esteja em fase ou não, começa a sofrer forte atenuação e esta
atenuação será tanto mais forte quanto maior for a freqüência. O
que passa então para o secundário nesta transferência: a fundamental
(120V em 60Hz) e todos os seus harmônicos, normalmente ímpares, como já
vimos em artigo anterior. Apenas os harmônicos de altas e altíssimas
freqüências (de pouca importância, por serem de baixíssima tensão,
e por serem facilmente eliminados por outros componentes) não conseguirão
passar pelo núcleo magnético, dependendo apenas dos valores das
capacitâncias parasitas entre primário e secundário. Por outro lado,
como desvantagem, novos harmônicos são criados dentro do
transformador, por distorções do próprio aparelho como um todo. O
transformador acarreta normalmente um nível de THD mais alto no secundário
do que no primário. Como vocês vêem, qualquer transformador isolador
já é um filtro para os ruídos eletromagnéticos e os harmônicos de
alta freqüência que estejam na linha. É por isso que temos falado que
os harmônicos de baixa freqüência são os mais perniciosos para o
nosso som e imagem.
Terceira
conclusão: Os ruídos eletromagnéticos existentes na rede elétrica
(seja na rede balanceada ou na normal) não conseguem de modo geral
passar por um transformador. No entanto, estes ruídos eletromagnéticos
provenientes do ar entram em qualquer lugar onde haja tensão AC ou DC,
dentro ou fora dos aparelhos eletrônicos, e também na rede elétrica.
O transformador tem esta propriedade de eliminá-los no seu primário,
porém a partir do seu secundário, e daí para frente, a entrada dos ruídos
eletromagnéticos volta a ocorrer normalmente! Pergunto: qual a vantagem
deste transformador da rede balanceada retirar os ruídos eletromagnéticos
no seu primário, se logo em seguida esta rede é contaminada novamente
com novos ruídos eletromagnéticos, até chegar ao seu destino? E, além
do mais, vocês já se deram conta que esta rede termina normalmente em
um transformador? Claro, pois praticamente todos os aparelhos eletrônicos
de áudio e vídeo possuem um transformador isolador na sua entrada.
Pergunto novamente: qual a vantagem deste transformador da rede
balanceada retirar os ruídos eletromagnéticos no seu primário, se
logo em seguida esta rede é contaminada novamente com novos ruídos
eletromagnéticos, até chegar ao transformador da entrada do nosso
equipamento de áudio/vídeo, onde todos os ruídos eletromagnéticos
serão eliminados?... Vocês vêem algum sentido em todo este
contra-senso?
Já
a realidade para um sinal balanceado de áudio/vídeo é bem diferente,
pois o sinal original é reconstituído, após o segundo circuito, logo
na entrada do aparelho de destino, com todos os ruídos eletromagnéticos
da cabeação eliminados.
Toda
a valorização desta “rede elétrica balanceada” a qual o mercado
se refere cai por terra!! Não tem o menor sentido!! É apenas mais uma
falácia do marketing da indústria!! O que já não é o caso do sinal
de áudio/vídeo balanceado!! Como demonstramos, este último é bem
diferente e tem base técnica comprovada!! Quanto ao seu resultado
sonoro, este é um outro assunto, o qual já discutimos em maior
profundidade no nosso artigo do "Pré Passivo" indicado acima.
A
rede balanceada ainda tem uma outra grande desvantagem, que eu não
queria deixar de mencionar. Da mesma forma como a rede elétrica 220V
fase-fase, aqui em São Paulo, a rede elétrica balanceada +60V e –60V
também é fase-fase. Precisamos tomar muito cuidado com estas redes,
pois com elas não conseguimos desligar totalmente nossos aparelhos. As
chaves dos equipamentos normalmente desligam apenas uma fase, de forma
que internamente, nos aparelhos, permanece a outra fase com tensão
contra o terra, ou contra o neutro, dependendo do que estiver sendo
usado. Se não houver uma boa proteção para esses equipamentos, em
casos de perturbações na rede elétrica (raios, transientes, etc.),
eles poderão eventualmente queimar, estando desligados! Portanto, muito
cuidado!!!
Quadro de Comando da Rede Balanceada
Com tantas indicações
na internet e no meio profissional a respeito de redes elétricas
balanceadas, começamos a realização da parte prática, antes de
fazermos a verificação teórica acima, construindo o quadro de
comando, para realizar os testes auditivos. O colega e fotógrafo
profissional, Gerson Bilezikjian, com uma câmera fotográfica digital,
deslocou-se gentilmente lá para o nosso laboratório para bater uma
foto que juntamos a este artigo, para vocês poderem apreciar o painel
elétrico que construímos. Como os resultados auditivos não
corresponderam à expectativa, iniciamos então a verificação teórica
descrita acima. Trocamos idéias inclusive com o professor e mestre
Nilson de Lucca, titular da cadeira de Eletrônica de Potência da
Escola de Engenharia Mauá, que foi nosso mestre na época da faculdade,
e com o Dr. Pedro Sumodjo, que participou na elaboração da nova norma
brasileira NBR5410 na ABNT.
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Quanto ao resultado auditivo, o que nos
surpreendeu foi que não verificamos redução de ruído algum, mas sim
percebemos toda a problemática do uso de transformadores isoladores,
apesar do esmero que usei na fabricação destes aparelhos. Foi um
grande susto!! O uso destes transformadores compromete os agudos e
inclusive os graves, deixando-os menos definidos. Em redes elétricas
balanceadas, porém, é possível compensarmos estes efeitos negativos
acrescentando alguns componentes eletrônicos, com um resultado até
razoável, mesmo permanecendo com um THD mais alto no secundário do
transformador. Porém, ao usarmos tal alternativa estaremos entrando por
um galho do pinheiro, perdendo a chance de subirmos tronco acima, em
direção ao topo! Portanto devemos evitar esta solução, que não é
solução de coisa alguma!!
Para os nossos estudos, no interior do
quadro de comando, construímos três redes balanceadas, com os melhores
materiais existentes, como vocês podem constatar na foto: duas para as
linhas de 120V fase-neutro e uma para a linha 230V fase-fase. Na
verdade, a foto fala por si só!
Conclusão
Preciso confessar aqui que esta pesquisa foi a mais dolorida
e difícil de todas as que já realizei até agora e a mais frustrante
para mim, tanto para o meu bolso (gastei na ocasião em torno de R$
10.000,00), quanto para a minha auto-estima, pelo fato de ter começado
primeiro pela parte prática e depois verificado a parte teórica. Mas são
estas experiências que fazem a gente crescer muito, quando se é pela
verdade, pelo que é correto e certo! E a vida continua! Nós não vamos
parar por reveses assim, bem ao contrário, tudo isso é um incentivo
para aumentarmos a pesquisa, sempre no objetivo de melhorarmos nossa
reprodução eletrônica, trazendo-a mais perto do som ao vivo, rumo ao
topo do pinheiro!! Sempre caminhando...
chegaremos lá! Aleluia!!
Uma boa audição a todos, sem redes
balanceadas, espero! Aquele abraço e... até a próxima!!!
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