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  Uma Entrevista com Jorge Knirsch

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  Veja os comentários de Fernando Sampaio (RJ) a respeito de fiação sólida e aterramento do neutro.
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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!!!

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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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