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PERGUNTAS/RESPOSTAS SOBRE A ENERGIA ELÉTRICA
3.a Parte

 

Elétrica

Jorge Knirsch

Introdução

Falávamos, no último artigo, que gostaríamos de aprofundar o nosso entendimento a respeito dos transientes e dos harmônicos da rede elétrica. E face ao nível de discussão que está surgindo, será mesmo necessário trazer um fundamento teórico que embase as afirmações que temos feito.

As Distorções

Pergunta:  O que vem a ser distorção elétrica?

Resposta: Distorção elétrica é tudo aquilo que foge ao padrão pré-estabelecido. Por exemplo, quando tomamos um osciloscópio, com o objetivo de verificarmos a tensão da rede, sabemos que graficamente iremos encontrar uma onda senoidal, pois este é o padrão. Porém, ao averiguarmos a tensão da rede da nossa casa, vamos perceber desvios, até significativos, ao compararmos o gráfico apresentado pelo osciloscópio com o gráfico de uma onda senoidal pura. Estes desvios nada mais são do que as distorções da senóide de tensão da rede elétrica. Esta onda senoidal distorcida recebe o nome de onda complexa de tensão (ou onda complexa de corrente, se for o caso). 

Pergunta: Que tipos de distorções poderão ocorrer?

Resposta: Existem dois grandes grupos de distorções: as periódicas e as não periódicas (também chamadas de aperiódicas).

As distorções periódicas são aquelas que se repetem em intervalos de tempo regulares, na onda complexa, e são as mais comuns na energia elétrica. Vamos aqui analisá-las com maior profundidade.
      Já as distorções aperiódicas são aquelas que ocorrem durante um certo intervalo de tempo e depois desaparecem. Este tipo de distorção é também chamado de transiente ou transitório. Por exemplo, quando em minha casa aciono um interruptor, a fim de ligar uma lâmpada, neste momento poderá ocorrer um pequeno pico de tensão em cima da senóide de tensão, alterando a sua forma durante este pequeno intervalo de tempo. Isto é um transiente! Existem transientes pequenos, mas também existem transientes muito grandes, como por exemplo um raio passando pela fiação elétrica, ou seja, em um dado instante poderá haver alguns milhares de volts sobrepostos sobre a senóide de 110 ou 220V da nossa rede elétrica! Vejam quanto essas distorções aperiódicas podem ser destrutivas ao nosso sistema de áudio/vídeo, podendo chegar até a queimar os aparelhos! São distorções muito difíceis de serem eliminadas, devido à sua imprevisibilidade e também devido à nossa falta de conhecimento quanto à quantidade de energia elétrica envolvida neste determinado transiente que vem a atingir o nosso sistema. Quanto maior o volume de energia de um transitório, maior a probabilidade de dano ao nosso equipamento e provavelmente também maior será a nossa dificuldade para eliminá-lo, na tentativa de evitarmos qualquer prejuízo aos nossos aparelhos.
      No nosso meio audiófilo, tem se falado muito destes transientes danosos, do tipo das descargas atmosféricas, que podem chegar a alguns milhares de volts. Há também, no mercado, muitos aparelhos que prometem proteção aos nossos sistemas, mas poucos, muito poucos realmente, oferecem uma savalguarda real e efetiva. Como o transiente é randômico e aleatório, com um volume de energia imprevisível, é muito difícil eliminá-lo verdadeiramente. Prometer é fácil, muitos fabricantes prometem, mas proteger de fato é muito difícil, o que exigiria profundo conhecimento dos processos elétricos. As melhores topologias para os circuitos destes aparelhos devem ser aquelas que estejam completamente em paralelo com a rede elétrica, não podendo ter nenhum componente em série.
         Vamos agora tratar das distorções periódicas, que são as mais comuns e que, no nosso dia a dia, são as que maiores degradações trazem ao som e à imagem. Por incrível que pareça, sobre estas pouco se fala e pouco conhecimento existe, principalmente no nosso meio audiófilo, melômano e videófilo.
      Aqui vai um pouco de teoria: toda onda complexa periódica, tanto a de corrente quanto a de tensão elétrica, diferentemente da onda senoidal pura, poderá ser decomposta em uma somatória de ondas senoidais. Esta somatória de ondas decompostas é denominada “Série de Fourier”. Fourier foi um famoso físico e matemático francês (1768-1830), expoente entre os matemáticos do século XIX, que primeiro sistematizou, de uma forma coerente, a decomposição de uma onda complexa periódica, conquista esta que proporcionou um grande avanço à física. Cada uma destas ondas senoidais puras decompostas possui uma amplitude, uma freqüência e uma defasagem.

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Os Harmônicos

Pergunta:  O que estas ondas senoidais vêm a ser realmente?

Resposta: Recapitulando, as ondas de tensão e as de corrente, quando geradas na sua origem, são ondas senoidais puras. Porém, ao longo do seu trajeto, ao levar a energia a todos os cantos e recantos, para ser consumida, tanto a onda senoidal de tensão como a de corrente acabam ficando deformadas pelas próprias cargas que estão alimentando, tornando-se ondas complexas periódicas. Estas novas ondas periódicas, que surgem neste processo de consumo de energia, poderão ser decompostas, pela série de Fourier, em uma somatória de ondas senoidais puras.
       Estamos republicando aqui a figura 1, para lhes mostrar duas curvas sujas por distorções periódicas provocadas por cargas: a curva “i” corresponde a uma onda complexa periódica de corrente e a curva “u”, menos deformada, a uma onda complexa periódica de tensão.
       Cada uma destas ondas poderá ser decomposta em um conjunto de ondas senoidais. Na figura 2 vocês poderão observar que cada coluna representa uma das ondas senoidais decompostas de uma onda complexa periódica de tensão ou corrente. A altura de cada coluna indica o nível de tensão (ou de corrente) e o número colocado abaixo de cada coluna, no eixo das abscissas, indica o múltiplo da freqüência da rede. Assim, por exemplo, a primeira coluna representa a onda senoidal em 60Hz, também chamada de onda fundamental, com uma tensão igual a 95,3% da tensão eficaz da onda complexa original. Na freqüência da rede, esta onda fundamental é a base de toda onda complexa periódica de 60Hz. As outras ondas senoidais, denominadas harmônicas, são aquelas que apresentam números ímpares no eixo das freqüências, diferentes de 1. Assim, por exemplo, a segunda onda senoidal da Figura 2 é um harmônico na freqüência de 180Hz (= 3 x 60Hz, chamada de terceira harmônica), a terceira onda senoidal é um harmônico na freqüência de 300Hz (= 5x 60Hz, quinta harmônica) e assim por diante.

 

Pergunta: Por que  só existem harmônicos ímpares na decomposição da onda complexa periódica?          

Resposta: Esta pergunta é muito boa, mas não é muito fácil de se responder. Vou tentar explicá-la da forma mais simples possível. Muitos acham que isto se dá devido às cargas, mas na verdade a situação é um pouco mais complicada. Para entendê-la, vamos necessitar aprofundar o nosso conhecimento a respeito da onda complexa periódica.
       Uma onda complexa periódica pode ser complementar ou não. Ela será complementar se possuir uma parte positiva e outra negativa, dentro do mesmo período, como ocorre com as ondas elétricas da nossa rede de energia. De uma forma bem simples, através do osciloscópio, poderemos verificar graficamente as duas corcundas da senóide, uma para cima (parte positiva) e outra para baixo (parte negativa). No caso de uma onda de tensão, por exemplo, verificamos que, a cada período, os terminais + e – trocam de polaridade, invertendo o sentido do fluxo. Esta complementaridade poderá ainda ser simétrica ou assimétrica. Será simétrica se a parte positiva da onda apresentar simetria com a parte negativa, em relação ao eixo das abscissas. Ou seja, olhando-se como que por um espelho, constataremos que as duas partes são iguais. E ainda existe a simetria em relação à vertical, ou seja, traçando-se uma reta do ponto de máxima de cada senóide (corcunda), perpendicularmente ao eixo das abscissas, estaremos dividindo esta senóide em duas metades, sendo que a metade da direita deverá ser simétrica à da esquerda.

 

Figura 2 – Representação gráfica da fundamental e dos harmônicos de tensão da rede elétrica em uma medição elétrica.

Agora já podemos colocar a afirmação matemática (que vou deixar para os aficionados em matemática demonstrarem), que diz: a decomposição de uma onda complexa periódica complementar e simétrica, pela série de Fourier, vai apresentar apenas a fundamental e os harmônicos ímpares, pois os harmônicos pares se cancelarão.
       Algumas poucas vezes, em raras ocasiões, fazendo medições no campo, principalmente com relação à corrente, temos verificado que a coluna da segunda harmônica (120Hz) também aparece no gráfico, embora com pequena altura, o que indica que esta onda senoidal não é totalmente simétrica. Isto é devido, não a um nível de corrente contínua que se sobrepõe, como muitos pensam, mas a assimetrias verticais, que podem ocorrer tanto na parte positiva quanto na parte negativa da onda.

Pergunta: Como poderemos medir as distorções das ondas complexas periódicas?

Resposta:  Estas distorções poderão ser medidas com o que chamamos no inglês de THD (Total Harmonic Distortion), ou seja, Distorção Harmônica Total. O THD é o quociente, expresso em porcentagem, da raiz quadrada da soma dos quadrados das tensões eficazes de cada harmônico dividido pelo valor eficaz da fundamental. Poderemos obter estas tensões eficazes através de um analisador de redes elétricas, por exemplo, como o Fluke Power Meter, que mede a tensão, a corrente e a fase, por harmônicos, entre vários outros parâmetros.

Pergunta: Quantos harmônicos existem?

Resposta:. Bem, a rigor o número de harmônicos é teoricamente infinito, mas dependendo do estudo que se estiver fazendo, pode-se levar em conta apenas os primeiros harmônicos. No áudio/vídeo, comumente levamos em conta os cincos primeiros harmônicos (ímpares), ou seja: o terceiro, o quinto, o sétimo, o nono e o décimo primeiro harmônico. Poderemos entretanto vir a considerar também algum outro harmônico mais à frente, caso nos deparemos com mais algum valor significativo. O THD é medido tanto para a tensão quanto para a corrente. Normalmente a ordem de grandeza é de alguns porcentos e o THD da corrente costuma ser maior do que o da tensão. Os harmônicos de baixa ordem (ou seja, os primeiros harmônicos) são geralmente os mais fortes, principalmente o terceiro, e são os mais difíceis de serem reduzidos. No entanto, a redução de cada décimo de distorção traz uma melhoria sonora significativa aos sistemas de áudio/vídeo tanto na imagem como no som. A redução dos primeiros harmônicos é muito difícil de ser realizada, enquanto que os harmônicos de alta ordem já são mais facilmente eliminados. Normalmente, quando conseguimos reduzir os primeiros harmônicos, obtemos normalmente  também uma grande redução dos harmônicos subseqüentes, por causa da utilização dos filtros passa-baixos

Pergunta: Já que os harmônicos influem no som e na imagem, por que as fontes de alimentação dos aparelhos não consegue filtrar todos os harmônicos?

Resposta: Este tema é bem polêmico e muito interessante. Em primeiro lugar, a importância que a indústria de áudio/vídeo tem dado às fontes de alimentação é ainda muito baixa. O objetivo da indústria, na verdade, é colocar os seus produtos no mercado com baixos custos e nada mais! Para ela, o interessante é vender o máximo possível e ela não está exatamente se preocupando com a qualidade em si. Vejam bem, se a influência da energia elétrica na reprodução mal é reconhecida, quanto mais na elaboração das fontes de alimentação! Além disso, a maioria dos audiófilos e videófilos não reconhece a influência da energia elétrica. E por que? Porque seus sistemas não podem constatar diferença alguma, uma vez que tudo é nivelado por baixo! Trocando em miúdos, ou o nível destes sistemas ainda não é suficiente o bastante para captar esta problemática (pois, infelizmente apenas uma minoria privilegiada pode adquirir equipamentos com qualidade de reprodução melhor), ou então, deve haver algum elo fraco no sistema, que está levando a qualidade de todo o conjunto para baixo.
       Pois bem!! A fonte de alimentação é constituída por três partes básicas, a saber: o transformador, a ponte retificadora e a filtragem (passiva ou ativa, também chamada de regulador).
       Comecemos pelo transformador. Se vocês comprarem um transformador barato e leve, ali na Rua Santa Ifigênia, em São Paulo, (um adaptador de tensão de 220V para 110V, por exemplo), e medirem o THD de tensão deste aparelho, tanto na entrada quanto na saída, poderão verificar que ele aumenta a distorção harmônica em alguns porcentos. Infelizmente esta é a regra do que há no mercado!! Para conseguirmos um transformador que mantenha a mesma distorção, na saída e na entrada, será preciso que pesquisemos bastante e, se de fato o encontrarmos, já será uma grande vitória, pois não é qualquer transformador que consegue fazer isso! Imaginem quanto não será preciso que nos empenhemos para descobrir um que abaixe a distorção! Um bom transformador precisará ser construído com bons materiais e também deverá ser projetado com conhecimento! E este problema é mundial, pois os aparelhos dos nossos sistemas, embora normalmente importados, internamente também contêm transformadores que muitas vezes não são de boa qualidade, pois aumentam a distorção harmônica. Isto se verifica principalmente nos equipamentos pertencentes  a um nível baixo de qualidade.
       Em seguida, vem a ponte retificadora, onde temos duas opções: a com dois diodos e a com quatro diodos. Muitos fabricantes de equipamentos Hi-Fi ainda usam, por razões de economia, a ponte retificadora com dois diodos, gerando, no nível DC, uma onda senoidal em 60Hz (a fundamental), e vejam bem: quanto mais baixo for o harmônico, mais difícil será conseguirmos retirá-lo depois! Mas a maioria dos fabricantes já está usando quatro doidos na ponte retificadora, que apesar de gerarem um harmônico em 120Hz, este já é um pouco mais fácil de ser reduzido e filtrado. Estes harmônicos em cima do nível DC da fonte de alimentação denominamos de Ripple.
       Finalmente vem a filtragem. E aqui ocorre o maior problema: filtrar é muito caro!! Existem filtros RLC de primeira ordem, segunda ordem, terceira ordem, quarta ordem e assim por diante. Nos divisores passivos de caixas acústicas são usados filtros similares, que vão desde a segunda ordem até de oitava ordem. Mas os fabricantes de equipamentos, em sua grande maioria, usam filtros de primeira ordem nas fontes de alimentação, ou seja, usam somente um capacitor com impedância mínima centrada no principal harmônico, normalmente em 120Hz (ripple) da nova tensão contínua, o que é correto. Porém, estes fabricantes se esquecem que os harmônicos restantes, vindos da rede elétrica e do transformador, embora já tenham sido fortemente reduzidos, ainda não foram totalmente eliminados e, nos sistemas de reprodução de bom nível, tornam-se audíveis por intermodulação. Isto vale também, em menor escala, para as fontes reguladas.
       Estudos de fontes de alimentação são feitos em laboratório, com analisadores de espectro, onde se pode observar o novo nível da tensão contínua, e em seguida, sobras da fundamental ou da segunda harmônica, dependendo da ponte retificadora usada, e... também resquícios das distorções harmônicas da rede elétrica. Estudos profundos sobre este assunto foram feitos pelos fabricantes Mark Levinson e Jeff Roland. A Mark Levinson procurou estudar todos os tipos de fontes de alimentação e chegou à conclusão que, mesmo com a melhor regulação possível, ainda não conseguia retirar todos os vestígios da rede elétrica original. Então o que ela fez? Retificou a tensão da rede elétrica, transformou-a em tensão contínua e voltou a oscilar um novo AC, para novamente retificar e obter uma nova tensão contínua absolutamente limpa. Em outras palavras, ela foi, voltou, e criou um novo DC pela segunda vez. Ao fazer isso, a redução de harmônicos foi drástica. Esta solução resolveu o problema dos harmônicos, mas criou dois novos desafios. O primeiro, por se tratarem de circuitos em série com a rede, fica muito difícil manter a neutralidade do som no sistema e, em segundo lugar, esta é uma solução extremamente cara, pois se utiliza de muitos componentes que precisam ser de altíssima e excelente qualidade. A Mark Levinson usa este sistema nos seus powers 33 e 33H.
       A Jeff Roland já se enveredou por dois outros caminhos. Um deles foi o uso de baterias. Embora a bateria apresente um nível de tensão contínua muito limpo (tem ruídos também!), esta nova solução também envolve desafios a serem vencidos. Logo de início, é necessário se ter uma reserva a mais de capacidade em AH (Ampére-Hora), para que a qualidade do DC seja realmente boa. Isto faz com que o volume e o peso das baterias fiquem muito grandes. Outro problema é o sistema de recarga das baterias, que precisa ser muito sofisticado, para aumentar a vida útil destes equipamentos.
       A outra solução pesquisada e implementada pela Jeff Roland foi o uso de fontes de alimentação chaveadas. Nós mesmos já fizemos um artigo a respeito de fontes chaveadas, com muitos detalhes técnicos, aqui no nosso site. Estas fontes trabalham com freqüências mais altas, o que torna a filtragem um pouco mais simples, porém o problema não fica totalmente resolvido, afetando também o som e a imagem, de forma que não é uma solução audiófila. Estas fontes são muito leves e de baixo custo.

Conclusão

Continuando o nosso bate papo, falamos um pouco mais a respeito desta erva daninha da energia elétrica, que são os harmônicos, pouco conhecidos pelos amantes da música e da imagem. Algumas empresas de renome do áudio e do vídeo já reconheceram o peso dessas indesejáveis interferências. Por isso, muitos dos seus equipamentos contêm várias fontes de alimentação, que chegam a corresponder à maior parte dos aparelhos, tanto em peso quanto em volume e custo. Alguns fabricantes já chegaram a ponto de lançarem um novo invólucro, em separado, para essas fontes, preferindo enfrentar toda a problemática envolvida nesta nova questão (como, por exemplo, a problemática com relação aos cabos de interligação), do que correr o risco de permanecer com fontes de alimentação menos eficazes. Como mostrei, no final deste artigo, o problema é tão sério, que vários fabricantes idôneos estão procurando alternativas que tragam uma qualidade cada vez melhor, tanto na audição quanto na imagem, a custos compatíveis. O desafio continua no árduo caminho rumo ao “Topo do Pinheiro”, por idas e vindas em GALHOS, subidas e escorregões... Cada vez o clima fica mais quente, a cada momento chegamos mais próximo! Ufa! Vamos lá!!

         Desejo a todos uma excelente audição de qualidade!

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