Quanta potencia é necessária para umas determinadas colunas (mais cabos)

[AudioPhileWanabe]

Ultimamente tem-se discutido aqui muito o tema da amplificação e as interacções amplificador\cabos e cabos\colunas, e do efeito das reactancias dos cabos e das colunas no desempenho dos amplificadores.
Num outro tópico temos um colega que devido a comentários de amigos se questiona se o amplificador dele é suficientemente potente para as suas colunas.
Pois gostaria de iniciar aqui uma discussão sobre o tema, usando como ponto de partida o seguinte artigo publicado na Stereophile:
Heavy Load: How Loudspeakers Torture Amplifiers
http://stereophile.com/reference/707heavy/index.html

Why, in loudspeaker reviews, is impedance measured (assuming that the magazine in question bothers to measure anything)? Generally, for one principal reason only: to establish whether the speaker presents an "easy" or a "difficult" load to its partnering amplifier.

But loudspeaker loads are not, in general, resistive. They comprise complex impedances with both resistive and reactive (capacitive and inductive) elements, as a result of which the voltage and current waveforms are, at most frequencies, out of phase with each other. This is why, for a complete characterization of a speaker's load impedance, both modulus vs frequency and phase vs frequency have to be determined.

E aqui o autor introduz o conceito de EPDR, que me parece deveria ser sempre disponibilizado pelos fabricantes de colunas:

plotting what I term equivalent peak dissipation resistance (EPDR) vs frequency, which inverts the graph and removes any need of a reference. EPDR is simply the resistive load that would give rise to the same peak device dissipation as the speaker itself.

Um exemplo práctico que mostra que a EPDR é de facto bastante mais baixa que a impedancia resistiva das colunas:

The B&W 802D, by contrast, has two pronounced EPDR minima: the first of 1.4 ohms at 58Hz, and the second of 1.5 ohms at 722Hz. Its minimum modulus of 3.2 ohms is over twice the EPDR minima and occurs at 86Hz.

Portanto as B&W 802D necessitam de um amplificador que disponibilize potencia a pouco mais de 1 ohm e não a 3 ohms como se poderia pensar, para não haver clipping!

Para terminar aqui seguem as conclusões de uma análise a um trecho musical e os seus efeitos na impedancia vista pelo amplificador:

How frequently do these extreme dissipation events occur? Some insight into this is given in Table 2, which shows the proportion of time that the dissipation factor fell within particular bounds for the B&W 802D on the left channel of the Bromberg track. For 5% of the time the speaker's EPDR is less than 4 ohms, and for 0.48% of the time below 2.7 ohms. So this is clearly a potentially significant effect with difficult source material. It's also obvious from these results why the B&W 802D has a reputation for being an amplifier ball-breaker.

Já agora, em todos os testes a colunas da revista 'Hi-Fi News' são apresentados os valores medidos de EPDR.

Parece-me que esta informação deveria ser sempre disponíbilizada pelos fabricantes de colunas, para ajudar no emparelhamento entre colunas e amplificadores.

[Mango]

Os altifalantes são uma estrutura altamente ineficiente...se você medir o rácio entre a potencia de entrada e saida e multiplicar por 100 vai ver que as suas,as minhas e a esmagadora maioria das colunas lá de casa têm valores de eficiência na ordem dos 4%, na melhor das hipoteses...quanto mais eficientes mais sensibilidade,uma vez que as duas grandezas estão interligadas...tudo o resto é perdido sob a forma de calor.É sabido que a impedância de um altifalante depende da frequência...o que não me parece nada normal é uma colunas arriarem até praticamente aos 1ohm...para um amplificador deveria ser igual ao litro porque como tem uma impedancia de saida muito baixa a unica coisa que deveria fazer é compensar em corrente estes valores baixos de impedância para que o valor da amplitude do sinal não fosse afectado por estas oscilações.É óbvio que isto vai afectar a resposta em frequência do amplificador.

[Mango]

Imprimi o artigo e levei ontem para casa para ler...retiro tudo o que disse anteriormente...isto diz respeito À potencia dissipada pelo andar npn e pnp do push-pull do costume...em vez de se analisarem gráficos especificos tendo em conta a potência dissipada e a frequência,que iria variar com a impedância declarada das colunas, o autor preferiu usar esse parâmetro.

(...) I term equivalent peak dissipation resistance (EPDR) vs frequency, which inverts the graph and removes any need of a reference. EPDR is simply the resistive load that would give rise to the same peak device dissipation as the speaker itself.(...)

O device aqui são os transistores do andar de saida.

[AudioPhileWanabe]

O conceito de EPDR parece-me muito interessante, pois apesar de em absoluto, o gráfico de cima conter mais informação, o gráfico de baixo permite a um leigo mais facilmente procurar o amplificar mais adequado (ou menos inadequado...), para umas determinadas colunas, sem precisar de estar a correlacionar a impedancia com as reactancias.

Neste exemplo das B&W 802D, embora à primeira vista o gráfico de cima indique que o amplificador pode começar a "morrer" com impedancias de mais ou menos 3 ohms para baixo, o gráfico da EPDR mostra claramente que afinal o amplificador só pode começar a morrer para impedancias de 1 ohm para baixo, porque senão entrará frequentemente em clipping.

[Mango]

O conceito de EPDR parece-me muito interessante, pois apesar de em absoluto, o gráfico de cima conter mais informação, o gráfico de baixo permite a um leigo mais facilmente procurar o amplificar mais adequado (ou menos inadequado...), para umas determinadas colunas, sem precisar de estar a correlacionar a impedancia com as reactancias.

Neste exemplo das B&W 802D, embora à primeira vista o gráfico de cima indique que o amplificador pode começar a "morrer" com impedancias de mais ou menos 3 ohms para baixo, o gráfico da EPDR mostra claramente que afinal o amplificador só pode começar a morrer para impedancias de 1 ohm para baixo, porque senão entrará frequentemente em clipping.

Mas como é que você conclui uma coisa dessas? Você nem sabe as caracteristicas e as margens que foram usadas nos transistores...os fabricantes na esmagadora maioria das vezes ajustam o biasing por baixo para terem margens de segurança e conferirem assim alguma longevidade ao material.
Onde é que neste gráfico você pode concluir que vai haver clipping/distorsão e a sinusoidal vai ser recortada?

Isto deve ter sido criado por mais um critico de audio que não gosta de mexer na fruta e diverte-se sentado numa secretária a fazer gráficos com base em simulações em computador.

Isto já é mas é teoria a mais...mesmo que as pessoas tivessem acesso a estes gráficos nunca iriam saber qual seria o comportamento REAL do amplificador.

[AudioPhileWanabe]

Ok, concordo que lancei a ideia de que um amplificador entraria em clipping mais facilmente com uma coluna de impedancia mínima de 1 ohm, do que se a coluna tivesse uma impedancia mínima de 3 ohms, demasiado descontextualizada.

Vou tentar explicar melhor. Nas figuras em anexo temos gráficos que mostram a potencia vs distorção a 8, 4, 2 e 1 ohm. Mostram também os limites de Dynamic Power de cada um deles.
Não pretendo comparar os dois amplificadores em termos de potencia.

Pode-se ver que o Rotel RB-1090 quase que dobra a potencia cada vez que a impedancia da carga desce para metade.
O Rega Brio, não consegue isso. Vemos que o limite de potencia é o mesmo a 2, e a 1 ohm. Portanto, mantendo a tensão aos terminais de saída, quer dizer que a corrente vai descer para metade.

Mas o que queria mostrar é que há amplificadores que conseguem fornecer sempre mais corrente, mesmo que a impedancia da carga seja muito baixa, enquanto que outros não.
Para quem tiver umas colunas B&W 802D, o gráfico da EPDR do meu post anterior, mostra que considerando as reactancias, a impedancia pode descer quase a 1 ohm, não a 3 ohms como o valor da impedancia resistiva poderia fazer parecer.
Num amplificador com as características do Rega Brio, mesmo que com muito mais potencia, o som nas frequencias em que a EPDR das 802D desce para cerca de 1 ohm deverá ser afectado, certo?

[Mango]

Ao menos escolhesse dois amplificadores com as mesmas caracteristicas e aí sim podiamos divagar sobre isso...agora você vai escolher um amplificador que apresenta 500W em 8ohm e que vai até quase aos 3000W em 1ohm, e compara-o com um que não excede os 50W/8ohm...o que é que quer concluir com isto? Parto do principio que os gráficos foram gerados com os 1khz do costume.
Ainda por cima apresentam o THD em dB....já não me lembro das fórmulas e usei isto para converter em % http://www.sengpielaudio.com/calculator-thd.htm

Seria interessante é se você arranjasse dois exemplos mais ou menos com as mesmas caracteristicas.

Se você meter um par sap15 da Sanken, que vão até aos 15 ampéres no colector, e depois ajustar a recta de carga, dimensionado a resistência à entrada da base,ou regulando se for uma resistência ajustavel, para um determinado valor que nos dê um derminado valor de corrente de saturação (Ic=vcc/(Rc+Re)) e sabendo que essa resistência quando for elevada o transistor entra em saturação e para valores baixos entra ao corte,e sabendo que o nosso RL é ligado ao emissor e vai influenciar os valores de corte e saturação,porque a impedância vai variar com a frequência e tem que ser somada à resitência do cabo( que é a soma da resitência fisica que vai depender do comprimento,secção,etc mais a sua impedância,que tambem varia com a frequencia) podemos perfeitamente ter margem para quando o valor de RL arrear para valores muito baixos não termos a nossa sinusoidal recortada...é esse tipo de comparações que estava à espera que você colocasse aqui,se bem que o que foi analisado nesse grafico foi a distorsão harmonica total em função de um sinal com uma determinada frequencia,normalmente 1khz.

O tal EPDR é a carga equivalente que levaria o transistor a ter uma detrminada potência de dissipação..se você souber que sem nenhum sinal a potência de dissipação um transistor é P=V colector-emissor * I colector,podemos calcular a potencia de dissipação em função da carga pela fórmula derivada...e podiamos ainda falar da resposta de frequencia do amplificador quando a carga sobe de 1ohm para 4 ou desce de 4 para 1...seria interessante analisar qual seria o comportamento do amplificador na fase ascendente e descendente porque de certeza que não vai ser a mesma coisa.

enfim,já não me lembro muito disto para tar aqui com estas conversas e nem acho sinceramente que isso seja relevante para o consumidor normal que está nas tintas para gráficos e rectas de carga e afins...isto sempre foi ligar,ouvir e decidir em função do que se ouve e não com base em gráficos.Isso interessa mas a quem está a projectar e implementar.

[Mango]

Sr.Jorge...se ler isto...qual é margem que costuma ver ser usada pela maioria dos amplificadores? Fica tudo À pele ou deixam realmente uma boa margem para o transistor não estar sistematicmente a trabalhar em valores elevados e assim conferir alguma longevidade ao material?

[Tube_Dude]

Sr.Jorge...se ler isto...qual é margem que costuma ver ser usada pela maioria dos amplificadores? Fica tudo À pele ou deixam realmente uma boa margem para o transistor não estar sistematicmente a trabalhar em valores elevados e assim conferir alguma longevidade ao material?

Os fabricantes geralmente usam protecções para os amplificadores não sejam sujeitos a abusos.

Agora uma coisa é certa, para o mesmo amplificador, quanto mais baixa a impedância de carga, maior a distorção.

Um fabricante de colunas poder dar-se ao luxo de as construir, roçando o 1 Ohm, é no mínimo um abuso...

[Mango]

Sr.Jorge, bom dia e obrigado

Exacto, é um abuso...mas porque é que o fazem? colunas mal dimensionadas e projectadas? A fase de implementação descurada?

Eu sei que se usam protecções mas a pergunta era se costumam deixar os transistores À pele ou deixam uma boa margem de progressão dentro do SOA

[Mango]

Se o forista AudioPhileWanabe quiser, e tiver condições para isso, é uma questão de arranjar um reostato,um multimetro,um gerador de frequencias e um osciloscopio,pinças q.b e verificar o recorte na sinusoidal quando arreamos dos 8ohm para os 2 por exemplo...a componente teórica é extremamente importante mas é na componente prática que se evolui...referi o restotato porque é facil de alterar a carga mas para o efeito pode-se usar umas resistências de potência e na falta de gerador de sinais arranjar uma sample WAV com 1khz por exemplo e brincar com a amplitude com o controle de volume do windows...isto para verificar o clipping inical como referiu...porque depois foi buscar uns gráficos com a percentagem de THD.

[Tube_Dude]

Sr.Jorge, bom dia e obrigado

Exacto, é um abuso...mas porque é que o fazem? colunas mal dimensionadas e projectadas? A fase de implementação descurada?

Eu sei que se usam protecções mas a pergunta era se costumam deixar os transistores À pele ou deixam uma boa margem de progressão dentro do SOA

Fazem-nas porque geralmente os fabricantes de colunas não fazem amplificadores e vice-versa. Assim como no caso dos cabos de coluna, onde os fabricantes por não construirem amplificadores e não terem a noção do que é "phase margin", começaram a aumentar a capacidade dos ditos, o que obrigou os fabricantes de amplificadores a amputá-los, usando uma bobine na saída, para evitar que eles queimassem.

Quanto aos fabricantes deixarem, ou não, os transistores à pele, a resposta é não, pois obviamente uma falta de fiabilidade não faria muito pela imagem de marca desse fabricante...

[AudioPhileWanabe]

Ao menos escolhesse dois amplificadores com as mesmas caracteristicas e aí sim podiamos divagar sobre isso...agora você vai escolher um amplificador que apresenta 500W em 8ohm e que vai até quase aos 3000W em 1ohm, e compara-o com um que não excede os 50W/8ohm...o que é que quer concluir com isto? [...]
Seria interessante é se você arranjasse dois exemplos mais ou menos com as mesmas caracteristicas.

[...] se bem que o que foi analisado nesse grafico foi a distorsão harmonica total em função de um sinal com uma determinada frequencia,normalmente 1khz.
[...]
enfim,já não me lembro muito disto para tar aqui com estas conversas e nem acho sinceramente que isso seja relevante para o consumidor normal que está nas tintas para gráficos e rectas de carga e afins...isto sempre foi ligar,ouvir e decidir em função do que se ouve e não com base em gráficos.Isso interessa mas a quem está a projectar e implementar.

Eu não queria de forma nenhuma comparar um amplificador muito potente com um muito pouco potente.
O que queria era apenas apresentar medições que mostram que há amplificadores que mesmo que a carga desça a 2 ou mesmo 1 ohm conseguem responder, enquanto outros não.

Quanto aos gráficos, o factor distorção harmónica também não era chamado para a discussão, apenas me interessava a potencia máxima atingida com cargas de 8, 4, 2 e 1 ohm.

Dando mais uma volta pelos aquivos da Stereophile encontrei o seguinte sobre dois amplificadores bem considerados aqui há uns anos atrás (devido a dificuldades técnicas os gráficos estão em anexo):

http://stereophile.com/integratedamps/201mf/index4.html

Driving one channel of the amplifier with a low-duty-cycle 1kHz toneburst (fig.9), to get a handle on how it behaves with transient-rich music rather than continuous sinewaves, I raised an astounding 402W into 8 ohms (black trace) and 734W into 4 ohms (red). Into 2 ohms, however, as revealed by the blue trace in this graph, the Musical Fidelity's protection circuitry cut in at 925W! I repeated this test with the same result, but the amplifier then went into thermal protection, meaning I couldn't test it into 1 ohm.

http://stereophile.com/integratedamps/245/index8.html

Repeating this test with one channel driven using a low-duty-cycle 1kHz toneburst of 10 cycles on, 400 cycles off—this better approximates a music signal—revealed the No.383 to be a powerhouse (fig.9). No less than 182.6W were delivered into 8 ohms with this signal (black trace) at clipping (horizontal magenta line). The 4 ohm delivery was 356W (red trace), the 2 ohm delivery 665W (blue)! Only into the punishing 1 ohm load did the amplifier falter, its output at clipping dropping to 75W (green trace), with a significant rise in distortion below that power.

Será que estes dois amplificadores, apesar de bastante potentes a 8 e 4 ohms, seriam adequados a umas B&W 802D que descem a pouco mais de 1 ohm a certas frequencias?

Será que o consumidor normal não estaria melhor defendido se a verdeira impedancia das colunas fosse apresentada pelos seus fabricantes, e se o comportamento dos amplificadores em relação à carga, também fosse abertamente apresentados pelos fabricantes respectivos?

[Mango]

O consumidor final não tem que andar com o livro do Malvino atrás quando for a uma loja hi-fi.
Desde que o pessoal da loja tenha formação e saiba aconselhar uma boa solução não tou a ver porque é que as pessoas deverão ser obrigadas a interpretar esse tipo de dados.Aliás a grande maioria nem sabe interpretar os dados que já constam das especificações nos dias de hoje quanto mais esse tipo análises.

[Orpheus]

Nem precisam, trazem para casa e experimentam.