Amps de autotrafo são eficientes?

Amps com fontes a autotransformador são de fato mais eficientes que os demais?

Por muito tempo, desde que surgiram no Brasil, os amplificadores que utilizam autotransformadores em suas fontes de alimentação reivindicam eficiência superior aos de modelos com fontes "tradicionais" e até mesmo aos equipados com fontes chaveadas. Mas esta alegação tem algum embasamento na realidade?

É bem pouco provável... Pois fontes com autotransformadores nada mais são do que fontes convencionais ligeiramente modificadas, onde se substituiu o transformador isolador por um transformador não-isolador, também conhecido por autotransformador ou auto-trafo. As limitações típicas das fontes convencionais como: baixa eficiência, regulação pobre, baixo fator de potência e outras, permanecem iguais, ou se tornam ainda piores.

Portanto, se compararmos um amplificador com fonte convencional a transformador com outro, com fonte a autotransformador, o senso comum de imediato nos avisa que não deveremos esperar por uma grande mudança no desempenho.

Porém concordo que, às vezes, o senso comum nos prega peças e para tirar a prova, nada melhor do que o velho e bom experimento - na prática! Então iremos medir alguns amplificadores com essas características, um após o outro e no final comparar os resultados.

A eficiência pode parecer algo secundário, sem importância, mas tem impacto direto (e muito real) na vida de quem usa amplificadores. É sim algo vital e não deve ser considerado "secundário" ou "sem importância". Pergunte para o seu eletrotécnico ou para o seu fornecedor de infra-estrutura AC e terá a resposta!

Ouço e leio, há muitos anos, slogans publicitários e especificações que dizem: "amplificadores com fontes a autotransformador possuem eficiência superior a 95%...", ou "são superiores as fontes chaveadas..."

Se for mesmo verdade será quase que miraculoso... Pois os autotransformadores existem há mais de 100 anos (!!) e nunca foram assim... Mas então, graças a algum "poder misterioso" eles subitamente passaram a exibir desempenho superior até mesmo às modernas fontes chaveadas...

Mas será mesmo?

Por sua vez, as fontes chaveadas se tornaram um dos ramos mais pesquisados e aperfeiçoados pela comunidade científica mundial, com um forte desenvolvimento ininterrupto desde os anos 1960 - todo esse esforço empreendido exatamente para contornar as deficiências, em especial a baixa eficiência, das fontes lineares convencionais, incluindo aí os autotransformadores.

Será mesmo que tudo isso foi em vão?

Vamos então buscar a resposta, aqui e agora! E o primeiro passo é entender, da forma correta, o que significa eficiência.

DEFINIÇÃO DE EFICIÊNCIA E COMO A MEDIMOS

Eficiência (η) é o lucro dividido pelo investimento. É mais simples do que parece - simplesmente o quociente do que saiu pelo que entrou; desta forma:

Portanto, para descobrir a eficiência de um determinado amplificador, basta medir sua potência de saída (P_O → o lucro) e ao mesmo tempo e nas mesmas condições medir a potência de entrada (P_IN → o investimento), que neste caso é a potência "puxada" do AC (da rede elétrica ou gerador) e pronto! Fazemos a continha conforme prescrito acima, e é só...

Por exemplo: se o aparelho fornece 500W, mas consome 1000VA, sua eficiência é de 50% - simples assim!

O equipamento utilizado será este:

Reforçando que, deste modo, estaremos medindo a eficiência do aparelho inteiro, isto é: da fonte de alimentação e dos blocos de áudio combinados, que é, afinal de contas, o que nos interessa! Outro detalhe é que estaremos tomando como o "investimento" a potência aparente (N) drenada da rede elétrica em VA (ao invés de W), que é de fato a potência efetivamente retirada da rede elétrica ou do gerador. Deste modo, o fator de potência (FP) da fonte de alimentação também entrará na conta - nada mais correto e justo!

SELECIONANDO OS AMPLIFICADORES

O segundo passo será selecionar amplificadores de potências razoavelmente similares, de preferência com a mesma topologia de saída (de mesma classe), porém um deles com fonte convencional a transformador e o outro com fonte a autotransformador. Então, por facilidade e disponibilidade, escolhemos:

Por sorte temos em mãos dois amplificadores de mesma classe e de (quase) mesma potência, sendo o primeiro com fonte a transformador e o segundo com fonte a autotransformador - perfeito para o nosso propósito de comparar amps com fontes a transformador versus amps com fontes a autotransformador.

E para colocar a prova os slogans que dizem: "amps a autotransformador são mais eficientes que amps de fonte chaveada" iremos incluir um terceiro amplificador, obviamente com fonte chaveada - fechando o nosso quadro comparativo:

Assim, o nosso setup experimental ficará dessa forma:

Os painéis foram cobertos para preservar o direito de imagem.

Convém observar que, neste tipo de medição, o amplificador de menor potência dentre os três naturalmente levará "uma pequena vantagem" no comparativo, pois a eficiência é sempre maior próximo da respectiva potência máxima e nós iremos nivelar as medições "por baixo", ou seja, vamos usar uma potência ligeiramente menor que a menor potência dentre os três. Assim, o modelo de maior potência acabará ficando um pouco "prejudicado" neste comparativo. De qualquer modo, como a potência deles não difere tanto assim, essa será uma fonte menor de erro.

MEDINDO

Em primeiro lugar devemos medir a potência de saída dos três amplificadores, a fim de, como comentamos, "nivelá-los por baixo" e tornar a nossa análise o mais justa possível. Vamos para isso utilizar o sinal de teste EIAJ 1kHz, que possui 9dB de Fator de Crista, similar portanto a uma música fortemente comprimida (como a música eletrônica) - o sinal perfeito para medir a potência de saída de amplificadores de uso geral (PA). Porém antes, vamos nivelar os ganhos de entrada:

Com todos os ganhos nivelados em +32dB (ou 40x), vamos medir a potência dos três em sequência, sempre em carga de 2Ω (o AC se manteve por volta de 213V):

Rapidamente, pelo gráfico identificamos que a máxima potência em comum para esses três amplificadores ocorre quando aplicamos +6,5dBu em suas entradas, gerando uma potência de 2.000W/canal (@ 2Ω), ou 4.000W no total - encontramos então o ponto de equilíbrio "por baixo" perfeito entre eles - e razoavelmente próximo de suas respectivas potências máximas.

Agora, vamos aplicar o mesmo sinal EIAJ 1kHz, mas fixando nessa amplitude de +6,5dBu, que é o "ponto de equilíbrio", a fim de obter os mesmos 4.000W @ 2Ω (totais) nas saídas dos três amplificadores.

Ao fazer isso, anotaremos a potência exata de saída (W) de cada um deles, ao mesmo tempo em que tomamos nota da potência aparente (VA) que está sendo drenada da rede AC pelo respectivo amplificador. E aproveitaremos esse momento para "samplear" no osciloscópio as ondas de tensão e de corrente AC drenadas da rede elétrica.

Repetindo de forma idêntica este procedimento, em sequência para os três amplificadores, primeiro para o AMP-1, obtemos:

A partir dos dados obtidos, podemos facilmente calcular a eficiência para o AMP-1:

Que é um valor típico de amplificadores analógicos com fonte convencional.

(OBS: o 2x é para dobrar a potência, pois que são dois canais idênticos. E o 4x no denominador é para corrigir o fator de crista do sinal EIAJ, que é 4 vezes maior que o do sinal senoidal)

Repetindo de forma idêntica para o AMP-2:

Chamam logo a atenção os altos níveis de pico da corrente AC (I_PEAK). Apesar de a corrente RMS ter diminuído (as lidas no alicate wattímetro, 13,2A_RMS → 12,9A_RMS) a corrente de pico aumentou bastante (as ondas amarelas, no osciloscópio, 40A_PEAK → 70A_PEAK). E isto é um reflexo do menor Fator de Potência (FP) da fonte a autotransformador, com relação à fonte a transformador.

A eficiência para o AMP-2 então fica:

E aqui constatamos que a eficiência do amplificador com autotransformador é de fato maior que a do amplificador com fonte a transformador. Porém é ainda um valor típico de amplificadores analógicos com fonte convencional.

Finalmente, para colocar a prova o slogan: "amps a autotransformador são mais eficientes que amps de fonte chaveada", vamos apresentar os dados da NEXT PRO R6:

Onde imediatamente observamos uma excepcional redução da corrente AC RMS drenada da rede elétrica (no alicate: 12,9A_RMS → 5,9A_RMS - redução de mais de 50%) e principalmente, da corrente de pico (no osciloscópio: 70A_PEAK → 8A_PEAK - redução de 89%). Além disso, a corrente AC (onda amarela) agora tem uma "saudável" forma senoidal, típico de fontes com PFC de alta tecnologia.

A eficiência para a R6 então fica:

Mais que o dobro do obtido por seus predecessores. Façamos um RESUMO:

CONCLUSÃO

A partir dos dados obtidos na prática, a conclusão é que amplificadores a autotransformador possuem uma eficiência típica de aparelhos analógicos com fontes convencionais - e muito distante dos valores alardeados nos slogans... E não poderia ser diferente, pois se trata essencialmente da mesma (antiga) tecnologia de fontes lineares convencionais.

E de modo conclusivo, resta comprovada a (muito) superior eficiência das fontes chaveadas, especialmente as ressonantes e equipadas com PFC. O que não é nenhuma surpresa, pois acumulam décadas de desenvolvimento tecnológico.