Requisitos de teste para equipamentos de amplificação de áudio de acordo com a norma IEC 62368-1

1000 Hz como sinal de referência

De acordo com a norma ITU-R 468-4 (Medição dos níveis de ruído de áudio em transmissões sonoras), a resposta de frequência a 1000 Hz é de 0 dB (ver imagem abaixo), tornando-a adequada como sinal de nível de referência para avaliar o desempenho da resposta de frequência de amplificadores de áudio.

Sinal de frequência de resposta de pico

Se o fabricante declarar que o amplificador de áudio não foi projetado para operar a 1000 Hz, a frequência da fonte do sinal de áudio deve ser alterada para a frequência de resposta de pico. A frequência de resposta de pico é a frequência da fonte do sinal na qual a potência de saída máxima é medida na impedância de carga nominal (doravante denominada alto-falante) dentro da faixa de operação prevista do amplificador de áudio. Na prática, o testador pode fixar a amplitude da fonte do sinal e varrer a frequência, verificando então a frequência da fonte do sinal correspondente à tensão RMS máxima que aparece no alto-falante — esta é a frequência de resposta de pico.

Tipos e ajustes de potência de saída — Potência máxima de saída

A potência máxima de saída é a potência máxima que pode ser fornecida ao alto-falante, correspondendo à tensão RMS máxima. Amplificadores de áudio comuns geralmente usam circuitos OTL ou OCL baseados nos princípios de amplificação Classe AB. Quando um sinal de áudio senoidal de 1000 Hz é inserido no amplificador e entra na região de saturação a partir da região de amplificação, a amplitude do sinal não pode mais aumentar, a tensão de pico é limitada e ocorre distorção de topo plano nos picos da forma de onda.

Utilizando um osciloscópio para monitorar a forma de onda de saída no alto-falante, observa-se que, quando a amplitude do sinal não consegue mais aumentar em valor RMS, ocorre a distorção de pico (ver Figura 2). Nesse ponto, considera-se que o estado de potência de saída máxima foi atingido. Quando a distorção de pico aparece, o fator de crista da forma de onda de saída cai abaixo do fator de crista da onda senoidal, que é de 1.414 (como mostrado na Figura 2, fator de crista = tensão de pico / tensão RMS = 8.00 / 5.82 ≈ 1.375 < 1.414).

Tipos e ajustes de potência de saída — Potência de saída sem distorção

A potência de saída sem distorção (non-clipping) é a potência de saída obtida reduzindo o ganho (diminuindo o sinal) até o limite entre as regiões de saturação e amplificação, enquanto o alto-falante opera em potência máxima de saída com distorção de pico presente (ponto de operação deslocado para a região de amplificação). A forma de onda de saída de áudio apresenta uma onda senoidal completa de 1000 Hz sem distorção de pico ou recorte, e sua tensão RMS também é menor do que a obtida na potência máxima de saída (veja a Figura 3).

Como o amplificador de áudio que opera exatamente no limite entre as regiões de amplificação e saturação é instável e pode produzir oscilações na amplitude do sinal (os picos podem ser desiguais), 50% da tensão pico a pico pode ser usada como a tensão de pico para calcular o fator de crista. Na Figura 3, tensão de pico = 0.5 × 13.10 V = 6.550 V, tensão RMS = 4.632 V, fator de crista = tensão de pico / tensão RMS = 6.550 / 4.632 ≈ 1.414.

Tipos de potência de saída e ajuste — Método de ajuste de potência

Os amplificadores de áudio recebem sinais de entrada de baixa intensidade, amplificam-nos e enviam o sinal para o alto-falante. O ganho é normalmente ajustado em incrementos finos usando o controle de volume (por exemplo, os incrementos de volume da TV podem chegar a 30-100 níveis). Ajustar a amplitude da fonte de sinal para alterar o ganho resulta em um controle muito mais grosseiro, pois mesmo uma pequena redução na amplitude da fonte, após uma amplificação de alto ganho, ainda causa uma queda significativa na potência de saída do alto-falante (veja a Figura 4).

Na Figura 3, ao ajustar o volume, a potência de saída do alto-falante é reduzida da potência máxima para a potência de saída sem distorção, com uma tensão RMS de 4.632 V. Na Figura 4, ao ajustar a amplitude da fonte de sinal, a tensão RMS atinge apenas 4.066 V quando reduzida para o nível sem distorção. De acordo com a fórmula de potência:

Potência de saída = (Tensão RMS)² / Impedância do alto-falante

A potência de saída sem distorção na Figura 3 é cerca de 30% maior do que na Figura 4, portanto a Figura 4 não representa verdadeiramente um estado de potência de saída sem distorção.

Portanto, a maneira correta de reduzir a potência de saída da potência máxima para uma potência de saída sem distorção é fixar a amplitude da fonte de sinal e ajustar o ganho do amplificador de áudio (ou seja, ajustar o volume), em vez de alterar a amplitude da fonte de sinal.

Tipos e ajustes de potência de saída — Potência de saída de 1/8" sem distorção

A condição normal de funcionamento de um amplificador de áudio visa simular o estado de funcionamento ideal do alto-falante em situações reais. Embora as características sonoras em situações reais variem bastante, a maioria dos sons apresenta um fator de crista dentro de 4 (ver Figura 5).

Tomando como exemplo a forma de onda sonora na Figura 5, o fator de crista = tensão de pico / tensão RMS = 3.490 / 0.8718 ≈ 4. Para reproduzir o som desejado sem distorção, o amplificador de áudio deve garantir que seus picos máximos não sejam cortados. Se for utilizada uma onda senoidal de 1000 Hz como referência para garantir a ausência de distorção e que o pico de 3.490 V não seja limitado, a tensão RMS do sinal deve ser 3.490 V / 1.414 = 2.468 V. No entanto, a tensão RMS do som desejado é de apenas 0.8718 V, portanto, a taxa de redução da tensão RMS em relação à referência da onda senoidal de 1000 Hz é 0.8718 / 2.468 = 0.3532. De acordo com a fórmula da potência, uma taxa de redução de tensão RMS de 0.3532 corresponde a uma taxa de redução de potência de 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8.

Portanto, ajustar a potência de saída do alto-falante para 1/8 da potência de saída sem distorção correspondente ao sinal de onda senoidal de 1000 Hz permite a saída sem distorção de um som alvo com fator de crista 4. Em outras palavras, 1/8 da potência de saída sem distorção para uma onda senoidal de 1000 Hz é o estado operacional ideal para o amplificador de áudio emitir um som alvo com fator de crista 4 sem danos.

Configure o amplificador de áudio para operar fornecendo 1/8 da potência de saída sem distorção (sem clipping) para o alto-falante. Nesse estado, ajuste o volume para que a tensão RMS caia para aproximadamente 35.32% do valor — o que corresponde a 1/8 da potência de saída sem distorção. Como o ruído rosa se assemelha mais ao som real, após obter a potência de saída sem distorção com uma onda senoidal de 1000 Hz, utilize o ruído rosa como fonte de sinal. Ao usar ruído rosa, adicione um filtro passa-banda (como mostrado na figura abaixo) para limitar a largura de banda do ruído.

Condições normais e anormais de funcionamento — Condições normais de funcionamento

Ao definir as condições normais de funcionamento para diferentes tipos de equipamentos de amplificação de áudio, considere o seguinte:

• A saída do amplificador de áudio deve ser conectada à impedância de carga nominal mais desfavorável ou ao próprio alto-falante (se houver);
• Todos os canais do amplificador de áudio operando simultaneamente;
• Para órgãos ou instrumentos similares com unidades geradoras de tons, não utilize uma onda senoidal de 1000 Hz; em vez disso, combine aleatoriamente o pressionamento de dois pedais de baixo (se presentes) e dez teclas do teclado. Acione todos os registros e teclas que aumentam a potência de saída e ajuste o instrumento para 1/8 da potência máxima de saída;
• Se a função pretendida do amplificador de áudio depender da diferença de fase entre dois canais, aplique uma diferença de fase de 90° entre os sinais nos dois canais;
• Para amplificadores de áudio multicanal em que alguns canais não podem operar independentemente, conecte a impedância de carga nominal e ajuste a potência de saída para 1/8 da potência de saída sem distorção projetada para o amplificador;
• Caso não seja possível o funcionamento contínuo, utilize o amplificador de áudio na potência máxima de saída permitida para operação contínua.

Condições normais e anormais de funcionamento — Condições anormais de funcionamento

As condições anormais de funcionamento para amplificadores de áudio são baseadas em condições normais, mas simulam as situações mais desfavoráveis ​​possíveis, como ajustar o volume para fazer o alto-falante operar no ponto mais adverso entre zero e a potência de saída máxima, ou configurar condições de curto-circuito no alto-falante, etc.

Condições normais e anormais de funcionamento — Posicionamento do teste de aumento de temperatura

Durante os testes de elevação de temperatura de amplificadores de áudio, posicione o equipamento de acordo com as instruções do fabricante. Caso não haja nenhuma indicação específica, coloque o equipamento em uma caixa de teste de madeira aberta na frente, a 5 cm da borda frontal da caixa, com 1 cm de espaço livre nas laterais ou na parte superior, e a 5 cm da parte traseira da caixa até a parte traseira do equipamento — uma posição geral que simula um típico móvel de TV doméstico.

Condições normais e anormais de operação — Filtragem de ruído e recuperação da onda fundamental

Alguns circuitos amplificadores digitais transmitem ruído juntamente com o sinal de áudio para o alto-falante, causando interferência desordenada no osciloscópio ao monitorar a forma de onda de saída do alto-falante. Recomenda-se o uso do circuito de filtragem de sinal simples mostrado abaixo (método de conexão: pontos A e C nos terminais de saída do alto-falante, ponto B no terra de referência/terra de retorno do amplificador de áudio, pontos D e E na ponta de prova do osciloscópio). Isso pode filtrar a maior parte da interferência e recuperar amplamente a onda senoidal fundamental de 1000 Hz (nota: 1000F na figura é um erro de digitação e deveria ser 1000 pF).

Para alguns amplificadores de áudio de alto desempenho que conseguem eliminar problemas de distorção de pico, não permitindo distorção ou recorte visíveis mesmo na potência máxima de saída, a potência de saída sem recorte é igual à potência máxima de saída. Quando o recorte não puder ser detectado visualmente, considere a potência máxima de saída como a potência de saída sem recorte.

[IMAGE_PLACEHOLDER: Circuito simples de filtragem de sinal]

Classificação e proteção de segurança da fonte de energia elétrica do sinal de áudio

Os amplificadores de áudio podem amplificar e emitir sinais de áudio de alta tensão, portanto, o sinal de áudio deve ser classificado como uma fonte de energia elétrica e protegido contra interferências. Durante a classificação, ajuste os controles de tom para a posição balanceada, de modo que o amplificador de áudio opere fornecendo a potência máxima de saída sem distorção para o alto-falante. Em seguida, remova o alto-falante e teste a tensão de circuito aberto. Consulte a tabela abaixo para obter informações sobre a classificação da fonte de energia elétrica do sinal de áudio e a proteção de segurança necessária:

Perguntas frequentes – Requisitos de teste de amplificadores de áudio IEC 62368-1 – Perguntas e respostas comuns

P1: Por que 1000 Hz deve ser usado como sinal de referência? E se o amplificador tiver uma resposta ruim em 1000 Hz? R: De acordo com a norma ITU-R 468-4, a resposta de frequência em 1000 Hz é definida como 0 dB, tornando-se o ponto de referência padrão para medição de ruído de áudio e comparação consistente do desempenho da resposta de frequência do amplificador. Se o fabricante declarar que o amplificador “não foi projetado para operar em 1000 Hz” (por exemplo, alguns amplificadores profissionais para instrumentos musicais ou projetos otimizados para faixas de frequência específicas), a frequência de resposta de pico pode ser usada em vez disso: fixe a amplitude da fonte de sinal, varra a frequência e selecione a frequência na qual a tensão RMS máxima aparece na carga nominal (alto-falante). Este se torna o sinal de referência substituto.

P2: Como exatamente distinguimos entre potência de saída máxima e potência de saída sem distorção? R:

• potência máxima de saídaAplique uma onda senoidal de 1000 Hz; o amplificador entra na região de saturação, a forma de onda de saída apresenta recorte de topo plano e o fator de crista cai abaixo de 1.414 (tipicamente 1.37–1.38). Monitore os terminais do alto-falante com um osciloscópio para confirmar o recorte.
• Potência de saída sem distorçãoA partir do estado de potência máxima de saída, saia de perto (Reduzir o ganho) até que o amplificador opere no limite entre as regiões de amplificação e saturação. A forma de onda torna-se uma onda senoidal limpa, sem distorção visível, e o fator de crista retorna a ≈1.414. (Se ocorrer uma pequena oscilação de amplitude exatamente no limite, use 50% da tensão pico a pico como o valor de pico para o cálculo do fator de crista.) A tensão RMS neste ponto é menor do que na potência de saída máxima. Estes são dois estados sequenciais no mesmo procedimento de teste. A potência de saída sem distorção é a referência mais comumente usada para “condições normais de operação” em testes de segurança.

P3: Por que ajustamos o volume (ganho) em vez da amplitude do sinal de entrada ao reduzir a potência de saída do nível máximo para um nível sem distorção? R: Ajustar a amplitude do sinal de entrada proporciona um controle mais preciso. Devido ao alto ganho do amplificador, mesmo uma pequena alteração na amplitude do sinal causa um grande aumento na potência de saída (por exemplo, na Figura 4 original, reduzir a amplitude do sinal de entrada resulta em apenas 4.066 V RMS, enquanto ajustar o volume atinge 4.632 V RMS — uma diferença de potência de aproximadamente 30%). Método correto : Fixe a amplitude do sinal de entrada e ajuste o controle de volume/ganho do próprio equipamento até que a distorção desapareça. Isso reflete melhor o uso real e está de acordo com a intenção do Anexo E.1.

P4: De onde vem a potência de saída sem distorção de 1/8? Por que 1/8 e não outra proporção? R: Sinais reais de música e voz normalmente têm um fator de crista ≤4 (o exemplo na Figura 5 original mostra ≈4). Para reproduzir um sinal com fator de crista = 4 sem distorção, o amplificador deve lidar com o pico sem distorção. Usando uma onda senoidal de 1000 Hz (fator de crista = 1.414) como referência, se o pico do sinal alvo for 3.490 V, o RMS da onda senoidal necessário para evitar a distorção do pico seria 3.490 / 1.414 ≈ 2.468 V. No entanto, o RMS real do sinal alvo é de apenas 0.8718 V. A relação de tensão é ≈0.3532 e a relação de potência correspondente é 0.3532² ≈ 0.125 = 1/8 . Assim, configurar o amplificador para fornecer 1/8 da potência de saída sem distorção (com base na referência senoidal de 1000 Hz) corresponde ao ponto de operação ideal para a reprodução sem distorção de um sinal típico do mundo real com fator de crista ≈4. Na prática: primeiro ajuste para 1/8 da potência sem distorção com onda senoidal (RMS ≈35.32% do RMS máximo sem distorção), depois mude para ruído rosa + filtro passa-banda.

P5: Por que um filtro passa-banda é necessário ao usar ruído rosa? R: O ruído rosa tem um espectro muito amplo (20 Hz a 20 kHz). Alimentá-lo diretamente pode sobrecarregar o amplificador em certas frequências ou introduzir ruído excessivo de alta frequência, o que torna a forma de onda no osciloscópio caótica e difícil de avaliar quanto à distorção por recorte (clipping). Adicionar um filtro passa-banda (normalmente limitando à banda de áudio efetiva, como mostrado no circuito original) remove o ruído fora da banda, tornando a forma de onda mais limpa e mais próxima do áudio real para medições RMS precisas e avaliação da distorção por recorte.

Q6: Como devem ser definidas as condições normais de operação para amplificadores multicanal ou canais que não podem operar independentemente? A:

• Conecte a impedância de carga nominal mais desfavorável a todos os canais;
• Operar todos os canais simultaneamente;
• Para canais que dependem de outros (por exemplo, interligação interna em um circuito integrado de potência), conecte cargas nominais e defina a potência de saída para 1/8 da potência de saída projetada, sem distorção por recorte;
• Para equipamentos que não podem funcionar continuamente em potência máxima (por exemplo, alguns amplificadores profissionais com proteção térmica), utilize a potência máxima de operação contínua declarada pelo fabricante como condição normal.

Q7: Quais são os principais cenários de pior caso simulados por condições operacionais anormais? R: As condições anormais se baseiam nas condições normais, mas introduzem as falhas isoladas mais graves plausíveis, tais como:

• O volume deve ser ajustado para qualquer ponto entre 0 e o máximo (especialmente a posição que causa o maior aumento de temperatura);
• Alto-falante em curto-circuito;
• Alto-falante com circuito aberto;
• Fonte de sinal anormal (ex.: deslocamento CC);
• Outras falhas que podem levar ao sobreaquecimento, sobrecarga ou liberação descontrolada de energia. Estas são utilizadas para verificar se a temperatura, o isolamento e a proteção ainda atendem aos requisitos de segurança (ver Anexo E.2, B.3, B.4).

P8: Como o equipamento deve ser posicionado durante os testes de aumento de temperatura? R: Posicione o equipamento de acordo com as instruções de instalação do fabricante. Caso não haja instruções específicas, utilize a simulação típica de um gabinete de TV residencial :

• Caixa de teste de madeira com abertura frontal;
• A borda frontal do equipamento fica a 5 cm da borda frontal da caixa;
• 1 cm de folga nas laterais e na parte superior;
• Espaço livre de 5 cm entre a parte traseira do equipamento e a parede traseira da caixa. Essa disposição simula ambientes de instalação domésticos comuns.

P9: Os amplificadores digitais geram formas de onda complexas com muito ruído de comutação — como visualizar claramente o recorte (clipping) no osciloscópio? R: Utilize o circuito de filtragem simples recomendado no artigo original (pontos A e C conectados aos terminais do alto-falante, B ao terra de referência/retorno, D e E à ponta de prova do osciloscópio, incluindo o capacitor de 1000 pF, etc.). Isso remove a maior parte do ruído de comutação de alta frequência, permitindo que a onda senoidal fundamental de 1000 Hz seja recuperada com clareza para a avaliação do recorte. Observação: a indicação “1000F” no diagrama original é um erro de digitação e deveria ser lida como 1000 pF.

P10: E se o amplificador não apresentar distorção visível mesmo na potência máxima de saída? R: Alguns amplificadores Classe D de alto desempenho ou outros amplificadores bem projetados permanecem livres de distorção visível mesmo em sua potência máxima nominal. Nesses casos, considere a potência máxima de saída medida como a potência de saída sem distorção — não é necessário reduzir a potência adicionalmente — e prossiga com os testes subsequentes (1/8 da potência, aumento de temperatura, etc.) usando esse valor.

IEC 62368-1 Anexo E Gerador de Ruído Rosa