Se você já ouviu um tio tocando guitarra blues ou um amigo dedilhando um ukulele de plástico barato, provavelmente sabe o que é distorção harmônica. Soa como um zumbido, chiado ou silvo muito leve no fundo da apresentação. Isso ocorre porque esses instrumentos não conseguem produzir suas notas sem algum tipo de distorção. Isso também é conhecido como “não linearidade” em termos de engenharia.
Neste artigo, exploramos o que é distorção harmônica, por que ela ocorre e como evitar que ela aconteça na configuração do seu estúdio doméstico. Vamos começar!
O que é distorção harmônica?
A distorção harmônica, também conhecida como "feedback involuntário", refere-se à adição de novas frequências a um som. Isso pode acontecer quando um sinal é realimentado no sistema através do qual estava sendo reproduzido. Esse novo sinal pode ser ouvido como um zumbido ou assobio. A distorção harmônica é mais comum em instrumentos musicais e equipamentos de áudio. Os instrumentos musicais não podem produzir suas notas sem a entrada de distorção harmônica. Os equipamentos de áudio, no entanto, precisam ser projetados para evitar a distorção harmônica.
distorção harmônica total (THD)
A distorção harmônica total (THD) refere-se aos componentes harmônicos extras do sinal de saída em relação ao sinal de entrada, causados por componentes não lineares quando a fonte do sinal de áudio passa pelo amplificador de potência. A distorção harmônica é causada pelo fato de o sistema não ser completamente linear, e nós a expressamos como uma porcentagem da raiz quadrada média do componente harmônico total recém-adicionado ao valor RMS do sinal original. Por exemplo, um amplificador que produz 10 V a 250 Hz e 1 V a 500 Hz terá 10% de distorção harmônica de segunda ordem. A soma de todos os níveis harmônicos adicionais é chamada de distorção harmônica total. De modo geral, a distorção harmônica total na frequência de 500 Hz é a menor, por isso muitos produtos usam a distorção dessa frequência como seu índice.
A fórmula para calcular a distorção harmônica total é a seguinte:
Para harmônicas de tensão, TDH (%) é a distorção harmônica total, Vh é a potência de cada harmônica e V1 é a tensão de saída RMS total (incluindo termos fundamentais e harmônicos).
Para harmônicos de corrente, TDH (%) é a distorção harmônica total, Ih é a corrente de cada harmônico n e I1 é a corrente de saída RMS total (incluindo termos fundamentais e harmônicos).
Como ocorre a distorção harmônica?
No nível mais básico, a distorção harmônica ocorre quando um som de entrada é muito alto e é "realimentado" em um sistema através de um amplificador. Isso pode acontecer em uma configuração de estúdio de gravação doméstico, quando um instrumento conectado ao sistema PA começa a realimentar. A maneira mais fácil de entender o que acontece é pensar em duas ondas colidindo uma com a outra. Uma onda é o seu sinal de áudio original, a outra é o som amplificado que foi realimentado no sistema através dos alto-falantes. Essas duas ondas se combinam para formar algo novo. O sinal de áudio original ainda está lá, mas também estão as novas frequências que foram adicionadas pela realimentação.
Método de medição
Pode-se saber, a partir da fórmula de cálculo da distorção harmônica total, que o valor da distorção harmônica total está intimamente relacionado ao valor limite superior H da ordem harmônica. Equipamentos gerais de medição harmônica, como analisadores harmônicos, são mais adequados para medição harmônica da rede elétrica, e o limite superior geralmente está dentro da 40ª ordem.
Para equipamentos de emissão harmônica que contêm harmônicas mais altas, como conversores de frequência, a medição da distorção harmônica total requer equipamentos harmônicos especiais que possam medir harmônicas mais altas, como analisadores de potência de frequência variável ou analisadores de potência de banda larga. Além disso, para sistemas de alta tensão e alta corrente, também é necessário prestar atenção à largura de banda necessária dos sensores utilizados, como sensores de potência de frequência variável.
O efeito da distorção harmônica em PCB
A distorção harmônica é um fator importante a ser considerado ao projetar PCBs. Ela pode causar problemas com a integridade do sinal e levar a danos nos componentes. Existem algumas maneiras de mitigar a distorção harmônica, incluindo:
– Utilizar planos
de alimentação e terra de baixa impedância – Adicionar condensadores
de derivação a componentes críticos – Adicionar indutores para filtrar ruído de alta
frequência – Reduzir o comprimento dos traços de sinal
Cada um desses métodos tem suas próprias vantagens e desvantagens, por isso é importante escolher a solução certa para o seu projeto específico de PCB.
Prevenção da distorção harmônica
A distorção harmônica é um dos principais problemas que podem ocorrer durante o projeto e a fabricação de PCBs. Ela pode causar vários problemas, incluindo questões de integridade do sinal, diafonia e interferência eletromagnética (EMI).
Existem várias maneiras de reduzir ou eliminar a distorção harmônica. Uma delas é usar sinalização diferencial, que pode cancelar muitos dos harmônicos. Outra é usar fontes de alimentação com baixa impedância de saída, o que também pode ajudar a reduzir os harmônicos.
A sinalização diferencial é uma técnica frequentemente utilizada em sistemas digitais de alta velocidade para reduzir os efeitos do ruído e da diafonia. Na sinalização diferencial, dois sinais são enviados em fios separados, sendo um sinal o inverso do outro. O dispositivo receptor combina então os dois sinais, e qualquer ruído de modo comum é cancelado.
Fontes de alimentação com baixa impedância de saída também podem ajudar a reduzir os harmônicos. Uma fonte de alimentação de baixa impedância terá menos queda de tensão quando a corrente for retirada dela, o que significa que a tensão na carga será mais estável. Isso pode ajudar a reduzir ou eliminar muitos dos problemas causados pela distorção harmônica.
