Os amplificadores têm um trabalho muito difícil. Eles precisam pegar um sinal de tensão muito baixa e aumentá-lo em amplitude para que possa acionar um alto-falante. Nesta transformação, esperamos que o sinal permaneça puro – nenhuma distorção ou ruído deve ser adicionado. Também queremos quantidades significativas de energia para alimentar nossos alto-falantes, mesmo que alimentemos nossos amplificadores apenas com míseros 12 a 14 volts de eletricidade. As leis da física parecem querer trabalhar contra nós a cada passo – mas nós prevalecemos! Os amplificadores de áudio automotivos modernos são feitos incríveis de engenharia e design. Este artigo analisa os dois principais tipos de classes de amplificadores usados na indústria de áudio automotivo e as vantagens e desvantagens de cada um. Bem-vindo à Classe AB vs. Classe D.
A matemática por trás de como os amplificadores geram energia
Não importa como configuramos os componentes dentro de um amplificador, o objetivo é o mesmo:aumentar a voltagem do sinal de áudio do pré-amplificador para que ele possa acionar um alto-falante. Como os alto-falantes que usamos são de baixa impedância (2 ou 4 ohms para a maioria dos alto-falantes de médio porte), também precisamos fornecer uma quantidade significativa de corrente para o alto-falante. Esta entrega de corrente ao alto-falante é a segunda tarefa que um amplificador deve realizar.
Por meio de uma matemática rápida, se um alto-falante de 4 ohms está recebendo um sinal de 12V RMS, podemos fazer alguns cálculos. Para calcular a corrente que flui através do alto-falante, dividimos a tensão fornecida pela impedância do alto-falante. Neste exemplo, temos 12 dividido por 4, então 3 amperes de corrente estão fluindo através dos fios do alto-falante e da bobina de voz. Uma maneira fácil de calcular a potência que vai para o alto-falante é multiplicar a tensão fornecida pela corrente fornecida. O produto de 12 vezes 3 é 36. Este alto-falante está recebendo 36 watts de potência.
Vejamos o mesmo exemplo como se fosse um amplificador de subwoofer. Neste segundo exemplo, vamos supor que temos um subwoofer de bobina dupla de 2 Ohms com ambas as bobinas conectadas em paralelo para produzir uma carga de 1 ohm. Se fornecermos a este alto-falante 12 Vrms de sinal, então 12 amperes de corrente fluirão através do fio do alto-falante e do subwoofer. Para calcular a potência, multiplicamos 12 vezes 12 para obter 144 watts. 144 watts é muito
muito mais potência e corrente para a mesma quantidade de tensão.
Visão geral da função do amplificador
A maioria dos amplificadores é composta por três ou quatro seções principais (ou estágios), dependendo de seu design e complexidade. O estágio de entrada é a parte do amplificador onde o sinal de áudio do pré-amplificador de baixo nível entra no amplificador e recebe qualquer processamento na forma de equalização ou filtragem.
Um amplificador tem uma fonte de alimentação. A fonte de alimentação converte os 12 a 14 V fornecidos de corrente contínua em tensões de trilho positivas e negativas. Digamos, por exemplo, que um amplificador teórico tenha trilhos de +25 e -25V, em relação à nossa referência de terra. Dependendo do tamanho do amplificador, haverá um estágio de driver. O estágio do driver é responsável por aumentar o sinal de áudio de baixo nível para uma tensão mais alta. O quanto o estágio do driver aumenta a tensão depende de quanta potência o amplificador estará produzindo.
Por fim, temos o estágio de saída. O estágio de saída é relativamente simples – não altera significativamente o sinal vindo do estágio do driver, mas os dispositivos (MOSFETs ou transistores) usados para fornecer o sinal de saída com a corrente que a carga requer. A fonte de alimentação e o estágio de saída são as duas partes do amplificador que fazem o “trabalho mais pesado”. Ou seja, são os estágios que passam muita corrente.
Em quase todos os amplificadores do mercado, usamos dispositivos dedicados para a metade positiva da forma de onda e dispositivos separados para a metade negativa da forma de onda. Para esclarecer, se medirmos o sinal de saída do amplificador sobre o terra do veículo, veremos que ele oscila para frente e para trás acima e abaixo de 0V. Pense nos nossos barramentos de alimentação de +25 V e -25 V. Os alto-falantes não se importam com o valor do sinal que está sendo enviado a eles; tudo o que importa é a diferença de tensão de uma extremidade da bobina de voz para a outra extremidade.
Amplificadores Classe AB
Para este artigo, vamos generalizar os amplificadores Classe AB em um modelo de amplificador analógico. Em nosso amplificador analógico, temos transistores grandes no estágio de saída do amplificador. Quando queremos metade da tensão positiva do trilho na saída, alimentamos metade da tensão no dispositivo de saída positiva. Quando o sinal fica negativo, desligamos o dispositivo positivo e começamos a usar apenas o dispositivo negativo. Visto de uma maneira diferente, o sinal de áudio do estágio do driver controla a resistência dos dispositivos de saída e, posteriormente, quanta corrente pode fluir para o alto-falante.
Em um Amplificador Analógico, os dispositivos de saída podem ser “ligados” em quantidades variadas sobre o sinal de áudio. Isso significa que os dispositivos de saída geralmente atuam como resistores. A energia é desperdiçada como calor quando passamos corrente através de um resistor. Tenha isso em mente como parte de nossa comparação mais adiante no artigo.
Amplificadores Classe D
Em um amplificador Classe D, os dispositivos de saída recebem um controle de um circuito integrado do controlador (IC). Este controlador envia uma onda quadrada de ciclo de trabalho variável. A amplitude da onda quadrada é alta o suficiente para ligar ou desligar os dispositivos de saída. Os dispositivos de saída gastam muito pouco tempo operando como resistores e agem mais como interruptores.
A questão lógica é, como no mundo podemos tirar música de uma onda quadrada? Se você pensou isso, bom para você! A frequência da onda quadrada é muito maior do que a frequência máxima da nossa música. De fato, alguns amplificadores modernos de Classe D alternam os dispositivos de saída em frequências tão altas quanto 600 kHz.
Para recriar música, o controlador Classe D envia um sinal que é Modulado por Largura de Pulso. A quantidade de tempo “on” sobre o tempo “off” determina o nível de saída do sinal. Como uma analogia muito geral, se os dispositivos de saída positiva recebessem uma onda quadrada com um ciclo de trabalho de 50% (ligado tanto tempo quanto desligado), então a média da saída seria 50% da tensão positiva do trilho. Se a onda quadrada estiver ligada por 75% do tempo, depois desligada por 25%, obteremos 75% da tensão do trilho na saída.
Como você pode imaginar, o sinal do controlador Classe D é bastante complexo. Ele tem que modular o ciclo de trabalho da onda quadrada que vai para os dispositivos positivos e negativos com rapidez suficiente para recriar com precisão o sinal de áudio. Ele também deve controlar os dispositivos de saída positivo e negativo separadamente.
Benefícios e desvantagens dos amplificadores analógicos
Como o sinal de áudio em um amplificador analógico nunca é dividido em pequenos pedaços, os amplificadores analógicos podem permanecer fiéis ao sinal original. Os amplificadores com melhor som na indústria de eletrônicos móveis são analógicos. Os amplificadores analógicos têm, historicamente, uma reputação de resposta precisa de alta frequência.
A desvantagem de um amplificador analógico é sua eficiência. Eficiência descreve quanta energia é desperdiçada como calor em comparação com a energia enviada ao alto-falante. Como os dispositivos de saída em um amplificador analógico funcionam como resistores variáveis, eles ficam quentes. Amplificadores analógicos típicos operam na faixa de eficiência de 70-80% em relação à eficiência total, enquanto operam com potência total. Essa falta de 20-30% é liberada como calor. Em um nível de saída mais baixo, a eficiência cai ainda mais.
Benefícios e desvantagens dos amplificadores digitais
Amplificadores digitais modernos comutam em frequências extremamente altas. Vemos amplificadores capazes de resposta de frequência de áudio além de 50 kHz e alguns que excedem 70 kHz. Esse desempenho está muito longe dos primeiros amplificadores Classe D que eram apenas para subwoofers e lutavam para produzir áudio acima de 5 kHz. Dito isso, como os amplificadores digitais exigem redes de filtro no final do estágio de saída, eles ainda não conseguem igualar o desempenho de um amplificador analógico premium. Com esta informação em mente, considere que existem alguns bons amplificadores digitais que soam melhor do que muitos amplificadores analógicos mal projetados.
Como os dispositivos de saída de um amplificador digital raramente operam em sua faixa resistiva, esses amplificadores podem ser muito eficientes. Um amplificador Classe D bem projetado pode ter uma eficiência em torno de 92%.
Outro problema com amplificadores Classe D é o ruído. Como os dispositivos de saída são acionados por uma onda quadrada, há muita energia de alta frequência no sinal de saída. A rede de filtros sobre a qual falamos remove muito disso do sinal de saída, mas essa energia ainda pode ter efeitos prejudiciais em outros sistemas do veículo. Infelizmente, uma característica comum para muitos amplificadores Classe D é que eles causam interferência na recepção de rádio quando em operação.
Escolha entre classes de amplificadores
Seria bom se pudéssemos formular um conjunto de regras rígidas e rápidas para escolher o amplificador certo para o seu sistema . Com tantas variações em cada tipo de amplificador em tantos preços diferentes, isso é realmente impossível. Sugerimos fortemente que a única maneira de escolher um amplificador é comparar um com o outro sob condições controladas:use a mesma música e os mesmos alto-falantes e ouça no mesmo volume. Você ouvirá diferenças na resposta de frequência e diferenças dramáticas nos recursos de imagem e preparação.
Um tipo de amplificador é melhor que o outro? Para uma instalação dedicada exclusivamente à qualidade do som, a escolha é clara. Para uma instalação onde o fornecimento de energia é limitado ou grandes quantidades de energia são necessárias, a escolha também é clara. No meio, depende da sua aplicação e orçamento.
Visite o seu revendedor local especializado em eletrónica móvel para saber mais sobre os amplificadores mais recentes do mercado. Eles ficarão felizes em ajudá-lo a escolher um que atenda à sua aplicação e funcione com seu orçamento.
