Principais classes de Operação de Amplificadores de Áudio - (parte 2 (final)

Johnny Werner

Dando continuidade ao tópico iniciado na edição passada sobre as principais classes de operação dos amplificadores de áudio, discutiremos um pouco sobre as classes D, G, H e I. No final é apresentada uma curva comparando o rendimento das várias classes de operação estudadas.

Classe D

A classe dos amplificadores chaveados. Teve seu princípio de funcionamento discutido pela primeira vez por volta de 1947, porém, apenas em 1960 os primeiros protótipos foram criados. Devido a certas limitações dos transistores da época, os amplificadores em classe D acabaram não encontrando seu devido espaço no mercado e seus projetos foram novamente retomados em meados dos anos 70.

Basicamente, ao invés de os dispositivos de saída operarem em modo contínuo, eles são comutados através de modulação PWM numa frequência muito mais alta que a maior frequência audível. Um filtro LC na saída se encarrega de filtrar as altas frequências de chaveamento, deixando passar apenas o sinal de áudio. A Figura 1 ilustra a operação em classe D. O rendimento típico gira em torno de 90%.

Fig. 1 – Operação em Classe  D

Classe G

Utiliza os princípios de operação da classe A em conjunto com a classe AB através de comutação. Os sinais de áudio costumam passar a maior parte do tempo compostos por níveis baixos de corrente, sendo esse nível elevado a grandes picos apenas durante curtos instantes. De posse desse conhecimento, o conceito classe G foi introduzido pela Hitachi em 1976 com o intuito de diminuir a potência dissipada nos amplificadores através da utilização de múltiplas fontes de alimentação. Assim, em baixos níveis de potência a fonte de alimentação menor é utilizada e o amplificador opera em classe A. Quando o nível de sinal se torna mais elevado, entra em operação outra fonte de maior potência e o amplificador passa a operar em classe AB. Dessa forma, a tensão média aplicada aos dispositivos de saída é reduzida e uma eficiência maior pode ser alcançada.

Na Figura 2 a topologia classe G é apresentada. Na ilustração, Vcc2 é maior do que Vcc1 e apenas os transistores Q2 e Q3 estão em operação. Quando uma tensão maior é exigida devido a um pico do sinal de áudio, passam a funcionar também os transistores Q1 e/ou Q4, sendo esses alimentados pelas fontes Vcc2.

De modo geral, a utilização de mais de uma fonte de alimentação não é uma boa opção. Porém, quando se usa um transformador e se podem utilizar as suas derivações, a operação em classe G é viável. Em contrapartida, a classe G pode não ser uma boa solução quando se utiliza a bateria de um automóvel. Embora uma boa eficiência global seja alcançada, os ruídos causados pela comutação entre as duas fontes geram distorção do sinal.

Fig. 2 – Operação em Classe G

Classe H

O período em que os picos do sinal de áudio ocorrem é relativamente curto e a fonte de alimentação auxiliar da classe G pode ser substituída por um capacitor. Quanto mais baixa a frequência e maior a potência do sinal, maior deve ser o capacitor. A vantagem da classe H perante a classe G é que não é necessária a utilização de outra fonte de alimentação, sendo ideal para aplicações automotivas. A Figura 3 mostra um exemplo de estágio amplificador operando em classe H.

Fig. 3 – Operação em Classe H

Classe I

Caracterizada por unir a alta linearidade da classe A e a alta eficiência da classe D em um único amplificador. Possui rendimento de 77% à máxima potência e apresenta a mesma linearidade da classe A. O funcionamento é obtido através da aplicação simultânea do sinal de áudio aos amplificadores classe A e classe D, sendo que este é responsável por fornecer alimentação ao amplificador classe A. Assim, a corrente fornecida ao amplificador classe A é apenas a necessária ao funcionamento do sinal de áudio. A Figura 4 indica um exemplo de amplificador operando em classe I. Eventuais distorções por diferença de fase devido ao filtro LC projetado para rejeitar o ruído de chaveamento são compensadas pelos Filtro 1 e Filtro 2.

Fig. 4 – Operação em Classe  I

Rendimento comparativo das várias classes de operação

As curvas de rendimento para as várias classes de operação de amplificadores está apresentada na Figura 5, onde há enorme discrepância no rendimento das curvas nos dois extremos do gráfico, representados pelas classes A (menos eficiente) e D (mais eficiente).

Fig.5 – Curvas de rendimento para as diferentes classes de Operação

--

Johnny Werner é mestre em engenharia elétrica e leciona no curso de Engenharia Elétrica na Universidade Regional de Blumenau. É projetista e responsável técnico na JW Tubes – Valve Amplifiers. E-mail: johnny@jwtubes.com.br