Como funciona um amplificador de áudio para carro? – O Estágio de Saída Classe D

À medida que continuamos nossa análise de como os amplificadores de áudio para carros funcionam, precisamos discutir o que se tornou o design mais popular no mercado hoje:amplificadores que usam um estágio de saída Classe D. Nos reinos audiófilos, os designs de Classe D geralmente carregam uma reputação desfavorável. Suas desvantagens superam seus benefícios? Vamos dar uma olhada!

Como funciona um estágio de saída Classe D?

Uma vez que o estágio de entrada tenha tratado qualquer necessidade de processamento de sinal, o sinal de áudio é passado para o estágio de saída para que ele aumente em tensão e os MOSFETs podem fornecer quantidades adequadas de corrente para acionar nossos alto-falantes de impedância relativamente baixa. Em um moderno amplificador Classe D, os dispositivos de saída MOSFET são alimentados por um driver IC que lida com a conversão do sinal analógico em um sinal modulado por largura de pulso.

O que é um sinal modulado por largura de pulso?

Imagine, se quiser, uma lâmpada incandescente. Conectamos a lâmpada a uma fonte de energia e inserimos um interruptor controlado por computador em série com o circuito. Se deixarmos o interruptor desligado, a luz permanece desligada. Se ligarmos o interruptor, a luz acenderá com brilho total. No entanto, se ligarmos e desligarmos o interruptor muito rapidamente, e o interruptor estiver ligado enquanto estiver desligado, a lâmpada acenderá com metade do brilho possível. Essa variação do tempo de ligar versus desligar é chamada de ciclo de trabalho. Quando o tempo de ativação/desativação é igual, esse é um ciclo de trabalho de 50%. O uso de um sinal de onda quadrada com diferentes ciclos de trabalho é chamado de modulação por largura de pulso (ou PWM, abreviado).

O driver Classe D analisa o sinal de áudio em velocidades extremamente altas (algumas tão rápidas quanto 800kHz) e cria um sinal PWM de tensão relativamente baixa que alimenta os dispositivos de saída. Os dispositivos de saída ligam e desligam totalmente rapidamente. Como os dispositivos ficam muito pouco tempo no estado parcialmente ligado, apresentam pouquíssima resistência e, consequentemente, consomem muito pouca energia. Os melhores amplificadores Classe D do mercado oferecem eficiências gerais que excedem 92% na potência máxima. Esta excelente eficiência contrasta com os amplificadores Classe AB que transformam entre 35% e 50% da energia alimentada no amplificador em calor.

Os discos compactos usam uma versão de PWM onde o ciclo de trabalho do pulso de saída é armazenado em uma palavra digital de 16 bits. Isso nos dá 65.536 níveis de amplitude possíveis. Ao contrário dos drivers modernos de Classe D, nosso áudio é armazenado em 44.100 amostras por segundo. Isso ainda é mais que suficiente para reproduzir todo o espectro de áudio.

Disposição do Circuito Classe D

Por fim, os amplificadores Classe D normalmente têm seus dispositivos de saída dispostos em uma configuração Classe AB, onde um dispositivo aciona a parte negativa da forma de onda e o outro aciona a parte positiva. Como tal, a Classe D descreve como os dispositivos de saída são usados, em vez de sua orientação elétrica no circuito.

Desvantagens dos designs de amplificadores Classe D

Se você leu os artigos do BestCarAudio.com sobre distorção, então você sabe que um sinal AC de onda quadrada é composto de um grande número de harmônicos de alta frequência. Você provavelmente já ouviu esse fenômeno em sua casa se tiver um dimmer em algumas das luzes. O filamento das luzes irá tocar ocasionalmente, dependendo do nível do dimmer. Como queremos apenas passar um sinal de áudio de volta para o alto-falante, os projetistas de amplificadores adicionam uma rede de filtros passivos à saída dos MOSFETs. Esta rede inclui um indutor em série com a carga, bem como um capacitor e resistor em paralelo e atua como um filtro passa-baixa para remover esse ruído de comutação de alta frequência.

Uma desvantagem de um projeto Classe D é que esses componentes do filtro de saída interagem com as variações dependentes da frequência na impedância de carga para alterar a resposta de frequência do amplificador. Embora o efeito seja minúsculo, ele pode dar aos amplificadores Classe D um equilíbrio tonal geral diferente do que você obteria de um design AB. Claro, um pouco de manipulação com um processador de sinal digital (DSP) vai colocar isso de volta em xeque em um instante.

Outro problema com toda essa energia de alta frequência é o potencial de interferência elétrica com outros sistemas no veículo. Mais comumente, a recepção de rádio AM ou FM pode ser apagada ou drasticamente reduzida. Enquanto os melhores fabricantes de amplificadores fazem todo o possível para mitigar a interferência de radiofrequência, problemas ainda podem ocorrer - o melhor plano é manter o amplificador o mais longe possível da antena de rádio.

Por que você quer um amplificador classe D?

O longo e o curto é que as empresas investiram no desenvolvimento de amplificadores Classe D em um esforço para diminuir o tamanho físico requisitos de amplificadores, supostamente para tornar mais fácil para os técnicos de instalação encontrar locais de montagem para eles. A realidade é que dissipadores de calor para amplificadores são um dos componentes individuais mais caros em um amplificador. Se o tamanho do dissipador de calor pode ser reduzido, o custo do amplificador também pode. Os dias de amplificadores estéreo de 40 e 50 watts por canal com uma pegada de mais de um pé quadrado já se foram, graças aos designs modernos de Classe D. Agora, você pode obter mais de 1.000 watts de potência desse mesmo espaço físico.

Os amplificadores Classe D são uma boa solução para sistemas de subwoofer porque oferecem maior eficiência em relação aos seus equivalentes Classe AB, e quase todos os fabricantes de amplificadores têm pelo menos uma série de amplificadores Classe D em seu catálogo. O seu revendedor local especializado em acessórios para dispositivos móveis pode ajudá-lo a escolher uma solução com o nível de potência, o número de canais e os recursos corretos para tornar o som do som do seu carro excelente.

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