Os amplificadores têm uma tarefa árdua: pegar um sinal de baixíssima tensão e aumentar sua amplitude para que possa alimentar um alto-falante. Nessa transformação, esperamos que o sinal permaneça puro – sem distorção ou ruído adicionados. Também queremos quantidades significativas de potência para mover nossos alto-falantes, mesmo alimentando os amplificadores com apenas 12 a 14 volts de eletricidade. As leis da física parecem conspirar contra nós a cada passo – mas nós prevalecemos! Os amplificadores de áudio automotivo modernos são feitos impressionantes de engenharia e design. Este artigo examina os dois principais tipos de classes de amplificadores usados na indústria de áudio automotivo e os benefícios e desvantagens de cada um. Bem-vindo à comparação entre Classe AB e Classe D.
Independentemente de como configuramos os componentes internos de um amplificador, o objetivo é o mesmo: aumentar a tensão do sinal de áudio do pré-amplificador para que possa alimentar um alto-falante. Como os alto-falantes que usamos têm baixa impedância (2 ou 4 ohms para a maioria dos médios), precisamos fornecer uma quantidade significativa de corrente ao alto-falante. Essa entrega de corrente é a segunda tarefa que um amplificador deve realizar.
Com um pouco de matemática rápida: se um alto-falante de 4 ohms recebe um sinal de 12V RMS, podemos fazer alguns cálculos. Para calcular a corrente que flui pelo alto-falante, dividimos a tensão aplicada pela impedância do alto-falante. Neste exemplo, 12 dividido por 4 resulta em 3 amperes de corrente fluindo pelos fios do alto-falante e pela bobina móvel. Uma maneira fácil de calcular a potência entregue ao alto-falante é multiplicar a tensão aplicada pela corrente aplicada. O produto de 12 vezes 3 é 36. Este alto-falante está recebendo 36 watts de potência.
Vamos analisar o mesmo exemplo como se fosse um amplificador de subwoofer. Neste segundo exemplo, assumiremos um subwoofer com bobina dupla de 2 ohms, com ambas as bobinas ligadas 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 pelo fio do alto-falante e pelo subwoofer. Para calcular a potência, multiplicamos 12 por 12, obtendo 144 watts. 144 watts é muito mais potência e corrente para a mesma quantidade de tensão.
A maioria dos amplificadores é composta por três ou quatro seções principais (ou estágios), dependendo do seu design e complexidade. O estágio de entrada é a parte do amplificador onde o sinal de áudio de baixo nível do pré-amplificador entra e recebe qualquer processamento na forma de equalização ou filtragem.
Um amplificador possui uma fonte de alimentação. A fonte de alimentação converte os 12 a 14 V de corrente contínua fornecidos 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 driver. O estágio driver é responsável por aumentar o sinal de áudio de baixo nível para uma tensão mais alta. O quanto o estágio driver aumenta a tensão depende de quanta potência o amplificador irá gerar.
Finalmente, temos o estágio de saída. O estágio de saída é relativamente simples – ele não altera significativamente o sinal vindo do estágio driver, mas os dispositivos (MOSFETs ou transistores) usados fornecem ao sinal de saída a corrente que a carga requer. A fonte de alimentação e o estágio de saída são as duas partes do amplificador que realizam o "trabalho pesado". Ou seja, são os estágios que conduzem muita corrente.
Quase todos os amplificadores no mercado usam dispositivos dedicados para a metade positiva da forma de onda e dispositivos separados para a metade negativa. Para esclarecer: se medirmos o sinal de saída do amplificador em relação ao terra do veículo, veremos que ele oscila para cima e para abaixo de 0V. Lembre-se dos trilhos de +25V e -25V da fonte de alimentação. Os alto-falantes não se importam com o valor absoluto do sinal enviado a eles; tudo o que importa é a diferença de tensão de uma extremidade da bobina móvel à outra.
Para este artigo, generalizaremos os amplificadores Classe AB em um modelo de Amplificador Analógico. Em nosso amplificador analógico, temos transistores grandes no estágio de saída. Quando queremos metade da tensão do trilho positivo na saída, alimentamos metade da tensão no dispositivo de saída positivo. Quando o sinal vai para o negativo, desligamos o dispositivo positivo e começamos a usar apenas o dispositivo negativo. Visto de outra forma, o sinal de áudio do estágio driver controla a resistência dos dispositivos de saída e, consequentemente, quanta corrente pode fluir para o alto-falante.
Em um Amplificador Analógico, os dispositivos de saída podem ser "ligados" em quantidades variadas de acordo com o sinal de áudio. Isso significa que os dispositivos de saída frequentemente atuam como resistores. Potência é desperdiçada na forma de calor quando fazemos corrente passar por um resistor. Guarde isso em mente para nossa comparação mais adiante no artigo.
Em um amplificador Classe D, os dispositivos de saída recebem um controle de um Circuito Integrado (CI) Controlador. Este controlador envia uma onda quadrada de ciclo de trabalho variável. A amplitude da onda quadrada é alta o suficiente para ligar e desligar completamente os dispositivos de saída. Os dispositivos de saída passam muito pouco tempo operando como resistores e agem mais como chaves.
A pergunta lógica é: como diabos obtemos música a partir de uma onda quadrada? Se você pensou nisso, parabéns! A frequência da onda quadrada é muito superior à frequência máxima de nossa música. Na verdade, alguns amplificadores Classe D modernos comutam os dispositivos de saída em frequências de até 600 kHz.
Para recriar a música, o controlador Classe D envia um sinal que é Modulado por Largura de Pulso (PWM). A quantidade de tempo "ligado" em relação ao tempo "desligado" determina o nível de saída do sinal. Como uma analogia geral, se os dispositivos de saída positivos recebessem uma onda quadrada com ciclo de trabalho de 50% (ligado pelo mesmo tempo que desligado), a média da saída seria 50% da tensão do trilho positivo. Se a onda quadrada estiver ligada 75% do tempo e desligada 25%, obteríamos 75% da tensão do trilho na saída.
Como você pode imaginar, o sinal do controlador Classe D é bastante complexo. Ele deve modular o ciclo de trabalho da onda quadrada que vai para os dispositivos positivos e negativos com rapidez suficiente para recriar o sinal de áudio com precisão. Também deve controlar os dispositivos de saída positivos e negativos separadamente.
Como o sinal de áudio em um amplificador analógico nunca é picado em pedaços minúsculos, os amplificadores analógicos podem permanecer fiéis ao sinal original. Os amplificadores com melhor sonoridade na indústria de eletrônica móvel são analógicos. Historicamente, os amplificadores analógicos têm a reputação de resposta de alta frequência precisa.
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 esquentam. Amplificadores analógicos típicos operam na faixa de 70-80% de eficiência em termos de eficiência total, enquanto operam em potência total. Os 20-30% restantes são liberados como calor. Em níveis de saída mais baixos, a eficiência cai ainda mais.
Os 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. Este desempenho está a anos-luz 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 exatamente o desempenho de um amplificador analógico premium. Com essa 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 filtro de que falamos remove grande parte disso do sinal de saída, mas essa energia ainda pode ter efeitos prejudiciais em outros sistemas do veículo. Uma característica infelizmente comum em muitos amplificadores Classe D é que eles causam interferência na recepção de rádio quando em operação.
Seria bom se pudéssemos formular um conjunto de regras rígidas para escolher o amplificador certo para o seu sistema. Com tantas variações de cada tipo de amplificador em tantos pontos de preço diferentes, isso é verdadeiramente impossível. Sugerimos fortemente que a única maneira de escolher um amplificador é comparar um com outro em 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 nas capacidades de imagem e palco sonoro.
Um tipo de amplificador é melhor que o outro? Para uma instalação dedicada puramente à qualidade sonora, a escolha é clara. Para uma instalação onde a entrega de potência é limitada ou quantidades massivas de potência são necessárias, a escolha também é clara. No meio termo, depende da sua aplicação e orçamento.
Visite seu revendedor especialista em eletrônica móvel local para saber mais sobre os amplificadores mais recentes no mercado. Eles terão prazer em ajudá-lo a escolher um que atenda à sua aplicação e funcione com seu orçamento.
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