Classes de amplificação, eficiência e potências das fontes

[xformer]

Eu tenho visto muitas mensagens de pessoas querendo montar amplificadores para seus instrumentos, mas muitas vezes não mencionam como vai ser a fonte ou a dimensionam de maneira totalmente equivocada.  Então segue um pequeno resumo e uma explicação sobre a eficiência dos tipos de amplificadores, conhecimento essencial para esse dimensionamento.
Um amplificador transforma energia DC (contínua) da fonte de alimentação em energia AC (alternada).  Portanto a fonte fornece uma potência (em watts e limitada) e o amplificador converte essa potência em watts para os alto-falantes. Ocorre que nem toda energia que a fonte fornece vai para os alto-falantes, boa parte dela é perdida e se transforma em calor nos resistores e nos componentes ativos que fazem a amplificação/chaveamento no amplificador. A outra parte que se fornece aos alto-falantes é o que chamamos de potência útil.
A relação entre a potência útil e a potência fornecida pela fonte é chamada de rendimento e representado nos livros pela letra grega ETA cujo símbolo é h

Então h = Pútil/Pfornecida

Esse rendimento depende muito da classe do amplificador. Os amplificadores são categorizados por classes, que representam o quanto (ciclo) do sinal é amplificado ou segundo a técnica empregada.
Assim temos amplificadores categorizados em classes de letras: A, B, C, D, G, H, etc

A primeira classe de amplificadores é a classe A, onde o elemento amplificador conduz e amplifica/reproduz todo o ciclo do sinal de áudio.


A figura acima ilustra o que acontece no amplificador. Cada transistor da etapa de saída de potência reproduz e amplifica o sinal inteiro de áudio e esse sinal é então fornecido ao alto-falante. Devido ao fato de que eles estão sempre conduzindo, isso causa uma grande geração de calor, pois eles estão sempre ligados. Isso ocorre também nos amplificadores com válvulas, com mosfets e qualquer outro elemento amplificador nessa classe. Consequentemente, devido à grande perda de potência por calor, o rendimento dessa classe é muito baixo. Nos classe A tipo single ended (saída simples) o rendimento máximo teórico é de só 25%, enquanto que se a saída for push-pull (como o da figura acima) ou com transformador de acoplamento/casamento como de valvulados e alguns transistorizados, o rendimento máximo teórico seria de 50%. Na prática nunca se atinge os 25% ou 50% conforme o caso, pois a reta de carga não pode excursionar por toda sua extensão, pois nos extremos opostos da reta existem os pontos de saturação e de corte, de forma que o rendimento/eficiência sempre serão menores do que os máximos. Outra coisa: o rendimento máximo só é obtido com excitação máxima do sinal, ou seja com potência máxima do amplificador. Usar o amplificador com potência abaixo da máxima, reduz enormemente sua eficiência.
Um amplificador classe A de 5W máximos de potência útil, precisaria por exemplo de uma fonte que forneça pelo menos 5W/20% = 25W se for single ended, ou 5W/40% = 12,5W se for push-pull ou com transformador de saída.


A classe seguinte de amplificadores, seria a classe B, mostrado na figura acima.  Nessa classe, cada elemento amplificador (transistor) reproduz somente metade do sinal de áudio, e durante a outra metade ele fica desligado (cortado). Na saída, as duas metades reproduzidas são somadas e recompõem o sinal novamente.  Como menos calor é gerado, o rendimento máximo teórico agora é de 78,5%. Mas esse amplificador tem um problema que é a distorção por crossover (que ocorre na transição quando o transistor passa de condutor para desligado e vice e versa).


Para contornar o problema da distorção por crossover, os elementos amplificadores são ajustados para que os dois conduzam um pouco mais da metade do sinal, de forma que haja uma sobreposição do momento da transição de condução para desligamento e desapareça a distorção. Essa configuração é chamada de classe AB. A maioria dos circuitos integrados amplificadores e amplificadores de potência são dessa classe e o rendimento máximo vai depender de quanto vai ser o nível de sobreposição, mas vai ficar entre o rendimento do classe B e do classe A push-pull, na faixa dos 60% a 70%.  Dessa forma a fonte tem que ser dimensionada para fornecer também os 40 a 30% de perda. Um amplificador de 100W de potência útil máxima precisaria de uma fonte de pelo menos 100W/60% = 166W.  Uma fonte com potência abaixo disso, vai limitar a potência útil e não deixará ela atingir o máximo.

A classe seguinte seria dos amplificadores classe C que não são usados em áudio, pois conduzem apenas uma parte do sinal, então haveria uma distorção intolerável para se ouvir música, apesar do alto rendimento. Por esse motivo são usados em transmissores de rádio, onde pela alta potência envolvida (dezenas ou centenas de kW), busca-se alto rendimento e baixa geração de calor.


A figura acima representa o funcionamento de um amplificador classe D. Agora há uma mudança de técnica de amplificação, que deixa de ser linear e passa a ser chaveada. Nela se usa a modulação por largura de pulso, onde um valor de tensão mais alto na amplitude do sinal de áudio é convertida para um tempo maior do pulso ativo e valores menores de tensão se convertem em pulsos ativos mais estreitos. Ao final esse sinal chaveado é passado por um filtro passa-baixas e o sinal de áudio é recomposto. Como cada elemento chaveador não trabalha na região linear, quase não há perda por calor. O transistor chaveador ou está em corte (Tensão máxima, mas corrente = 0) ou em saturação (tensão = 0 e corrente máxima). Como potência é tensão vezes corrente, e em cada estado ou um ou outro tem valor zero, a potência dissipada é zero. Ocorre que nas mudanças de um estado para outro estado, há pontos intermediários, de forma que uma potência dissipada sempre vai existir (embora bem menor que nos lineares). Portanto o rendimento desses amplificadores fica bem alto, na casa do 80% a 90%. Dessa forma, a fonte pode ser bem mais enxuta e barata para determinado nível de potência comparado com os classes A, B e AB.
A desvantagem é que o amplificador é bem mais complexo e tem distorção maior.


O amplificador da figura acima, representa um classe G. Nele, a fonte tem estágios e cada estágio só é utilizado a medida que o nível de potência exigido se torna maior. Assim sinais pequenos e de baixa potência só utilizam um estágio de potência mais baixa da fonte (o que ocorre na maior parte do tempo). Quando exigido, o estágio da fonte de mais potência entra em ação. O rendimento assim aumenta e fica entre 60% a 80%. Mas o nível de distorção é maior do que nos classes A e AB, devido a entrada em funcionamento dos estágios exigidos.


O amplificador acima é de classe H. O funcionamento é parecido com o classe  G, só que nele ao invés de serem adicionadas novos estágios durante o funcionamento, no classe H, a fonte é trocada (comutada) para um nível superior conforme a exigência de potência.  Isso também causa uma distorção, mas o rendimento fica no mesmo nível do classe G.

Portanto o dimensionamento da fonte (e consequentemente dos componentes dela: transformadores, diodos, capacitores, etc) depende da categoria do amplificador. Sabendo-se da potência útil que queremos e do rendimento, podemos escolher ou montar uma fonte adequada para a aplicação.
 

[kem]

Mais uma AULA do xformer...
Tentando complementar um pouco, com o que aprendi com ele também, para dimensionar uma fonte, principalmente no que se refere ao transformador, temos que lembrar também da eficiencia da retificação.
No caso de retificação em onda completa, a utilizada em amplificadores, quando usamos transformador com secundario duplo (ex: 12+12V) e retificação com 2 diodos + CT, a eficiencia é em torno de 50%.
Quando utilizamos secundario simples (ex: 12V) e retificação em ponte, a eficiencia é em torno de 60%.
Temos que levar isso em conta ao escolher o transformador correto...

[xformer]

Tentando complementar um pouco, com o que aprendi com ele também, para dimensionar uma fonte, principalmente no que se refere ao transformador,
....
Temos que levar isso em conta ao escolher o transformador correto...

Sim, agora mais coisas entram na jogada e aí tem aquela tabela da Hammond ou a simulação do programa Power Supply Designer.

[otton]

 
xforme como sempre arrasa na explicação muito bom mesmo.
abraços

[Ledod]

 Legal Xformer! Parabéns, essa com certeza é uma aula muito útil a todos do fórum!

 Seria legal mais tarde, colocar todas essas aulas em um único documento para que possam ser facilmente acessadas!

 Posso dar só uma sugestão? 
 Nos amplificadores classe C seria legal colocar um exemplo de utilização, em transmissores, já que para formar a senóide perfeita na saída é necessário um circuito restaurador ressoante como carga (LC), na frequência de operação do transmissor, só funcionando na frequência de ressonância (muito diferente de amplificadores onde a banda relativa é muito mais extensa).

 Um abraço!

 Eduardo

[gugarn]

Muito legal. Com relação ao som, entre o classe A e o classe AB, existe diferença significativa que justifique esse desperdício de energia??

[xformer]

Posso dar só uma sugestão?  
Nos amplificadores classe C seria legal colocar um exemplo de utilização, em transmissores, já que para formar a senóide perfeita na saída é necessário um circuito restaurador ressoante como carga (LC), na frequência de operação do transmissor, só funcionando na frequência de ressonância (muito diferente de amplificadores onde a banda relativa é muito mais extensa).

Não coloquei um exemplo do classe C porque o intuito era falar sobre amplificadores de áudio, e os classe C não tem aplicação prática e viável para essa utilização. Eu encontrei numa apostila minha uma aplicação de classe C em um modulador/transmissor de AM:

Nele se pode ver que a base do transistor fica polarizada bem abaixo do corte (por Vb) de forma que o sinal de RF (vindo de um oscilador) só vai ter amplificado e conduzido uma pequena parte do sinal (que superar Vb e Vbe) e que a carga do amplificador é um circuito LC (portanto é um amplificador sintonizado na mesma frequência do oscilador de RF). Esse circuito LC faz com que os pulsos amplificados pelo transistor sejam restaurados para um sinal senoidal novamente (o indutor e o capacitor ficam trocando energia entre si e as perdas resistivas são compensadas pelos pulsos vindos pelo transistor) e modulados em amplitude pelo sinal de áudio.

Nessa mesma apostila achei uma fórmula genérica para calcular o rendimento dos amplificadores em função do ângulo de condução.

Rendimento = (theta - seno(theta)*cosseno(theta))/(2*(seno(theta)-theta*cosseno(theta))

Sendo theta = ângulo de condução / 2      em radianos

O que resulta nessa tabela:
Angulo de condução (graus)  e Rendimento máximo teórico
360   50,000%   classe A
270   60,176%   classe AB
200   74,399%   classe AB
180   78,540%   classe B
170   80,558%   classe C
160   82,525%
150   84,432%
140   86,266%
130   88,019%
120   89,681%
110   91,244%
100   92,698%
90   94,038%
80   95,255%
70   96,344%
60   97,299%
50   98,116%
40   98,790%
30   99,317%
20   99,696%
10   99,924%
1   99,999%  classe C

-----

Muito legal. Com relação ao som, entre o classe A e o classe AB, existe diferença significativa que justifique esse desperdício de energia??

Alguns audiófilos preferem classe A por causa da inexistência da distorção por crossover. Entretanto os amplificadores AB atuais podem ter níveis de distorção muito baixos, o que não justificaria (a não ser pela subjetividade) o uso de classe A.  Nos amplificadores de guitarra, quando o sinal se torna distorcido, os classe A introduzem harmônicos pares, o que torna o som mais agradável. Na imagem abaixo introduzi uma distorção de 2.a harmônica a 10%. A linha vermelha é o sinal puro e a azul o sinal com distorção.

 

[Ledod]

 Perfeito xformer!!

 Parabéns novamente! 

 Um abração,

 Eduardo

[xformer]

Na verdade esqueci de escrever sobre o que ocorre na ressonância dando um exemplo de analogia.
A frequência de ressonância é uma frequência de oscilação natural de sistemas (não precisa ser elétrico, pode ser mecânico também).  Quando aprendi sobre isso, o professor deu como exemplo aquelas cadeiras de balanço de parquinhos, onde os pais ficam empurrando os filhos nos balanços.  Pois bem, um balanço nada mais é do que um pêndulo. A frequência (e o período = tempo) do balanço depende basicamente do comprimento das cordas ou correntes e da aceleração da gravidade. Se empurramos a criança uma só vez, colocamos energia no sistema e a cadeira vai ficar balançando por um tempo até parar por causa do atrito e da resistência do ar. Mas enquanto estiver em movimento, a energia fica trocando de potencial para cinética e vice e versa.  Se o pai sempre der um empurrãozinho por trás no momento certo (isto é, sincronizado e na mesma frequência), a criança ficaria balançando eternamente, pois o empurrãozinho compensaria as perdas. Ou se a criança balançar as pernas sincronizadamente (e portanto injetar energia no sistema no momento certo) terá o mesmo efeito. É mais ou menos assim que funciona o sistema ressonante LC, há o constante movimento de corrente entre o capacitor e o indutor, ora armazenando energia no campo elétrico e no campo magnético. As perdas são devido à resistência elétrica do sistema (fio), que pode ser compensada pelos pulsos sincronizados na mesma frequência (o empurrãozinho).  Com isso o sinal se torna senoidal novamente devido a que somente a frequência fundamental permanece (as harmônicas serão dissipadas) pois o LC é um filtro sintonizado.
Outros exemplos de ressonância mecânica é a tentativa de quebrar copos de cristal cantando uma nota específica.  Essa nota teria a frequência de ressonância do copo, de forma que ele absorva a energia vibratória do som e se quebre pelo excesso de energia. Ou das cordas do violão, que vibram ao tocar em outra corda na mesma nota e o diapasão para afinação dos instrumentos, bem como todos instrumentos de sopro. Mais um: soldados em marcha, deixam de dar passos sincronizados quando atravessam pontes, para evitar que por coincidência haja ressonância na ponte e possa causar desastre e danificar a estrutura (já vi vídeos de pontes que ficam oscilando só com o vento passando lateralmente).
O fenômeno da ressonância é base para construção de osciladores eletrônicos e causa da microfonia (o apito) em amplificadores.

[Ledod]

 Faltou só o exemplo mais famoso:

 Relógio de pêndulo!

 Os contra-pesos ou a mola (nos que precisam dar corda) fazem o papel de fornecer a energia consumida nos atritos existentes nos mecanismos. Assim, a oscilação se mantém por um período longo!

 

[xformer]

Faltou só o exemplo mais famoso:
 Relógio de pêndulo!
 Os contra-pesos ou a mola (nos que precisam dar corda) fazem o papel de fornecer a energia consumida nos atritos existentes nos mecanismos. Assim, a oscilação se mantém por um período longo!

Exatamente, esqueci. Demorei um tempão pra descobrir porque é que se usavam rubis nos relógios mecânicos (pra quem não sabe ou é muito novo, os relógios antigos de pulsos vinham com inscrições dizendo o número de rubis dentro do mecanismo: 21 jewels por exemplo). Os rubis por serem muito duros e lisos, eram usados nos mancais/pivots dos eixos das engrenagens por gerarem pouco atrito e assim haver menos perdas e desgastes mecânicos no relógio e melhorar a precisão do mesmo.  Assim como são usados também no eixos em galvanômetros de bobina móvel.  Era interessante abrir um relógio e ver as pequenas peças rosadas prendendo os eixos das engrenagens.

Assim como esqueci também dos cristais osciladores, que são usados nos circuitos eletrônicos e nos relógios digitais. Nestes, o cristal piezoelétrico vibra mecanicamente a uma frequência de ressonância e produz pulsos elétricos precisos para um circuito de clock, sendo equivalente eletricamente a um circuito LC de alto Q.

[Electric Effects]

Li tudo duas vezes 

xformer, estou pesquisando sobre amplificadores, até agora eu já estudei um pouco sobre bjt, fet, mosfet, opamp, mas em livros nos quais o foco não é a montagem de amplificadores. Antes da modificação do 1º post havia um livro que você citou de referência, gostaria de estudar mais sobre amplificadores classe AB. Poderia me dar algumas dicas e me orientar sobre materiais de pesquisa que você considera de bom proveito?

Obrigado pelas aulas.

[xformer]

Li tudo duas vezes  

xformer, estou pesquisando sobre amplificadores, até agora eu já estudei um pouco sobre bjt, fet, mosfet, opamp, mas em livros nos quais o foco não é a montagem de amplificadores. Antes da modificação do 1º post havia um livro que você citou de referência, gostaria de estudar mais sobre amplificadores classe AB. Poderia me dar algumas dicas e me orientar sobre materiais de pesquisa que você considera de bom proveito?

Obrigado pelas aulas.

Eu tirei a referência do livro porque as figuras teriam direitos autorais e  assim eu desenhei as minhas próprias figuras e as substitui. Assim não precisava também mais citar o livro.

O livro em questão se chama:
Amplificadores de Áudio - Fundamentos, Características, Aplicações
Autor:  Rosalfonso Bortoni
Editora H. Sheldon
Primeira Edição 2002
Eu o comprei na LITEC  (www.litec.com.br)  e o legal é que vem uma plaquinha de circuito impresso para montar um amplificador AB com BJTs, para até 160W.

Outros livros que eu tenho e recomendo:
Understand Amplifiers
Autor: Owen Bishop
Editora:  Newnes
Primeira edição 1998

Audio Power Amplifier Design Handbook
Autor: Douglas Self
Ed. Newnes
3.a Edição de 1998

High-Power Audio Amplifer Construction Manual
Autor: G. Randy Slone
Ed. McGrawHill
Edição 1999

Pra aprender na internet:
http://www.sound.au.com/

Tem um curso sobre amplificadores  (vá em articles) e muito mais.