A APRESENTAÇÃO PARA PALESTRA REALIZADA NA EMPRESA ONDE TRABALHO (2019)

APRESENTAÇÃO PARA PALESTRA REALIZADA NA EMPRESA ONDE TRABALHO (2019).

Luis Paulo Pereira.                        [e-mail]

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Técnico eletrônico, graduando em Tecnologia em Eletrônica Industrial e graduando em Tecnologia em ADS.

Projetista de amplificadores e fontes chaveados, há 10 anos, em indústrias brasileiras, do ramo.

Introdução

As classes de amplificadores mais difundidas e utilizadas são as que compreendem os amplificadores chamados lineares, como A e AB. Elas são tão populares, tanto por estarem há mais tempo no mercado mostrando serem confiáveis, quanto pela característica de linearidade e fidelidade sonora que apresentam (RODRIGUES,2008).

Os amplificadores chaveados, como o classe D, logo que foram desenvolvidos deixavam muito a desejar na qualidade do som que apresentavam, principalmente em função dos dispositivos semicondutores da época, os quais eram usados como chaves. Esses semicondutores operavam apenas em frequências relativamente baixas, o que acarretava em mais complexidade ao processo de filtragem e maior distorção. Com a evolução das chaves nos anos 80 e 90 e, consequentemente, o aumento da frequência de chaveamento, o classe D passou a ter resposta com menores níveis de distorção, o que o deixa interessante para as mais diversas aplicações (EDUARDO ENDERLI BODANESE, 2017).

Esta sucinta apresentação objetiva abordar a performance, no que diz respeito à robustez e  também à qualidade do sinal de áudio de saída, de um amplificador classe D fazendo uso de dispositivos semicondutores modernos, com estratégias mais eficazes de modulação e um bom projeto da malha de realimentação.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

CLASSES DE AMPLIFICADORES

Inicialmente foi desenvolvido o amplificador classe A. Por volta de 1950, surgiu o amplificador classe B. Só então, adotou-se nomenclaturas relativas ao comportamento da corrente no estágio de saída, assim como sua linearidade. Essas nomenclaturas são conhecidas como as classes de amplificadores (PIRES, 2010). Novas classes foram surgindo com o avanço dos estudos que buscavam melhorias de rendimento nos amplificadores, sem prejudicar seu desempenho em relação à qualidade de áudio. A seguir, apresenta-se as principais classes de amplificadores que são usadas para amplificação de áudio na atualidade.

CLASSE A

A eficiência máxima teórica do amplificador classe A é em torno de 50% (quando utilizado um transformador para o acoplamento com a carga), mas na prática esse percentual dificilmente ultrapassa os 25% (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004). Isso o torna um amplificador inviável para aplicações de grandes potências.

CLASSE B

O amplificador classe B é, normalmente, mais eficiente que o amplificador classe A, com rendimento aproximado de 78,5%. Devido a necessidade de um nível de tensão mínimo para polarizar os transistores e estes começarem a conduzir, a distorção que é provocada na saída é conhecida como distorção de cruzamento por zero ou efeito crossover. Ela é um nível morto na faixa de tensão positiva e negativa do sinal, com amplitude igual a tensão de polarização do dispositivo amplificador (SCHWAAB, 2012).

CLASSE AB

O rendimento do amplificador classe AB aproxima-se de 75%, bem próximo do valor alcançado pelo classe B, mas sem o prejuízo da distorção que este introduz no sinal de saída (PECCERINI, 2016).

AMPLIFICADORES CLASSE D

Surgidos em meados dos anos 1960, os amplificadores Classe D, conhecidos como amplificadores chaveados, operam de maneira totalmente diferente das outras classes até então discutidas. Os transistores de saída funcionam como chaves, comutando entre os modos de saturação e corte. Porém, devido às interferências de frequência de rádio e a falta de dispositivos com capacidade de chaveamento rápida, este modelo não teve muito sucesso na época de sua criação. Somente a partir da década de 1970 e 1980, com a chegada ao mercado dos dispositivos FET (Field Effect Transistor Transistor de Efeito de Campo) e MOSFET (Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor - Transistor de Efeito de Campo Metal - Óxido - Semicondutor), é que este amplificador passou a ser viável (ELIOTT, 2014).

Por outro lado, sua baixa fidelidade ao sinal de entrada de áudio sempre foi motivo de hesitação ao uso deste tipo de amplificador. Este quesito tem sido aperfeiçoado continuamente desde o fim dos anos 1990, utilizando-se técnicas mais modernas de modulação, chaveamento e demodulação (TAVARES,2010).

Devido a pequenas dissipações resultantes de não idealidades das chaves semicondutoras, o rendimento dos amplificadores classe D fica em torno de 90%, o que requer mesmo assim, menos potência fornecida pela fonte e menos dissipadores de calor para um amplificador de mesma potência que um linear (CORDEL, 2011).

No amplificador classe D analógico mais simples, os sinais de comando das chaves são gerados a partir da comparação do sinal de entrada a uma onda triangular, de frequência várias vezes superior a máxima frequência audível. O resultado dessa comparação é um sinal modulado (retangular), que possui largura variável e proporcional ao valor da amplitude do sinal de entrada. A frequência do sinal triangular é o que determina a frequência de chaveamento.

As chaves reproduzem esse sinal sobre a carga, porém com uma amplitude muito maior. Para recuperar o sinal original da entrada do amplificador (processo chamado de demodulação), um filtro passa baixa remove as componentes de alta frequência devido ao chaveamento e demais ruídos e perturbações. Esse princípio é chamado de Modulação PWM (Pulse Width Modulation- Modulação por Largura de Pulso).

PRINCIPAIS TOPOLOGIAS

A escolha da topologia a ser empregada determinará o modo de funcionamento do circuito, os requisitos básicos de alimentação e quais componentes serão necessários. A seleção da topologia é efetuada com base na aplicação e no nível de potência exigido (HEERDT, 1997). Basicamente, os amplificadores classe D possuem duas principais topologias: a half bridge (meia ponte) e a full bridge (ponte completa) (PIRES, 2010).

Topologia meia ponte

A topologia meia ponte torna-se interessante para uso em baixas potências, devido principalmente ao seu altíssimo rendimento (mais de 90%) (SCHWAAB, 2012). O conversor na topologia meia ponte necessita alimentação simétrica, o que dependendo da fonte que alimentará o sistema, pode ser um problema. Nessa topologia pode ocorrer o fenômeno de bus pumping, que é a devolução à fonte de alimentação, da energia armazenada pela carga com característica indutiva (alto falante). Esse fenômeno pode levar ao incremento da tensão sobre a carga, podendo causar danos ao alto falante, ao conversor e à própria fonte de alimentação (RODRI-GUES, 2008).