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As Classes de Amplificação

Por: Marcelo Barros

 

► O que significa “Classe de Amplificação” ?

 

As maneiras do estágio de saída de um amplificador trabalhar as enormes correntes e tensões a fim de obter ganho de potência foram classificadas por meio de alguns parâmetros básicos e agrupados em classes. Essa classificação resulta nas classes de amplificação. Importante mencionar que tal classificação nada tem a ver com a qualidade do áudio.

 

A ordem alfabética das classes (analógicas) denota a completeza com que a corrente percorre um dado dispositivo de potência (um transistor ou válvula isoladamente); mas tal é válido somente para as classes "analógicas" A, AB, B e C. Em outras palavras: olhando (com um osciloscópio) para um único transistor (ou válvula) de saída - quanto "mais completa" for a onda de corrente (comparada com a onda de tensão) mais próximo este estágio irá estar da classe A e quanto menos completa for a corrente (em relação a tensão) mais próximo ele estará da classe C.

 

Importante também frisar que a classificação não se aplica ao amplificador como um todo, mas apenas ao seu estágio de potência (estágio de saída). Uma outra maneira seria dizer que aplica-se somente aos estágios de áudio onde sejam necessários ganhos de corrente (ou potência), sendo que devemos ignorar o restante do amplificador, como os estágios de pré-amplificação, de ganho de tensão e sua fonte de alimentação, por ex;

 

A principal razão pela qual surgiram tantas classes de operação é basicamente uma: redução do gasto de energia, ou a melhora da eficiência; desde sempre um dos parâmetros mais importantes em amplificação. Pode-se definir eficiência (n(ou rendimento) como sendo o lucro (energia obtida na saída) dividido pelo investimento (energia aplicada pela fonte de alimentação). Um rendimento de 100% implica em obter o processo desejado (neste caso, a amplificação) sem gerar absolutamente nenhuma perda (aquecimento), o que é claro, impossível. Portanto, desde os primórdios do áudio a meta sempre foi a de se aproximar, tanto quanto possível, de tal resultado ideal (rendimento de 100%);

 

Outro detalhe que deve ser observado é que a eficiência global (total, do começo ao fim) de um amplificador dependerá não somente da eficiência do estágio de saída de áudio, mas também da eficiência da fonte de alimentação. Neste artigo iremos considerar apenas a eficiência do estágio de saída de áudio, mas encarando o amplificador como um todo, deveremos considerar também a eficiência da sua fonte de alimentação. Isso é a eficiência global, que poderá ser calculada multiplicando as duas eficiências separadas: nGLOBAL = nAMP  x  nFONTE .

 

► E quais são as Classes de Amplificação?

 

Desde que começou-se a fazer essa classificação surgiram classes novas, algumas inclusive nem merecem esse "status", pois que são apenas variações e/ou aperfeiçoamentos de classes já existentes. Nos dias atuais, por mais avançada que seja determinada técnica, sempre pode-se reduzi-la a uma das classes já citadas na literatura. Tais classes fundamentais são:

 

Classe A: topologia que privilegia a qualidade do áudio, porém as custas de muitas perdas (muito aquecimento). Foi a primeira topologia realmente utilizável e largamente empregada desde os primórdios do áudio. Quase todos os estágios de saída de áudio construídos com válvulas em amplificadores e rádios empregavam essa topologia. O rendimento teórico (isto é: sem considerar as perdas dos dispositivos, transistores/válvulas) máximo alcançado pela classe A (em push-pull, complementar) é de somente 50% (ou seja, 50% da energia fornecida é perdida na forma de calor). Infelizmente na prática, as perdas inerentes aos dispositivos (transistores, válvulas) pioram esse cenário, reduzindo essa eficiência a valores típicos de 20%.

→ definição mais rigorosa: estágios de corrente não-complementares ou complementares em que a corrente circula em todos os dispositivos pelo ciclo completo do sinal (360o);

 

Classe B: é o oposto da classe A, ou seja, aqui o importante é o rendimento e não a qualidade. Pode parecer perda de tempo, mas isso sempre foi muito importante. Imagine um caso em que o equipamento tinha que ser alimentado a baterias! A simples troca do estágio de saída de áudio de classe A por classe B poderia aumentar a duração da bateria em mais de 100% ! Portanto, tal classe, sempre teve uma grande importância. O rendimento teórico (sem considerar os dispositivos) máximo obtido por ela é de 78,5%, uma boa melhora em relação a classe A. Porém, computando as perdas inerentes aos dispositivos, reduz-se a 50 - 60% na prática;

→ definição mais rigorosa: estágios de corrente complementares e apenas complementares em que a corrente circula em todos os dispositivos por exatamente meio ciclo do sinal (180o);

 

Classe C: leva ao extremo a questão do gasto de energia. Devido a sua fidelidade ser pobre demais para o áudio, foi reservada aos estágios de saída de rádio-frequência dos transmissores de rádio;

→ definição mais rigorosa: estágios de corrente não-complementares em que a corrente circula em todos os dispositivos por menos de meio-ciclo do sinal (<180o);

 

Classe AB: o "meio-termo" entre as classes A e B. O objetivo é obter qualidade de áudio próxima a da classe A, mas com um gasto de energia quase tão baixo como da classe B. Talvez seja essa a “vencedora” de todas as classes analógicas, pois continua presente em quantidades significativas ainda hoje. Alguns autores de livros-texto, porém, contestam que a classe AB seja uma classe fundamental, sendo ela diretamente derivada da classe B. Em verdade, pode-se dizer que a classe AB nada mais é que a classe B levemente modificada, onde um certo grau de polarização (ou bias) foi acrescentada ao estágio de saída, para que a corrente circule por um pouquinho a mais do que meio-ciclo, no intento de melhorar as naturais imperfeições dos dispositivos (neste caso, transistores) e minimizar as distorções (distorção de crossover e harmônica). Por esse motivo, em alguns livros-texto mais tradicionais ela é brevemente mencionada, ou mesmo omitida por completo. O rendimento teórico da classe AB se situa entre os 50% da classe A e os 78,5% da classe B. Na prática é comum obter valores muito próximos aos de amps classe B (entre 50-60% incluindo os dispositivos);

→ definição mais rigorosa: estágios de corrente complementares e apenas complementares em que a corrente circula em todos os dispositivos por mais de meio-ciclo (>180o) do sinal, porém menos de um ciclo completo (<360o);

 

Classes H e G: corretamente chamados modos de operação. Não são "classes" no sentido literal, mas estágios classes A, B ou AB alimentados por fontes de tensão variável (= classe H); ou uma associação em série de estágios classe A, B ou AB (= classe G). Por essa razão elas raramente são citadas nos livros-texto tradicionais de engenharia eletrônica. Outro detalhe a ser observado é que os modos H e G são, fundamentalmente, a mesma coisa e por vezes as suas definições aparecem invertidas em diferentes livros (livros específicos de eletrônica aplicada ao áudio).

A preocupação principal das "classes" H e G é aumentar a eficiência energética, ou seja, fazer o mesmo trabalho que um classe B ou AB faria, mas gastando-se menos energia (ou gerando menos calor, que é a mesma coisa). O limite prático (incluindo as perdas nos dispositivos) para o rendimento que um amp classe H ou G pode alcançar é de 70-80%. As diferenças principais entre os dois modos são:

 

"Classe" H: a idéia básica é fazer com que a tensão de alimentação do estágio de saída (classe AB, geralmente) varie, seguindo aproximadamente o sinal de áudio. Essa variação pode ser linear ou em “degraus” (estágios) e teoricamente quanto mais fiel for esse processo da alimentação “seguir o sinal de áudio”, maior será o rendimento (em energia) do estágio de saída, sem uma perda apreciável de qualidade sonora. Alguns exemplos de "classe" H que levaram ao extremo essa técnica são as Crest Audio CA e Pro (que usavam circuitos lineares para fazer a variação da alimentação) e mais recentemente as Labgruppen FP, FP+ e PLM e as Crown XTi, que utilizam circuitos chaveados para fazer a alimentação acompanhar o sinal de áudio. No caso da empresa Labgruppen a técnica foi denominada (pela própria empresa) de “classe TD” (em alusão a Tracking class-D, ou “seguindo a classe-D”), mas trata-se de uma derivação (aperfeiçoada) da classe H;

→ definição mais rigorosa: estágios de corrente complementares e apenas complementares classes A, B ou AB alimentados por uma fonte simétrica de tensão variável, onde esta tensão deverá seguir aproximadamente o percurso do sinal;

 

"Classe" G: neste modo, ao invés de variar a tensão que alimenta o estágio de saída, utiliza-se vários estágios de saída associados em série, cada um com uma tensão de alimentação fixa maior que o anterior. A ideia é fazer com que cada estágio trabalhe sobre uma pequena faixa de alimentação, e a medida que o sinal cresce e um certo estágio se aproxime da saturação, o estágio seguinte assume e assim prossegue até o último estágio. As vantagens obtidas por esse processo são semelhantes as obtidas pela "classe" H. Na prática o modo H leva uma pequena vantagem e geralmente é mais simples de se construir; sendo mais frequente encontrar amps "classe" H do que "classe" G. Os amps classe G mais conhecidos talvez tenham sido os antigos Gradientes "Super-A", cuja primeira célula era um estágio classe A e os demais classe AB;

→ definição mais rigorosa: associação em série de estágios de corrente complementares e apenas complementares classes A, B ou AB. Cada etapa da associação é alimentada por uma dupla de tensões simétricas ligeiramente mais altas que a da etapa anterior;

 

Classe D: topologia radicalmente diferente das anteriores, onde o sinal de áudio é amostrado na entrada e convertido em uma série de pulsos que podem assumir apenas valores discretos. Devido a esses valores discretos ou quantizados, por vezes utiliza-se a denominação "chaveado" ou "digital" para se referir a classe D. O truque é que, como o estágio de saída tem apenas que lidar com sinais do tipo binário (0 ou 1, ligado ou desligado, alto ou baixo) as perdas são drasticamente reduzidas, podendo, ao menos em princípio, chegar a zero (ou seja, um estágio de saída com o rendimento “ideal” de 100%). Vemos aqui o mesmo princípio das fontes chaveadas, onde os transistores operam como chaves, ao invés de operar como fontes de corrente - sendo este o real motivo da drástica diminuição das perdas. Para recuperar a informação de áudio codificada nessa série de pulsos de liga/desliga, utiliza-se um processo chamado reconstrução, equivalente a conversão D/A. O rendimento máximo teórico de um estágio classe D é de 100% e depende portanto, apenas dos dispositivos (transistores) utilizados. Valores de eficiência prática como 96% são perfeitamente possíveis com os dispositivos de potência disponíveis hoje em dia e mesmo em um amp de grande potência a quantidade de calor gerada costuma ser muito pequena.

→ definição mais rigorosa: conversor chaveado tipo buck (abaixador de tensões) complementar simétrico, do tipo síncrono, onde o sinal de áudio faz o papel de "referência" de tensão;

 

Os amps classe D são, de longe, os mais complicados de se projetar e construir, se sempre considerarmos potências equivalentes. Surge aqui o mesmo impasse que se vê na transição de fontes convencionais para fontes chaveadas: o projetista terá que estar familiarizado com outras áreas da eletrônica além do próprio áudio e da eletrônica de potência, normalmente envolvidas (tais como: circuitos lógicos digitais, teoria da amostragem, magnetismo, interferência eletromagnética, conversão de potência, entre outras).

Fazer a transição de amps analógicos para amps classe D é em muito semelhante a fazer a transição de fontes convencionais para fontes chaveadas. Na verdade, um amp classe D pode ser interpretado como sendo um conversor chaveado do tipo buck (ou abaixador, como é conhecido em conversão de potência). Ambos os campos, áudio classe D e fontes chaveadas estão fortemente ligados e muitas técnicas que se aplicam a um se aplicam ao outro. O estudo do áudio classe D é hoje uma das áreas mais pesquisadas da engenharia;

 

► Classe D é digital?

 

Pode-se dizer que sim, pois os sinais que transitam por qualquer estágio de saída classe D apenas podem assumir níveis discretos, se enquadrando perfeitamente na definição de circuito digital. Em outras palavras; o amp classe D é, de maneira rigorosa, um circuito híbrido quando considerado do ínicio ao fim (estágios de pré-amplificação, amostragem e reconstrução continuam sendo analógicos). Porém para se definir a classe de amplificação, a definição manda que olhemos apenas para o estágio de saída, e neste caso ele lida apenas com sinais de níveis discretos ou “digitais”. Portanto dizer que classe D é "digital" não fere o rigor científico;

 

Porém, observar que a letra "D" foi atribuída por vir na sequência de classe "C", sem nenhuma relação com a palavra "digital", sendo isso apenas uma coincidência.

 

► E aquelas "classes estranhas" citadas pelos fabricantes de amplificadores?

 

Surgiram recentemente várias denominações (classe I, classe TD, classe K, etc). Como já explicado, todas elas derivam das classes fundamentais. Portanto, para fins de classificação, todas podem ser reduzidas as classes originais. Tais “criações” têm um cunho mais comercial do que científico e tal prática é por vezes criticada. Aqui vamos apenas tentar esclarecer qual classe fundamental equipa cada um dos equipamentos dos mais comuns em nosso mercado.

 

Crown Macro-Tech “antiga” (modelos mais potentes): classe H;


Crown linhas iT, iT HD e Macro Tech-i (citada como sendo “classe I”): são todas classe D;


Crown linhas Xti e XTi-2 (até a 4002): classe H, com alimentador chaveado;

 

Crown XTi 6002: classe H; 


Crest Audio Pro Series (8002): classe H, com alimentador linear;


Power Soft série K: classe D;

 

Next Pro-RNano e NanoBox (todas): classe D;


LabGruppen linhas FP, FP+ e PLM (citada como sendo “classe TD”): são classe H, com alimentador chaveado;

 

Behringer´s i-Nuke (todas): classe D.

 

 

 
 
 
 
 

Amplificadores Next Pro by Next Digital