Classes de operao dos amplificadores de udioObjetivo. Esclarecer em linhas gerais os conceitos envolvidos quando o assunto so as classes de operao de amplificadores. Vamos estabelecer alguns conceitos bsicos e com quase nenhuma matemtica, explanar estes conceitos e expandi-los de modo a termos uma viso geral. Introduo. Todos ns j ouvimos falar em classe de operao dos amplificadores, ou melhor dizendo, Amplificadores classe A, classe B, classe C, AB, AB1, etc. Quando nos referimos classe de um amplificador, ns no estamos nos referindo sua qualidade de reproduo sonora diretamente, mas ao modo como os circuitos internos esto arranjados para que ele trabalhe corretamente e desempenhe sua funo primordial: amplificar um sinal eltrico. Tomemos como partida a definio de alguns conceitos importantes: Quadripolos: diz-se que um elemento que possui 2 terminais de entrada e dois terminais de sada um quadripolo. Classificam-se em quadripolos ativos ou passivos. Quadripolo ativo: o sinal que sai do elemento analisado igual ou maior em amplitude que o o sinal que entrou. Quadripolo passivo: o oposto, ou seja, o sinal de sada mostrase atenuado em relao ao sinal de entrada. Ganho: a relao numrica (nmero adimensional) entre o valor do sinal de sada dividido pelo valor do sinal de entrada. Exemplo: 20Vpp de sada para um sinal de 20mV de entrada no quadripolo, temos: 20(Vpp)/0,02(Vpp)=1000. Portanto para um quadripolo ativo que apresente esta relao, dizemos que o ganho em tenso foi de 1000:1, ou simplesmente AV=1000. Ganho em dB (Decibis). [dB] = um dcimo da unidade Bell. No vamos nos ater matemtica da coisa, mas precisamos saber que o dB (decibel) uma unidade que expressa grandezas logartmicas trazidas ao mundo linear. uma maneira muito confortvel e conveniente de se escrever, por exemplo, em uma escala plana, todo o espectro audvel do ser humano sem precisarmos de um grfico de vrios metros de comprimento. Imagine se fizssemos uma graduao a cada 1Hz. Teramos um grfico com pelo menos 20.000 divises. Para facilitar usamos uma escala logartmica, justamente como a unidade dB, onde cada vez que dobramos a escala, temos na verdade uma

multiplicao por 10x. Para expressarmos um ganho (ou atenuao) em dB lanamos mo da seguinte frmula: AV (dB) =20xLog(AV). Para um AV de 1000, temos um AV(db)=+60dB. Rendimento (): diz-se que o quanto existe de efetividade de transformao de um tipo de energia em outra. o tanto de energia que saiu do sistema (nosso quadripolo ativo, por exemplo) menos a energia que foi perdida para o ambiente, na forma de calor, luz, movimento, etc. uma relao entre energias, portanto um nmero adimensional, como o ganho. Diz-se que o rendimento de um quadripolo igual diviso da potncia de sada pela potncia de entrada (Pout/Pin). Potncia eltrica: a capacidade de um componente qualquer em produzir algum trabalho, seja ele convertendo corrente em luz, calor, movimento, etc. No caso da potncia eltrica, esta igual corrente multiplicada pela tenso (ou vice-versa). Potncia de entrada = Tenso de entrada x Corrente de entrada. Potncia de sada = Tenso de sada x Corrente de sada. Curva de transferncia: uma curva (ou reta, parbola, hiprbole, etc) que mostra graficamente o comportamento da relao entre duas grandezas fsicas, normalmente Correntes versus Tenso, Potncia versus temperatura, Impedncia versus freqncia, etc. Ponto Quiescente (Q). Coordenada de um ponto (x;y) na curva de transferncia do elemento ativo do quadripolo, onde o circuito se mantm polarizado, ou estabilizado, quando no existe excitao de entrada. o ponto de repouso eltrico do amplificador proporcionado pelos componentes polarizadores do elemento ativo (resistores, capacitores, indutores, diodos etc). Elemento ativo em um quadripolo: o componente principal responsvel pelo comportamento de ganho ou atenuao do quadripolo. So os transistores de juno, FETs, unijuno, trodos, pentodos, beam-power tubes, amplificadores operacionais, amplificadores hbridos, etc. Ia = Corrente de nodo, Ik=corrente de ctodo, Vg=tenso de grade, Vgk=tenso entre grade e ctodo, Va=tenso de nodo, Vk=tenso de ctodo, Ra=resistncia de nodo, Gm=ganho de tenso (usado para vlvulas), = transcondutncia mtua

Conhecendo-se estes conceitos bsicos, podemos falar sobre as classes de operao e suas caractersticas. Classes de Operao:

Classe A Usados para amplificar os sinais de maneira simples e direta. o modo de operao ancestral de todos os amplificadores. Nasceu junto com os primeiros amplificadores de udio baseados no udion de DeForrest, fabricados pela Western Electric Corporation of Amrica a partir da dcada de 1910 para equipar os primeiros rdio-receptores e telgrafos sem fio. O ponto de trabalho (polarizao) do elemento ativo (vlvula) forado a ficar no meio da curva de transferncia Ia x Vk (em funo de uma determinada tenso Vg). Dada esta caracterstica de colocao do ponto Q no meio da curva, o sinal a amplificar percorre toda a extenso da curva de transferncia indo da parte mais inferior da curva at a parte mais superior, ou seja, o amplificador est constantemente trabalhando e por conseqncia, irradiando energia na forma de calor, logo nem toda a potncia convertida em programa sonoro. Existem perdas por dissipao de calor. Seu rendimento por volta de 25 a 50%.

Classe B Os amplificadores classe B nasceram da necessidade de se converter as perdas por irradiao de calor em energia til. Polarizam-se os elementos ativos de modo que s conduzam programa, ou seja, s o semiciclo positivo (ou negativo, conforme a polarizao) do sinal em questo. Permanece conduzindo somente 50% do tempo, o resto do tempo permanece no estado cortado, sem dissipar energia para o meio ambiente na forma de calor. mais eficiente que a classe A, porm no possui fidelidade alguma em funo do corte e saturao do elemento ativo. Seu rendimento por volta de 78,5%.

Classe C Foi a evoluo natural da Classe B. Surgiu com a necessidade de implementao dos grandes transmissores de telegrafia ( princpio), telefonia e em seguida a rdio-telegrafia e rdio-telefonia. Como o programa de RF (radiofreqncia) nos transmissores no carrega informao alm daquela modulada em amplitude ou em freqncia, no necessrio ter fidelidade alguma de reproduo (o sinal no vai diretamente para um transdutor: alto-falante). A nica coisa que interessa a mxima transferncia de potncia para a antena, logo se polariza o elemento ativo de tal forma que somente uma parte do semiciclo efetivamente utilizado, garantindo que praticamente toda a potncia se converta em energia e nada fique sobre o elemento ativo que trabalha nos extremos de suas curvas de transferncia, ou seja, no corte ou saturao totais. Seu rendimento por volta de 90%.

Classe AB (AB1 e AB2) Com o passar do tempo, a sofisticao dos transdutores sonoros (caixas, alto-falantes, cornetas, etc) foi aumentando e, com a disseminao da stima arte na dcada de 1930, surgiram os primeiros amplificadores comerciais que se utilizavam o que havia de melhor nas duas primeiras classes de operao: fidelidade e mxima transferncia de potncia. Isto mesmo, os amplificadores classe AB, so hbridos das duas primeiras classes explanadas anteriormente. Utilizamos uma configurao tipo push-pull onde temos dois elementos operando em contra-fase, ou seja, cada elemento recebe uma parte do sinal defasada de 180 e fica responsvel por conduzir um pouco mais que somente o seu semiciclo, e os circuitos auxiliares, ao redor do elemento ativo, fazem a emenda do programa sonoro sobrepondo os dois sinais amplificados individualmente e recompondo o sinal original que foi amplificado em duas metades, separadamente. No grfico abaixo vemos a representao para apenas um dos elementos do push-pull. O outro elemento exatamente a mesma coisa s que defasado em 180.

Classes AB1 e AB2 diferem em funo da corrente de grade que pode ou no fluir para o elemento amplificador (vlvula) dependendo das caractersticas dos mesmos. Estas diferenas s tm sentido quando falamos de amplificadores valvulados, para os demais elementos ativos, nos limitamos terminologia AB. Seu rendimento por volta de 75%. Classe D

So os chamados amplificadores digitais ou PWM (Pulse Width Modulation). uma classe de operao onde os elementos ativos so forados a trabalhar digitalmente, ou seja, no corte (nvel lgico zero) ou na saturao (nvel lgico um). O sinal de udio passa por um circuito comparador que trabalha chaveando os elementos de potncia, gerando um trem de pulsos modulados em tempo ligado e tempo desligado, conforme desenho abaixo.

Com este tipo de comportamento, podemos dizer que praticamente no existem perdas por dissipao de calor e a eficincia deste circuito chega bem prximo de 100%, porm a reconstruo do sinal original amplificado, fica a cargo de um circuito reativo (indutivo geralmente) que acaba por introduzir alguns inconvenientes: desvios de fase, desvios de freqncia, harmnicos, transientes, perda de resoluo devido taxa de amostragem, etc. Definitivamente no so amplificadores indicados para High-End. So muito utilizados em unidades de PA (Public Address, ou sonorizao em grande ambientes) autnomas, onde a fidelidade sonora ao ar-livre no tm tanta importncia quanto o volume sonoro. Tambm so largamente empregados em amplificadores de sub-graves onde os desvios de fase e freqncia so praticamente imperceptveis. Seu rendimento por volta de 90%. Classes E e F So amplificadores sintonizados utilizados para amplificao de RF e no se prestam a amplificao de sinais de udio, visto possurem uma banda passante muito estreita e da ordem 200kHz em diante, chegando faixa dos Ghz. Classes G e H So ambas variaes da classe AB e foram criadas para melhorar a eficincia da classe original. Na classe G temos as fontes de alimentao variveis que so chaveadas conforme a solicitao do programa de udio (em valores pr-fixados), evitando assim dissipao desnecessria. So usados diversos valores fixos de tenses nas fontes.

Na Classe H, um circuito modulador varia o tempo todo a tenso das fontes em funo do programa, ficando apenas alguns volts acima da tenso necessria comandada pelo programa de udio, aumentando ainda mais a eficincia.

Ambas as classes so usadas em amplificao de altssimas potncias, onde transformadores de fora e dissipadores de potncia podem se tornar fatores proibitivos na concepo e execuo de um projeto. Seu rendimento por volta de 95 a 98%. Concluso Existem ainda duas outras classes de operao, mas so preciosismos dos fabricantes que acabaram embalando a Classe D em roupagens um pouco mais sofisticadas, porm com as mesmas caractersticas bsicas, nos referimos s Classes T e Z. Espero que este breve texto possa trazer alguma luz aos iniciantes e esclarecer alguns aspectos bsicos do maravilhoso mundo da amplificao de udio. Mos obra!

Luciano Peccerini Junior