Classes de amplificadores de potência

Na eletrônica, o amplificador é o dispositivo de circuito mais comumente usado com enormes possibilidades de aplicação. No pré-amplificador eletrônico relacionado ao áudio e amplificadores de potência são dois tipos diferentes de sistemas de amplificação que são usados ​​para propósitos relacionados à amplificação de som. Mas, além desse propósito específico do aplicativo, existem enormes diferenças em vários tipos de amplificadores, principalmente em amplificadores de potência. Portanto, aqui vamos explorar diferentes classes de amplificadores, juntamente com suas vantagens e desvantagens.

Classificações de amplificadores usando letras

As classes de amplificadores são a identidade do desempenho e das características do amplificador. Diferentes tipos de amplificadores de potência fornecem respostas diferentes ao passar a corrente por eles. De acordo com suas especificações, os amplificadores são atribuídos a diferentes letras ou alfabetos que representam suas classes. Existem diferentes classes de amplificadores a partir de A, B, C, AB, D, E, F, T, etc. Dentre as classes mais comumente usadas, as classes de amplificadores de áudio são A, B, AB, C. Outras classes são amplificadores modernos que usam topologias de comutação e a técnica PWM (Modulação por largura de pulso) para conduzir a carga de saída. Às vezes, versões melhoradas de classes tradicionais recebem uma letra para classificá-las como uma classe diferente de amplificador, como amplificador de classe G é uma classe de amplificador modificada de classe B ou amplificador de classe AB.

As classes do amplificador representam a proporção do ciclo de entrada quando a corrente passa pelo amplificador. O ciclo de entrada é o ângulo de condução que deriva da condução da onda sinusoidal na entrada do amplificador. Este ângulo de condução é altamente proporcional com os amplificadores no tempo durante um ciclo completo. Se o amplificador estiver sempre ligado durante um ciclo, o ângulo de condução será de 360 ​​graus. Portanto, se um amplificador fornece um ângulo de condução de 360 ​​graus, o amplificador usa o sinal de entrada completo e o elemento ativo é conduzido por um período de tempo de 100% de um ciclo sinusoidal completo.

Abaixo, vamos demonstrar as classes tradicionais de amplificadores de potência que variam de Classe A, B, AB e C, e também demonstrar o amplificador de Classe D que é amplamente usado em projetos de comutação. Essas classes não são usadas apenas em amplificadores de potência, mas também em circuitos de amplificadores de áudio.

Amplificador classe A

O amplificador Classe A é um amplificador de alto ganho com alta linearidade. No caso do amplificador Classe A, o ângulo de condução é de 360 ​​graus. Como afirmamos acima, um ângulo de condução de 360 ​​graus significa que o dispositivo amplificador permanece ativo o tempo todo e usa o sinal de entrada completo. Na imagem abaixo, um amplificador classe A ideal é mostrado.

Como podemos ver na imagem, existe um elemento ativo, um transistor. A polarização do transistor permanece ligada o tempo todo. Devido a esse recurso de nunca desligar, o amplificador Classe A oferece melhor alta frequência e estabilidade do loop de feedback. Além dessas vantagens, o amplificador Classe A é fácil de construir com um único componente de dispositivo e contagem mínima de peças.

Apesar das vantagens e da alta linearidade, certamente, possui muitas limitações. Devido à natureza de condução contínua, o amplificador classe A apresenta grande perda de potência. Além disso, devido à alta linearidade, o amplificador Classe A fornece distorção e ruídos. A fonte de alimentação e a construção de polarização precisam de uma seleção cuidadosa dos componentes para evitar ruídos indesejados e minimizar a distorção.

Por causa da alta perda de energia no amplificador Classe A, ele emite calor e requer maior espaço no dissipador de calor. A eficiência é muito pobre em amplificadores Classe A, teoricamente, a eficiência varia entre 25 a 30% se usado com a configuração usual. A eficiência pode ser melhorada usando configuração acoplada indutivamente, mas a eficiência em tal caso não é mais do que 45-50%, portanto , só é adequado para sinal de baixo ou para fins de amplificação de baixo nível de potência.

Amplificador Classe B

O amplificador Classe B é um pouco diferente do Classe A. Ele é criado com dois dispositivos ativos que conduzem metade do ciclo real, ou seja, 180 graus do ciclo. Dois dispositivos fornecem unidade de corrente combinada para a carga.

Na imagem acima, uma configuração de amplificador Ideal Classe B foi mostrada. Consiste em dois dispositivos ativos que são polarizados um a um durante o meio ciclo positivo e negativo da onda sinusoidal e, assim, o sinal é empurrado ou puxado para o nível amplificado do lado positivo e negativo e combinam o resultado, obtemos um ciclo completo na saída. Cada dispositivo foi ligado ou ficou ativo na metade do ciclo, e com isso a eficiência é melhorada, comparando com a eficiência de 25-30% do amplificador Classe A, ele oferece mais de 60% de eficiência teoricamente. Podemos ver o gráfico de cada sinal de entrada e saída do dispositivo na imagem abaixo. A eficiência não é mais do que 78% para a classe B amplificador . A dissipação de calor é minimizada nesta classe, proporcionando um espaço com baixo dissipador de calor.

Mas, essa classe também tem limitações. Uma limitação muito profunda desta classe é a distorção cruzada. Como dois dispositivos fornecem cada metade das ondas sinusoidais que são combinadas e unidas através da saída, há uma incompatibilidade (cross over) na região, onde duas metades são combinadas. Isso porque quando um dispositivo completa o meio ciclo, o outro precisa fornecer a mesma energia quase ao mesmo tempo quando o outro termina o trabalho. É difícil corrigir esse erro no amplificador classe A, pois durante o dispositivo ativo o outro dispositivo permanece completamente inativo. O erro fornece uma distorção no sinal de saída. Devido a essa limitação, é uma falha importante para a aplicação de amplificador de áudio de precisão.

Amplificador Classe AB

Uma abordagem alternativa para superar a distorção cruzada é usar o amplificador AB. O amplificador de classe AB usa o ângulo de condução intermediário de ambas as classes A e B, portanto, podemos ver a propriedade dos amplificadores de classe A e B nesta classe AB de topologia de amplificador. Igual à classe B, possui a mesma configuração com dois dispositivos ativos que conduzem durante metade dos ciclos individualmente, mas cada dispositivo polarizado de forma diferente para que eles não sejam completamente desligados durante o momento inutilizável (momento de crossover). Cada dispositivo não sai da condução imediatamente após completar a metade da forma de onda senoidal, em vez disso, eles conduzem uma pequena quantidade de entrada em outro meio ciclo. Usando essa técnica de polarização, a incompatibilidade de crossover durante a zona morta é drasticamente reduzida.

Mas nesta configuração, a eficiência é reduzida, pois a linearidade dos dispositivos é comprometida. A eficiência permanece maior do que a eficiência de um amplificador Classe A típico, mas é menor do que o sistema amplificador Classe B. Além disso, os diodos precisam ser cuidadosamente escolhidos com exatamente a mesma classificação e precisam ser colocados o mais próximo possível do dispositivo de saída. Em algumas construções de circuito, os projetistas tendem a adicionar um resistor de pequeno valor para fornecer corrente quiescente estável em todo o dispositivo para minimizar a distorção na saída.

Amplificador classe C

Além do amplificador Classe A, B e AB, existe outro amplificador Classe C. É um amplificador tradicional que funciona de maneira diferente das outras classes de amplificadores. O amplificador de classe C é um amplificador sintonizado que funciona em dois modos de operação diferentes, sintonizado ou não. A eficiência do amplificador Classe C é muito mais do que A, B e AB. A eficiência máxima de 80% pode ser alcançada em operações relacionadas à radiofrequência

O amplificador de classe C usa um ângulo de condução inferior a 180 graus. Durante o modo não sintonizado , a seção do sintonizador é omitida da configuração do amplificador. Nesta operação, o amplificador Classe C também oferece grande distorção na saída.

Quando o circuito é exposto a uma carga sintonizada, o circuito fixa o nível de polarização de saída com a tensão de saída média igual à tensão de alimentação. A operação sintonizada é chamada de clamper. Durante esta operação, o sinal adquire sua forma adequada e a frequência central se torna menos distorcida.

Em usos típicos, o amplificador Classe C oferece 60-70% de eficiência.

Amplificador Classe D

O amplificador Classe D é um amplificador de comutação que usa modulação por largura de pulso ou PWM. O ângulo de condução não é um fator, caso o sinal de entrada direto seja alterado com uma largura de pulso variável.

Neste sistema de amplificador Classe D, o ganho linear não é aceito porque eles funcionam como uma chave típica que possui apenas duas operações, ON ou OFF.

Antes de processar o sinal de entrada, o sinal analógico é convertido em um fluxo de pulso por várias técnicas de modulação e, em seguida, é aplicado ao sistema amplificador. Como a duração dos pulsos está relacionada com o sinal analógico, ele é novamente reconstruído usando um filtro passa-baixo na saída.

O amplificador de classe D é a classe de amplificadores com maior eficiência de energia nos segmentos A, B, AB e C e D. Tem menor dissipação de calor, portanto, é necessário um dissipador de calor pequeno. O circuito requer vários componentes de comutação, como MOSFETs, que tem baixa resistência.

É uma topologia amplamente utilizada em reprodutores de áudio digital ou também no controle de motores. Mas devemos ter em mente que não é um conversor digital. Embora, para frequências mais altas, o amplificador Classe D não seja uma escolha perfeita, pois tem limitações de largura de banda em alguns casos, dependendo dos recursos do filtro passa-baixo e do módulo conversor.

Outras classes de amplificadores

Além dos amplificadores tradicionais, existem algumas outras classes, que são a classe E, a classe F, a classe G e a H.

O amplificador Classe E é um amplificador de potência altamente eficiente que usa topologias de comutação e funciona em frequências de rádio. Um elemento de comutação de pólo único e a rede reativa sintonizada é o principal componente a ser usado com o amplificador classe E.

Classe F é um amplificador de alta impedância em relação aos harmônicos. Pode ser conduzido por onda quadrada ou onda senoidal. Para a entrada de onda sinusoidal, este amplificador pode ser ajustado usando um indutor e pode ser usado para aumentar o ganho.

A classe G usa comutação de trilhos para diminuir o consumo de energia e melhorar o desempenho da eficiência. E a Classe H é a versão aprimorada da Classe G.

Classes adicionais são amplificadores para fins especiais. Em alguns casos, as letras são fornecidas pelo fabricante para significar seu design proprietário. Um melhor exemplo é o amplificador Classe T, que é uma marca comercial de um tipo especial de amplificador de classe D de comutação, usado para as tecnologias de amplificador da Tripath, que é um design patenteado.