Amplificadores de classe explicados: como escolher a classe AB, D ou H para design de alto-falante

Duas cotações chegam à sua mesa para a mesma placa de subwoofer amplificada de 2 x 500 W. O primeiro é construído em torno de um estágio Classee AB com um dissipador de calor aproximadamente do tamanho de um livro de bolso. O segundo usa um estágio Classe D em uma placa pouco maior que um telefone. Ambos são honestos sobre a classificação de potência. Apenas um deles caberá no gabinete que você já preparou e apenas um passará no teste térmico em um invólucro de madeira fechado a 40 °C ambiente.

Essa é a verdadeira decisão por trás da frase “amplificadores de classe”. A classe de um amplificador descreve como seus dispositivos de saída conduzem corrente através de um ciclo de sinal. Essa única escolha define quanto calor você deve remover, que tipo de fonte de alimentação você deve comprar, quanta filtragem e blindagem a placa precisa e quanto alumínio vai para o chassi. Ele não decide, por si só, se o produto parece bom.

O que o rótulo da classe realmente descreve

O nome da classe vem de uma propriedade física: quanto tempo os dispositivos de saída permanecem condutores durante um único ciclo do sinal de áudio. A classe A os mantém conduzindo o tempo todo. A classe B divide o ciclo entre dois dispositivos, cada um lidando com metade. A classe AB mantém ambos os dispositivos ligeiramente abertos no cruzamento zero para que a transferência seja suave. A Classe D abandona totalmente a ideia linear e alterna os dispositivos de saída em algumas centenas de quilohertz, codificando o áudio como largura de pulso. A Classe H mantém um estágio de áudio linear, mas faz o trilho de alimentação subir e descer para seguir o envelope do sinal.

Todo o resto decorre disso. Um estágio que conduz o tempo todo desperdiça uma grande parte de seu suprimento na forma de calor. Um estágio que comuta não perde quase nada nos dispositivos, mas empurra o problema de projeto para o filtro de saída, o gate drive e o orçamento de interferência eletromagnética. Um estágio que move seus trilhos reduz a tensão nos dispositivos de saída, que é exatamente de onde vem o calor em um amplificador linear.

O que o rótulo não diz é a qualidade de construção. Um módulo Classe D mal projetado e um módulo cuidadosamente projetado compartilham o mesmo nome e podem diferir em 15 °C na temperatura do dissipador de calor no mesmo nível de saída.

Eficiência, calor e distorção lado a lado

As referências de projeto publicadas citam amplas faixas de eficiência, porque o número real depende do nível de saída, da impedância de carga e do projeto de alimentação. As figuras abaixo são as faixas que os engenheiros normalmente usam ao comparar topologias com saída nominal máxima ou próxima dela.

Classe AB: linearidade pela qual você paga em calor

A Classe AB existe para remover o entalhe de cruzamento da Classe B sem pagar o custo total da Classe A. Uma pequena corrente de polarização mantém ambos os dispositivos de saída conduzindo em torno do cruzamento zero, de modo que a transferência entre eles permanece suave. A corrente quiescente típica em um módulo pró-áudio fica na casa das dezenas de miliamperes por par de dispositivos, o suficiente para manter o entalhe fora da faixa audível, mas pequeno o suficiente para que o amplificador não cozinhe em modo inativo.

A questão é que o calor é contínuo. Um módulo Classe AB de 400 W consome corrente significativa mesmo sem sinal, e o dissipador de calor deve ser dimensionado para o pior caso: ruído rosa a um oitavo da potência por uma hora em um rack com fluxo de ar fraco. É por isso que os módulos analógicos tendem a transportar grandes dissipadores de calor extrudados, suportes de alumínio em forma de U e, às vezes, uma ventoinha. Os compradores que comparam apenas a potência na etiqueta muitas vezes não percebem isso e descobrem que os mesmos 400 W em um módulo Classe D precisam de uma fração do metal.

A vantagem é bem compreendida: nenhum resíduo de comutação, nenhum filtro de saída interagindo com a carga, fontes simples baseadas em transformadores e comportamento que os técnicos de campo já sabem como atender.

Classe D: a eficiência depende do suprimento com o qual você o emparelha

Os módulos Classe D alternam em algumas centenas de quilohertz e reconstroem o áudio por meio de um filtro de saída LC. Os dispositivos passam a maior parte do tempo totalmente ligados ou desligados, portanto as perdas de condução são pequenas e a eficiência é real. O que a manchete esconde é que a vantagem só se mantém próxima da potência nominal. Nos níveis de escuta de fundo, as perdas de comutação e de acionamento de portão dominam e a eficiência cai drasticamente, o que é mais importante para produtos alimentados por bateria do que para produtos alimentados pela rede elétrica.

O resto do design tem peso igual. O tempo morto muito curto causa disparos; muito longo e a distorção aumenta com saída baixa. O filtro de saída deve permanecer estável durante a carga real, e não no resistor fictício na bancada. E a oferta tem que acompanhar: um estágio Classe D emparelhado com um trilho macio e não regulamentado irá ceder nos transientes de graves e anular o benefício. É por isso que fontes ressonantes LLC e front-ends com correção de fator de potência se tornaram padrão em módulos sérios.

Módulo amplificador de potência de subwoofer ativo EON522SUB Emparelha uma fonte ressonante LLC de 800 W com um estágio de graves Classe D de 500 W, abordando a queda do trilho e o ruído de comutação em subwoofers amplificados. Ver Produto →

Como exemplo do padrão, um módulo como o EON522D-2092 emparelha um estágio Classe D passa-baixa de 500 W e passa-alta de 200 W com uma fonte ressonante LLC, que é a combinação que mantém a curvatura do trilho e o ruído de comutação sob controle em um gabinete 2.1.

Classe H: comutação de trilhos para o topo da faixa de potência

A classe H mantém um estágio de saída linear, mas fornece mais de um trilho de alimentação. Quando o envelope do sinal ultrapassa um limite, o amplificador muda para um trilho mais alto; quando cai para trás, o trilho cai novamente. Os dispositivos de saída, portanto, só veem alguns volts através deles, em vez de todo o trilho, e o calor que teria entrado no dissipador de calor simplesmente nunca é gerado. Na prática, um módulo Classe H fornece a potência de um projeto Classe AB muito maior na mesma profundidade do chassi.

Essa eficiência não é gratuita. O circuito de comutação do trilho acrescenta peças e custos, a transição pode produzir artefatos se os limites do comparador forem mal escolhidos e o transformador precisar de múltiplos taps. Isso também torna a documentação de serviço mais importante, porque um técnico que trata o módulo como uma placa AB simples diagnosticará erroneamente uma falha no trilho como uma falha no dispositivo de saída.

Módulo amplificador de potência AMP400H 7294 Classe H Combina um estágio baixo/médio Classe H de 400 W com um estágio de alta frequência Classe AB de 100 W e um radiador de alumínio em forma de U para saída estável. Ver Produto →

Módulos nesta categoria, como o AMP400H-7294 com seu radiador de alumínio em forma de U, são normalmente especificados para subwoofer e line array, onde se espera alta saída contínua por horas em vez de minutos.

O que a escolha da classe muda mais abaixo na pilha de módulos

O estágio de poder é um tabuleiro em uma cadeia, e a decisão da classe se espalha por todo o resto. Um estágio Classe D com um limitador rápido precisa de um módulo de pré-amplificador que possa alimentá-lo com um sinal limpo e bem dimensionado; um estágio Classe AB com 20 dB de ganho se comportará de maneira diferente com a mesma fonte. A estrutura de ganho, o comportamento do clipe, os limites de proteção e até mesmo a escolha da redução de volume mudam com a topologia.

Módulo DSP DSP1903 ADAU1701 para Sistemas 2.1 Módulo DSP baseado em ADAU1701 com quatro modos de equalização predefinidos, Bluetooth e E/S XLR, adequado para combinar o comportamento do limitador em sistemas de line array 2.1. Ver Produto →

Na prática, é aqui que os fornecedores modulares ganham o seu sustento. Um módulo DSP como o DSP1903, construído no ADAU1701 e carregando quatro modos de equalização predefinidos para um sistema line array 2.1, deve ser compatível com o comportamento do limitador de qualquer estágio de potência abaixo dele. Se os dois forem especificados independentemente, o sistema cortará mais cedo ou protegerá mais tarde. Nosso passo a passo das compensações de design A, AB, D e H se aprofunda em como esses limites são definidos.

Combinando a classe com o produto que você está construindo

A maioria dos projetos de alto-falantes amplificados se enquadram em vários padrões, e cada um restringe a escolha da classe rapidamente:

• Sistemas de line array e colunas. O peso e a densidade do rack decidem. Classe D com alimentação ressonante é o padrão, com Classe H reservada para módulos que devem funcionar com saída muito alta por longos períodos.
• Subwoofers. Alta potência contínua em uma carga de baixa impedância. A Classe D com um suprimento robusto lida melhor com isso; a fonte, e não o amplificador, geralmente é a parte limitante.
• Alto-falantes portáteis e alimentados por bateria. A eficiência em carga parcial é mais importante do que o número de pico. A classe D é a única opção realista, e as perdas em marcha lenta merecem tanta atenção quanto a produção máxima.
• Mixers amplificados e caixas analógicas econômicas. Classe AB com transformador linear mantém a lista de materiais simples e a história do serviço familiar, ao custo de um dissipador de calor maior.
• Subwoofers de turismo de alta potência. Projeto Classe H ou Classe D com trilhos altos, dependendo se a equipe de projeto prefere comportamento linear ou peso mínimo.

O que verificar com um fornecedor de módulo antes de se comprometer

A potência da folha de dados é o número menos útil na conversa. Estes são os pontos que separam um design que sobrevive ao uso em campo daquele que volta:

1. Eficiência e temperatura da caixa a um oitavo da potência, não apenas na saída nominal total, medida em ar parado no ambiente pretendido.
2. Distorção em 1 W e 10 W, onde os artefatos de crossover e comutação realmente residem.
3. Comportamento de proteção: o que acontece em uma saída em curto, uma carga incompatível ou uma queda de alimentação, e se o módulo se recupera sozinho.
4. Requisitos de fornecimento, incluindo se a correção do fator de potência é necessária para os mercados para os quais você envia.
5. EMI e ruído ocioso, especialmente para módulos Classe D que alimentam drivers de compressão de alta eficiência.
6. Consistência entre protótipo e produção em massa, que é tanto uma questão de fabricação quanto de engenharia.

Para compradores que precisam de uma configuração fora do padrão, a sequência sensata é definir primeiro a classe e a topologia de fornecimento e depois passar pelo módulo desenvolvimento personalizado para estrutura de ganho, conectores e comportamento predefinido. Mudar a classe depois que o gabinete e a fonte de alimentação estiverem congelados é caro.

Perguntas frequentes sobre amplificadores de classe