Neste mundo moderno, o principal objetivo da amplificação de áudio em um sistema de áudio é reproduzir e amplificar com precisão os sinais de entrada fornecidos. E um dos maiores desafios é ter uma alta potência de saída com o mínimo de perda de potência possível. A tecnologia de amplificador Classe D está causando um impacto cada vez maior no mundo do som ao vivo, oferecendo alta potência com dissipação de potência zero e menos peso do que nunca. Hoje em dia, dispositivos portáteis de música estão se tornando mais populares com a crescente demanda por sons externos em dispositivos portáteis de música.
A amplificação de áudio às vezes é feita com tecnologia de amplificador valvulado, mas eles são volumosos e não são adequados para sistemas de som eletrônicos portáteis. Para a maioria das necessidades de amplificação de áudio, os engenheiros optam por usar transistores no modo linear para criar uma saída escalonada com base em uma pequena entrada. Este não é o melhor design para amplificadores de áudio porque os transistores em operação linear conduzem, geram calor e consomem energia continuamente. Essa perda de calor é a principal razão pela qual o modo linear não é ideal para aplicações de áudio portátil operadas por bateria. tem muitas classes de amplificadores de áudio A, B, AB, C, D, E e F. Eles são classificados em dois modos operacionais diferentes, linear e comutação.
Amplificador Classe D
Amplificadores de potência de modo linear - Classe A, B, AB e classe C são todos amplificadores de modo linear que têm uma saída proporcional à sua entrada. Os amplificadores de modo linear não saturam, nem ligam ou desligam totalmente. Como os transistores estão sempre conduzindo, o calor é gerado e continuamente consumindo energia. Esta é a razão pela qual os amplificadores lineares têm menor eficiência quando comparados aos amplificadores de chaveamento. Amplificadores de comutação - classes D, E e F são amplificadores de comutação. Eles têm maior eficiência, que teoricamente deveria ser de 100%. Isso ocorre porque não há perda de energia para a dissipação de calor.
O que é um amplificador de classe D?
O amplificador Classe D é um amplificador de comutação e quando está no estado “LIGADO” ele conduz corrente, mas tem tensão quase zero nos interruptores, portanto, nenhum calor é dissipado devido ao consumo de energia. Quando estiver no modo 'DESLIGADO', a tensão de alimentação estará passando os MOSFETs , mas devido à falta de fluxo de corrente, o switch não está consumindo energia. O amplificador só consumirá energia durante as transições liga / desliga se as correntes de fuga não forem levadas em consideração. Amplificador Classe D consistindo nas seguintes etapas:
- Modulador PMW
- Circuito de comutação
- Filtro passa baixa de saída
Diagrama de Bloco do Amplificador Classe D
Modulador PMW
Precisamos de um bloco de construção de circuito conhecido como comparador. Um comparador tem duas entradas, ou seja, Entrada A e Entrada B. Quando a entrada A tem uma tensão maior do que a entrada B, a saída do comparador irá para sua tensão positiva máxima (+ Vcc). Quando a tensão da entrada A é menor do que a da entrada B, a saída do comparador irá para sua tensão negativa máxima (-Vcc). A figura abaixo mostra como o comparador opera em um amplificador Classe D. Uma entrada (seja o terminal de entrada A) é fornecida com o sinal a ser amplificado. A outra entrada (Entrada B) é fornecida com uma onda triangular gerada com precisão. Quando o nível do sinal é instantaneamente superior ao da onda triangular, a saída é positiva. Quando o nível do sinal é instantaneamente inferior ao da onda triangular, a saída fica negativa. O resultado é uma cadeia de pulsos em que a largura do pulso é proporcional ao nível do sinal instantâneo. Isso é conhecido como ‘Modulação por largura de pulso’, ou PWM .
Modulador PMW
Circuito de Comutação
Mesmo que a saída do comparador seja uma representação digital do sinal de áudio de entrada, ele não tem o poder de conduzir a carga (alto-falante). A tarefa desse circuito de comutação é fornecer ganho de potência suficiente, o que é essencial para um amplificador. O circuito de comutação geralmente é projetado usando MOSFETs. É muito importante projetar que os circuitos de comutação produzam sinais que não se sobrepõem, ou então você terá o problema de curto-circuitar sua fonte direto para o terra ou se usar uma fonte dividida em curto-circuito. Isso é conhecido como disparo direto, mas pode ser evitado pela introdução de sinais de gate não sobrepostos aos MOSFETs. O tempo não sobreposto é conhecido como tempo morto. Ao projetar esses sinais, devemos manter o tempo morto o mais curto possível para manter um sinal de saída de baixa distorção preciso, mas deve ser longo o suficiente para impedir que os dois MOSFETs conduzam ao mesmo tempo. O tempo que os MOSFETs estão no modo linear também deve ser reduzido, o que ajudará a garantir que os MOSFETs estejam funcionando de forma síncrona, em vez de ambos conduzirem ao mesmo tempo.
Para esta aplicação, os MOSFETs de potência devem ser usados devido ao ganho de potência no projeto. Os amplificadores Classe D são usados por sua alta eficiência, mas os MOSFETs têm um diodo interno que é parasita e permitirá que a corrente continue girando livremente durante o tempo morto. Um diodo Schottky pode ser adicionado em paralelo ao dreno e à fonte do MOSFET para reduzir as perdas através do MOSFET. Isso reduz suas perdas porque o diodo Schottky é mais rápido do que o diodo do corpo do MOSFET garantindo que o diodo do corpo não conduza durante o tempo morto. Para reduzir as perdas devido à alta frequência, um diodo Schottky em paralelo com o MOSFET é prático e necessário. Este Schottky garante que a tensão entre os MOSFETs antes de desligar. A operação geral dos MOSFETs e do estágio de saída é análoga à operação de um Conversor Buck . As formas de onda de entrada e saída do circuito de comutação são mostradas na figura abaixo.
Circuito de Comutação
Filtro passa-baixo de saída
O estágio final de um amplificador Classe D é o filtro de saída que atenua e remove os harmônicos da frequência do sinal de comutação. Isso pode ser feito com um arranjo de filtro passa-baixa comum, mas o mais comum é uma combinação de indutor e capacitor. Um segundo filtro de ordem é desejado para que tenhamos um roll-off de -40dB / Década. A faixa de frequências de corte é entre 20 kHz a cerca de 50 kHz devido ao fato de que os humanos não podem ouvir nada acima de 20 kHz. A figura abaixo mostra o filtro Butterworth de segunda ordem. A principal razão pela qual escolhemos um filtro Butterworth é que ele requer a menor quantidade de componentes e tem uma resposta plana com uma frequência de corte acentuada.
Filtro passa-baixo de saída
Aplicações do amplificador Classe D
É mais adequado para dispositivos portáteis porque não contém nenhum arranjo de dissipador de calor extra. Tão fácil de transportar. O amplificador classe D de alta potência tornou-se padrão em muitas aplicações eletrônicas de consumo, como
- Aparelhos de televisão e sistemas de home theater.
- Alto volume de eletrônicos de consumo
- Amplificadores de fone de ouvido
- Tecnologia móvel
- Automotivo
Portanto, trata-se de operação e aplicações de amplificadores classe D. Esperamos que você tenha entendido melhor este conceito. Além disso, quaisquer dúvidas sobre este conceito ou para implementar qualquer projetos elétricos e eletrônicos , dê sua opinião comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, Quais são as aplicações do amplificador Classe D?
