Como funcionam os amplificadores
Amplificadores e sistemas de som
Introdução:
Hoje veremos aqui no blog como funcionam os amplificadores em uma de suas diversas aplicações: os sistemas de som.
Os amplificadores são, senão um dos mais, o mais importante componente de um sistema de áudio.
No texto de hoje, você vai aprender um pouco mais sobre seu funcionamento, seus variados tipos e como utilizá-los corretamente.
O objetivo desse equipamento é aumentar a amplitude de sinais, sejam eles de áudio, como veremos, ou de comunicação, televisão, sensores e até, acredite se quiser, para realizar operações matemáticas!
Existem dois principais grupos de amplificadores: os operacionais e os de potência, que se diferenciam pela função e pelo tipo de sinal com que trabalham.
Os amplificadores operacionais trabalham com baixa tensão e corrente, geralmente em circuitos internos, realizando operações no sinal, como filtragem, equalização e distorção (essa proposital em instrumentos musicais), entre outras funções. Eles são o “cérebro” dos circuitos de áudio.
Os amplificadores de potência, por outro lado, são o “músculo” do sistema. Seu objetivo é aumentar a amplitude do sinal ao máximo possível, sem distorção, para que possa movimentar os alto-falantes e gerar som audível. É sobre eles que falaremos mais a fundo a seguir.
Como funcionam os amplificadores:
De maneira geral, um amplificador de potência funciona utilizando um sinal fraco para controlar um sinal muito mais forte.
Uma boa analogia é pensar em uma comporta de água: um pequeno botão (representando o sinal de entrada) abre ou fecha a comporta, permitindo a passagem de uma grande quantidade de água (a corrente de saída).
O componente eletrônico responsável por realizar essa função é o transistor, que atua como essa “comporta” dentro do circuito. Em alguns casos, também podem ser utilizadas válvulas ou MOSFETs, que desempenham papéis semelhantes.
Veja mais sobre transistors em: Transistor: A maior invenção da humanidade.
Assim como o motor que abre a comporta precisa de energia elétrica para ser acionado, o transistor também necessita de uma polarização adequada para funcionar corretamente. Esse ponto é fundamental para entender as diferenças entre as classes de amplificadores, que veremos a seguir.
A forma como esse controle é feito e o quanto de energia se perde nesse processo define a classe do amplificador, influenciando diretamente sua fidelidade sonora e eficiência.
Amplificadores analógicos:
Classe A
Um dos primeiros tipos a serem desenvolvidos, possui funcionamento simples: o transistor permanece sempre ativo, conduzindo corrente mesmo sem sinal.
Isso garante alta fidelidade e resposta imediata, mas também resulta em baixo rendimento, alto consumo de energia e aquecimento intenso.
São utilizados principalmente em equipamentos de áudio Hi-Fi e em estúdios, onde a qualidade é prioridade.
Classe B
Aqui o transistor só conduz quando há sinal, o que aumenta a eficiência.
Porém, o tempo de ativação gera uma pequena falha no ponto em que o sinal positivo e o negativo se encontram, a chamada distorção de cruzamento.
Essa distorção é perceptível em sons mais puros ou contínuos, mas aceitável em muitas aplicações.
Na imagem da esquerda temos a curva de operação da classe A, a curva completa. Na imagem da esquerda temos a curva da classe B, onde há distorção de cruzamento indicada pelo círculo amarelo (Lembrando que na Classe B e AB há um transistor responsável pela parte “positiva” do sinal e outro para a parte “negativa”).
Classe AB
Combina o melhor dos dois mundos: mantém o transistor levemente ativo (como na Classe A) para eliminar a distorção de cruzamento, mas ainda economiza energia como a Classe B. É o tipo mais comum em amplificadores profissionais e automotivos.
Classe C
Apresenta condução inferior a 50% do ciclo do sinal, gerando alta distorção.
É eficiente, mas praticamente inutilizável para áudio, sendo usada principalmente em radiofrequência e transmissores.
Classe G
Apesar de muitas vezes ser agrupada entre as “digitais”, não é digital.
Ela utiliza múltiplas fontes de alimentação com diferentes tensões: em volumes baixos, opera com uma tensão reduzida (menor dissipação e maior eficiência); em volumes altos, comuta para uma fonte de tensão mais alta, ativando transistores de maior potência.
Classe H
Essa é uma evolução da Classe G, variando dinamicamente a tensão de alimentação conforme a demanda do sinal.
É comumente usada em amplificadores de alta potência, acima de 3000 watts.
Amplificadores digitais:
Classe D
O mais popular atualmente, seu funcionamento é baseado na modulação do sinal analógico em PWM (Pulse Width Modulation), ou seja, o som é transformado em uma série de pulsos digitais que ligam e desligam os transistores rapidamente.
Esses pulsos, após passarem por um filtro, voltam a ser um sinal analógico amplificado.
Essa alta eficiência é alcançada porque, no Classe D, os transistores trabalham apenas em dois estados extremos: corte e saturação.
No corte, há tensão, mas não há corrente fluindo; na saturação, há corrente, mas a tensão é quase nula.
Como a dissipação de calor ocorre principalmente quando há simultaneamente corrente e tensão, essa forma de operação reduz drasticamente as perdas, tornando o sistema muito mais econômico e frio.Os transistores, portanto, esquentam menos justamente por evitarem essas condições intermediárias.
Com isso, o Classe D atinge altíssima eficiência (acima de 90%), baixo aquecimento e boa fidelidade, sendo ideal para caixas passivas, caixas ativas, sistemas automotivos e sonorização profissional.
Vejas mais sobre PWM em: Entendendo os Componentes do Linusbot ou em PWM – O que é e para que serve?
Classes E, F, S e T
São variações menos comuns, utilizadas em aplicações específicas fora do áudio, como rádio, comunicações e instrumentação eletrônica.
Confira abaixo uma comparação de classes e alguns tipos de amplificadores:
Distorções e fidelidade do som:
Nenhum amplificador é perfeito: todo circuito acaba introduzindo algum tipo de distorção no sinal original.
Essas distorções podem alterar o timbre, a clareza e até a sensação espacial do som. Entender suas causas ajuda a avaliar a qualidade real de um sistema de áudio.
A principal medida de fidelidade é a Distorção Harmônica Total (THD), que indica o quanto o sinal de saída se desvia do sinal de entrada, ou seja, o quanto o som é “contaminado” por frequências adicionais que não existiam antes.
Pense assim: imagine cantar uma nota e ouvir seu eco, mas o eco vem acompanhado de outras notas harmônicas. Isso é a distorção harmônica.
Valores típicos:
- Abaixo de 0,1%: distorção praticamente inaudível, encontrada em equipamentos de estúdio e sistemas Hi-Fi.
- Entre 0,1% e 1%: excelente qualidade, comum em amplificadores profissionais e sistemas de show.
- Entre 1% e 3%: já audível, o som pode parecer “sujo”, semelhante ao de um Classe B desbalanceado.
- Acima de 3%: distorção alta, áudio degradado.
Outra forma importante de avaliar a fidelidade é a Distorção por Intermodulação (IMD).
Enquanto a THD cria cópias harmônicas previsíveis de um mesmo som, a IMD aparece quando duas ou mais frequências diferentes passam juntas pelo amplificador e acabam se misturando.
Nas imagens acima, observa-se que há uma relação previsível entre os harmônicos, eles são múltiplos inteiros da frequência fundamental. Já na distorção por intermodulação, essa previsibilidade não existe: surgem novas frequências não harmônicas, resultantes da soma e diferença entre os sinais originais.
Na prática, a IMD costuma se manifestar como uma “sujeira” mais perceptível em sons complexos, como músicas com muitos instrumentos tocando ao mesmo tempo, ou quando há vocais e percussão simultâneos. Ela pode fazer o som parecer menos definido, com médios embaralhados e agudos ásperos, mesmo quando a THD é baixa.
Tanto a THD quanto a IMD são parâmetros fundamentais para entender o real desempenho de um amplificador.
Além delas, existem outras formas de distorção que também afetam o áudio, como as relacionadas à fase, à resposta em frequência (Slew Rate) e ao cruzamento de sinais.
Veja mais sobre distorções em: Distorção de fase, Slew Rate distortion ou Distorção linear vs não linear.
Potência e impedância – ligando da maneira correta:
Outro ponto importante: para um bom funcionamento e aproveitamento do amplificador, sua potência deve casar com a capacidade das caixas acústicas, e a impedância é um fator essencial nessa combinação.
Ela representa a resistência que o alto-falante oferece à passagem da corrente alternada do som, sendo medida em ohms (Ω) e normalmente valendo 2, 4, 8 ou 16 Ω.
- Ligar caixas em série soma as impedâncias (2 Ω + 2 Ω = 4 Ω).
- Ligar caixas em paralelo divide a impedância (1 / (1/8 + 1/8) = 4 Ω).
O segredo é ajustar as ligações para que a impedância total das caixas corresponda à impedância mínima recomendada pelo amplificador.
Se for menor, o amplificador pode superaquecer ou queimar; se for muito maior, ele funcionará, mas com menos potência.
Detalhes para as marcações em azul claro, amarelo e azul escuro, sendo respectivamente a entrada de sinal, uma cópia da entrada do sinal para “jumpear” amplificadores e a indicação para impedância daquela saída. A maioria dos aplificadores possuem sempre 2 canais (Canal A e B), então repare que há 2 vezes as mesmas entradas e as mesmas saídas, o que permite amplificar até 2 sinais/sons diferentes. Sempre siga as indicações no manual de instruções e ordens do fabricante para preservar seu amplificador.
E se você ficou curioso sobre como funcionam os cabos que ligam amplificadores, entre outros, descubra mais aqui: Como funciona o cabo balanceado?
Conclusão:
Os amplificadores são o coração dos sistemas de som, aquilo que dá vida e força ao áudio.
Compreender suas classes, seu funcionamento e a relação entre potência, impedância e distorção é fundamental para extrair o máximo de qualidade e eficiência de qualquer sistema.
Entender de amplificadores não é apenas coisa de engenheiro: é entender como o som ganha vida.
Veja mais em:
Vídeos:
- Como funciona um amplificador Classe D?
- Amplificador Classe D é pior do que Classe AB?
- AMPLIFICADOR CLASSE A,B,AB VOCÊ SABE A DIFERENÇA?
- Intermodulation Distortion Fully Explained
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