Amplificadores digitais, ouvidos analgicos - [PDF Document]
Amplificadores digitais, ouvidos analgicos. Jornal cone n 173 Paulo Brites (*)
O essencial invisvel para os olhos. Antoine de Saint-Exupry O pequeno prncipeDe uns tempos para c a moda dizer que digital. Todo mundo quer aparelhos digitais, a maioria nem sabe o que significa ser digital, mas enchem a boca, principalmente os vendedores (ou balconistas?), dizendo: este digital! Pois bem, ouso dizer que a digitalizao na verdade uma artificializao da Natureza e com a qual teremos que conviver cada dia mais (digo, conviver com a digitalizao porque a Natureza deve acabar, j que a sociedade de consumo est se esforando bastante para isso!) S que a Natureza ama a senide, porque a Natureza no descontnua, ou seja, no digital e ento temos que arranjar uma frmula para conviver com os dois conceitos, o verdadeiro senoidal e o artificial - digital. Mas ento como pode um amplificador de udio trabalhar com um sinal digital, que um sinal de mentirinha, e ser melhor que um amplificador tradicional ou analgico se todo som puramente senoidal? Talvez o problema no seja ser melhor ou pior e sim qual o que tem maior eficincia, ou seja, a maior percentual entre a potncia fornecida pela fonte e a potncia efetivamente aproveitada pelo o alto falante. Quando a eficincia de um amplificador (ou qualquer sistema) baixa uma boa parte da potncia fornecida pela fonte se transforma em calor e no em som e como no estamos pretendendo fazer um aquecedor e sim ouvir msica preciso repensar o projeto ou ento, melhor comprar um chuveiro eltrico! Nos amplificadores analgicos de boa qualidade a eficincia fica em torno dos 60% o que no grandes coisas, mas o que d para conseguir. Entretanto, num amplificador digital ou classe D pode-se chagar prximo dos 95% o que de deixar qualquer fabricante de amplificadores com gua na boca (e mais dinheiro no bolso).
No passado nunca houve muita preocupao com esta perda de energia hoje, entretanto existem mais razes econmicas do que ecolgicas que predominam sobre as razes tcnicas e ai que os amplificadores digitais saem ganhando. Voc deve estar pensando: - por que razes econmicas? O que a economia tem a v com o udio e a eletrnica? Eu diria que tem tudo a ver. O aumento de eficincia do amplificador nos levar as fontes e dissipadores de calor menores o que alm de implicar na reduo de tamanho implicar tambm na reduo de peso e quando se reduzem estes dois parmetros se reduz o custo com transportes, fator fundamental numa era em que quase tudo fabricado na sia e levado para ser vendido em outras partes do mundo. Agora que os economistas j encontraram a frmula para reduzir os custos e aumentar o lucro das empresas (que o que importa) os engenheiros que se virem para arranjar uma soluo. Antes de estudarmos como funciona um amplificador digital ou classe D vejamos como um sistema digital pode promover um aumento de eficincia quando lida com potncias razoavelmente elevadas. Faremos isso de uma maneira pouco usual, mas que ficar bem fcil para voc entender. Imagine uma lmpada cuja resistncia seja de 1 ohm ligada a uma fonte DC de 12 volts como mostrado na figura 1.
Neste caso a potncia dissipada na lmpada ser de 144 watts (lembre-se que P = V x I = 12 x 12 = 144).
Suponha agora que voc deseje reduzir o brilho da lmpada e use o mtodo mais simples que colocar um resistor em srie com a mesma. Para facilitar as contas coloquemos um resistor de 1 ohm como aparece na figura 2.
Reduzimos a potncia na lmpada para 36 watts, mas o preo que pagamos por isso foi ter 36 watts transformados em calor no resistor de 1 ohm ligado em srie e, portanto desperdiados. Vamos transformar nosso circuito numa configurao digital acrescentando uma chave liga desliga entre a bateria e a lmpada como aparece na figura 3.
Quando a chave fechada a lmpada recebe tenso e acende, j com a chave aberta a tenso na lmpada ser zero e ela ficar apagada. Mantendo uma simetria entre chave aberta e chave fechada o valor mdio de tenso aplicado sobre a lmpada ser de 6volt e, portanto a potncia na lmpada tambm ser de 36 watts, mas sem nenhuma perda de energia transformada em calor como ocorreu quando usamos o resistor da figura 2. Est a o princpio de um circuito digital. Simplesmente genial, no mesmo?
Pois bem, acabamos de construir o modelo para um amplificador digital cuja eficincia de 100%. Na prtica a eficincia ser um pouquinho menor porque nossa chave ser feita com MOSFETS que embora, hoje em dia, tenham parmetros excelentes no chegam perfeio de apresentar resistncia infinita quando cortado e nula quando conduzindo como no exemplo terico da figura 3. Mas pera a, o som no senoidal? Ento como que ns vamos fazer a nossa chave ficar abrindo e fechando com um sinal senoidal? E tem mais, se mandar este sinal para um alto falante ele vai queimar rapidinho e o mximo que ouviremos, enquanto ele no queima, sero estalinhos e no msica como queramos. Como sair dessa? Fcil, basta transformar o sinal senoidal que vai entrar no amplificador num sinal digital, amplific-lo digitalmente e depois converter o resultado novamente em senoidal para mandar para o alto falante e da para os nossos ouvidos que ainda so analgicos. A prxima pergunta e ser que vale a pena toda essa confuso? Fernando Pessoa diz que tudo vale a pena se alma no for pequena e embora do ponto de vista tcnico eu tenha minhas dvidas, sob a tica da economia (esquece a poesia) com certeza vale a pena, pois como j vimos aumentaremos a eficincia do amplificador e diminuiremos drasticamente o seu peso e tamanho. Vamos ao primeiro passo: - transformar um sinal analgico em digital Um dos circuitos mais utilizados hoje em dia atende pela sigla de PWM, ou seja, Pulse Width Modulator que em bom portugus quer dizer Modulador por Largura de Pulso. Modulao, como voc sabe, fazer um sinal de uma determinada faixa de frequncia ser transformado num novo sinal com o auxlio de outro sinal de frequncia maior que chamaremos de portadora. Para cada maneira como esta transformao ocorre damos um nome especfico a modulao como, por exemplo, Modulao em Amplitude (AM) e Modulao em Frequncia (FM) s para citar as mais comuns.
Para Modulao por Largura de Pulso utilizaremos como portadora um onda triangular. O sinal senoidal que desejamos digitalizar ser aplicado entrada negativa de um circuito comparador enquanto na entrada positiva aplicaremos uma onda triangular que servir de portadora e na sada do comparador obtm-se o PWM que se v na figura 4.Sinal senoidal Onda triangular
Agora levamos este sinal PWM, que a rplica digital do sinal senoidal, ao circuito amplificador composto por dois MOSFETS que funcionaro como chaves digitais produzindo a potncia desejada na carga como se v na figura 5.Sada Digital Amplificada Fig. 5
Tudo isso estaria timo se duas coisinhas acontecessem: 1) o alto falante pudesse ser excitado por um sinal digital como esse e, principalmente, 2) nossos ouvidos fossem digitais e pudessem ouvir um sinal deste tipo. Mas nem tudo est perdido, lembram que eu disse que a Natureza ama a senide. Pois bem, l pelos idos de 1822 o fsico e matemtico francs Jean-Baptiste Joseph Fourrier ao fazer um estudo sobre a evoluo da temperatura relacionou o fenmeno fsico a equaes trigonomtricas onde temos, portanto senos e co-senos.
Nos seus estudos, Fourrier provou matematicamente que qualquer forma de onda pode ser escrita como uma composio de senos e co-senos. Entenderam agora porque eu disse que a Natureza ama a senide. Aparentemente temperatura e som no tm nada em comum, mas matematicamente Fourrier nos deu a dica de que existe um elo que une os dois fenmenos aparentemente distintos e este elo a funo senoidal. Este no o nico caso em que a senide aparece quando estudamos um fenmeno fsico, mas no vem ao caso seguir esta trilha no momento (preciso reprimir meu lado de professor de matemtica). De tudo isto o que se conclui que dentro do sinal digital amplificado da figura 5 existe escondidinho um monte de senides (que tal fazer para o almoo um escondidinho de senides?). Portanto, a questo , se ns conseguirmos extrair as senides que esto escondidas no sinal digital poderemos ouvir a nossa msica predileta nos nossos ouvidos analgicos? Mos a obra. Podemos sim, basta colocar um filtro passa baixas, por exemplo, como na figura 6 entre a sada digital do amplificador e o alto falante e tudo se resolve . (t a a receita de escondidinho de senides filtro passa baixas!).
Filtro passa baixas Fig. 6
E assim, com toda esta ginstica da engenharia conseguimos chegar a um amplificador capaz de fornecer potncias bastante elevadas e ter tamanho reduzido aliado a uma eficincia que chega aos 95%, ou seja, para o amplificador fornecer 100 watts ao alto falante basta que a fonte seja capaz de fornecer cerca de 105 watts onde apenas 5 watts sero perdidos em forma de calor. Se voc ainda no atentou para importncia de um amplificador deste tipo, ento pense em um televisor LCD de 42 bem fininho.
Agora me diga onde colocar num televisor destes um transformador como aqueles usados nos amplificadores tradicionais? Concluso obvia, nos novos televisores daqui pra frente s vai dar amplificador classe D ou digital para usarmos numa linguagem que o leigo entende (ou pensa que entende). Novos tempos, novas tecnologias, novos desafios. Se voc pretende continuar ganhando a vida como tcnico reparador o caminho a atualizao constante. Com este artigo pretendi apenas dar o pontap inicial num assunto que ainda vai dar muito que falar. Em breve teremos mais sobre amplificadores classe D ou digitais. Aguardem vai ser emocionante e at sempre!(*) Tcnico em Eletrnica da Fundao CECIERJ/CEDERJ Professor de Eletrnica Aplicada ao udio do IATEC Professor de Matemtica.
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