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Eficiência do amplificador classe D

Estima a eficiência do amplificador classe D a partir das perdas de condução do MOSFET e da corrente de repouso a uma dada potência de saída.

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Fórmula

η = P_out / (P_out + P_cond + P_q) × 100%

R_DS — MOSFET on-resistance (Ω)

Como Funciona

Os amplificadores de classe D (amplificadores de comutação) usam modulação de largura de pulso de alta frequência (PWM) para acionar os MOSFETs alternadamente totalmente ligados ou totalmente desligados, alcançando alta eficiência teórica porque os MOSFETs em saturação dissipam quase zero de energia. Ao contrário dos amplificadores Classe AB (normalmente de 50 a 65% de eficiência), os amplificadores Classe D alcançam 85 a 98% de eficiência na prática. Os principais mecanismos de perda são: (1) Perdas de condução — P_cond = I²_RMs × R_DS (ligado) × N_MOSFETs, onde I_rms é a corrente de carga e R_DS (ligado) é a resistência do MOSFET. (2) Perdas de comutação — de carregar/descarregar capacitâncias de porta MOSFET na frequência de comutação (normalmente 200 kHz—1 MHz). (3) Questionário Perdas (inativas) — corrente consumida pelo IC de controle, drivers de porta e circuitos de inicialização, independentemente da potência de saída. Em baixas potências de saída, a corrente quiescente domina e a eficiência cai; na potência nominal, as perdas de condução dominam.

Exemplo Resolvido

Módulo classe D: saída de 50 W em 8 Ω. Fonte: 36 V. MOSFETs: 4 × 50 mΩ RDS (ligado). Corrente quiescente: 30 mA.
Corrente de carga (RMS, 8 Ω):
I_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2,5 A
Perda de condução:
P_cond = I²_RMS × R_DS (ligado) × N = (2,5) ² × 0,050 × 4 = 1,25 W
Perda quiescente:
P_q = 36 × 0,030 = 1,08 W
Perdas totais ≈ 1,25 + 1,08 = 2,33 W (ignorando as perdas de comutação)
Potência total de entrada: 50 + 2,33 = 52,33 W
Eficiência: 50/ 52,33 = 95,5%
Na saída de 5 W (I_RMS = 0,79 A):
P_cond = 0,79² × 0,050 × 4 = 0,125 W; P_q = 1,08 W
Eficiência = 5/(5 + 0,125 + 1,08) = 80,7% — o quiescente domina em baixa potência.

Dicas Práticas

  • ✓Para maximizar a eficiência em baixos níveis de audição (o uso doméstico típico está bem abaixo da potência nominal), minimize a corrente quiescente usando um IC Classe D com um modo inativo de baixa potência que reduz a frequência de comutação ou entra em espera quando o sinal está ausente.
  • ✓Uma tensão de alimentação mais alta reduz a corrente RMS para a mesma potência (P = V²/R), reduzindo as perdas de condução — dobrar a tensão de alimentação na mesma saída de energia reduz I_rms pela metade e reduz P_cond pela metade (relação I²).
  • ✓Selecione MOSFETs com o menor valor de mérito R_DS (on) × Q_gate (um valor menor indica melhor desempenho de comutação). Para áudio Classe D a 400 kHz, R_DS (ligado) abaixo de 20 mΩ com Q_gate abaixo de 20 nC é possível a um custo modesto.

Erros Comuns

  • ✗Presumindo 100% de eficiência e sem orçamentar o aquecimento — mesmo com 95% de eficiência, um amplificador Classe D de 200 W dissipa mais de 10 W de calor, exigindo gerenciamento térmico. Em altas temperaturas ambientes, o MOSFET R_DS (on) aumenta (tempco positivo), piorando a eficiência.
  • ✗Ignorando as perdas de comutação no modelo — as perdas de comutação escalam com a carga da porta, frequência de comutação e tensão de alimentação. Na comutação de 1 MHz, as perdas de comutação podem rivalizar com as perdas de condução. Esta calculadora usa um modelo simplificado de condução + quiescente.
  • ✗Usando RDS (ligado) Classe D a partir do máximo da folha de dados — as folhas de dados MOSFET fornecem RDS (ligado) a 25° C. Na temperatura de junção de 100° C, o RDS (ligado) normalmente dobra. Use a curva de redução de temperatura para estimar a eficiência do pior caso.

Perguntas Frequentes

Até 5% de dissipação em um amplificador de 200 W é de 10 W — o suficiente para exigir que um dissipador de calor permaneça dentro dos limites de temperatura da junção MOSFET. O dissipador de calor pode ser muito menor do que na Classe AB (que se dissipa de 30 a 50% na forma de calor), mas raramente é zero. Alguns projetos de classe D de baixa potência (abaixo de 20 W) usam o cobre da placa de circuito impresso como dissipador de calor.
A eficiência da classe AB atinge um pico de cerca de 78% para uma carga resistiva com uma onda senoidal e normalmente é de 50 a 65% em níveis normais de escuta. A eficiência da classe D é normalmente de 85 a 95% em níveis de saída médios a altos e de 75 a 85% em níveis de saída baixos, onde a corrente quiescente domina. A melhoria é mais pronunciada em potência média a alta.
Os designs modernos de Classe D (por exemplo, Hypex, Purifi, Pascal) alcançam THD+N abaixo de 0,001% e SNR acima de 120 dB — competitivos com os melhores amplificadores Classe AB. Projetos anteriores de Classe D sofriam de EMI, THD deficiente e erros de resposta de frequência. A diferença de qualidade hoje é insignificante para os ouvintes e é em grande parte uma questão de implementação.

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