7/23/2019 Amplificador de Sonido de Potencia en Clase D

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Amplificador de sonido depotencia en Clase D

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Etapa de potencia para coche

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Un amplificador de conmutacin o amplificador Clase D es un amplificador electrnico el cual,

en contraste con la resistencia activa utilizada en los modos lineales de los amplificadores

clase AB, usa el modo conmutadode los transistores para regular la entrega de potencia. Por

ello, el amplificador se caracteriza por una gran eficiencia (pequeas prdidas de energa), y

esto trae consigo menos disipadores de calor y potencia, reduciendo el peso y volumen del

amplificador. Adems, si se requiere una conversin de voltaje, la alta frecuencia de

conmutacin permite que los voluminosos transformadores de audio sean reemplazados por

pequeas bobinas. Los filtros LC pasa-bajas suavizan los pulsos y restauran la forma de la

seal en la carga.

Interior de un amplificador DD3600 Class D mono

Los amplificadores Clase D son utilizados con frecuencia en amplificadores de sistemas de

refuerzo de sonido, donde se requiere un alto voltaje de salida. Por ejemplo, el Crest Audio

CD3000 es un amplificador Clase D que tiene una potencia nominal de 1500 w por canal, y sin

embargo solamente pesa 21 kg. Un pequeo nmero de amplificadores de bajos tambin

usan tecnologa Clase D, como el Yamaha BBT500H, que tiene una potencia nominal de 500

w y pesa menos de 5 kg.

Crest Audio CD3000

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Yamaha BBT 500H

Powersoft K10

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Las etapas de salida son ejemplos de amplificadores Clase D.

En ocasiones se confunde el trmino Clase D como si fuera un amplificador digital. El

muestreo de la seal en la etapa de potencia puede ser controlado por una seal analgica o

una seal digital. Slo en el ltimo caso se estara usando una amplificacin completamente

digital.

Diagrama de bloques de un amplificador Clase D.

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Modulacin de las seales

Estos amplificadores usan PWM, modulacin por anchura de pulsos (Pulse Width Modulation),

u otras formas ms avanzadas de modulacin tales como modulacin Sigma-Delta.

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Cmo se produce la seal PWM mediante la interseccin de la onda de entrada y la seal

triangular.

La seal de entrada es convertida a una secuencia de pulsos cuyo valor promedio es

directamente proporcional a la amplitud de la seal en ese momento. La frecuencia de los

pulsos es tpicamente 10 o ms veces la frecuencia ms alta en la seal de entrada. La salida

final conmutada consiste en un tren de pulsos cuya anchura es una funcin de la amplitud y la

frecuencia de la seal que est siendo amplificada, y por tanto, estos amplificadores tambin

se denominan amplificadores PWM.

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Una frecuencia de conmutacin adecuadamente alta es indispensable para poder obtener una

respuesta en frecuencia razonable y baja distorsin. La mayora de los amplificadores Clase D

usan frecuencias de conmutacin superiores a 100 kHz. Estas altas frecuencias requieren que

la mayora de los componentes del amplificador sean capaces de trabajar a alta velocidad.

Amplificador PWM

Un amplificador PWM opera de forma similar a una fuente conmutada, excepto porque un

amplificador PWM est alimentando un voltaje de seal de audio variable a una carga

relativamente fija, mientras que una fuente conmutada alimenta un voltaje fijo en una carga

variable. Un amplificador Clase D no debe ser confundido con un amplificador que usa una

fuente conmutada. Asimismo, puede usar cualquier tipo de alimentacin pero el amplificador

en s mismo utiliza la conmutacin de los dispositivos de salida para lograr la amplificacin.

Est constituido por dos transistores de efecto de campo con puerta fabricada con metal xido(MOSFET). Ambos son simetricos, es decir, son iguales y opuestos, siendo uno canal P y el

otro canal N. De esta manera uno conduce con los semiciclos positivos y el otro con los

negativos. La eleccin de MOSFETs frente a BJTs es debida a su elevada velocidad de

conmutacin, que es precisamente lo que se necesita, es decir, el paso de ON a OFF y

viceversa, porque as consumen mucho menos.

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Esquema completo de una etapa en Clase D. Se muestran los MOSFET de potencia Q1, Q2,

Q3 y Q4.

MOSFET en una etapa de potencia marcados en rojo.

Comparador

Una forma de crear la seal PWM es usando un comparador de alta velocidad ("comparador"

en el diagrama de bloques anterior) que compara una onda triangular de alta frecuencia y la

entrada de audio y genera una serie de pulsos de tal forma que la anchura de los pulsos

corresponde a la amplitud y frecuencia de la seal de audio. El comparador entonces maneja

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un controlador de conmutacin que a su vez maneja un interruptor de alta potencia

(generalmente compuesto de MOSFETs), lo cual genera una rplica de alta potencia de la

seal PWM del comparador.

Filtro pasa bajos

Esta salida PWM es conectada a un filtro pasa-bajos que elimina las componentes de alta

frecuencia de la seal PWM para recuperar la informacin de audio y la pasa a un altavoz. La

salida contiene, adems de la seal amplificada, componentes espectrales no deseades

(como la frecuencia del pulso triangular y sus armnicos) que deben ser eliminadas por un

filtro electrnico pasivo. El filtro frecuentemente se construye con componentes sin prdidas

(tericamente) como bobinas toroidales y condensadores para mantener la eficiencia.

Bobina toroidal

SPDIF

Otra forma de crear la seal PWM es mediante una seal SPDIF, la cual ya es digital. La seal

digital es alimentada a un DSP que emplea software para crear la seal PWM. sta no es

conectada directamente al MOSFET, sino a una especie de controlador MOSFET (dentro del

controlador de conmutacin) que puede entregar las altas corrientes requeridas para hacer al

MOSFET trabajar dentro de la regin no lineal (es decir, como interruptor y no como

amplificador).

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Desafos de diseo

Tiempo muerto

Dos desafos considerables para los controladores MOSFET en amplificadores Clase-D es

mantener los tiempos muertos y el modo de operacin lineal tan corto como sea posible. El

"tiempo muerto" es el periodo en la transicin de un interruptor durante el cual los dos

MOSFETs de salida estn en modo de corte y ambos estn apagados. Los tiempos muertos

necesitan ser tan cortos como sea posible para mantener una salida con poca distorsin, pero

los tiempos muertos que son demasiado cortos provocan que el MOSFET que se est

encendiendo empiece a conducir antes de que el MOSFET que se est apagando deje de

conducir. Los MOSFETS en realidad cortan la tensin de alimentacin de salida, una

condicin llamada "shoot-through". Mientras tanto, los controladores de MOSFET tambinnecesitan controlar a los MOSFETS entre estados de conmutacin tan rpidamente como sea

posible para minimizar el tiempo en el que un MOSFET est en la zona lineal (es decir, el

estado entre corte y saturacin donde el MOSFET no est completamente encendido ni

apagado y conduce con una resistencia considerable, creando algo de calor). Un error en el

controlador que permita alguno de estos dos fenmenos tpicamente resultan en la falla de los

MOSFETs.

Esquema ms elaborado con ajuste del tiempo muerto (dead time).

Realimentacin negativa

La repuesta en frecuencia final y la distorsin no dependen solamente de la frecuencia de

conmutacin y del filtro de salida sino tambin en la carga (o sistema de altavoces) conectado

a la salida del amplificador. Un sistema de altavoces puede contener un solo controlador

(altavoz) o varios con un filtro de cruce pasivo. La impedancia del altavoz no es fija sino que

cambia con la frecuencia, y esto debe aadirse a los problemas propios del filtro de cruce.

Esto significa que la carga conectada al amplificador no es puramente resistiva y cambia con

la frecuencia de la seal de audio que sale del amplificador, provocando anomalas en la

respuesta en frecuencia final (incluyendo los picos de voltaje, la oscilacin y la distorsin). Por

tanto, muchos amplificadores Clase D de alta calidad emplean realimentacin negativa para

corregir anomalas de frecuencia y fase debidas a la impedancia del altavoz y el filtro de cruce.

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Esto hace el diseo de un amplificador Clase D an ms complejo.

Realimentacin negativa

Entre las causas de distorsin estn el rango tiempo muerto y la interferencia debida a la alta

frecuencia de conmutacin.

Ventajas

A pesar de la complejidad involucrada, un amplificador Clase D propiamente diseado ofrece

los siguientes beneficios:

Reduccin en tamao y peso del amplificador.

Menor prdida de potencia debido a disipadores de calor menores (o inexistentes).

Menor costo debido a disipadores de calor menores y circuitera ms compacta.

Gran eficiencia de conversin de potencia, usualmente mayor al 90%.

Alto rendimiento

La alta eficiencia de un amplificador Clase D se debe al hecho de que la etapa de

conmutacin de salida nunca es operada en la regin activa (o regin lineal para BJTs). En

vez de eso, los dispositivos de salida estn completamente encendidos o apagados (ambos

estados disipando cantidades mnimas de potencia en los dispositivos de salida). Cuando los

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dispositivos estn encendidos, la corriente a travs de ellos es mxima pero el voltaje a travs

de ellos es (idealmente) cero y cuando los dispositivos estn apagados, el voltaje a travs de

ellos es mximo pero la corriente es igual a cero. En ambos casos, la potencia disipada (V x I)

es cero. Todos estos clculos estn basados en circunstancias ideales. En la prctica,

siempre hay prdidas, debidas a fugas, cadas de voltaje, velocidad de conmutacin de los

dispositivos de potencia, etc. De cualquier forma, estas prdidas son suficientemente

pequeas para mantener una alta eficiencia.

Esto an deja la seal con un contenido armnico considerable, que puede ser filtrado. Para

mantener una alta eficiencia, el filtrado se hace exclusivamente con componentes reactivos,

como bobinas y condensadores, los cuales almacenan la energa hasta que se requiera en

lugar de convertirla en calor.

Usos

Home Cinema. Se suele usar directamente la conversin de digital a PWM sin realimentacin

al ser constante la impedancia del nico altavoz conectado a la salida.

Telfonos mbiles. El altavoz interno est controlado por un amplificador de 1 w. La clase D

se usa para preservar la vida de la batera.

Altavoces con amplificador incorporado.

Etapas de alta potencia para coche. Al consumir poco se pueden conectar incluso con la

batera del automovil.

Refuerzo de sonido y sonido en vivo. El Crest Audio CD3000, por ejemplo, es un amplificador

de potencia de clase D de 1500 W por canal, pesando solo 21 kg. Similarmente, el PowersoftK10 es un amplificador de potencia de clase D de 6000 W por cada canal a 2 ohmios,

pesando solamente 12 kg.

Amplificadores de Bajos. Otra vez un rea donde la portabilidad es importante. Ejemplo: el

Yamaha BBT500H amplificador de bajos de 500 W, y pesa menos de 5 kg. El Promethean

P500H de Ibanez es tambin capaz de entregar 500 W a una carga de 4 Ohmios, y pesa solo

2'9 kg. Gallien Krueger MB500 de 500W pesa no ms de 1'36 kg.

Saludos. Y feliz sonido.