Clases de amplificadores:sentido de los amperios de clase AB y clase D

Los amplificadores tienen un trabajo muy duro. Tienen que tomar una señal de voltaje muy bajo y aumentarla en amplitud para que pueda impulsar un altavoz. En esta transformación, esperamos que la señal permanezca pura; no se debe agregar distorsión ni ruido. También queremos cantidades significativas de energía para impulsar nuestros altavoces, aunque solo alimentamos nuestros amplificadores con unos míseros 12 a 14 voltios de electricidad. Las leyes de la física parecen querer trabajar contra nosotros en todo momento, ¡pero prevalecemos! Los amplificadores de audio para automóviles modernos son increíbles hazañas de ingeniería y diseño. Este artículo analiza los dos tipos principales de clases de amplificadores utilizados en la industria del audio para automóviles y las ventajas y desventajas de cada uno. Bienvenido a la Clase AB frente a la Clase D.

La matemática detrás de cómo los amplificadores producen energía

No importa cómo configuremos los componentes dentro de un amplificador, el objetivo es el mismo:aumentar el voltaje de la señal de audio del preamplificador para que pueda controlar un altavoz. Debido a que los parlantes que usamos tienen una impedancia baja (2 o 4 ohmios para la mayoría de los parlantes de rango medio), también debemos poder proporcionar una cantidad significativa de corriente al parlante. Esta entrega de corriente al altavoz es la segunda tarea que debe realizar un amplificador.

A modo de matemática rápida, si un altavoz de 4 ohmios recibe una señal de 12 V RMS, podemos hacer algunos cálculos. Para calcular la corriente que fluye a través del altavoz, dividimos el voltaje suministrado por la impedancia del altavoz. En este ejemplo, tenemos 12 dividido por 4, por lo que 3 amperios de corriente fluyen a través de los cables del altavoz y la bobina móvil. Una forma sencilla de calcular la potencia que llega al altavoz es multiplicar el voltaje suministrado por la corriente suministrada. El producto de 12 por 3 es 36. Este altavoz recibe 36 vatios de potencia.

Veamos el mismo ejemplo como si fuera un amplificador de subwoofer. En este segundo ejemplo, supondremos que tenemos un subwoofer de bobina móvil dual de 2 ohmios con ambas bobinas conectadas en paralelo para producir una carga de 1 ohmio. Si suministramos a este altavoz 12 Vrms de señal, entonces 12 amperios de corriente fluyen a través del cable del altavoz y el subwoofer. Para calcular la potencia, multiplicamos 12 por 12 para obtener 144 vatios. 144 vatios es mucho mucho más potencia y corriente por la misma cantidad de voltaje.

Descripción general de la función del amplificador

La mayoría de los amplificadores se componen de tres o cuatro secciones clave (o etapas), según su diseño y complejidad. La etapa de entrada es la parte del amplificador donde la señal de audio del preamplificador de bajo nivel ingresa al amplificador y recibe cualquier procesamiento en forma de ecualización o filtrado.

Un amplificador tiene una fuente de alimentación. La fuente de alimentación convierte los 12 a 14 V de corriente continua suministrados en voltajes de riel positivos y negativos. Digamos, por ejemplo, que un amplificador teórico tiene rieles de +25 y -25 V, en relación con nuestra referencia de tierra. Dependiendo del tamaño del amplificador, habrá una etapa de controlador. La etapa del controlador es responsable de aumentar la señal de audio de bajo nivel a un voltaje más alto. La cantidad de voltaje que aumenta la etapa del controlador depende de la potencia que generará el amplificador.

Finalmente, tenemos la etapa de salida. La etapa de salida es relativamente simple:no altera significativamente la señal que proviene de la etapa del controlador, sino los dispositivos (MOSFET o transistores) utilizados para proporcionar la señal de salida con la corriente que requiere la carga. La fuente de alimentación y la etapa de salida son las dos partes del amplificador que hacen el "trabajo más duro". Es decir, son las etapas que pasan mucha corriente.

En casi todos los amplificadores del mercado, usamos dispositivos dedicados para la mitad positiva de la forma de onda y dispositivos separados para la mitad negativa de la forma de onda. Para aclarar, si medimos la señal de salida del amplificador sobre la tierra del vehículo, veremos que oscila hacia adelante y hacia atrás por encima y por debajo de 0V. Piense en nuestros rieles de alimentación de +25 V y -25 V. A los oradores no les importa el valor de la señal que se les envía; lo único que les importa es la diferencia de voltaje de un extremo de la bobina móvil al otro extremo.

Amplificadores Clase AB

Para este artículo, vamos a generalizar los amplificadores Clase AB en un modelo de amplificador analógico. En nuestro amplificador analógico, tenemos grandes transistores en la etapa de salida del amplificador. Cuando queremos la mitad del voltaje positivo del riel en la salida, alimentamos la mitad del voltaje al dispositivo de salida positivo. Cuando la señal se vuelve negativa, apagamos el dispositivo positivo y comenzamos a usar solo el dispositivo negativo. Visto de otra manera, la señal de audio de la etapa del controlador controla la resistencia de los dispositivos de salida y, posteriormente, la cantidad de corriente que puede fluir al altavoz.

En un amplificador analógico, los dispositivos de salida se pueden "encender" en cantidades variables sobre la señal de audio. Esto significa que los dispositivos de salida a menudo actúan como resistencias. La energía se desperdicia como calor cuando pasamos corriente a través de una resistencia. Tenga esto en cuenta como parte de nuestra comparación más adelante en el artículo.

Amplificadores Clase D

En un amplificador de clase D, los dispositivos de salida reciben un control de un circuito integrado de controlador (IC). Este controlador envía una onda cuadrada de ciclo de trabajo variable. La amplitud de la onda cuadrada es lo suficientemente alta como para encender o apagar completamente los dispositivos de salida. Los dispositivos de salida pasan muy poco tiempo funcionando como resistencias y actúan más como interruptores.

La pregunta lógica es, ¿cómo diablos sacamos música de una onda cuadrada? Si pensaste eso, ¡bien por ti! La frecuencia de la onda cuadrada es mucho más alta que la frecuencia máxima de nuestra música. De hecho, algunos amplificadores Clase D modernos conmutan los dispositivos de salida a frecuencias de hasta 600 kHz.

Para recrear música, el controlador de Clase D envía una señal modulada por ancho de pulso. La cantidad de tiempo de "encendido" sobre el tiempo de "apagado" determina el nivel de salida de la señal. Como una analogía muy general, si a los dispositivos de salida positiva se les enviara una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 % (encendidos durante tanto tiempo como estuvo apagado), entonces el promedio de la salida sería el 50 % del voltaje del riel positivo. Si la onda cuadrada está encendida el 75 % del tiempo y luego apagada el 25 %, obtendríamos el 75 % del voltaje del riel en la salida.

Como puede imaginar, la señal del controlador Clase D es bastante compleja. Tiene que modular el ciclo de trabajo de la onda cuadrada que va a los dispositivos positivo y negativo lo suficientemente rápido como para recrear con precisión la señal de audio. También tiene que controlar los dispositivos de salida positiva y negativa por separado.

Ventajas y desventajas de los amplificadores analógicos

Debido a que la señal de audio en un amplificador analógico nunca se corta en pedazos pequeños, los amplificadores analógicos pueden permanecer fieles a la señal original. Los amplificadores con mejor sonido en la industria de la electrónica móvil son analógicos. Históricamente, los amplificadores analógicos tienen una reputación de respuesta precisa de alta frecuencia.

El inconveniente de un amplificador analógico es su eficiencia. La eficiencia describe cuánta energía se desperdicia como calor en comparación con la energía enviada al altavoz. Debido a que los dispositivos de salida en un amplificador analógico funcionan como resistencias variables, se calientan. Los amplificadores analógicos típicos operan en el rango de eficiencia del 70-80% con respecto a la eficiencia total, mientras funcionan a plena potencia. Ese 20-30% que falta se libera como calor. A un nivel de salida más bajo, la eficiencia cae aún más.

Ventajas y desventajas de los amplificadores digitales

Los amplificadores digitales modernos conmutan a frecuencias extremadamente altas. Vemos amplificadores capaces de una respuesta de frecuencia de audio superior a 50 kHz, y algunos que superan los 70 kHz. Este rendimiento está muy lejos de los primeros amplificadores de Clase D que eran solo para subwoofers y luchaban por producir audio por encima de los 5 kHz. Dicho esto, debido a que los amplificadores digitales requieren redes de filtros al final de la etapa de salida, aún no pueden igualar el rendimiento de un amplificador analógico premium. Con esta información en mente, considere que hay algunos buenos amplificadores digitales que suenan mejor que muchos amplificadores analógicos mal diseñados.

Debido a que los dispositivos de salida de un amplificador digital rara vez operan en su rango resistivo, estos amplificadores pueden ser muy eficientes. Un amplificador Clase D bien diseñado puede tener una eficiencia de alrededor del 92%.

Otro problema con los amplificadores Clase D es el ruido. Debido a que los dispositivos de salida son impulsados ​​por una onda cuadrada, hay mucha energía de alta frecuencia en la señal de salida. La red de filtros de la que hablamos elimina gran parte de eso de la señal de salida, pero esa energía aún puede tener efectos perjudiciales en otros sistemas del vehículo. Desafortunadamente, un rasgo común para muchos amplificadores Clase D es que causan interferencia con la recepción de radio cuando están en funcionamiento.

Elegir entre clases de amplificadores

Sería bueno si pudiéramos formular un conjunto de reglas estrictas y rápidas para elegir el amplificador adecuado para su sistema . Con tantas variaciones en cada tipo de amplificador a tantos puntos de precio diferentes, eso es realmente imposible. Recomendamos encarecidamente que la única forma de elegir un amplificador sea comparar uno con otro bajo condiciones controladas:utilice la misma música y los mismos altavoces, y escuche al mismo volumen. Escuchará diferencias en la respuesta de frecuencia y diferencias dramáticas en las capacidades de imagen y puesta en escena.

¿Es un tipo de amplificador mejor que otro? Para una instalación dedicada exclusivamente a la calidad del sonido, la elección es clara. Para una instalación donde la entrega de energía es limitada o se requieren grandes cantidades de energía, la elección también es clara. En el medio, depende de su aplicación y presupuesto.

Visite su distribuidor local especializado en electrónica móvil para conocer los últimos amplificadores del mercado. Estarán encantados de ayudarle a elegir uno que se adapte a su aplicación y funcione con su presupuesto.