¿Cómo funciona un amplificador de audio para automóvil? – La etapa de salida de clase D

A medida que continuamos analizando cómo funcionan los amplificadores de audio para automóviles, debemos analizar cuál se ha convertido en el diseño más popular en el mercado actual:los amplificadores que utilizan una etapa de salida de clase D. En los reinos de los audiófilos, los diseños de Clase D a menudo tienen una reputación desfavorable. ¿Sus inconvenientes superan sus beneficios? ¡Echemos un vistazo!

¿Cómo funciona una etapa de salida de clase D?

Una vez que la etapa de entrada ha manejado cualquier necesidad de procesamiento de señal, la señal de audio pasa a la etapa de salida para que aumente en voltaje y los MOSFET pueden proporcionar cantidades adecuadas de corriente para impulsar nuestros altavoces de impedancia relativamente baja. En un amplificador Clase D moderno, los dispositivos de salida MOSFET son alimentados por un controlador IC que maneja la conversión de la señal analógica en una señal modulada por ancho de pulso.

¿Qué es una señal modulada por ancho de pulso?

Imagine, por así decirlo, una bombilla incandescente. Conectamos la bombilla a una fuente de alimentación e insertamos un interruptor controlado por computadora en serie con el circuito. Si dejamos el interruptor apagado, la luz se queda apagada. Si encendemos el interruptor, la luz se enciende a pleno brillo. Sin embargo, si encendemos y apagamos el interruptor muy rápidamente, y el interruptor permanece encendido mientras está apagado, la bombilla brillará a la mitad de su brillo posible. Esta variación del tiempo de encendido versus apagado se denomina ciclo de trabajo. Cuando el tiempo de encendido y apagado es igual, ese es un ciclo de trabajo del 50 %. El uso de una señal de onda cuadrada con diferentes ciclos de trabajo se denomina modulación de ancho de pulso (o PWM para abreviar).

El controlador de Clase D analiza la señal de audio a velocidades extremadamente altas (algunas tan rápidas como 800 kHz) y crea una señal PWM de voltaje relativamente bajo que alimenta los dispositivos de salida. Los dispositivos de salida se encienden y apagan completamente muy rápidamente. Debido a que los dispositivos pasan muy poco tiempo en un estado parcialmente encendido, presentan muy poca resistencia y, en consecuencia, consumen muy poca energía. Los mejores amplificadores Clase D del mercado ofrecen eficiencias generales que superan el 92 % a plena potencia. Esta excelente eficiencia contrasta con los amplificadores Clase AB que convierten entre el 35 % y el 50 % de la energía alimentada al amplificador en calor.

Los discos compactos usan una versión de PWM donde el ciclo de trabajo del pulso de salida se almacena en una palabra digital de 16 bits. Esto nos da 65.536 niveles de amplitud posibles. A diferencia de los controladores Clase D modernos, nuestro audio se almacena a 44.100 muestras por segundo. Esto sigue siendo más que suficiente para reproducir todo el espectro de audio.

Disposición de circuito de clase D

Por último, los amplificadores de Clase D suelen tener sus dispositivos de salida dispuestos en una configuración de Clase AB, donde un dispositivo controla la parte negativa de la forma de onda y el otro controla la positiva. Como tal, la Clase D describe cómo se utilizan los dispositivos de salida, en lugar de su orientación eléctrica en el circuito.

Inconvenientes de los diseños de amplificadores de clase D

Si ha leído los artículos de BestCarAudio.com sobre distorsión, entonces sabe que una señal de CA de onda cuadrada se compone de un gran número de armónicos de alta frecuencia. Es probable que haya escuchado este fenómeno en su hogar si tiene un atenuador en algunas de las luces. El filamento de las luces sonará ocasionalmente, según el nivel del atenuador. Dado que solo queremos devolver una señal de audio al altavoz, los diseñadores de amplificadores agregan una red de filtro pasivo a la salida de los MOSFET. This network includes an inductor in series with the load as well as a capacitor and resistor in parallel and acts as a low-pass filter to remove this high-frequency switching noise.

One drawback of a Class D design is that these output filter components interact with the frequency-dependent variations in load impedance to alter the frequency response of the amplifier. While the effect is minute, it can give Class D amps a different overall tonal balance than you’d get from an AB design. Of course, a little manipulation with a digital signal processor (DSP) will get that back in check in a jiffy.

Another issue with all this high-frequency energy is the potential for electrical interference with other systems in the vehicle. Most commonly, AM or FM radio reception can be washed out or dramatically reduced. While the better amplifier manufacturers do everything possible to mitigate radio-frequency interference, problems can still occur — the best plan to keep the amplifier as far away as possible from the radio antenna.

Why Would You Want a Class D Amplifier?

The long and the short of it is that companies have invested in developing Class D amplifiers in an effort to shrink the physical size requirements of amplifiers, supposedly to make it easier for installation technicians to find mounting locations for them. The reality is, heatsinks for amplifiers are one of the more expensive single components in an amplifier. If the size of the heatsink can be reduced, so can the cost of the amplifier. The days of 40- and 50-watts-per-channel stereo amps with a footprint of more than a square foot are long gone, thanks to modern Class D designs. Now, you can get more than 1,000 watts of power from that same physical space.

Class D amplifiers are a good solution for subwoofer systems because they do offer increased efficiency over their Class AB counterparts, and almost all amplifier manufacturers have at least one series of Class D amplifier in their catalog. Your local specialist mobile enhancement retailer can help you choose a solution with the right power level, number of channels and features to make your car stereo sound great.