AMPLIFICADORES CLASE AB-C-D Amplificadores de clase AB
Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B. Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una pequeña corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al minimo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción. Su nivel de eficiencia es inferior al 50%, menor cuanto mayor nivel tenga la corriente de polarización. Por tanto, superior a los clase A e inferior a los clase D.
Este diseño es un compromiso entre la eficacia de los amplificadores clase B (en los que no hay corriente de polarización) y la eliminación de la distorsión de cruce de los diseños en clase A, por lo que los amplificadores respecto a estos últimos pueden ser mucho más ligeros, eficientes y sin generar tanto calor. La pequeña corriente de polarización constante que queda remanente en la señal de salida es filtrada antes de alimentar a los altavoces. Este tipo de configuración se ve en la mayoría de amplificadores de audio, tanto de las gamas habituales como en la mayoría de los High-End.
Son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule
Amplificadores de clase C
Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se situa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga. El amplificador clase "C" es exclusivo de "RF". Utiliza como "carga" un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el elemento activo conduce menos de 180º, de una señal senoidal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia Un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada. La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo de la señal de entrada. Y luego se complementa la salida con un circuito compuesto de condensadores y bobinas (circuito tanque). La clase C trabaja para una banda de frecuencias estrecha y resulta muy apropiado en equipos de radiofrecuencia. Esto es debido al fenómeno de resonancia el cual se genera a la salida del amplificador cuando es sintonizado (la impedancia capacitiva e inductiva se cancelan a una frecuencia previamente calculada), aunque no trabaja arriba de 180 grados de ciclo, este amplificador a la salida genera una señal de ciclo completo de señal para la frecuencia fundamental. No se utiliza en sonido, por su gran nivel de distorsión y por que su operación no esta destinada para amplificadores de gran señal o gran potencia. En esta clase de amplificadores el elemento activo conduce un tiempo t 1 ± t 2 en cada periodo T = 2/o, de forma que el semiángulo de conducción, definido como 2 = o(t 1 ± t 2) sea inferior a /2. En el clase B = /2, mientras que = en el clase A. Su esquema es similar al del clase A que se muestra en la figura y que repetimos aquí para comodidad del lector, pero en este caso es imprescindible poner en paralelo con R L un circuito LC sintonizado.
La tensión V BB es ahora negativa, de forma que el BJT sólo entra en zona activa alrededor del máximo de vi, cuando vi + V BB > 0.7 V.
Si asumimos que en toda la zona activa la corriente de colector es proporcional a la tensión de control, para una entrada sinusoidal toma la forma representada en la figura. Esta corriente puede escribirse como i = I cos( t ) ± I , mientras sea I cos( t ) I C P o D P o D i = 0, en el resto C Y puesto que en ot = ± tenemos iC = 0, resulta que I D = I P cos( ). La función iC (t ) es par y por eso puede descomponerse en serie de Fourier como i = I + I cos( t ) + I cos(2 t ) + ···· C o 1 o 2 o donde I o es su valor medio, I 1 la componente fundamental y el resto, de I 2 en adelante, armónicos.
Las tensiones vCE y vo tienen una forma sinusoidal porque el filtro LC cortocircuita todos los armónicos de iC (t ) y sólo deja la componente fundamental. La potencia entregada a la carga es
El consumo de potencia, despreciando la potencia empleada para polarizar el BJT, es
donde I CQ = I o. El rendimiento máximo se obtiene cuando vo toma la máxima amplitud posible, V CC si aproximamos V CE,sat, = 0, y para eso se requiere que I 1 R L = V CC . En ese caso el rendimiento sólo depende de
En la figura siguiente se muestra el rendimiento máximo en función del semiángulo de conducción. Si = 180º max = 50 % (Clase A), si = 90º max = 78 % (Clase B) y para la clase C siempre es superior. Si = 0º max = 100 %, claro que en este caso la corriente máxima que debería soportar el transistor es infinita. Así que un buen compromiso consiste en emplear = 60º para obtener max = 90 %.
Notar que, a diferencia del clase A o B, el clase C no es un amplificador lineal: la salida es nula hasta que la amplitud de la tensión de entrada supera V BB + 0.7. Este amplificador sólo puede usarse para FM o PM porque emplea señales de amplitud constante o para señales digitales y de banda estrecha.
Amplificador Clase D
Un amplificador de conmutación o amplificador Clase D es un amplificador electrónico el cual, en contraste con la resistencia activa utilizada en los modos lineales de los amplificadores clase AB, usa el modo conmutado de los transistores para regular la entrega de potencia. Por lo tanto, el amplificador se caracteriza por una gran eficiencia (pequeñas pérdidas de energía), y esto trae consigo menos disipadores de calor, reduciendo el peso del amplificador. Además, si se requiere una conversión de voltaje, la alta frecuencia de conmutación permite que los transformadores de audio estorbosos sean reemplazados por pequeños inductores. Los filtros LC pasa-bajas suavizan los pulsos y restauran la forma de la señal en la carga. 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 watts por canal, y sin embargo solamente pesa 21 kg.1 Un pequeño número de amplificadores de bajos también usan tecnología Clase D, como el Yamaha BBT500H, que tiene una potencia nominal de 500 watts y pesa menos de 5 kg.2 En ocasiones se confunde el término "Clase D" como si fuera un amplificador digital. El mapeo de la señal en la etapa de potencia puede ser controlado por una señal analógica o una señal digital. Sólo en el último caso se estaría usando una amplificación completamente digital. Esta clase de operación usa señales de pulso (digitales). El uso de técnicas digitales hace posible obtener una señal que varía a lo largo del ciclo completo para producir la salida a partir de muchas partes de la señal de entrada. La principal ventaja de la operación en clase D es que los transistores MOSFET de salida trabajan solo en corte y saturación por lo que teóricamente no se disipa potencia en forma de calor y la eficiencia general puede ser muy alta, de entre 90% a 99%. En la practica los MOSFETS solo disipan potencia cuando se encuentran conduciendo (saturación) debido a la pequeña resistencia de encendido que poseen, llamada Rdson, de todas maneras esta potencia es despreciable ya que Rdson es del orden de los milihoms. Se utilizan transistores MOSFET ya que son los únicos capaces de conmutar a las elevadas frecuencias de trabajo, del orden de los KHz llegando a los MHz en algunos casos. Este es el tipo básico de amplificador en que los transistores trabajan en conmutación, pasan del estado de corte al de conducción y viceversa de forma instantánea. Su esquema se muestra en la figura a. La señal de entrada, vin, debe ser cuadrada y de suficiente amplitud para llevar los transistores alternativamente de corte a saturación (de corte a zona lineal si son MOSFETs). Trabajando en este modo el transistor se puede asimilar a un interruptor ideal (abierto en corte, cerrado en saturación). Al reemplazar los transistores por interruptores resulta el circuito equivalente que se representa en la figura b.
En este circuito la señal v x es cuadrada de amplitud V CC . El circuito LC está sintonizado a la frecuencia fundamental de vin (la frecuencia de trabajo) y tiene un Q elevado: a R L solo le llega la componente fundamental de v x
además, a esa frecuencia Z in = R L por lo que
Esta corriente circula durante medio periodo por Q N y en el otro medio por Q P . Las tensiones y corrientes en el circuito se muestran en la figura siguiente.
La potencia entregada a la carga es
Y la potencia total disipada es la misma, porque en todo el circuito tan sólo la carga disipa potencia, así que el rendimiento es = 100%. Si los transistores no son ideales, en cuanto a que en conducción no tienen resistencia nula (Ron 0),el circuito equivalente es el que se muestra en la figura c.
La tensión de salida se reduce a
y la potencia de salida a
El rendimiento también se reduce
Este tipo de amplificadores no son lineales (muchas veces ni siquiera ganan en tensión, sólo en corriente), sólo se pueden aplicar a señales de amplitud constante, como por ejemplo las moduladas en PM o en FM (pero de banda muy estrecha), o a señales digitales. En RF no se suelen emplear debido a que las pérdidas de conmutación en los transistores son elevadas. Estas pérdidas se producen en los transitorios de corte a conducción y de conducción a corte, porque durante los transitorios ni la corriente ni la tensión en el transistor son nulas. En RF se emplean los amplificadores clase E y F que emplean un solo transistor trabajando en conmutación y un circuito optimizado para reducir las pérdidas de conmutación.
Adaptadores de impedancia.
Generalmente, los amplificadores de potencia llevan una red adaptadora de impedancia entre el transistor de salida y la carga. El objetivo es doble: primero que la impedancia vista desde el colector del transistor tenga el valor adecuado a la potencia de salida deseada, y segundo, minimizar las perdidas de potencia debidas a los elementos parásitos del transistor. En el amplificador clase A, B o C sin adaptador la amplitud máxima de vo que se puede lograr es V y la máxima potencia que se puede entregar a la carga es CC
Por ejemplo si V CC = 5 V y R L = 50 , que es típica de una antena, la máxima potencia de salida será de 0.25 W. Esta potencia se puede aumentar empleando una red adaptadora de impedancia para conseguir que la impedancia reflejada de R L en colector del transistor sea menor.
En el circuito de la figura, cuando queremos extraer la máxima potencia de un generador con una determinada impedancia de salida, Z o, debemos hacer que la impedancia de carga Z L esté adaptada: Z L = Z o*. No es este el caso, aquí la impedancia de carga está fijada, para que toda la potencia del generador vaya a la carga y no se disipe en su resistencia interna debemos hacer que Z >> Z . o L
La resistencia de salida de los transistores en baja frecuencia es muy alta, funcionan como fuentes de corriente casi ideales, pero en alta frecuencia no es tan alta debido la capacidad de salida. En amplificadores RF es necesario compensar esta capacidad, esta es la otra función de la red adaptadora. La figura 7.14 muestra el circuito equivalente de salida para pequeña señal del amplificador de la figura 7.12, junto con una posible red adaptadora de impedancia. Existe una gran variedad de redes adaptadoras de impedancia aunque a este nivel sólo emplean bobinas, condensadores y transformadores en su construcción.
La impedancia Z 2 es
Si el circuito L2C 1 está sintonizado a la frecuencia de trabajo (), entonces Z 122/1CLo=2 es equivalente a una capacidad C 1 en paralelo con una resistencia de valor L2/ R LC 1 como muestra la figura c.
C
Ahora el condensador C o queda en paralelo con C 1 y con L1. Eligiendo L1 para que el circuito L (C + C ) esté sintonizado a la frecuencia de trabajo, es decir que presente una impedancia 1 o 1 infinita a esa frecuencia, la impedancia equivalente que ve el generador de corriente es la resistencia L2/ R LC 1 (r o es mucho más grande y se puede despreciar). Por ejemplo, si elegimos L2 = 100C 1 y R L = 50 , la impedancia de carga se transforma en 2 . Con V CC = 5 V la potencia que se puede tener ahora a la salida son 6.25 W. Claro que el transistor debe ser capaz de suministrar la corriente necesaria. En la práctica se parte de un
determinado transistor de potencia y se diseña la red adaptadora de impedancia para conseguir la máxima potencia de salida. Modulación de las señales
Las etapas de salida como las utilizadas en un generador de pulsos son ejemplos de amplificadores Clase D. Sin embargo, el término aplica en general a dispositivos diseñados para reproducir señales con un ancho de banda mucho menor a la frecuencia de conmutación. Estos amplificadores usan PWM, modulación por densidad de pulsos, u otras formas más avanzadas de modulación tales como modulación Sigma-Delta. La señal de entrada es convertida a una secuencia de pulsos cuyo valor promedio es directamente proporcional a la amplitud de la señal en ese momento. La frecuencia de los pulsos es típicamente diez o más veces la frecuencia más alta en la señal de entrada. La salida final conmutada consiste en un tren de pulsos cuya anchura es una función de la amplitud y la frecuencia de la señal que está siendo amplificada, y por tanto, estos amplificadores también se denominan amplificadores PWM. La salida contiene, además de la señal amplificada, componentes espectrales no deseades (como la frecuencia del pulso y sus armónicos) que deben ser removidas por un filtro electrónico pasivo. El filtro frecuentemente se construye con componentes sin pérdidas (teóricamente) como inductores y condensadores para mantener la eficiencia. Un amplificador PWM opera de forma similar a una fuente conmutada, excepto porque un amplificador PWM está alimentando un voltaje de señal 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 alimentación pero el amplificador en sí mismo utiliza la conmutación de los dispositivos de salida para lograr la amplificación. Una forma de crear la señal PWM es usando un comparador de alta velocidad ("C" 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 señal de audio. El comparador entonces maneja un controlador de conmutación que a su vez maneja un interruptor de alta potencia (generalmente compuesto de MOSFETs), lo cual genera una réplica de alta potencia de la señal PWM del comparador. Esta salida PWM es conectada a un filtro pasa-bajas que remueve las componentes de alta frecuencia de la señal PWM para recpuerar la información de audio y la pasa a un altavoz. Una frecuencia de conmutación adecuadamente alta es indispensabble para poder obtnener una respuesta en frecuencia razonable y baja distorsión. La mayoría de los amplificadores Clase D usan frecuencias de conmutación superiores a 100 kHz. Estas altas frecuencias requieren que la mayoría de los componentes del amplificador sean capaces de trabajar a alta velocidad. Otra forma de crear la señal PWM es elegida cuando una señal SPDIF u otra forma de alimentación digital está disponible. La señal digital es alimentada a un DSP que emplea software para crear la señal PWM. Ésta no es conectada directamente al MOSFET, sino a una
especie de controlador MOSFET (dentro del controlador de conmutación) que puede entregar las altas corrientes requeridas para hacer al MOSFET trabajar dentro de la región no lineal (es decir, como interruptor y no como amplificador). Dos desafíos considerables para los controladores MOSFET en amplificadores Clase-D es mantener los tiempos muertos y el modo de operación lineal tan corto como sea posible. El "tiempo muerto" es el periodo en la transición de un interruptor durante el cual los dos MOSFETs de salida están en modo de corte y ambos están apagados. Los tiempos muertos necesitan ser tan cortos como sea posible para mantener una salida con poca distorsión, pero los tiempos muertos que son demasiado cortos provocan que el MOSFET que se está encendiendo empiece a conducir antes de que el MOSFET que se está apagando deje de conducir. Los MOSFETS acortan el voltaje de alimentación de salida a través de ellos mismos, una condición llamada "shoot-through". Mientras tanto, los controladores de MOSFET también necesitan controlar a los MOSFETS entre estados de conmutación tan rápidamente como sea posible para minimizar el tiempo en el que un MOSFET está en la zona lineal (es decir, el estado entre corte y saturación donde el MOSFET no está 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 fenómenos típicamente resultan en la falla de los MOSFETs. La repuesta en frecuencia final y la distorsión no dependen solamente de la frecuencia de conmutación y del filtro de salida sino también 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 añadirse 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 señal de audio que sale del amplificador, provocando anomalías en la respuesta en frecuencia final (incluyendo los picos de voltaje, la oscilación y la distorsión). Por tanto, muchos amplificadores Clase D de alta calidad emplean realimentación negativa para corregir anomalías de frecuencia y fase debidas a la impedancia del altavoz y el filtro de cruce. Esto hace el diseño de un amplificador Clase D aún más complejo. Entre las causas de distorsión están el rango tiempo muerto y la interferencia debida a la alta frecuencia de conmutación. Ventajas
A pesar de la complejidad involucrada, un amplificador Clase D propiamente diseñado ofrece los siguientes beneficios: y y y y
Reducción en tamaño y peso del amplificador, Menor pérdida de potencia debido a disipadores de calor menores (o inexistentes), Menor costo debido a disipadores de calor menores y circuitería más compacta, Gran eficiencia de conversión de potencia, usualmente mayor al 90%.
La alta eficiencia de un amplificador Clase D se debe al hecho de que la etapa de conmutación de salida nunca es operada en la región activa (o región lineal para BJTs). En vez de eso, los dispositivos de salida están completamente encendidos o apagados -ambos estados disipando cantidades mínimas de potencia en los dispositivos de salida-. Cuando los dispositivos están encendidos, la corriente a través de ellos es máxima pero el voltaje a través de ellos es (idealmente) cero y cuando los dispositivos están apagados, el voltaje a través de ellos es máximo pero la corriente es igual a cero. En ambos casos, la potencia disipada (V * I) es cero. Todos estos cálculos están basados en circunstancias ideales. En la práctica, siempre hay pérdidas, debidas a fugas, caídas de voltaje, velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia, etc. De cualquier forma, estas pérdidas son suficientemente pequeñas para mantener una alta eficiencia. Esto aún deja la señal con un contenido armónico considerable, que puede ser filtrado. Para mantener una alta eficiencia, el filtrado se hace exclusivamente con componentes reactivos, como inductores y condensadores, los cuales almacenan la energía hasta que se requiera en lugar de convertirla en calor. Bibliografía:
http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/education/telematica/sis_ele_comunicacio/Apuntes/Capitulo% 207.pdf http://www.duiops.net/hifi/enciclopedia/clase-ab.htm http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap10Transmi sores.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_electr%C3%B3nico
