¿Cómo funcionan los amplificadores clase D?

¿Cómo funcionan los amplificadores clase D?
Juan Carlos G2020-10-27

¿Cómo estás? Espero que muy bien, hoy vamos a navegar de nuevo por los mares de electrónica, pues conocerás un amplificador de potencia que, si bien no es muy conocido, tiene una fuerte aplicación en muchos sistemas electrónicos de sonido que posiblemente usas día a día; este componente tan misterioso es el amplificador clase D.

El objetivo es que al final de esta lección sepas aplicar lo aprendido en este post de una manera profesional, tanto de forma teórica como práctica, sabiendo reconocer el funcionamiento, características y las múltiples ventajas que te puede proporcionar un amplificador tipo D.

¿Quieres conocer los temas puntuales que estas a punto de conocer? Descuida, que como ya es costumbre por aquí, te dejo todo el contenido que estamos a punto de explorar.

 

 

¿Qué es el amplificador clase D?

El amplificador de conmutación, o simplemente llamado amplificador clase D, es un tipo de amplificador electrónico orientado a los sistemas de audio y modulación, lo que significa que vienen a rivalizar con los amplificadores tradicionales:

Pues los de tipo D presentan ciertas ventajas contra estos dos tipos de amplificadores analógicos (ventajas que más adelante conocerás).

 

Ejemplo amplificador clase D

 

Esta clase es especial si lo comparamos con otros tipos de amplificadores, pues su funcionamiento se basa completamente en sus transistores y sus estados, es decir, si estos están completamente apagados o funcionando al cien porciento.

Por esta característica de funcionamiento, se dice que el amplificador tipo D es de naturaleza digital. En cambio, los amplificadores clase AB funcionan en un modo lineal, presentando en algunas aplicaciones especificas una considerable perdida de energía.

Gracias a la característica que te mencioné, los amplificadores de conmutación presentan una eficiencia muy alta, siendo aplicados en muchos sistemas de refuerzo de sonido.

Ahora, veamos cómo funciona este amplificador, desde su diagrama electrónico y de bloques, hasta conocer como realiza la modulación y sus formulas matemáticas.

 

Funcionamiento del amplificador clase D

Circuito de un amplificador clase D

 

El comportamiento del amplificador clase D es especial, pues pareciera que se comporta igualito a una fuente de alimentación de tipo conmutado; no obstante, tiene muchas otras características sorprendentes que le hacen un amplificador muy eficiente, tal como te lo comenté en la introducción.

  • La primera etapa del amplificador consiste en procesar y convertir la señal de entrada analógica en onda PWM, con el objetivo de activar o desactivar los transistores de tipo FET (Q1 y Q2).
  • Posterior al proceso de señal analógica y a la modulación, está la etapa de salida, donde se puede encontrar un filtro paso bajos LC, con el objetivo de recuperar la onda analógica a la hora de salir por el altavoz.
  • Esta última parte del filtro puede diferir con algunos amplificadores, más a delante lo conocerás en el apartado de filtros.

 

Conversión de señal analógica a PWM

Cómo pudiste ver anteriormente, donde inicia todo el funcionamiento del amplificador tipo D es en el procesamiento de una señal analógica de entrada, para que en seguida sea transformada en una forma de onda con modulación de ancho de pulsos o también llamado PWM.

Esta transformación tan importante sucede gracias a que la forma de onda analógica pasa a través de una entrada de un amplificador comparador, mientras que en la otra entrada del comparador se aplica una onda en forma de triángulo con la frecuencia de conmutación que se necesita.

En pocas palabras, se logra obtener una señal PWM con el uso de un comparador el cual procesa una señal analógica de entrada y una función de onda triangular. Los anchos de pulso de esta nueva señal PWM dependerá directamente de la amplitud que tenga la señal de entrada.

 

Forma de onda de salida

Al final, esta señal PWM pasa por un filtro LC para que se recupere la forma de onda analógica, debilitando las frecuencias altas y abriendo paso a las frecuencias bajas. En este caso, si la señal de entrada aumenta, el nivel alto de la señal tendrá mucho más tiempo que el estado de apagado o estado bajo.

Como te dije, esto puede variar dependiendo del amplificador clase D con el que se trabaje. Muchos modelos no manejan señales PWM sino señales PDM, una forma de onda con modulación por densidad de pulsos.

Esta forma de onda se caracteriza por estar constituida de pulsos en forma rectangular que se aplican en pequeños lapsos de tiempo; no obstante, esta señal sigue dependiendo de la amplitud de la señal de entrada (la densidad de los pulsos depende del valor de esta amplitud).

Forma de onda de salida amplificador clase D

La amplitud de una señal de salida de onda cuadrara se puede calcular de la siguiente forma:

Formula de la amplitud

 

Eficiencia

Una de las características más destacada de los amplificadores clase D, es su alta eficiencia a lado de otros amplificadores, como el tipo A o el AB. La eficiencia máxima teórica que puede llegar a alcanzar un amplificador clase D es del 100%; no obstante, dentro de la práctica ese porcentaje se reduce al 90%, ¡un porcentaje demasiado alto!

Otro aspecto importante es la alta eficiencia que posee las señales PWM, lo cual se ve reflejado en el poco consumo de energía, para una potencia de salida en el amplificador; además, los requisitos del disipador de calor se hacen menos estrictos, y por lo tanto, el amplificador es más liviano y reducido. Todas estas ventajas que aporta la eficacia del amplificador clase D, hacen que la autonomía del sistema donde estén aplicados sea mucho más alta.

 

Amplificador clase D CMOS

El modelo del amplificador clase D CMOS nace gracias a la aplicación de transistores FET y su comportamiento como interruptores, los cuales tienen mayores prestaciones y aportan eficiencia al amplificador; además, de aquí surgen las diversas fórmulas matemáticas que nos ayudarán a calcular muchos aspectos del amplificador.

Diagrama de un amplificador clase D con CMOS

 

Para calcular el voltaje de salida, hacemos uso de la siguiente expresión:

Formula voltaje de salida amplificador D CMOS

Para calcular la potencia de entrada:

Formula de la potencia de salida del amplificador D CMOS

Para calcular la potencia de salida:

Formula de la potencia de salida del amplificador D CMOS

 

Ventajas

Algunas ventajas que puedes encontrar al utilizar los amplificadores de clase D son las siguientes:

  • Se reduce considerablemente el peso y el tamaño del amplificador.
  • Existe una menor pedida de energía.
  • Como consecuencia del punto anterior, se necesitan muy pocos disipadores de calor.
  • Tiene una alta eficiencia en su consumo de energía.
  • Alta eficiencia en la conversión de potencia.
  • Costos muy bajos.

 

Desventajas

Como sabes, nada es perfecto, por lo que ahora te menciono algunas desventajas que el amplificador tipo D tiene:

  • Requiere un minucioso diseño, pues de lo contrario, la calidad del sonido utilizando este amplificador será muy baja.
  • Para un funcionamiento eficaz, el amplificador clase D requiere filtros LC externos.
  • Los amplificadores conmutadores no trabajan bien si se le aplica altas frecuencias.
  • Puedes encontrar en el mercado amplificadores tipo D de muy baja calidad, pues son muy fáciles de construir.

 

Topologías del amplificador tipo D

En los amplificadores tipo D existen dos topologías básicas:

  • Topología medio puente (la cual se caracteriza por tener dos dispositivos de salida)
  • Y tipología de puente completo (se caracteriza por tener hasta cuatro dispositivos de salida disponibles).

Cada una de estas topologías tiene distintas características y ventajas que las hacen ideales a muchas aplicaciones dentro de la electrónica y la amplificación; dichas características estas a punto de conocer:

 

Topología de medio puente (Half bridge)

Diagrama del amplificador clase D half bride

 

La estructura de esta topología consta de dos condensadores, los cuales tienen un mismo valor y están en serie a través de la señal de entrada de corriente directa (CD); esta conexión tiene como objetivo que cada condensador logre cargarse a la mitad del voltaje de entrada. Esta topología suele incluir un inversor, el cual contiene transistores que pueden soportar altos valores de voltaje, incluso llegan a soportar el mismo valor de voltaje que tiene el voltaje de entrada. 

La topología Half Bridge tiene como ventaja significativa su simplicidad; es una topología relativamente sencilla si se compara con la topología de puente completo; además, gracias a su flexibilidad de construcción el Half Bridge puede puentearse como en otras topologías más clásicas, como la Push-Pull.

 

Topología de puente completo (Full bridge)

Diagrama del circuito amplificador clase D full bridge

 

La topología de puente completo o también llamada como carga ligada en puente (BTL) está constituida por cuatro semiconductores, los cuales tienen la función de interruptor conectados a una fuente de alimentación de corriente directa. La ventaja de esta topología se encuentra en su potencia.

La salida de potencia en esta configuración es más alta para los mismos valores de alimentación que presenta la topología half bridge; además, la topología full bridge posee su carga entre los rieles positivos y negativos, lo que provoca que se cuadruplique la salida de potencia, por eso se dice que esta topología puede manejar cuatro dispositivos de salida. Lamentablemente estas ventajas se ven opacadas por la complejidad que presenta el realizar y estudiar este tipo de configuración.

 

Filtros

Conociendo ya las características de funcionamiento de este amplificador, podrás ya imaginarte que un aspecto muy importante dentro de los amplificadores clase D, es el diseño y la aplicación de filtros en la salida de estos componentes, pues el filtro es un dispositivo que ayuda a la estabilización de una señal, ya sea de entrada o, como es en este caso, de salida.

Al hablar de filtros dentro del campo de los amplificadores de conmutación, podemos encontrar dos tipos amplificadores:

  • Los que utilizan un filtro paso bajo o LC de segundo orden.
  • Y aquellos que no requieren un filtro de salida gracias a su diseño.

No te preocupes, que a continuación veremos detalles de cada uno de ellos.

 

Amplificadores clase D sin filtro de salida

Los amplificadores de clase D sin filtro de salida utilizan en su diseño una estructura de modulación muy interesante, llamada modulación sin filtro, la cual está basada en la inductancia del altavoz y del filtro de banda pasante que posee nuestro oído humano, con la misión de recuperar señales de audio si estas llegan a perderse o deformarse.

Esta modulación se caracteriza por modular todo ciclo de trabajo que exista en la diferencia de los voltajes o señales de salida, con el objetivo de que el valor promedio de dicho ciclo de trabajo coincida con la señal analógica que está siendo inducida en la entrada del amplificador; todo esto es posible gracias a su complejo sistema de conmutación.

Gracias a este esquema, las salidas de topología BTL están relacionadas, pero ya no realizan una complementación entre ellas, ocasionando que no exista una diferencia critica de tensión en la carga. Esto también influye fuertemente en el consumo de potencia en reposo, pues esta disminuye de forma considerable. Todos estos eventos ocurren por si solos, sin la necesidad de un filtro LC en la salida del amplificador.

 

Amplificadores clase D con filtro de salida

Estos son los más comunes que puedes encontrar en el mercado, pues una de sus ventajas es que puedes diseñar libremente el filtro de salida apegándote a las características del amplificador; si el diseño que realizaste es efectivo y funciona a la perfección, el amplificador clase D puede ser más eficiente de lo que es.

Sin embargo, quizá ahora mismo te estés preguntando ¿Por qué un amplificador clase D requiere de un filtro de salida? Pues todo tiene que ver con el sistema de conmutación de los amplificadores clase D tradicionales (si, porque no todos tienen el sistema de conmutación necesario para no ocupar filtro de salida).

Los amplificadores de conmutación tradicionales utilizan un sistema de conmutación llamado modulación CA (modulación en Corriente Alterna). Dentro de esta modulación, existe un ciclo de trabajo que se encarga de modular la forma de onda rectangular (la cual puedes ver a través de un osciloscopio) con el objetivo de que el valor de dicha onda coincida con el valor de tensión que posee la señal analógica de entrada.

Dentro de esta modulación, las salidas de topología BTL están relacionadas y si se complementan, por lo que no existe conmutación alguna de modo común en la salida del amplificador.

No obstante, esta modulación permite que exista una tensión de corriente continua (CC) de modo común, la cual es provocada por el valor promedio que tiene la conmutación PWM.

Si el amplificador en cuestión no tiene entrada, conmutará a una frecuencia nominal de PWM, con un ciclo de trabajo que rebasa el 40% aplicado a la carga, ocasionando un aumento del flujo de corriente y una alta disipación de potencia en reposo en la carga.

Todo lo anterior se logra mitigar utilizando un filtro LC de segundo orden en la salida, con el objetivo de mejorar la eficiencia del amplificador (reducción de disipación de la potencia y disminución de pérdidas de conducción) al bajar la corriente de ondulación.

En palabras más resumidas (y quizá más entendibles), la onda del PWM tiene que pasar a través de este filtro para que puedan pasar libremente las señales de baja frecuencia y las de alta frecuencia sean debilitadas.

filtro en un amplificador clase D

 

Retroalimentación

La retroalimentación que utilizan los amplificadores clase D (y también los de otras clases) es la retroalimentación negativa global; esta retroalimentación es más que necesaria, pues sin ella la ganancia dependería directamente de los transistores, los cuales tiene parámetros que son complejos de controlar; además, la distorsión que existiría en el amplificador sería excesivamente grande.

Algunas de las causas de distorsión más comunes que suceden gracias a los elementos pasivos, son las siguientes:

  • Microfonía debido a los capacitores electrolíticos e inductancias a altas frecuencias.
  • Alto ruido térmico, ocasionado por acoplamientos magnéticos o resistencias de carbón.
  • Ruido electromagnético, ocasionado por transformadores o por el comportamiento no lineal a frecuencias altas o bajas.

Volviendo a la retroalimentación, en los diseños de un amplificador clase D esta puede tomarse desde el nodo de conmutación hasta la salida del filtro LC (esta última es la técnica más usada).

 

Circuitos integrados de amplificadores clase D

Nos vamos acercando al final de este artículo, ¡que emoción! Por eso mismo, es hora de que conozcas los diversos circuitos integrados de amplificadores clase D que existen en el mercado y puedes adquirir en tiendas de electrónica y música.

Veamos los principales circuitos integrados pertenecientes a los amplificadores conmutadores que existen.

  • TPA3116: este circuito integrado fabricado por la empresa Texas Instruments es un amplificador clase D tipo estéreo, funcional para repuestos y proyectos electrónicos. Posee una eficiencia que supera fácilmente el 90% y acepta diversas configuraciones sobre la potencia de salida. Incluye 2 canales a 50 vatios en una carga de 4 Ω a 21 volts, de topología Full bridge.
  • TPA3126: es la continuación de la serie TPA3116, pues los 3126 poseen una mejora en su rendimiento. Posee una reducción de la corriente inactiva de hasta un 70% gracias a un esquema de modulación; esto tiene como objetivo el prolongar la vida útil de la batería y aumentar la eficiencia del amplificador.
  • TPA2001: este es el circuito integrado más sencillo que existe en el mercado, pues es un amplificador del tipo “conectar y usar” y no requiere un filtro de salida. Este amplificador clase D es de tipo estéreo de 1 vatio por canal. Posee una corriente de suministro baja, un diseño basado en el esquema de modulación sin filtro de tipo D y un umbral de ruido bajo. Utiliza la topología Full bridge.
  • IRS2092: este circuito integrado es el más utilizado cuando se estén trabajando tensiones muy altas. Posee 16 pines (8 en cada extremo), en los cuales se encuentran sus entradas flotantes, las cuales tienen la propiedad de aceptar una implementación de configuración Half bridge. Su potencia de salida va desde los 100 volts hasta los 500 W de potencia en su salida; además, presenta una eficiente inmunidad al ruido alto.

 

Aplicaciones

Finalmente, el amplificador clase D tiene su aplicación más fuerte en aquellos sistemas que requieren de refuerzo de sonido, ya que esta aplicación necesita una alta potencia de salida, y los amplificadores de conmutación son ideales para esto. También tienen fuerte presencia en algunos amplificadores individuales para guitarras y bajos, como los Yamaha o las guitarras Fender.

Inclusive, si te atreves a buscar en internet más sobre los amplificadores clase D, te puedes encontrar muchos foros web sobre música donde los usuarios preguntan sobre las ventajas y desventajas que tiene el utilizar amplificadores clase D para sus sistemas de audio.

En resumen, los amplificadores clase D son aplicados a los circuitos de audio y dispositivos que requieren una potencia de salida alta.

¡Hemos llegado al final! Ha sido un viaje un poco largo, pero vimos cosas muy sencillas de entender y que te ayudarán mucho si decides estudiar más a fondo los amplificadores clase D o utilizarlos; incluso si decides estudiar más sobre los amplificadores en general, este articulo te da las bases para hacerlo, tanto en campo teórico como en campo práctico.

Aunque los amplificadores clase D sean una tecnología no muy conocida por el público general, posee muchas ventajas que le brinda su eficiencia energética y de potencia frente a otros tipos de amplificadores. Los diversos amplificadores en circuito integrado que puedes encontrar en tiendas de electrónica ofrecen una aplicación fácil y rápida de este dispositivo, independiente de la topología que utilicen o de qué tipo de filtro manejen en su salida. Sin duda, los amplificadores de conmutación valen la pena ser conocidos.

Y como ya es costumbre por estos valles, antes de irme te dejo algunos puntos que valen la pena recordar llegados a este final:

  • La clase D es un tipo de amplificador electrónico orientado a los sistemas de audio y modulación.
  • Una de las características principales, es su alta eficiencia energética y de potencia, pues debido a su conmutación, hay poco consumo eléctrico de parte de los transistores.
  • Los clase D transforman mediante un comparador una señal de entrada analógica a una señal PWM.
  • Existen dos tipologías para este amplificador: tipología Half Bridge y Full Bridge o BTL.
  • El filtro de salida en los amplificadores clase D es un filtro paso bajo LC.
  • La retroalimentación que se aplica a los amplificadores clase D es la retroalimentación negativa global.

Y así es como hemos terminado. Espero que hayas aprendido muchísimo, no olvides compartir este articulo a algún amigo/a que lo necesite.

Jamás dejes de aprender y, sobre todo, de practicar, viajera/o. ¡Hasta el siguiente post!

 

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          Juan Carlos G

          Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

          Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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