Clases de amplificadores de potencia

En electrónica, el amplificador es el dispositivo de circuito más utilizado con enormes posibilidades de aplicación. En la electrónica relacionada con el audio, el preamplificador y los amplificadores de potencia son dos tipos diferentes de sistemas de amplificación que se utilizan para fines relacionados con la amplificación del sonido. Pero, además de este propósito específico de la aplicación, existen grandes diferencias en varios tipos de amplificadores, principalmente en los amplificadores de potencia. Entonces, aquí exploraremos diferentes clases de amplificadores junto con sus ventajas y desventajas.

Clasificaciones de amplificadores mediante letras

Las clases de amplificador son la identidad del rendimiento y las características del amplificador. Los diferentes tipos de amplificadores de potencia dan diferentes respuestas al pasar corriente a través de ellos. De acuerdo con sus especificaciones, a los amplificadores se les asignan diferentes letras o alfabetos que representan sus clases. Hay diferentes clases de amplificadores a partir de A, B, C, AB, D, E, F, T etc. De esas clases, las clases de amplificadores de audio más comúnmente utilizadas son A, B, AB, C. Otras clases son amplificadores modernos que utilizan topologías de conmutación y la técnica PWM (Modulación de ancho de pulso) para impulsar la carga de salida. A veces, a las versiones mejoradas de las clases tradicionales se les asigna una letra para clasificarlas como una clase diferente de amplificador, como el amplificador de clase G es un amplificador de clase modificado de clase B o amplificador de clase AB.

Las clases del amplificador representan la proporción del ciclo de entrada cuando la corriente pasa a través del amplificador. El ciclo de entrada es el ángulo de conducción que se deriva de la conducción de la onda sinusoidal en la entrada del amplificador. Este ángulo de conducción es altamente proporcional al tiempo de los amplificadores durante un ciclo completo. Si el amplificador está siempre encendido durante un ciclo, el ángulo de conducción será de 360 ​​grados. Entonces, si un amplificador proporciona un ángulo de conducción de 360 ​​grados, entonces el amplificador usó la señal de entrada completa y el elemento activo condujo durante el período de tiempo del 100% de un ciclo sinusoidal completo.

A continuación, demostraremos las clases de amplificadores de potencia tradicionales que van desde las clases A, B, AB y C, y también demostraremos el amplificador de clase D que se usa ampliamente en diseños de conmutación. Estas clases no solo se utilizan en amplificadores de potencia, sino que también se utilizan en circuitos de amplificadores de audio.

Amplificador de clase A

El amplificador de clase A es un amplificador de alta ganancia con alta linealidad. En el caso de un amplificador de clase A, el ángulo de conducción es de 360 ​​grados. Como dijimos anteriormente, un ángulo de conducción de 360 ​​grados significa que el dispositivo amplificador permanece activo durante todo el tiempo y usa la señal de entrada completa. En la siguiente imagen se muestra un amplificador de clase A ideal.

Como podemos ver en la imagen, hay un elemento activo, un transistor. La polarización del transistor permanece encendida todo el tiempo. Debido a esta función de nunca apagar, el amplificador de clase A proporciona una mejor estabilidad de bucle de realimentación y alta frecuencia. Aparte de estas ventajas, el amplificador de clase A es fácil de construir con un componente de un solo dispositivo y un número mínimo de piezas.

A pesar de las ventajas y la alta linealidad, ciertamente tiene muchas limitaciones. Debido a la naturaleza de conducción continua, el amplificador de clase A introduce una gran pérdida de potencia. Además, debido a la alta linealidad, el amplificador de clase A proporciona distorsión y ruidos. La fuente de alimentación y la construcción de polarización necesitan una selección cuidadosa de los componentes para evitar ruidos no deseados y minimizar la distorsión.

Debido a la alta pérdida de potencia en el amplificador de Clase A, emite calor y requiere más espacio en el disipador de calor. La eficiencia es muy pobre en los amplificadores de Clase A, en teoría, la eficiencia varía entre el 25 y el 30% si se usa con la configuración habitual. La eficiencia se puede mejorar utilizando una configuración acoplada inductivamente, pero la eficiencia en tal caso no es más del 45-50%, por lo que solo es adecuada para propósitos de amplificación de baja señal o bajo nivel de potencia.

Amplificador de clase B

El amplificador de Clase B es un poco diferente del de Clase A. Se crea utilizando dos dispositivos activos que conducen la mitad del ciclo real, es decir, 180 grados del ciclo. Dos dispositivos proporcionan un impulso de corriente combinado para la carga.

En la imagen de arriba, se muestra una configuración de amplificador de Clase B ideal. Consiste en dos dispositivos activos que se polarizan uno por uno durante el semiciclo positivo y negativo de la onda sinusoidal y, por lo tanto, la señal se empuja o tira al nivel amplificado desde el lado positivo y negativo y combinando el resultado obtenemos un ciclo completo en la salida.. Cada dispositivo se enciende o se activa la mitad del ciclo y, debido a esto, la eficiencia mejora, en comparación con la eficiencia del 25 al 30% del amplificador de clase A, proporciona más del 60% de eficiencia en teoría. Podemos ver el gráfico de señal de entrada y salida de cada dispositivo en la siguiente imagen. La eficiencia no es más del 78% para el amplificador de clase B . La disipación de calor se minimiza en esta clase proporcionando un espacio de disipador de calor bajo.

Pero esta clase también tiene limitaciones. Una limitación muy profunda de esta clase es la distorsión de cruce. Como dos dispositivos proporcionan cada mitad de las ondas sinusoidales que se combinan y se unen a través de la salida, hay un desajuste (cruzamiento) en la región, donde se combinan dos mitades. Esto se debe a que cuando un dispositivo completa el medio ciclo, el otro necesita proporcionar la misma potencia casi al mismo tiempo cuando el otro termina el trabajo. Es difícil corregir este error en el amplificador de clase A, ya que durante el dispositivo activo el otro dispositivo permanece completamente inactivo. El error proporciona una distorsión en la señal de salida. Debido a esta limitación, es un error importante para la aplicación de amplificadores de audio de precisión.

Amplificador clase AB

Un enfoque alternativo para superar la distorsión cruzada es utilizar el amplificador AB. El amplificador de clase AB utiliza un ángulo de conducción intermedio de las clases A y B, por lo que podemos ver la propiedad del amplificador de clase A y de clase B en esta topología de amplificador de clase AB. Igual que la clase B, tiene la misma configuración con dos dispositivos activos que conducen durante la mitad de los ciclos individualmente pero cada dispositivo polarizado de manera diferente para que no se apaguen completamente durante el momento inutilizable (momento de cruce). Cada dispositivo no abandona la conducción inmediatamente después de completar la mitad de la forma de onda sinusoidal, sino que conduce una pequeña cantidad de entrada en otro medio ciclo. Usando esta técnica de polarización, la falta de coincidencia de cruce durante la zona muerta se reduce drásticamente.

Pero en esta configuración, la eficiencia se reduce a medida que se compromete la linealidad de los dispositivos. La eficiencia sigue siendo mayor que la eficiencia del típico amplificador de Clase A, pero es menor que la del sistema de amplificador de Clase B. Además, los diodos deben elegirse cuidadosamente con exactamente la misma clasificación y deben colocarse lo más cerca posible del dispositivo de salida. En algunas construcciones de circuitos, los diseñadores tienden a agregar resistencias de pequeño valor para proporcionar una corriente de reposo estable en el dispositivo para minimizar la distorsión en la salida.

Amplificador de clase C

Además del amplificador de Clase A, B y AB, hay otro amplificador de Clase C. Es un amplificador tradicional que funciona de manera diferente a las otras clases de amplificadores. El amplificador de clase C es un amplificador sintonizado que funciona en dos modos de funcionamiento diferentes, sintonizado o no sintonizado. La eficiencia del amplificador de clase C es mucho mayor que la de A, B y AB. Se puede lograr una eficiencia máxima del 80% en operaciones relacionadas con la radiofrecuencia

El amplificador de clase C utiliza un ángulo de conducción de menos de 180 grados. Durante el modo no sintonizado , la sección del sintonizador se omite de la configuración del amplificador. En esta operación, el amplificador de clase C también proporciona una gran distorsión en la salida.

Cuando el circuito está expuesto a una carga sintonizada, el circuito fija el nivel de polarización de salida con el voltaje de salida promedio igual al voltaje de suministro. La operación sintonizada se llama abrazadera. Durante esta operación, la señal adquiere su forma adecuada y la frecuencia central se distorsiona menos.

En usos típicos, el amplificador de clase C ofrece una eficiencia del 60-70%.

Amplificador de clase D

El amplificador de clase D es un amplificador de conmutación que utiliza modulación de ancho de pulso o PWM. El ángulo de conducción no es un factor en el caso de que la señal de entrada directa se cambie con un ancho de pulso variable.

En este sistema de amplificador de clase D, no se acepta la ganancia lineal, ya que funcionan como un interruptor típico que solo tiene dos operaciones, ON u OFF.

Antes de procesar la señal de entrada, la señal analógica se convierte en un flujo de pulsos mediante varias técnicas de modulación y luego se aplica al sistema amplificador. Como la duración de los pulsos está relacionada con la señal analógica, se vuelve a reconstruir utilizando un filtro de paso bajo en la salida.

El amplificador de clase D es la clase de amplificador de mayor eficiencia energética en los segmentos A, B, AB, C y D. Tiene una disipación de calor más pequeña, por lo que se necesita un disipador de calor pequeño. El circuito requiere varios componentes de conmutación como MOSFET que tienen poca resistencia.

Es una topología ampliamente utilizada en reproductores de audio digital o también en el control de motores. Pero debemos tener en cuenta que no es un convertidor digital. Aunque, para frecuencias más altas, el amplificador de clase D no es una opción perfecta, ya que tiene limitaciones de ancho de banda en algunos casos dependiendo del filtro de paso bajo y las capacidades del módulo convertidor.

Otras clases de amplificadores

Aparte de los amplificadores tradicionales, hay pocas clases más, que son clase E, clase F, clase G y H.

El amplificador de clase E es un amplificador de potencia de alta eficiencia que utiliza topologías de conmutación y funciona en radiofrecuencias. Un elemento de conmutación de un solo polo y la red reactiva sintonizada es el componente principal a utilizar con el amplificador de clase E.

La clase F es un amplificador de alta impedancia con respecto a los armónicos. Puede impulsarse mediante onda cuadrada o sinusoidal. Para la entrada de onda sinusoidal, este amplificador se puede sintonizar usando un inductor y se puede usar para aumentar la ganancia.

La clase G usa conmutación de riel para disminuir el consumo de energía y mejorar el rendimiento de eficiencia. Y la Clase H es la versión mejorada de la Clase G.

Las clases adicionales son amplificador de propósito especial. En algunos casos, el fabricante proporciona las letras para indicar su diseño patentado. Un mejor ejemplo es el amplificador de clase T, que es una marca comercial de un tipo especial de amplificador de clase D de conmutación, utilizado para las tecnologías de amplificador de Tripath, que es un diseño patentado.