Amplificadores de potencia de clase D – Diagrama de circuito, operación y aplicaciones:
Históricamente, los amplificadores de audio se han configurado como clase A, clase B o clase AB y el arte del diseño es bien conocido. También bien conocido es la mala eficiencia de estos amplificadores en comparación con la de los amplificadores de clase D.
Mientras que la mejor eficiencia teórica para los amplificadores de clase B es del 78.5%, el límite superior práctico es más del 70% al conducir una carga puramente resistiva.
Pero al conducir cargas reales de altavoces que pueden tener ángulos de factor de potencia de 60 ° o más, la eficiencia puede bajar al 55% o menos. Sin embargo, los amplificadores de potencia de clase D pueden alcanzar eficiencias del 90%, y con las opciones cuidadosas de componentes puede exceder el 95% incluso.
Además, el factor de potencia de la carga no afecta las pérdidas de potencia en el estado en los interruptores MOSFET normalmente utilizados en tales amplificadores.
Utilizando técnicas de clase D, los amplificadores capaces de entregar varios cientos de vatios a la carga pueden diseñarse utilizando pequeños disipadores de calor estampados y pequeños.
La eficiencia de los amplificadores de clase D abre la posibilidad de que se diseñen hoy los potentes amplificadores de luz con buena calidad de sonido.
Un amplificador de potencia de Clase D está diseñado para operar con señales digitales o de tipo pulso.
Sin embargo, es necesario convertir cualquier señal de entrada en una forma de onda de tipo pulso antes de usarla para conducir una gran carga de energía y convertir la señal nuevamente en una señal de tipo sinusoidal para recuperar la señal original.
La Figura 17.23 ilustra cómo se puede convertir una señal sinusoidal en una señal de tipo pulso que usa alguna forma de diente de sierra o forma de onda de corte para aplicar con la entrada en un circuito OP-AMP de tipo comparador para que se genere una señal de tipo de pulso representativa.
Si bien la letra D se usa para describir el siguiente tipo de operación de sesgo después de la Clase C, la D también podría considerarse como «digital», ya que esa es la naturaleza de las señales proporcionadas al amplificador de Clase D.
La figura 17.24 muestra un diagrama de circuito de un amplificador de potencia de clase D transistorizado requerido para amplificar la señal digital y luego volver a la señal de tipo sinusoidal que emplea un filtro de paso bajo.
Implica una forma de onda de diente de sierra de referencia para suministrar a un comparador junto con la señal de audio de entrada bajo amplificación.
La salida del comparador es una señal de ancho de pulso modulada (PWM) que se suministra al amplificador del controlador de compuerta para cambiar alternativamente los transistores. Los dispositivos de potencia MOSFET han sido bastante populares como dispositivos de controlador para amplificadores de potencia de clase D.
La salida en el punto X es una señal PWM que se balancea entre VDD y tierra. Esta señal PWM es una forma modulada de la señal de audio de entrada. Para convertirlo de nuevo a la señal de audio, se logra el filtrado de paso bajo empleando filtros de paso bajo de alto orden. El LF, CF son los componentes del filtro de paso bajo.
El conductor debe encender cualquiera de los dos MOSFET a la vez, porque si ambos MOSFET se activan simultáneamente, VDD se acortará a tierra. Por eso, dos señales separadas con cierta brecha, conocidas como tiempo muerto, se usa para conducir la puerta de los dos MOSFET.
Durante el tiempo muerto, un MOSFET tiene suficiente tiempo para apagar por completo para que el otro pueda activarse ahora. El tiempo muerto más grande reduce la eficiencia de la operación. Los MOSFET en particular tienen diodo corporal que actúa como un condensador parásito y aumenta el tiempo de conmutación.
Por lo tanto, para reducir el tiempo de conmutación de los transistores, los diodos Schottky se emplean en paralelo a la fuente y drenan a la velocidad de conmutación del transistor. Esto reduce el tiempo muerto que mejora la eficiencia de la operación.
Dado que los dispositivos de transistores de amplificador utilizados para proporcionar la salida están básicamente fuera o encendidos, proporcionan corriente solo cuando están encendidos, con poca pérdida de potencia debido a su bajo voltaje.
Como la mayor parte de la alimentación suministrada al amplificador se transfiere a la carga, la eficiencia del circuito suele ser muy alta.
La eficiencia de los amplificadores de potencia de clase D está determinada en gran medida por la relación de la resistencia de carga a la resistencia total del bucle de CC, que es la suma de la RDC (ON) de los MOSFET, la resistencia al cable (incluido el filtro de salida) y la resistencia de sentido de corriente si se usa, y la resistencia de la carga.
Para la mayor eficiencia, las resistencias MOSFET RDC (ON), las resistencias de derivación y filtro deben ser pequeñas en comparación con la resistencia de la carga.
En las aplicaciones de clase D de audio, se emplean MOSFET en lugar de IGBT y BJT porque las frecuencias de conmutación requeridas para mantener una distorsión baja a las frecuencias de señal de 20 kHz pueden exceder los 150 kHz y ni los transistores de potencia bipolares ni los IGBT cambian de manera eficiente a frecuencias tan altas.
Aunque la clase A, la clase AB y la clase B, los amplificadores se emplean principalmente como amplificadores de potencia, los amplificadores de potencia de clase D son populares debido a su muy alta eficiencia. Los amplificadores de clase C encuentran el uso en los circuitos sintonizados empleados en las comunicaciones.