Classes d'amplificadors de potència

En electrònica, l'amplificador és el dispositiu de circuit més utilitzat amb enormes possibilitats d'aplicació. A l'electrònica relacionada amb l'àudio, els preamplificadors i els amplificadors de potència són dos tipus diferents de sistemes d'amplificació que s'utilitzen amb finalitats relacionades amb l'amplificació del so. Però, a part d’aquest propòsit específic de l’aplicació, hi ha enormes diferències en diversos tipus d’amplificadors, principalment en els amplificadors de potència. Aquí explorarem diferents classes d’amplificadors juntament amb els seus avantatges i desavantatges.

Classificacions dels amplificadors mitjançant lletres

Les classes d'amplificadors són la identitat del rendiment i les característiques de l'amplificador. Diferents tipus d'amplificadors de potència donen respostes diferents en passar-hi corrent. Segons les seves especificacions, als amplificadors se'ls assignen diferents lletres o alfabets que representen les seves classes. Hi ha diferents classes d'amplificadors a partir d'A, B, C, AB, D, E, F, T etc. D’entre aquestes classes, les classes d’amplificadors d’àudio més utilitzades són A, B, AB, C. Altres classes són amplificadors moderns que utilitzen topologies de commutació i tècnica PWM (Pulse Width Modulation) per impulsar la càrrega de sortida. De vegades, a la versió millorada de les classes tradicionals se’ls assigna una lletra per classificar-los com una classe diferent d’amplificador, com l’amplificador de classe G és un amplificador modificat de la classe B o de la classe AB.

Les classes de l'amplificador representen la proporció del cicle d'entrada quan es passa el corrent a través de l'amplificador. El cicle d'entrada és l'angle de conducció que deriva de la conducció d'ona sinusoidal a l'entrada de l'amplificador. Aquest angle de conducció és altament proporcional amb els amplificadors a temps durant un cicle complet. Si l'amplificador sempre està engegat durant un cicle, l'angle de conducció serà de 360 ​​graus. Per tant, si un amplificador proporciona un angle de conducció de 360 ​​graus, l’amplificador va utilitzar un senyal d’entrada complet i l’element actiu realitzat durant el període de temps del 100% d’un cicle sinusoïdal complet.

A continuació, demostrarem classes tradicionals d'amplificadors de potència que van des de les classes A, B, AB i C, i també demostrarem l'amplificador de classe D que s'utilitza àmpliament en dissenys de commutació. Aquestes classes no només s’utilitzen en amplificadors de potència, sinó també en circuits d’amplificadors d’àudio.

Amplificador de classe A.

L’amplificador de classe A és un amplificador d’alt guany amb alta linealitat. En el cas de l'amplificador de classe A, l'angle de conducció és de 360 ​​graus. Com hem dit anteriorment, un angle de conducció de 360 ​​graus significa que el dispositiu amplificador roman actiu durant tot el temps i fa servir un senyal d’entrada complet. A la imatge següent es mostra un amplificador ideal de classe A.

Com podem veure a la imatge, hi ha un element actiu, un transistor. El biaix del transistor roman actiu tot el temps. Gràcies a aquesta funció que no desactiva mai, l' amplificador de classe A proporciona una millor estabilitat del bucle de retroalimentació i alta freqüència. A part d'aquests avantatges, l'amplificador de classe A és fàcil de construir amb un component d'un sol dispositiu i un recompte mínim de peces.

Malgrat els avantatges i l’alta linealitat, certament, té moltes limitacions. A causa de la seva conducta contínua, l' amplificador de classe A introdueix una gran pèrdua de potència. A més, a causa de l’alta linealitat, l’amplificador de classe A proporciona distorsió i sorolls. La font d'alimentació i la construcció de polarització necessiten una selecció acurada dels components per evitar sorolls no desitjats i minimitzar la distorsió.

A causa de l’alta pèrdua de potència de l’amplificador de classe A, emet calor i requereix més espai per al dissipador de calor. L'eficiència és molt baixa en els amplificadors de classe A, en teoria, l'eficiència varia entre un 25 i un 30% si s'utilitza amb la configuració habitual. L'eficiència es pot millorar utilitzant una configuració acoblada inductivament, però l'eficiència en aquest cas no és superior al 45-50%, per tant , només és adequada per a amplificacions de baix senyal o baix nivell de potència.

Amplificador de classe B.

L’amplificador de classe B és una mica diferent del de la classe A. Es crea amb dos dispositius actius que condueixen la meitat del cicle real, és a dir, 180 graus del cicle. Dos dispositius proporcionen unitat de corrent combinada per a la càrrega.

A la imatge anterior, s’ha mostrat una configuració d’amplificador Ideal Classe B. Consta de dos dispositius actius que es polaritzen un a un durant el mig cicle positiu i negatiu de l’ona sinusoidal i, per tant, el senyal s’empeny o s’estira al nivell amplificat des del costat positiu i negatiu i combina el resultat obtenint un cicle complet a la sortida. Cada dispositiu es va encendre o es va activar a la meitat del cicle i, gràcies a això, l'eficiència millora, en comparació amb l'eficiència del 25-30% de l'amplificador de classe A, proporcionant més d'un 60% d'eficiència teòricament. Podem veure el gràfic de senyals d’entrada i sortida de cada dispositiu a la imatge següent. L'eficiència no és més de l'78% per l'amplificador de classe B . La dissipació de calor es redueix al mínim en aquesta classe, proporcionant un espai de dissipador de calor baix.

Però aquesta classe també té limitacions. Una limitació molt profunda d’aquesta classe és la distorsió creuada. Com que dos dispositius proporcionen cada meitat de les ones sinusoïdals que es combinen i s'uneixen a través de la sortida, hi ha un desajustament (creuat) a la regió, on es combinen dues meitats. Això es deu al fet que quan un dispositiu completa el mig cicle, l'altre necessita proporcionar la mateixa potència gairebé al mateix temps quan un altre acaba la feina. És difícil solucionar aquest error a l'amplificador de classe A, ja que durant el dispositiu actiu l'altre dispositiu roman completament inactiu. L'error provoca una distorsió del senyal de sortida. A causa d’aquesta limitació, és un error important en l’aplicació d’amplificadors d’àudio de precisió.

Amplificador de classe AB

Un enfocament alternatiu per superar la distorsió creuada és utilitzar l'amplificador AB. L’amplificador de classe AB utilitza un angle de conducció intermedi de les classes A i B, per tant podem veure la propietat de l’amplificador de classe A i de classe B en aquesta classe AB de topologia d’amplificadors. Igual que la classe B, té la mateixa configuració amb dos dispositius actius que condueixen individualment durant la meitat dels cicles, però cada dispositiu es polaritza de manera diferent per tal que no quedin completament apagats durant el moment inutilitzable (moment de creuament). Cada dispositiu no surt de la conducció immediatament després de completar la meitat de la forma d'ona sinusoïdal, sinó que condueix una petita quantitat d'entrada en un altre mig cicle. Mitjançant aquesta tècnica de polarització, es redueix dràsticament el desajustament entre els punts creuats durant la zona morta.

Però en aquesta configuració, l’eficiència es redueix a mesura que es compromet la linealitat dels dispositius. L'eficiència segueix sent més que l'eficiència d'un amplificador típic de classe A, però és inferior al sistema d'amplificador de classe B. A més, els díodes han de triar-se acuradament amb la mateixa qualificació exacta i han de situar-se el més a prop possible del dispositiu de sortida. En algunes construccions de circuits, els dissenyadors tendeixen a afegir resistències de petit valor per proporcionar un corrent en repòs estable al dispositiu per minimitzar la distorsió a la sortida.

Amplificador de classe C.

A part dels amplificadors de classe A, B i AB, hi ha un altre amplificador de classe C. És un amplificador tradicional que funciona de manera diferent que la resta d’amplificadors. L’amplificador de classe C és un amplificador sintonitzat que funciona en dos modes de funcionament diferents, sintonitzats o desafinats. L'eficiència de l'amplificador de classe C és molt més que l'A, B i AB. Es pot aconseguir una eficiència màxima del 80% en operacions relacionades amb la freqüència de ràdio

L’amplificador de classe C utilitza un angle de conducció inferior a 180 graus. Durant el mode no sintonitzat , la secció del sintonitzador s'omet a la configuració de l'amplificador. En aquesta operació, l' amplificador de classe C també proporciona una distorsió enorme a la sortida.

Quan el circuit està exposat a una càrrega sintonitzada, el circuit fixa el nivell de biaix de sortida amb la tensió de sortida mitjana igual a la tensió d’alimentació. L'operació sintonitzada s'anomena clamper. Durant aquesta operació, el senyal té la seva forma adequada i la freqüència central es va distorsionar menys.

En usos típics, l'amplificador de classe C proporciona un 60-70% d'eficiència.

Amplificador de classe D.

L’amplificador de classe D és un amplificador de commutació que utilitza la modulació d’amplada de pols o PWM. L'angle de conducció no és un factor en aquest cas, ja que el senyal d'entrada directa es canvia amb una amplada de pols variable.

En aquest sistema d'amplificador de classe D, no s'accepta el guany lineal ja que funcionen igual que un interruptor típic que només té dues operacions, ON o OFF.

Abans de processar el senyal d’entrada, el senyal analògic es converteix en un flux d’impulsos mitjançant diverses tècniques de modulació i després s’aplica al sistema amplificador. Com que la durada dels polsos està relacionada amb el senyal analògic, es torna a reconstruir mitjançant un filtre de pas baix a través de la sortida.

L’amplificador de classe D és la classe d’amplificadors d’eficiència energètica més alta del segment A, B, AB i C i D. Té una dissipació de calor menor, de manera que calen dissipadors de calor petits. El circuit requereix diversos components de commutació, com ara MOSFETs, amb una resistència baixa.

És una topologia àmpliament utilitzada en reproductors d'àudio digitals o també en el control dels motors. Però hem de tenir en compte que no és un convertidor digital. Tot i que, per a freqüències més altes, l'amplificador de classe D no és una opció perfecta, ja que té limitacions d'ample de banda en pocs casos, depenent de les capacitats del filtre de pas baix i del mòdul convertidor.

Altres classes d'amplificadors

A part dels amplificadors tradicionals, hi ha poques classes més, que són de classe E, classe F, classe G i H.

L’amplificador de classe E és un amplificador de potència molt eficient que utilitza topologies de commutació i funciona en freqüències de ràdio. Un element de commutació monopolar i la xarxa reactiva sintonitzada són el component principal que s’utilitza amb l’amplificador de classe E.

La classe F és un amplificador d’alta impedància pel que fa als harmònics. Es pot conduir mitjançant ona quadrada o sinusoïdal. Per a l'entrada d'ona sinusoïdal, aquest amplificador es pot sintonitzar mitjançant un inductor i es pot utilitzar per augmentar el guany.

La classe G utilitza la commutació de ferrocarril per reduir el consum d'energia i millorar el rendiment de l'eficiència. I la classe H és la versió millorada de la classe G.

Les classes addicionals són amplificadors especials. En alguns casos, les cartes les proporciona el fabricant per indicar el seu disseny propietari. Un dels millors exemples és l'amplificador de classe T, que és una marca comercial d'un tipus especial d'amplificador de commutació de classe D, que s'utilitza per a les tecnologies d'amplificació de Tripath, que és un disseny patentat.