Amplificadores de potencia clase d

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Si tiene la impresión de que los amplificadores de clase D son simplemente «dos letras peores» que los modelos de clase A, piénselo de nuevo: La tecnología de clase D está teniendo un impacto cada vez mayor en el mundo del sonido en directo al ofrecer más potencia con menos peso que nunca. Descubrimos cómo y por qué…

Todos los ingenieros de sonido tienen una opinión sobre los micrófonos. Y de los altavoces, ciertamente todos suenan diferente. ¿Y las mesas de mezclas? Las diferencias se reducen a las instalaciones y a la comodidad de funcionamiento. ¿Pero los amplificadores de potencia? Aparte del «más grande es mejor», ¿quién podría entusiasmarse con un amplificador? El amplificador de potencia, posiblemente varios para un espectáculo en directo, se coloca en un bastidor y sigue con su trabajo. La tecnología está madura y no hay mucha diferencia entre los amplificadores de potencia, así que basta con elegir un fabricante fiable y la potencia necesaria. Se monta y ya está.

Deberíamos agradecer que los amplificadores de potencia sean tan poco interesantes, porque si son poco interesantes significa que funcionan bien. De hecho, el amplificador de potencia es una de las piezas que mejor funcionan en todo el sistema de sonido, en términos de respuesta en frecuencia, distorsión y ruido. Además, los amplificadores de potencia modernos suelen ser bastante fiables. Los amplificadores de antaño solían morir con regularidad debido a la combustión espontánea de sus transistores. Pero ahora, gracias a una refrigeración eficaz y a los circuitos de protección, los fallos de los amplificadores de potencia son relativamente raros. (Si no te parece, fíjate en la refrigeración: el flujo de aire libre es imprescindible).

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Los amplificadores de clase D se refieren a los amplificadores de potencia de audio de clase D (a veces llamados amplificadores digitales). Al controlar el encendido/apagado de la unidad de conmutación, el amplificador que acciona el altavoz se denomina amplificador de clase D. Los amplificadores de clase D se propusieron por primera vez en 1958 y se han hecho cada vez más populares en los últimos años. Hace muchos años que están disponibles. En comparación con el circuito amplificador de potencia lineal AB general, el amplificador de potencia D tiene las características de alta eficiencia y pequeño tamaño.

El amplificador de potencia de clase D es un modo de amplificación en el que el elemento amplificador está en estado de trabajo de conmutación. Cuando no hay entrada de señal, el amplificador está en estado de desconexión y no consume energía. Durante el funcionamiento, el transistor es llevado a saturación por la señal de entrada. El transistor equivale a un interruptor que enciende la potencia y la carga directamente. El transistor ideal no consume energía porque no hay caída de tensión de saturación. De hecho, el transistor siempre tendrá una pequeña caída de tensión de saturación y consumirá parte de la potencia. Este consumo de potencia sólo está relacionado con las características del tubo, y no tiene nada que ver con el tamaño de la señal de salida, por lo que es especialmente útil para aplicaciones de ultra alta potencia.

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Un amplificador de clase D o amplificador de conmutación es un amplificador electrónico en el que los dispositivos de amplificación (transistores, normalmente MOSFET) funcionan como interruptores electrónicos, y no como dispositivos de ganancia lineal como en otros amplificadores. Funcionan conmutando rápidamente entre los carriles de alimentación, alimentados por un modulador que utiliza técnicas de anchura de pulso, densidad de pulso o similares para codificar la entrada de audio en un tren de pulsos. El audio se escapa a través de un simple filtro de paso bajo hacia el altavoz. Los pulsos de alta frecuencia se bloquean. Como los pares de transistores de salida nunca conducen al mismo tiempo, no hay otra vía para el flujo de corriente aparte del filtro de paso bajo/altavoz. Por esta razón, la eficiencia puede superar el 90%.

El primer amplificador de clase D fue inventado por el científico británico Alec Reeves en la década de 1950 y recibió ese nombre por primera vez en 1955. El primer producto comercial fue un módulo en kit llamado X-10 lanzado por Sinclair Radionics en 1964. Sin embargo, tenía una potencia de salida de sólo 2,5 vatios. El Sinclair X-20 de 1966 producía 20 vatios, pero sufría las inconsistencias y limitaciones de los transistores BJT (transistor de unión bipolar) basados en el germanio disponibles en aquella época. Como resultado, estos primeros amplificadores de clase D eran poco prácticos y no tenían éxito. Más adelante, el desarrollo de la tecnología MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) basada en el silicio hizo posible la creación de amplificadores de clase D prácticos. En 1978, Sony presentó el TA-N88, la primera unidad de clase D que empleaba MOSFETs de potencia y una fuente de alimentación conmutada. Posteriormente, entre 1979 y 1985 se produjo un rápido desarrollo de la tecnología VDMOS (DMOS vertical). La disponibilidad de MOSFETs de bajo coste y conmutación rápida hizo que los amplificadores de clase D tuvieran éxito a mediados de los 80.[1] El primer circuito integrado basado en un amplificador de clase D fue lanzado por Tripath en 1996, y su uso se generalizó[2].

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El amplificador de potencia de clase D es un tipo de amplificador de audio en el que los dispositivos de manejo de potencia funcionan como interruptores binarios. Dado que los dispositivos de manejo de potencia (MOSFETS) funcionan como interruptores binarios perfectos, no se pierde tiempo entre la transición de las etapas y no se desperdicia energía en la condición de entrada cero. Los amplificadores de potencia de clase D son mucho más eficientes desde el punto de vista energético que sus predecesores, como los de clase A, clase B y clase AB. De la lista, la Clase AB más eficiente sólo tiene una eficiencia teórica máxima del 78,5%. En un escenario práctico con altavoces reales como carga, la eficiencia de los amplificadores de Clase AB puede bajar hasta el 50%. Al mismo tiempo, un amplificador de Clase D bien diseñado con altavoces reales como carga nunca bajará del 90% en términos de eficiencia. La eficiencia teórica de un amplificador de Clase D es el 100% ideal.

Un interruptor binario ideal hará pasar toda la corriente a través de él sin que haya tensión a través de él cuando esté en ON. Cuando está apagado, todo el voltaje permanece a través de él y no fluye ninguna corriente a través de él. Esto significa que no se desperdicia energía a través del elemento de conmutación que hace la amplificación, y explica la increíble eficiencia del amplificador de clase D. Por el contrario, el amplificador de clase AB siempre tendrá algo de corriente que pasa y algo de tensión que permanece a través del elemento de conmutación.