Clases de amplificadores de potencia [7]

Los amplificadores de potencia se clasifican en función del tipo de elemento modulador que llevan en la etapa de potencia o de salida. Este elemento es el encargado de dejar pasar la corriente eléctrica procedente de la fuente de alimentación, en función de la tensión que recibe de la etapa anterior (driver). Es una especie de grifo que se abre y cierra al ritmo de la señal de entrada, dejando pasar más o menos corriente a la carga.

A su vez, el dispositivo modulador, puede ser de varios tipos en función de su configuración. Los dispositivos moduladores son el corazón del amplificador de potencia y están basados en uno o varios transistores. Estos transistores pueden estar asociados de distintos modos: normal (un único transistor), paralelo (se consigue mayor corriente máxima de salida), serie (se consigue mayor tensión máxima de salida) y darlington (se consigue mayor ganancia).


Independientemente de como esté configurado el dispositivo modulador, las etapas se clasifican según el número y disposición de dispositivos moduladores.

Dichos amplificadores se pueden clasificar de la siguiente forma:

Clase A

Un solo dispositivo modulador. Sólo produce distorsión por la alinealidad del dispositivo. Esta clase es más teórica que práctica porque no se implementa en etapas reales pues dan poca potencia y bajo rendimiento. Son los que mejor suenan, los más cuestan y los menos prácticos. Despilfarran corriente y devuelven señales muy limpias. La clase A se refiere a una etapa de salida con una corriente de polarización mayor que la máxima corriente de salida que dan, de tal forma que los transistores de salida siempre están consumiendo corriente. La gran ventaja de la clase A es que es casi lineal, y en consecuencia la distorsión es menor.

La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, es decir, que requiere un amplificador de clase A muy grande para dar 50 watts, y ese amplificador usa mucha corriente y se pone a muy alta temperatura.

Algunos amplificadores de high-end son clase A, pero la verdadera clase A sólo está en quizás un 10% del pequeño mercado de high-end y en ninguno del mercado de gama media.

Los amplificadores de clase A a menudo consisten en un transistor de salida conectado al positivo de la fuente de alimentación y un transistor de corriente constante conectado de la salida  al negativo de la fuente de alimentación.
La señal del transistor de salida modula tanto el voltaje como la corriente de salida. Cuando no  hay señal de entrada, la corriente de polarización constante fluye directamente del positivo de la fuente de alimentación al negativo, resultando que no hay corriente de salida, se gasta mucha corriente. Algunos amp de clase A más sofisticados tienen dos transistores de salida en configuracion push-pull

Clase B

Dos dispositivos moduladores en modo push-pull, uno conduce los ciclos positivos y otro los ciclos negativos. Produce la distorsión anterior más distorsión de cruce, cuando se pasa de un ciclo positivo a uno negativo. Mejora la potencia pero empeora el rendimiento. Esta clase tampoco se implementa. Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero.

Generamente, un amplificador de audio clase B tiene corriente de polarización cero en una pequeña parte del circuito de potencia, para evitar no linealidades. Tienen una importante ventaja sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan electricidad con señales pequeñas.

Los amplificadores de clase B tienen una gran desventaja, una distorsión audible con señales pequeñas. Esta distorsión puede ser tan mala que lleva a notarse con señales más grandes. Esta distorsión se llama distorsión de filtro, porque sucede en un punto que la etapa de salida se cruza entre la fuente y la corriente de amortiguación. No hay casi amplificadores de clase B hoy en día a la venta.

Los amplificadores clase B consisten en un transistor de salida conectado de la salida al positivo de la fuente de alimentación y a otro transistor de salida conectado de la salida a la terminal negativa de la fuente de alimentación. La señal fuerza a un transistor a conducir mientras que al otro lo corta, asi en clase B, no se gasta energía de la terminal positiva a la terminal negativa.

Clase AB

Es una clase B pero mejora la polarización de los moduladores para disminuir la distorsión de cruce, a costa de aumentar el consumo energético. Consumen aproximadamente el doble de lo que suministra.

La clase AB domina el mercado y rivaliza con los mejores de clase A en calidad de sonido. Usa menos corriente que los de clase A y pueden ser más baratos, pequeños, frescos, y ligeros.

Los amplificadores de clase AB son casi iguales a los de clase B en que tienen dos transistores de salida. Sin embargo, los amplificadores de clase AB difieren de los de clase B en que tienen una pequeña corriente de libre fluyendo de la terminal positiva a la negativa incluso si no hay señal de entrada. Esta corriente de libre incrementa ligeramente el consumo de corriente, pero no se incrementa tanto como para parecerse a los de clase A. Esta corriente de libre incluso corrige casi todas las no-linealidades asociadas con la distorsión del filtro. Estos amplificadores se llaman de clase AB en vez de A porque con señales grandes, se comportan como amplificadores clase B, pero con señales pequeñas, se comportan como amplificadores de clase A. La mayoría de los amplificadores disponibles en el mercado son de clase AB.

Clase C

Uno, dos o cuatro dispositivos moduladores, cada uno conduciendo en una parte del ciclo. Si tiene n dispositivos moduladores, cada uno conduce 1/n de ciclo. Elevada distorsión pero gran rendimiento. Se usa para señales de banda estrecha. Era típico en radiofrecuencia, pero ahora usan del tipo AB.

Los amplificadores de clase C son similares a los de clase B en que la etapa de salida tienen corriente de polarización cero. Sin embargo, los amplificadores de clase C tienen una región de corriente libre cero que es más del 50% del suministro total de voltaje. Las desventajas de los amplificadores de clase B son mas evidentes en en los amplificadores de clase C, por tanto los de clase C tampoco son prácticos para audio.

Clase D

Dos o cuatro dispositivos moduladores que amplifican señal PWM (señal cuadrada). Después se filtra paso bajo la señal amplificada. Destacan por la mejora del rendimiento y la nueva filosofía de trabajo. Su forma de trabajo consiste en modular el ancho de los pulsos (ciclo de trabajo) de una onda cuadrada (portadora), con la señal de entrada (hace de moduladora); a continuación se amplifica la señal modulada resultante y finalmente se filtra paso bajo para volver a obtener una señal banda base. También se la conoce como amplificación digital.

Los amplificadores de clase D usan técnicas de modulación de pulsos para obtener incluso mayor eficiencia que los de clase B. Mientras que los amplificadores de clase B emplean los transistores en régimen lineal para modular la corriente y el voltaje de salida, no podrían ser más eficientes de un 71%. Los amplificadores de clase D usan transistores que están o encendidos o apagados, y casi nunca entre-medias y asi gastan la menor cantidad de corriente.

Es obvio que los amplificadores de clase D son más eficientes que los de clase A, clase AB, o clase B. Algunos amplificadores de clase D tienen una eficiencia del 80% a plena potencia. Pueden incluso tener baja distorsión, a pesar de no ser tan buena como los de clase AB o A.

Los amplificadores clase D son buenos por su eficiencia. Sin embargo son terribles por otras razones. Es esencial que un amplificadores clase D sea seguido por un filtro paso-bajo para eliminar el ruido de conmutación. Este filtro añade distorsión y desplazamiento de fase. Incluso limita las características del amplificador en alta frecuencia, y es raro que los amplificadores de clase D tengan buenos agudos. El mejor uso hoy para estos amplificadores es en los subwoofers.

Para hacer un muy buen amplificador de clase D para toda la banda de frecuencias, la frecuencia de conmutación tiene que estar sobre los 40kHz. Incluso, el amplificador debe ir segido por un muy buen filtro paso bajo que va a quitar todo el ruido de conmutación sin causar pérdida de potencia, desplazamiento de fase, o distorsión.

Desafortunadamente, la alta frecuencia de conmutación incluso significa disipar potencia de conmutación. También significa que la posibilidad de radiar ruido (podria entrar en el sintonizador o la capsula del tocadiscos) es muy alta.

Algunos hablan también de las clases E, G y H. Estas no están tan estandarizadas como las clases A y B.

Clases E y G

Es una clase AB pero con dos tensiones de alimentación y un dispositivo de interconexión automático que usa una tensión de alimentación para señales bajas y otra para señales altas. Con ésto se mejora el rendimiento que tenía la clase AB, ya que con señales débiles, se consume mucha menos potencia.

El amplificador en clase E es un amplificador de pulsos (cuyo rendimiento puede ser muy elevado) cuya salida se encuentra sintonizada a una determinada frecuencia.

Suele ser empleado en aplicaciones de radio cuando se trabaja a una unica frecuencia o bien en un margen muy estrecho de frecuencias. No es de aplicación en audio.

La clase G se refiere a amplificadores conmutados que tienen dos diferentes fuentes de alimentación. La fuente para el amplificador se conecta al voltaje menor para señales débiles y al voltaje mayor para señales fuertes. Ésto da más eficiencia sin requerir conmutar etapas de salida, de tal modo que pueden sonar mejor que los amplificadores clase D.

Clase H

Son como las clases E y G pero incorporan más tensiones de alimentación para mejorar aún más el rendimiento.

La clase H se basa en emplear un amplificador en clase D o una fuente de alimentacion conmutada para alimentar a un amplificador en clase AB o A. De este modo el amplificador presenta un excelente rendimiento y tiene el sonido de un buen amplificador clase AB. La clase H es muy empleada en etapas profesionales.

En las especificaciones de una etapa de potencia se encuentra fácilmente la clase a la que pertenecen. Sin embargo es menos común encontrar el dato de cómo se montan los transistores, en paralelo, darlingnton... Otro dato que suele aparecer es el tipo de transistor utilizado, sobretodo cuando se trata de transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor), tanto J-FET como MOS-FET. Los transistores Fet destacan frente a los Bipolares comunes por su reducido ruido y distorsión, además de otras características que los hacen "mejores" para su uso en amplificadores de potencia.



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