Introducción

El circuito presentado por Richard L. Bright et al., el 28-octubre-1954 (Patente 2821639 de EUA-28-enero-1958) y el avance de la tecnología en la fabricación de semiconductores ha permitido el auge de los amplificadores clase "D" y similares, que operan con los transistores de la etapa de potencia en el modo de conmutación, es decir como si fueran llaves electrónicas, con una resistencia de conducción muy baja y tiempos de conmutación muy pequeños. En condiciones ideales el rendimiento o eficiencia es del 100%, por lo cual los hace adecuados para ser utilizados en aplicaciones donde el ahorro de consumo de energía es un requerimiento prioritario como es en los equipos alimentados con baterías: computadoras portátiles, teléfonos celulares, reproductores de CD, etc. Por otra parte debido a la baja disipación de potencia y el incremento de las corrientes que pueden conducir los transistores, aumenta la potencia que proveen y están llevando a estos amplificadores a ser utilizados en conjunto con los DVD en los llamados home theater, eliminando la necesidad de amplificadores adicionales.

Bases teóricas

a.- Principios de funcionamiento

Veremos un amplificador clase D que utiliza modulación por ancho de pulso PWM (Otros utilizan por ejemplo, conversión A/D Sigma-Delta de 1 bit). Su funcionamiento se basa en que la señal original de entrada llamada Vin, está modulada por otra señal llamada Vm que tiene una frecuencia mucho mayor, normalmente en el orden de 300KHz, o superior. A la señal modulante se la llama "portadora" y en este caso es una onda triangular. La resultante de las dos señales es una onda cuadrada modulada en su ancho de pulso y es apropiadamente aplicada a los transistores de salida que actúan como llaves electrónicas y posteriormente la señal es filtrada con un circuito LC para remover la onda portadora antes de ser aplicada a la carga, en este caso los parlantes.

En la práctica, se puede apreciar la Vin con una pequeña residual de la Vm, que no afecta a la audición ya que está fuera del rango audible y de la respuesta de los parlantes. Gráficamente lo antes expresado puede ser visto en un diagrama en bloques de la siguiente manera:

En este caso el parlante está conectado a masa y se conoce como conexión SE (Single Ended).- Basados en este diagrama, evaluaremos por software su funcionamiento, con el siguiente esquema circuital:

Las formas de onda de las señales de entrada y modulante se muestran a continuación:

Las formas de onda de la señal de salida del modulador y del filtro se muestran a continuación:

Las componentes espectrales de las señales y respuesta filtro Pasa-Bajo se ven en la siguiente figura:

Como conclusión de la secuencia de figuras mostrada se ve que la Tensión de salida filtrada es senoidal y refleja la entrada Vin.-

Salida Final + Ruido

Dependiendo del filtro de salida la señal en la carga puede tener distintas componentes, la señal con un filtro pequeño (Bajo Filtrado), tiene una componente importante de la señal modulante, que afecta al rendimiento de la etapa, a la THD, etc.; pero no a la audición ya que ésa frecuencia está muy alejada de la respuesta de frecuencia del oído, la cual fue determinada por Fletcher y Munson en los laboratorios Bell en 1937, y también Robinson y Dadson en 1956; quienes midieron que la máxima frecuencia audible por el ser humano está cercana a los 20KHz, con una sensibilidad máxima a los 3500Hz, aproximadamente.-

Componentes espectrales a la salida

Con un buen filtrado se obtiene un alto rechazo de las componentes indeseadas a la salida como se muestra a continuación

Conexión de la carga en "puente" BTL (Bridge Tied Load)

Es muy utilizado el circuito con conexión de la carga en "puente" BTL (Bridge Tied Load) cuyo diagrama de bloques vemos a continuación:

La conexión de la carga se hace con el puente "H" de transistores, cuyo esquema y forma de onda de salida donde se ve que la misma es prácticamente el doble de la fuente de alimentación se muestran a continuación:

Esto se explica con el esquema circuital y circuito equivalente:

Esta conexión en puente provee en la carga una potencia cuatro veces mayor que la conexión simple, lo que explica su difusión. La desventaja es que la carga no está referida a un punto común, normalmente masa, por lo cual no siempre es posible utilizar la BTL.-

b.- Cálculos de potencias y rendimiento en condiciones ideales

Para demostrar lo expuesto respecto de la diferencia de potencias, recordemos que para una onda senoidal el valor eficaz es:

En la conexión BTL se aplica la misma señal en ambos extremos de la carga, pero invertidas de fase, de manera que para la carga hay una señal aplicada equivalente al doble de la conexión SE, entonces la potencia en la carga para SE y BTL es:

Teniendo en cuenta lo expuesto se calculan a continuación potencias y rendimiento en la conexión BTL.

b.1.- Potencia media suministrada por la fuente

Considerando que a la etapa de potencia se aplica una señal del tipo onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% y que la alimentación es de Vcc como se muestra en la figura superior, el valor medio será:

     luego:     

Cada par cruzado del puente de transistores conduce en un semiciclo de manera que la corriente total que suministra la fuente será:

Luego, la potencia total suministrada:

b.2.- Potencia disipada en la carga

La carga está conectada al puente "H" a través de filtros, de manera que en sus bornes la onda es senoidal y cada par cruzado de transistores aporta a la Rcarga :

Luego el total de la potencia en la carga será:

b.3.- Rendimiento

    en definitiva:   

Este rendimiento del 100% es en condiciones ideales: Resistencias de conducción = 0 [Ohms]; Tiempos de Conmutación = 0 [seg]; Pérdidas en los filtros = 0 [watts]