Amplificador Clase D

Resumen—En este informe se hablara acerca del amplificador clase D y se mostrara en detalle el funcionamiento de el mismo, ademas, de una de sus aplicaciones.

Términos Indexados—Circuitos analógicos, Circuitos digitales, MOSFET complementario, Modulación de frecuencia, Filtro pasa bajo.

I. AMPLIFICADOR CLASE D E l ampl i f i cador c l a se D se d i f e r enc ia principalmente de las otras clases porque sus transistores de salida se encienden y apagan en respuesta a una entrada analógica, en lugar de operar linealmente a lo largo de un intervalo continuo de valores de entrada. Otra diferencia del clase D es que utiliza principalmente sólo transistores MOSFET. La letra D se utiliza para describir el siguiente tipo de operación de polarización posterior a la clase C, pero también se podría considerar como la inicial de “Digital”, ya que es la naturaleza de las señales dadas por este tipo de clase. Los amplificadores clase D son muy deseados ya que teóricamente logran una eficiencia del 100% y en la práctica logran alcanzar más de un 90% de eficiencia. Pero, es necesario convertir toda la señal de entrada a una forma de pulso antes de utilizarla a una carga de potencia y convertir la señal de regreso en una señal sinusoidal para volver a recuperar la señal original.

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Fig. 1. Amplificador de audio clase D básico.

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques básico para un amplificador clase D usado para excitar un altavoz que consiste en un modulador por ancho de pulso que excita a los transistores de salida complementarios (MOSFET), que operan como interruptores seguidos por un filtro pasa-bajos. La mayoría de los amplificadores clase D opera con fuentes de alimentación de doble polaridad. Los MOSFET son básicamente amplificadores push-pull que operan como dispositivos de conmutación, en

lugar de como dispositivos lineales, como lo hacen en los amplificadores clase B.

II. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) Es un proceso en el que convierte la señal de entrada en una serie de pulsos que varían dependiendo de la amplitud de la señal que entra. Como se muestra en la figura 2.

!Fig. 2. Onda modulada por ancho de pulso.

La señal PWM en general se produce con un circuito comparador. Un comparador tiene dos entradas y una salida. La entrada marcada con + se llama entrada no inversora y la entrada marcada con - es la entrada inversora. Cuando el voltaje en la entrada inversora sobrepasa el voltaje de la entrada no inversora, el comparador cambia a su estado de salida saturado negativo, cuando el voltaje en la entrada no inversora sobrepasa el voltaje de la entrada inversora, el comparador cambia a su estado de salida saturado positivo. Este proceso se aprecia en la figura 3 para un ciclo de voltaje con forma de onda sinusoidal en la entrada no inversora y un voltaje de onda triangular en la entrada inversora.

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Figura 3. Modulador por ancho de pulso.

III. MOSFET COMPLEMENTARIO

Cada transistor cambia entre el estado encendido y el estado apagado pero nunca se encuentran en el mismo estado. Cuando un transistor está encendido hay muy poco voltaje a través de él, esto quiere decir que es muy poca la disipación de potencia que se presenta en el aun así transite mucha corriente por este. Cuando un transistor está apagado, no hay paso de corriente a través de él, por lo que no se disipa potencia. La única ocasión en que se disipa potencia en los transistores es durante el corto tiempo de conmutación. La potencia suministrada a una carga puede ser muy alta ya que a través de ella habrá un voltaje casi igual a los voltajes de fuente y una alta corriente. Esta configuración se puede observar en la figura 4.

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Fig. 4. MOSFET complementarios que amplifican potencia.

Según lo dicho anteriormente, teóricamente la potencia disipada por los transistores cuando están encendidos seria:

! (1)

Y cuando los transistores se encuentran apagados su potencia disipada seria:

! (2)

La eficiencia máxima del amplificador clase D seria:

! (3)

Donde, idealmente, la potencia que llega a la carga es:

! (4)

IV. FILTRO PASA BAJO Cuando la forma de onda triangular modula la onda sinusoidal de entrada, resulta un espectro, el cual

contiene la frecuencia de onda sinusoidal, fentrada, más la frecuencia fundamental de la señal moduladora triangular, fm y frecuencia armónicas por encima y por debajo de la frecuencia fundamental. Estas frecuencias armónicas se deben a los rápidos tiempos de subida y caída de la señal PWM y a las áreas planas entre los pulsos. El filtro pasa bajos elimina todo de la señal modulada por ancho de pulso, excepto la frecuencia de la señal de entrada, como se observa en la Figura 5.

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Fig. 5. Filtro paso-bajas.

V. CONCLUSIONES A pesar de que el proceso de amplificadores de clase D es digital, permite una perfecta combinación con circuitos analógicos que son indispensables en el dominio de audio. A partir de algunas de las configuraciones de bajo rendimiento se derivan otras configuraciones que tienen un alto porcentaje de eficiencia y preferiblemente son las mejores opciones para el diseño, instalación y puesta en práctica. La eficiencia de un amplificador clase D se calcula que es del 90%, ademas, de que permite obtener una buena ganancia.

REFERENCIAS [1] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, “Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos” [2] Thomas L. Floyd, “Dispositivos Electrónicos”. [3] Introduccion a las clases C, D, E y F, Disponible en línea: http://www.aoc.nrao.edu/~pharden/hobby/_ClassDEF1.pdf [4] Amplificador de Potencia clase D, Disponible en linea: http://augusta.uao.edu.co/moodle/file.php/2098/06179216.pdf

PDQ =VQIL = (0V )IL = 0W

PDQ =VQIL =VQ (0A) = 0W

nmax =PsalPtotal

nmax =2VQIL

2VQIL + 0W= 1