Explicación de los amplificadores de clase: cómo elegir la clase AB, D o H para el diseño de altavoces

Dos presupuestos llegan a su escritorio para la misma placa de subwoofer autoamplificada de 2 x 500 W. El primero está construido alrededor de una etapa de Clase AB con un disipador de calor aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo. El segundo utiliza una etapa de Clase D en una placa apenas más grande que un teléfono. Ambos son honestos sobre la potencia nominal. Sólo uno de ellos encajará en el armario que ya has equipado, y sólo uno pasará la prueba térmica en un recinto cerrado de madera a 40 °C de temperatura ambiente.

Ésa es la verdadera decisión detrás de la frase "amplificadores de clase". La clase de un amplificador describe cómo sus dispositivos de salida conducen la corriente a lo largo de un ciclo de señal. Esa única elección establece cuánto calor debe eliminar, qué tipo de fuente de alimentación debe comprar, cuánto filtrado y blindaje necesita la placa y cuánto aluminio se coloca en el chasis. Por sí solo, no decide si el producto suena bien.

Lo que realmente describe la etiqueta de clase

El nombre de la clase proviene de una propiedad física: cuánto tiempo permanecen conductores los dispositivos de salida durante un único ciclo de la señal de audio. La Clase A los mantiene dirigiendo todo el tiempo. La clase B divide el ciclo entre dos dispositivos, cada uno de los cuales maneja la mitad. La clase AB mantiene ambos dispositivos ligeramente abiertos en el cruce por cero para que el traspaso sea fluido. La clase D abandona por completo la idea lineal y cambia los dispositivos de salida a unos cientos de kilohercios, codificando el audio como ancho de pulso. La clase H mantiene una etapa de audio lineal pero hace que el riel de suministro suba y baje para seguir la envolvente de la señal.

Todo lo demás se deriva de eso. Una etapa que conduce todo el tiempo desperdicia una gran parte de su suministro en forma de calor. Una etapa que conmuta no pierde casi nada en los dispositivos, pero empuja el problema de diseño hacia el filtro de salida, el accionamiento de la puerta y el presupuesto de interferencia electromagnética. Una etapa que mueve sus rieles reduce el voltaje a través de los dispositivos de salida, que es exactamente de donde proviene el calor en un amplificador lineal.

Lo que la etiqueta no indica es la calidad de construcción. Un módulo Clase D mal diseñado y uno cuidadosamente diseñado comparten el mismo nombre y pueden diferir en 15 °C en la temperatura del disipador térmico al mismo nivel de salida.

Eficiencia, calor y distorsión, uno al lado del otro

Las referencias de diseño publicadas citan amplias bandas de eficiencia, porque el número real depende del nivel de salida, la impedancia de carga y el diseño del suministro. Las figuras siguientes son los rangos que los ingenieros suelen utilizar al comparar topologías con una potencia nominal máxima o cercana a ella.

Clase AB: linealidad que se paga en calor

La Clase AB existe para eliminar la muesca de cruce de la Clase B sin pagar el costo total de la Clase A. Una pequeña corriente de polarización mantiene a ambos dispositivos de salida conduciendo alrededor del cruce por cero, por lo que el traspaso entre ellos se mantiene fluido. La corriente de reposo típica en un módulo de audio profesional se sitúa en decenas de miliamperios por par de dispositivos, suficiente para mantener la muesca fuera del rango audible pero lo suficientemente pequeña como para que el amplificador no cocine al ralentí.

El negocio es que el calor es continuo. Un módulo Clase AB de 400 W consume una corriente significativa incluso sin señal, y el disipador de calor debe dimensionarse para el peor de los casos: ruido rosa a un octavo de potencia durante una hora en un rack con flujo de aire deficiente. Es por eso que los módulos analógicos suelen llevar grandes disipadores extruidos, soportes de aluminio en forma de U y, en ocasiones, un ventilador. Los compradores que comparan sólo la potencia en la etiqueta a menudo pasan por alto esto y luego descubren que los mismos 400 W en un módulo de Clase D necesitan una fracción del metal.

Las ventajas son bien entendidas: no hay residuos de conmutación, ningún filtro de salida interactúa con la carga, suministros simples basados ​​en transformadores y un comportamiento que los técnicos de campo ya saben cómo reparar.

Clase D: la eficiencia depende del suministro con el que lo combine

Los módulos de clase D conmutan a unos cientos de kilohercios y reconstruyen el audio a través de un filtro de salida LC. Los dispositivos pasan la mayor parte del tiempo completamente encendidos o completamente apagados, por lo que las pérdidas de conducción son pequeñas y la eficiencia es real. Lo que oculta el titular es que la ventaja sólo se mantiene cerca de la potencia nominal. En los niveles de escucha de fondo, dominan las pérdidas de conmutación y de control de puerta y la eficiencia cae drásticamente, lo que es más importante para los productos que funcionan con baterías que para los que funcionan con la red eléctrica.

El resto del diseño tiene el mismo peso. Un tiempo muerto demasiado corto provoca disparos; demasiado tiempo y la distorsión aumenta a baja salida. El filtro de salida debe permanecer estable a través de la carga real, no la resistencia ficticia en el banco. Y el suministro tiene que mantenerse al día: una etapa de Clase D combinada con un riel suave y no regulado se hundirá en los transitorios de graves y deshará el beneficio. Es por eso que los suministros LLC resonantes y los front-ends con factor de potencia corregido se han convertido en estándar en módulos serios.

Módulo amplificador de potencia de subwoofer activo EON522SUB Combina una fuente resonante LLC de 800 W con una etapa de graves Clase D de 500 W, abordando la flexión del riel y el ruido de conmutación en subwoofers autoamplificados. Ver producto →

Como ejemplo del patrón, un módulo como el EON522D-2092 combina una etapa Clase D de paso bajo de 500 W y paso alto de 200 W con un suministro resonante LLC, que es la combinación que mantiene bajo control la flexión del riel y el ruido de conmutación en un gabinete 2.1.

Clase H: conmutación de carril para la gama alta de potencia

La clase H mantiene una etapa de salida lineal pero le proporciona más de un riel de suministro. Cuando la envolvente de la señal cruza un umbral, el amplificador cambia a un riel más alto; cuando vuelve a caer, el riel vuelve a caer. Por lo tanto, los dispositivos de salida solo ven unos pocos voltios a través de ellos en lugar del riel completo, y el calor que habría entrado en el disipador de calor simplemente nunca se genera. En la práctica, un módulo Clase H ofrece la potencia de un diseño Clase AB mucho más grande en la misma profundidad del chasis.

Esa eficiencia no es gratuita. El circuito de conmutación de rieles agrega piezas y costos, la transición puede producir artefactos si los umbrales del comparador se eligen mal y el transformador necesita múltiples derivaciones. También hace que la documentación de servicio sea más importante, porque un técnico que trata el módulo como una simple placa AB diagnosticará erróneamente una falla del riel como una falla del dispositivo de salida.

Módulo amplificador de potencia AMP400H 7294 Clase H Combina una etapa baja/media Clase H de 400 W con una etapa de alta frecuencia Clase AB de 100 W y un radiador de aluminio en forma de U para una salida estable. Ver producto →

Los módulos de esta categoría, como el AMP400H-7294 con su radiador de aluminio en forma de U, generalmente se especifican para tareas de subwoofer y arreglo lineal donde se espera un alto rendimiento continuo durante horas en lugar de minutos.

Qué cambia la elección de clase más abajo en la pila de módulos

La etapa de poder es un tablero de una cadena, y la decisión de clase se propaga por el resto. Una etapa de Clase D con un limitador rápido necesita un módulo de preamplificación que pueda enviarle una señal limpia y bien escalada; una etapa de Clase AB con 20 dB de margen de ganancia se comportará de manera diferente con la misma fuente. La estructura de ganancia, el comportamiento de recorte, los umbrales de protección e incluso la elección de la reducción del volumen cambian con la topología.

Módulo DSP1903 ADAU1701 DSP para sistemas 2.1 Módulo DSP basado en ADAU1701 con cuatro modos de ecualización preestablecidos, Bluetooth y E/S XLR, adecuado para igualar el comportamiento del limitador en sistemas line array 2.1. Ver producto →

En la práctica, aquí es donde los proveedores modulares se ganan la vida. Un módulo DSP como el DSP1903, construido sobre el ADAU1701 y que incluye cuatro modos de ecualización preestablecidos para un sistema line array 2.1, debe adaptarse al comportamiento del limitador de cualquier etapa de potencia que se encuentre debajo de él. Si los dos se especifican de forma independiente, el sistema corta temprano o protege tarde. Nuestro tutorial de las compensaciones de diseño A, AB, D y H profundiza en cómo se establecen esos umbrales.

Hacer coincidir la clase con el producto que está creando

La mayoría de los proyectos de altavoces autoamplificados se dividen en varios patrones, y cada uno de ellos reduce rápidamente la elección de clases:

• Sistemas line array y columnas. El peso y la densidad de la estantería deciden. La Clase D con suministro resonante es la predeterminada, con la Clase H reservada para módulos que deben funcionar a una salida muy alta durante períodos prolongados.
• Subgraves. Alta potencia continua en una carga de baja impedancia. La Clase D con un suministro robusto maneja esto mejor; el suministro, no el amplificador, suele ser la parte limitante.
• Altavoces portátiles y a pilas. La eficiencia a carga parcial importa más que el número máximo. La clase D es la única opción realista y las pérdidas inactivas merecen tanta atención como la producción máxima.
• Mezcladores autoamplificados y cajas analógicas económicas. La clase AB con un transformador lineal mantiene la lista de materiales simple y la historia del servicio familiar, a costa de un disipador térmico más grande.
• Subgraves de gira de alta potencia. Diseño Clase H o Clase D de riel alto, dependiendo de si el equipo de diseño prefiere un comportamiento lineal o un peso mínimo.

Qué comprobar con un proveedor de módulos antes de comprometerse

La potencia de la hoja de datos es el número menos útil en la conversación. Estos son los puntos que separan un diseño que sobrevive al uso en el campo de uno que regresa:

1. Eficiencia y temperatura de la carcasa a un octavo de potencia, no solo a la potencia nominal máxima, medidas en aire en calma en la temperatura ambiente prevista.
2. Distorsión a 1 W y a 10 W, donde realmente viven los artefactos de cruce y conmutación.
3. Comportamiento de protección: qué sucede en una salida en cortocircuito, una carga no coincidente o una caída de suministro, y si el módulo se recupera por sí solo.
4. Requisitos de suministro, incluido si es necesaria una corrección del factor de potencia para los mercados a los que realiza envíos.
5. EMI y ruido inactivo, especialmente para módulos Clase D que alimentan controladores de compresión de alta eficiencia.
6. Coherencia entre el prototipo y la producción en masa, que es tanto una cuestión de fabricación como de ingeniería.

Para los compradores que necesitan una configuración no estándar, la secuencia sensata es establecer primero la clase y la topología de suministro y luego pasar el módulo. desarrollo personalizado para estructura de ganancia, conectores y comportamiento preestablecido. Cambiar la clase después de congelar el gabinete y la fuente de alimentación es costoso.

Preguntas frecuentes sobre amplificadores de clase