Amplificadores de Audio Clase D

Los amplificadores de audio han evolucionado de múltiples maneras desde que la electrónica se popularizó y se hizo accesible, en forma económica, para la mayoría de las personas. Se le denomina “Clase” a la topología que determina la construcción y el posterior funcionamiento de un amplificador. Los que se utilizan en forma habitual son los Clase A, B y AB; sin embargo, la irrupción digital en la electrónica moderna, ha permitido manipular las señales analógicas dentro de este ámbito de estados altos y bajos, optimizando la eficiencia energética, reduciendo los tamaños y abaratando los costos. El audio nunca estuvo exento de entrar en esta tendencia y así nacieron nuevos conceptos que hoy nos asombran por sus cualidades. Los Amplificadores de Audio “Clase D” son un fiel ejemplo de ello.

Los amplificadores de audio “Clase D” están ayudando a los diseñadores de la industria del sonido a crear dispositivos personales multimedia, o también grandes sistemas de audio y video profesional (o para el hogar), demostrando que un equipo compacto y pequeño también puede ofrecer sonido de alta calidad y potencia. La clave de este avance tecnológico está en la elevada eficiencia energética que se alcanza con este tipo de circuitos, que es típicamente cercana al 90%. De este modo, se reducen (en muchos casos desaparecen) los disipadores de calor, se utiliza un PCB más pequeño y además, todo a su alrededor se optimiza. Esto es, conectores, capacitores (o condensadores), inductores, fuentes de alimentación, gabinetes y todo lo que “da forma” a un amplificador de audio. Sin embargo, este tipo de equipos plantea un importante reto a los ingenieros de desarrollo especializados en audio, exigiéndoles importantes y sólidos conocimientos en electrónica de potencia, donde los circuitos tienen la tarea fundamental de trabajar en permanente conmutación a altas frecuencias  y con elevados niveles de tensión de alimentación. Por supuesto, la disponibilidad de módulos integrados ayuda mucho a los ingenieros a superar estos desafíos, al tiempo que reduce el número de componentes, el tiempo de manufacturación y de su posterior comercialización. ¿Podrías imaginar que “esto” que te mostramos en imagen es un amplificador de audio Clase D, estéreo y de 100Watts (o Vatios) por canal?

En un amplificador de Clase D, la señal analógica (de audio) de entrada se compara con una forma de onda de diente de sierra, de muy alta frecuencia que se fija bien fuera del rango de las señales de audio (20Khz * 20), en la región de 400Khz o más, para producir una serie de  pulsos modulados en su ancho, motivo por el cual también se los conoce como “Amplificadores PWM”, lo que equivaldría a una onda cuadrada que varía en función de la señal de entrada, ya sea en su nivel como en su frecuencia (no en su amplitud, a eso lo maneja la amplificación).

La topología de la etapa de salida en este tipo de amplificadores puede ser “medio puente” (half-bridge) requiriendo una alimentación positiva y otra negativa (fuente partida), mientras que también encontramos los denominados “puente completo” (full bridge) que operan con una sola polaridad de alimentación ofreciendo también, una elevada potencia de salida de audio. La señal conmutada y de ancho variable presente en los circuitos de salida formados por transistores MOSFET, atraviesan finalmente un filtro pasa-bajos pasivo que se encarga de eliminar todas las frecuencias que no pertenezcan a la gama audible, restaurando así una señal de audio puro, capaz de activar los altavoces.

Diseñar y construir un amplificador de audio de Clase D no es tan sencillo como lo fuera en sus comienzos trabajar con otras topologías, en las que pequeños desajustes del hardware podían ser resueltas fácilmente o en última instancia, los disipadores se encargarían de soportar la potencia no aprovechada. En trabajos de conmutación con MOSFET que operan a altas tensiones y corrientes, los errores no pueden existir. No hablamos de que puedan tolerarse, al menos, errores mínimos. Analizando la situación en forma extrema, nos podemos dar cuenta fácilmente (por simple sentido común) de que la conmutación (corte – saturación) de los transistores que forman las etapas de salida, deben ser activados de manera exacta para evitar problemas. Estos es, si conmutan en forma “solapada” (antes que corte por completo uno, comienza a conducir el otro) la corriente instantánea de esa situación sería enorme y llevaría a los transistores a su destrucción. En el caso opuesto, si el tiempo muerto entre impulsos es demasiado extenso, la distorsión comienza a crecer de manera notable y el tercer escenario es que el MOSFET demore demasiado tiempo atravesando la zona lineal de trabajo, entre el corte y la saturación o viceversa. La potencia disipada en calor destruiría los transistores.

Los componentes espectrales no deseados como los armónicos provocados por la conmutación a alta frecuencia y alta potencia hacen que el sistema tenga que tener una alta inmunidad a los ruidos y en estos casos, la tarea de selección de componentes y fabricación de un simple PCB pueden fallar en forma dramática por errores ínfimos. A todos los ruidos que estamos mencionando que existen, debemos agregarle la sensibilidad de los circuitos analógicos de entrada. Es muy evidente, con todo lo que hemos mencionado hasta aquí, que para construir un amplificador Clase D, no alcanza con un puñado de resistencias, capacitores y transistores. Por este motivo, las compañías líderes del mercado de semiconductores están trabajando duro desde hace algunos años por tomar la delantera en el liderazgo de esta técnica que promete tirar por la borda a todo lo conocido en amplificadores de audio.

La prestigiosa compañía International Rectifier (IR), está apostando fuerte por esta nueva tecnología de fabricación y ha lanzado al mercado la familia de circuitos integrados IR43XX (PowIRaudio). Estos dispositivos, son módulos cuyas dimensiones físicas abarcan un cuadrado de 7milímetros por 7 milímetros e incorporan todo lo necesario para la construcción de un sistema completo de audio Clase D. Los circuitos de entrada, los controladores de PWM, los MOSFET de potencia y todos sus sub-sistemas accesorios, alcanzando una reducción notable en la cantidad de componentes externos y en consecuencia, en el espacio que ocupa el PCB final. Estos componentes tienen versiones que van desde 35W hasta 130W de potencia y alimentaciones en un amplio rango (32V a 62V). Estos sistemas forman parte de los amplificadores IRAUDAMP17 (como los que vimos en las imágenes iniciales y poseen protecciones contra  sobre-corriente (OCP) sobre-tensión (OVP), sobre-temperatura (OTP) y por baja tensión (UVP), donde cada una se encarga de poner fuera de servicio al circuito integrado (Shut –Down) en caso de fallos o anomalías. Disponen además, de un sistema PWM auto-oscilante y una topología “medio puente” (alimentación simple).

Entre otras características dignas de mencionar, están preparados para operar impedancias de salida comprendidas entre 2 y 4 Ohms, trabajar con diferentes tensiones que determinarán la potencia de salida final y la necesidad del uso de disipadores térmicos. Según las hojas de datos, pasando los 40Volts de alimentación y los 50Watts (o Vatios) de potencia, entregados sobre una carga de 4 Ohms, los ensayos están basados en el uso de disipadores térmicos, tal como podrás apreciar en el amplificador que se describe en el enlace que te dejamos al final del artículo. A medida que los investigadores puedan alcanzar mejores desempeños en un único encapsulado, las potencias se incrementarán, los niveles de distorsión y de temperatura disminuirán y la eficiencia energética alcanzará su máximo nivel. Por ahora, los elevados precios y los lógicos temores del manejo de nuevas tecnologías por sobre las tradicionales, hacen que aún no se hayan masificado las ventas y que sólo algunos segmentos específicos del mercado de electrónica de consumo haya adoptado esta tecnología de amplificación en Clase D. Lo cierto es que mes a mes, nuevos modelos salen al mercado y a menor costo.