Amplificadores clase "D"
Un amplificador clase "D" es prácticamente en funcionamiento una fuente conmutada PWM (MODULADA POR ANCHO DE PULSO) por qué, lo veremos en los siguientes párrafos.
La "D" de la descripción del tipo de amplificador es solamente la sucesión de letra correspondiente a como a avanzado la tecnología en el diseño de amplificadores, el primer tipo fue el de clase "A" luego la clase "B", "AB", "C" y por ahora la ultima es la clase "D", que como puede notar no significa que el amplificador clase "D" signifique ser "Digital", aunque si bien es cierto este tipo de amplificador puede trabajar directamente con señal digital y ser procesada o controlada por procesos digitales DATA y CLOCK, existen ya otros tipos de amplificadores como la clase "F", "G" y "W" entre otros.
La señal de audio sigue siendo analógica, por qué; la señal PWM no sirve para que los altavoces la reproduzcan, se quemarían en poco tiempo, además al ser señal cuadrada es como representar ceros y unos (señal binaria o digital) los cuales no son audibles para el oído, así que la señal en la salida del amplificador PWM debe convertirse a la misma forma que la señal de entrada o sea a señal analógica para que pueda ser reproducida por los altavoces, o dicho de otra manera, se debe eliminar la frecuencia alta de comparación (señal triangular) que se genera en la formación de la señal a PWM.
La característica mas importante para el uso de este tipo de amplificadores clase "D" radica en varios factores, de los cuales solo mencionare los mas relevantes para el técnico reparador:
- Los dispositivos (circuitos integrados) son mas pequeños, algunos de tan solo 1cm cuadrado o menos.
- Pueden funcionar con tensiones mas bajas y a un menor consumo de corriente.
- Al trabajar con modulación por ancho de pulso (similar a una fuente conmutada) generan menos temperatura por lo que requieren disipadores mas pequeños e incluso algunos de potencia baja como 20W no necesitan disipador.
- Su rendimiento es el mayor de cualquier otra generación, los clase "A" menos del 50%, "D" mayor del 90%.
- pueden ser controlados por señales de data y clock lo que mejora el rendimiento de la señal resultante, aunque la señal del bus de datos es compleja.
- La señal resultante de señal PWM cuadrada puede fácilmente ser acondicionada o convertida a señal analógica (igual a la de entrada pero con mayor amplitud) con simples filtros pasa bajos antes de ser aplicada a los altavoces.
- La contra, requieren para un buen funcionamiento 2 fuentes de alimentación que sean muy estables y con un grado de rectificación alto que evite rizo o ondulación, generalmente fuentes conmutadas.
- En la actualidad se han superado problemas de funcionamiento, como ruido en la señal por la conmutación, desfase de la señal de salida con la de entrada que provoca distorsión del audio y otros, por lo que ahora los amplificadores clase “D” genera un buen proceso de la señal de audio resultante, incluso pueden procesar frecuencias mayores de 15KHZ.
- Pueden procesar directamente señal digital.
Conversión de la señal analógica a PWM
Como puede ver en la siguiente imagen, el proceso para convertir el audio analógico o senoidal es por medio de un circuito comparador, en la terminal positiva o no inversora se aplica la señal de audio y en el terminal negativo o inversor se aplica una señal en forma de diente de sierra, el resultado es una señal cuadrada, la cual tendrá una amplitud de ancho de pulso dependiente de la señal de audio de entrada, la señal de diente de sierra es de frecuencia fija, pues es la señal en la que se basara el muestreo para la conversión de la señal a pulso cuadrado.
Según diseño la señal de entrada puede aplicarse tanto al terminal no inversor (+) como al inversor (-) , el resultado es el mismo, solo cambia la salida del pulso que sale invertido.
El resultado de la comparación es como puede ver en la imagen siguiente:
- En color verde puede ver la señal senoidal de audio, la cual varia en amplitud y frecuencia según el audio, esta no sobre-pasa la amplitud del diente de sierra.
- En azul puede ver la señal de diente de sierra, una señal fija en amplitud como en frecuencia, como puede ver debe ser de una frecuencia mucho mayor a la del audio.
- En rojo la señal de onda cuadrada, modulada en ancho de pulso y de amplitud fija.
Observe que el ancho de cada pulso depende de la posición en que se sobrepone la onda senoidal sobre el diente de sierra, la cual en frecuencia es mucho mayor, generalmente mayor a 41.5KHZ, a mayor frecuencia mayor muestreo y por tanto mejor calidad de audio, pues el muestreo de la señal de audio es mas fino, como puede notarlo en la gráfica, la frecuencia más recomendada seria unos 100KHZ.
Proceso de la señal PWM
Antes de aplicar la señal PWM a los amplificadores finales o de potencia, esta debe ser acondicionada, en componentes de audio puede ser por medio de transistores o integrados, o bien circuitos mixtos, en televisión LCD o plasma generalmente el integrado principal entrega la señal de audio ya en PWM, lista para ser procesada por el pre-amplificador y de potencia.
El acondicionamiento de la señal depende de la calidad del equipo y suelen ser ajustes de tonos como graves y agudos, canal estéreo o mono, nivel de volumen, etc.
Recuperación de la señal original de entrada
Para convertir la señal cuadrada modulada por ancho de pulso a senoidal o a la forma original de entrada se usan elementos pasivos como bobinas, condensadores y resistencias, estos componentes no generan perdidas de potencia, en las siguientes imágenes puede ver algunos ejemplos:
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| Una imagen que muestra bobinas y condensadores del filtro LPF de un televisor Sony LCD de 42”. y un ejemplo de un integrado Amplificador clase “D” de 20W por canal que no requiere disipador, el numero de integrado es el TPA3100D2. |  |
Preamplificación de la señal de audio.
Se comento anteriormente que la señal previa al amplificador de salida podría procesarse en señal análoga o en señal PWM, esto depende de los fabricantes, en en equipos de audio es donde hay mas variación en el proceso, ya que algunos la procesan en señal análoga hasta el amplificador de potencia, en el amplificador de potencia se hace el proceso para la modulación PWM, en cambio otros la convierten a señal PWM desde antes de los pre-amplificadores, en televisión por lo general la señal ya sale en forma PWM desde el mismo integrado procesador principal o MAIN como viene en la serigrafía, ya lista en amplitud para el proceso final de amplificación.
Los circuitos son muy variados pues algunos su función solo es la amplificación final, otros desde el proceso de comparación para generar la señal en PWM y otros aparte de su función de amplificador también incorporan el control por medio del bus de datos I2C, por lo que para identificar el tipo tendrá que conseguir la hoja de datos correspondiente.
Veamos unos ejemplos:
Philips FW-M593 componente de audio
Este amplificador gestiona el audio principalmente en forma análoga hasta antes del integrado de potencia, el cual internamente incorpora el oscilador para hacer la comparación y generar la señal PWM.
El audio es pre-amplificado por un C.I. NJ4556 amplificador operacional, en su salida sigue entregando señal analógica (fig. Amp-d_3) hasta aquí la señal ya esta acondicionada tanto en amplitud como en el ajuste de las preferencias del usuario (ecualización o tonos, nivel de volumen etc.).
Amplificador de potencia
En la imagen siguiente puede ver el amplificador de potencia TDA8920TH, por los terminales 4 y 8 ingresa la señal de audio analógico, el terminal 7 es el oscilador diente de sierra interno de referencia para la comparación con la señal analógica de entrada, por los terminales 16 y 21 aparece la señal de salida ya amplificada pero aun en forma de señal PWM, como se había comentado anteriormente esta forma de onda no sirve para ser procesada por los altavoces, así que tiene que acondicionarse para ser procesada por los altavoces, en el recuadro amarillo puede ver el acoplamiento y los componentes del filtro pasa-bajos LPF el cual bloquea la frecuencia de diente de sierra permitiendo la recuperación de la señal senoidal original de entrada, la cual ya amplificada en potencia es apta para ser reproducida por los altavoces.
Como puede ver el circuito requiere de 2 niveles de alimentación: VDDA/VSSA para el integrado en general y VDDP/VSSP para el amplificador de potencia y el filtro LPF. La tensión de alimentación es en promedio de 27V prácticamente la mitad de un amplificador común analógico de la misma potencia, en algunos integrados se incorporan terminales de MUTE y STANDBY los cuales funcionan en general con niveles de 5V. Puede ver en el terminal 7 el circuito RC que determina la frecuencia del oscilador, puede notar que antes de las bobinas L301 y L302 la señal es PWM y después de las bobinas ya es senoidal o análoga, si el amplificador procesa pulsos digitales igualmente requiere el circuito LPF para suavizar los bordes de la señal cuadrada.
Como es común en los integrados de potencia estos amplificadores PWM también incorporan protecciones de tensión, corriente y temperatura entre otras.
El TDA8920TH a bloques.
Como puede ver los transistores de Switcheo son del tipo MOSFET en circuito complementario, esto significa que solo uno puede estar encendido y el otro apagado y viceversa, en el circuito a bloques puede notar en medio a la izquierda el oscilador diente de sierra o señal triangular, y los moduladores, este tipo de circuitos al igual que los amplificadores análogos puede conectarse en puente (BTL) con lo que seria un amplificador tipo monoaural y casi del doble de potencia.
Circuito básico del TDA8920TH, incluye fuente de alimentación y muestra la posible conexión en puente BTL con lo cual seria solo un canal de audio pero prácticamente del doble de potencia.
En la siguiente imagen puede ver el circuito de un pre-amplificador ya con señal PWM, solo se muestra por simplicidad el canal izquierdo.
En la siguiente imagen el amplificador de potencia MP9720, un circuito de lo mas simple, la señal llega ya en PWM lista para ser amplificada, en la mayoría de equipos de audio la etapa final suelen ser solo amplificadores, no incorporan ningún tipo de control.
La falla mas común es el daño del mismo integrado, para el rastreo de señal PWM requiere de un osciloscopio, pero también podría usar una sonda de medición de voltaje pico a pico Vpp. al ser rectificada por la sonda el multimetro puede interpretarla como corriente continua, de preferencia una sonda dedicada que puede ser con diodos 1N4148 y condensadores a 200V.
La segunda falla mas común son los condensadores del filtro pasa-bajos LPF ya que al ser de SMD son muy pequeños y suelen ponerse en corto, semi-corto o abrirse, en caso de condensadores abiertos a veces podemos encontrar dañadas las bocinas.
Otro defecto de estos amplificadores es que generan de fondo una especie de ruido de tac como chasquidos y zumbido, debe revisar el circuito oscilador si lo incorpora, por lo demás la revisión es similar a un circuito amplificador del tipo análogo.
Por ultimo un ejemplo de un circuito que tiene control por medio del bus de datos I2C.
