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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:

  1. Los dispositivos (circuitos integrados) son mas pequeños, algunos de tan solo 1cm cuadrado o menos.
  2. Pueden funcionar con tensiones mas bajas y a un menor consumo de corriente.
  3. 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.
  4. Su rendimiento es el mayor de cualquier otra generación, los clase "A" menos del 50%, "D" mayor del 90%.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.

 

Circuito comparador mezclador pwm

 

El resultado de la comparación es como puede ver en la imagen siguiente:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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:

 

filtro pasa bajos basico Filtro pasa bajos 2
   
Filtro pasa bajos 3
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. Imagen filtro pasa bajos y TPA3100d2