Classi di amplificatori di potenza

Nell'elettronica, l'amplificatore è il dispositivo di circuito più comunemente utilizzato con enormi possibilità di applicazione. Nell'elettronica relativa all'audio, il preamplificatore e gli amplificatori di potenza sono due diversi tipi di sistemi di amplificazione utilizzati per scopi correlati all'amplificazione del suono. Ma, oltre a questo scopo specifico dell'applicazione, ci sono enormi differenze in vari tipi di amplificatori, principalmente negli amplificatori di potenza. Quindi qui esploreremo diverse classi di amplificatori insieme ai loro vantaggi e svantaggi.

Classificazioni di amplificatori utilizzando lettere

Le classi di amplificatori sono l'identità delle prestazioni e delle caratteristiche dell'amplificatore. Diversi tipi di amplificatori di potenza danno risposte diverse quando la corrente li attraversa. Secondo le loro specifiche, agli amplificatori vengono assegnate lettere o alfabeti diversi che rappresentano le loro classi. Esistono diverse classi di amplificatori a partire da A, B, C, AB, D, E, F, T ecc. Di queste classi le classi di amplificatori audio più comunemente usate sono A, B, AB, C. Altre classi sono amplificatori moderni che utilizzano topologie di commutazione e tecnica PWM (Pulse Width Modulation) per guidare il carico di uscita. A volte, alla versione migliorata delle classi tradizionali viene assegnata una lettera per classificarle come una classe diversa di amplificatore, come l'amplificatore di classe G è una classe di amplificatore modificata di classe B o di classe AB.

Le classi dell'amplificatore rappresentano la proporzione del ciclo di ingresso quando la corrente passa attraverso l'amplificatore. Il ciclo di ingresso è l'angolo di conduzione derivante dalla conduzione dell'onda sinusoidale nell'ingresso dell'amplificatore. Questo angolo di conduzione è altamente proporzionale con gli amplificatori in tempo durante un ciclo completo. Se l'amplificatore è sempre acceso durante un ciclo, l'angolo di conduzione sarà di 360 gradi. Quindi, se un amplificatore fornisce un angolo di conduzione di 360 gradi, l'amplificatore ha utilizzato il segnale di ingresso completo e l'elemento attivo condotto attraverso il periodo di tempo del 100% di un ciclo sinusoidale completo.

Di seguito, dimostreremo le classi di amplificatori di potenza tradizionali che vanno dalla classe A, B, AB e C e dimostreremo anche l'amplificatore di classe D che è ampiamente utilizzato nei progetti di commutazione. Queste classi non vengono utilizzate solo negli amplificatori di potenza, ma anche nei circuiti degli amplificatori audio.

Amplificatore di classe A.

L'amplificatore di classe A è un amplificatore ad alto guadagno con elevata linearità. In caso di amplificatore di classe A, l'angolo di conduzione è di 360 gradi. Come abbiamo affermato sopra, un angolo di conduzione di 360 gradi significa che il dispositivo amplificatore rimane attivo per tutto il tempo e utilizza il segnale di ingresso completo. Nell'immagine sottostante è mostrato un amplificatore di classe A. ideale.

Come possiamo vedere nell'immagine, c'è un elemento attivo, un transistor. Il bias del transistor rimane sempre attivo. A causa di questa funzione non si spegne mai, l' amplificatore di classe A offre una migliore stabilità delle alte frequenze e del loop di feedback. Oltre a questi vantaggi, l'amplificatore di classe A è facile da costruire con un componente a dispositivo singolo e un numero minimo di parti.

Nonostante i vantaggi e l'elevata linearità, certamente, ha molti limiti. A causa della natura conduttiva continua, l' amplificatore di classe A introduce un'elevata perdita di potenza. Inoltre, a causa dell'elevata linearità, l'amplificatore di classe A fornisce distorsione e rumori. L'alimentatore e la struttura del bias richiedono un'attenta selezione dei componenti per evitare rumori indesiderati e ridurre al minimo la distorsione.

A causa dell'elevata perdita di potenza nell'amplificatore di classe A, emette calore e richiede uno spazio maggiore per il dissipatore di calore. L'efficienza è molto scarsa negli amplificatori di classe A, teoricamente l'efficienza varia dal 25 al 30% se usati con la configurazione usuale. L'efficienza può essere migliorata utilizzando la configurazione accoppiata induttivamente ma l'efficienza in tal caso non è superiore al 45-50%, quindi è adatta solo per scopi di amplificazione a basso segnale o basso livello di potenza.

Amplificatore di classe B.

L'amplificatore di classe B è leggermente diverso dalla classe A. Viene creato utilizzando due dispositivi attivi che conducono metà del ciclo effettivo, ovvero 180 gradi del ciclo. Due dispositivi forniscono corrente combinata per il carico.

Nell'immagine sopra, è stata mostrata una configurazione di amplificatore di Classe B ideale. Consiste di due dispositivi attivi che vengono polarizzati uno per uno durante il semiciclo positivo e negativo dell'onda sinusoidale e quindi il segnale viene spinto o tirato al livello amplificato sia dal lato positivo che da quello negativo e combinando il risultato otteniamo un ciclo completo attraverso l'uscita. Ogni dispositivo si è acceso o è diventato attivo a metà del ciclo e grazie a ciò l'efficienza viene migliorata, rispetto al 25-30% di efficienza dell'amplificatore di classe A, fornisce teoricamente più del 60% di efficienza. Possiamo vedere il grafico del segnale di ingresso e uscita di ogni dispositivo nell'immagine sottostante. L'efficienza non è più di 78% di amplificatore in classe B . La dissipazione del calore è ridotta al minimo in questa classe fornendo uno spazio a basso dissipatore di calore.

Ma anche questa classe ha delle limitazioni. Una limitazione molto profonda di questa classe è la distorsione crossover. Poiché due dispositivi forniscono ciascuna metà delle onde sinusoidali che vengono combinate e unite attraverso l'uscita, si verifica una mancata corrispondenza (cross over) nella regione, dove sono combinate due metà. Questo perché quando un dispositivo completa il mezzo ciclo, l'altro deve fornire la stessa potenza quasi contemporaneamente quando l'altro termina il lavoro. È difficile correggere questo errore nell'amplificatore di classe A poiché durante il dispositivo attivo l'altro dispositivo rimane completamente inattivo. L'errore fornisce una distorsione nel segnale di uscita. A causa di questa limitazione, è un grave errore per l'applicazione di amplificatori audio di precisione.

Amplificatore in classe AB

Un approccio alternativo per superare la distorsione crossover è usare l'amplificatore AB. L'amplificatore di classe AB utilizza un angolo di conduzione intermedio di entrambe le classi A e B, quindi possiamo vedere le proprietà dell'amplificatore di classe A e di classe B in questa topologia dell'amplificatore di classe AB. Come la classe B, ha la stessa configurazione con due dispositivi attivi che conducono individualmente durante metà dei cicli ma ogni dispositivo polarizzato in modo diverso in modo che non si spengano completamente durante il momento inutilizzabile (momento di crossover). Ogni dispositivo non lascia la conduzione immediatamente dopo aver completato la metà della forma d'onda sinusoidale, ma conduce una piccola quantità di input su un altro mezzo ciclo. Utilizzando questa tecnica di polarizzazione, la mancata corrispondenza del crossover durante la zona morta viene drasticamente ridotta.

Ma in questa configurazione l'efficienza è ridotta in quanto viene compromessa la linearità dei dispositivi. L'efficienza rimane maggiore dell'efficienza di un tipico amplificatore di Classe A ma è inferiore a quella del sistema di amplificazione di Classe B. Inoltre, i diodi devono essere scelti con cura con la stessa identica valutazione e devono essere posizionati il ​​più vicino possibile al dispositivo di uscita. In alcune costruzioni di circuiti, i progettisti tendono ad aggiungere un resistore di piccolo valore per fornire una corrente di quiescenza stabile attraverso il dispositivo per ridurre al minimo la distorsione attraverso l'uscita.

Amplificatore di classe C.

Oltre all'amplificatore di classe A, B e AB, c'è un altro amplificatore di classe C. È un amplificatore tradizionale che funziona in modo diverso rispetto alle altre classi di amplificatori. L'amplificatore di classe C è un amplificatore sintonizzato che funziona in due diverse modalità operative, sintonizzato o non sintonizzato. L'efficienza dell'amplificatore di classe C è molto più di quella di A, B e AB. L'efficienza massima dell'80% può essere raggiunta nelle operazioni relative alla radiofrequenza

L'amplificatore di classe C utilizza un angolo di conduzione inferiore a 180 gradi. Durante la modalità non sintonizzata , la sezione del sintonizzatore viene omessa dalla configurazione dell'amplificatore. In questa operazione, l' amplificatore di classe C fornisce anche un'enorme distorsione sull'uscita.

Quando il circuito è esposto a un carico sintonizzato, il circuito blocca il livello di polarizzazione di uscita con la tensione di uscita media uguale alla tensione di alimentazione. L'operazione sintonizzata è chiamata clamper. Durante questa operazione, il segnale assume la forma corretta e la frequenza centrale diventa meno distorta.

Negli usi tipici, l'amplificatore di classe C offre un'efficienza del 60-70%.

Amplificatore di classe D.

L'amplificatore di classe D è un amplificatore di commutazione che utilizza la modulazione di larghezza di impulso o PWM. L'angolo di conduzione non è un fattore nel caso in cui il segnale di ingresso diretto viene modificato con una larghezza dell'impulso variabile.

In questo sistema di amplificazione in Classe D, il guadagno lineare non è accettato in quanto funzionano proprio come un tipico interruttore che ha solo due operazioni, ON o OFF.

Prima di elaborare il segnale di ingresso, il segnale analogico viene convertito in un flusso di impulsi mediante varie tecniche di modulazione e quindi viene applicato al sistema di amplificazione. Poiché la durata degli impulsi è correlata al segnale analogico, viene nuovamente ricostruita utilizzando un filtro passa-basso sull'uscita.

L'amplificatore di classe D è la classe di amplificatori più efficiente in termini di potenza nei segmenti A, B, AB e C e D. Ha una minore dissipazione del calore, quindi è necessario un piccolo dissipatore di calore. Il circuito richiede vari componenti di commutazione come i MOSFET che hanno una bassa resistenza.

È una topologia ampiamente utilizzata nei lettori audio digitali o anche per il controllo dei motori. Ma dobbiamo tenere presente che non è un convertitore digitale. Sebbene, per frequenze più elevate, l'amplificatore di classe D non sia una scelta perfetta in quanto in alcuni casi presenta limitazioni di larghezza di banda a seconda del filtro passa basso e delle capacità del modulo convertitore.

Altre classi di amplificatori

Oltre agli amplificatori tradizionali, ci sono poche altre classi, che sono classe E, classe F, classe G e H.

L'amplificatore di classe E è un amplificatore di potenza altamente efficiente che utilizza topologie di commutazione e funziona in frequenze radio. Un elemento di commutazione unipolare e la rete reattiva sintonizzata è il componente principale da utilizzare con l'amplificatore di classe E.

La classe F è un amplificatore ad alta impedenza rispetto alle armoniche. Può essere pilotato utilizzando un'onda quadra o un'onda sinusoidale. Per l'ingresso dell'onda sinusoidale, questo amplificatore può essere sintonizzato utilizzando un induttore e può essere utilizzato per aumentare il guadagno.

La classe G utilizza la commutazione su rotaia per ridurre il consumo energetico e migliorare le prestazioni di efficienza. E la Classe H è la versione ulteriormente migliorata della Classe G.

Le classi aggiuntive sono amplificatori per scopi speciali. In alcuni casi, le lettere vengono fornite dal produttore per indicare il loro design proprietario. Un miglior esempio è l'amplificatore di classe T, che è un marchio di un tipo speciale di amplificatore di classe D di commutazione, utilizzato per le tecnologie di amplificazione di Tripath che è un design brevettato.