Siempre habrá debates sobre si un amplificador de Clase D puede sonar tan bien como un Clase AB. Se ha demostrado que todo depende de quién diseñe el amplificador. También vemos murmullos sobre los amplificadores de un solo extremo frente a los diseños de puente completo. STMicroelectronics creó una forma diferente e inesperada de entregar energía eficiente. Estos amplificadores se clasifican como Clase SB y Clase SBI. Veamos si podemos explicar cómo funcionan:
Topologías del dispositivo de salida del amplificador
Antes de profundizar en el amplificador de clase SB, necesitamos aclarar algunas cosas. Hay dos formas de configurar los dispositivos del controlador (transistores o MOSFETS) para proporcionar grandes cantidades de corriente a los altavoces. En una configuración de clase A, el dispositivo de salida está a mitad de camino cuando no se reproduce ningún audio. La señal de audio puede modular la salida desde su punto de reposo en el 50 % hasta casi el 100 % y hasta casi el 0 %. Aunque son extremadamente lineales, estos diseños son notoriamente ineficientes y desperdician grandes cantidades de energía. Un circuito amplificador de clase A tiene una eficiencia máxima del 25 % y solo empeora a medida que el nivel de salida disminuye de completo. Sin tocar nada en absoluto, un verdadero amplificador de Clase A desperdicia la mitad de la capacidad máxima de entrega de corriente de la fuente de alimentación como calor.
Una generalización de cómo funciona un transistor en un amplificador de clase A.
En un amplificador de clase B, dedicamos un transistor a la mitad positiva de la forma de onda de audio y un segundo a la mitad negativa. Cuando no se reproduce música, los dispositivos de salida están funcionalmente apagados.
Una generalización de cómo funcionan los transistores en un amplificador de clase B.
Tenemos que añadir un poco de voltaje a los dispositivos de salida para que la transición de uno a otro sea suave. Muchos amplificadores de baja calidad no lo hacen bien. En esos casos, hemos visto un pequeño paso en la forma de onda a través de la transición. Este paso se llama distorsión cruzada. Cuando se ejecuta sin problemas, no hay ningún paso. Este modo de operación se llama comúnmente una configuración de dispositivo de salida de clase AB. En realidad, es solo una Clase B sesgada por voltaje, pero está claro que no hay vuelta atrás en el nombre ahora.
Una pequeña cantidad de sesgo en un amplificador de clase AB elimina la distorsión de cruce y mejora la calidad del sonido.
En este contexto, la Clase A y la Clase B se llaman topologías de dispositivos de salida. Estas son las únicas dos formas en que se pueden cablear los dispositivos de salida.
Operación de clase D
Cuando se habla de amplificadores de clase D, no se esta discutiendo cómo se configuran los dispositivos de salida. La clase D es una descripción de la señal utilizada para impulsar los dispositivos de salida. La mayoría de los amplificadores de clase D utilizan una configuración de dispositivo de salida de clase AB.
Como se puede ver en la imagen de abajo, la forma de onda de audio analógico es cortada en pequeños pedazos por el IC del controlador de Clase D. El ancho de las espigas en relación con la frecuencia de conmutación representa el nivel de salida. Los picos muy estrechos producen pequeñas cantidades de producción, y los picos muy anchos producen altos niveles de producción.
La mayoría de los amplificadores de clase D utilizan dispositivos de salida en una configuración de clase AB.
El beneficio del funcionamiento de clase D es que los dispositivos de salida están completamente encendidos o apagados. Pasan muy poco tiempo a tiempo parcial. En esencia, bloquean todo el flujo de corriente o permiten que todo pase. Los transistores y los dispositivos MOSFET son menos eficientes cuando permiten pasar la mitad de la corriente, como vimos en una configuración de Clase A. El resultado es una mejora dramática en la eficiencia. Muchos amplificadores de clase D bien diseñados tienen una eficiencia total del 92%.
Circuitos integrados del amplificador
Antes de salir de los rieles con la clase SB, echemos un vistazo a los circuitos integrados de amplificador dedicados. Casi todas las radios de coche de las últimas décadas utilizan un solo chip como amplificador. Estos chips suelen tener cuatro canales de amplificación y todos los circuitos de protección necesarios para evitar que los aficionados al bricolaje exploten sus radios. La mayoría de los amplificadores de IC proporcionan de 16 a 21 vatios de potencia en cargas de 4 ohmios de cada canal.
Los circuitos integrados de amplificador como este ejemplo de Toshiba son comunes en las radios de los coches.
Sony llevó las cosas más allá con sus radios de alta potencia y utilizó un IC de Texas Instruments llamado TAS5414C. En sus aplicaciones de la unidad principal, se ha medido más de 42 vatios de potencia de cada canal. En lo que Sony llama su modo Subwoofer Direct, la medida es más de 76 vatios de potencia.
Amplificadores Bridge-Tied-Load
La mayoría de las unidades principales solo tienen el voltaje de la batería del vehículo disponible para conducir los altavoces. Normalmente no tienen fuentes de alimentación avanzadas como un amplificador. Como tal, solo podemos obtener unos 13,5 o 14 voltios a través de los terminales de los altavoces. Esto significa que estamos limitados a un máximo teórico de 24,5 vatios. En realidad, vemos unos cuantos vatios menos a medida que se desperdicia algo de voltaje en el circuito del amplificador.
Si su instalador viera la salida de una radio de coche a plena potencia en un osciloscopio, vería las siguientes formas de onda en los cables de los altavoces.
Las formas de onda presentes en los cables de los altavoces de una radio de automóvil típica.
Si bajamos el volumen a casi nada, veremos lo siguiente:
La salida de una radio de coche típica que reproduce una onda sinusoidal a un volumen muy bajo.
Como puede ver, ambos cables de los altavoces tienen un voltaje de desplazamiento de CC. Cuando no se reproduce ningún audio, hay entre 6 y 6,5 voltios presentes en los cables de los altavoces. Debido a que el voltaje es común a ambos cables, el altavoz no se mueve. El altavoz solo responde a las diferencias entre los cables.
Ahora, echemos un vistazo a un amplificador de un solo extremo. Este sería un ejemplo de un canal de un amplificador de audio típico de automovil.
Lo que un instalador mediría con una sonda de alcance en cada terminal de un amplificador de un solo extremo.
Puedes ver que la sonda con el rastro verde descansa en el voltaje de tierra. La sonda con el rastro púrpura muestra que el voltaje de salida oscila de positivo a negativo y hacia atrás. El altavoz se moverá hacia adelante y hacia atrás para seguir la forma de onda púrpura.
Clase SB y clase SBI de STMicroelectronics
Ok, ahora deberías entender cómo se pueden configurar los dispositivos de conmutación de salida y cómo se pueden usar diferentes formas de onda para aumentar la eficiencia. STMicroelectronics combinó cosas en los amplificadores de clase SB para crear algo único y, por decirlo suavemente, creativo. STMicroelectronics utiliza la abreviatura SB para "puente de un solo extremo" y SBI como "SB mejorado". Su afirmación es la calidad de sonido de clase AB con una mejora del 50 % en la eficiencia.
Los amplificadores de clase SB funcionan como amplificadores de un solo extremo a niveles de potencia bajos a moderados. La forma de onda se extiende de negativo a positivo en un altavoz, mientras que el otro descansa en el suelo.
La salida de un amplificador de clase SB que funciona a niveles bajos a moderados.
Si este fuera un amplificador típico de clase AB, la forma de onda de salida se cortaría si aumentáramos la señal al amplificador de tal manera que la salida intentara exceder los límites de voltaje del carril. Eso se parecería a la forma de onda de abajo.
La forma de onda de un amplificador de clase AB conducido hacia el recorte.
El amplificador de clase SB se vuelve creativo cuando se queda sin voltaje de riel a altos niveles de salida. Mira esto.
El funcionamiento tan inteligente del amplificador STM Class SB como se ve en un osciloscopio.
Cuando la salida principal alcanza el recorte, la salida "normalmente a tierra" aumenta el voltaje en la dirección opuesta. El resultado es un aumento neto en la amplitud. Eso es muy creativo. En la aplicación, tener un control total sobre cada componente del amplificador es crucial para que este diseño funcione correctamente. Con todo alojado en un solo IC, STM tiene ese control.
Un ejemplo de un IC de amplificador de potencia de clase SB con caja Flexiwatt-25 de cuatro canales.
¿Es mejor un amplificador de clase SB?
Antes de afirmar que STMicroelectronics ha reinventado el amplificador de audio del coche, tenga en cuenta que estos circuitos integrados tienen aplicaciones específicas. Están diseñados para ser compactos y eficientes. Como tal, los amplificadores creados con ellos en el núcleo pueden ser compactos con disipadores de calor más pequeños que un amplificador equivalente de clase AB. Además, estos amplificadores están disponibles con entradas digitales. Esta conectividad los hace ideales para integrarse en un sistema de infoentretenimiento de red cerrada, como la oferta MOST, AVB o A2B. Los amplificadores producen unos 45 vatios de potencia. Esto podría ser bueno para los canales principales de un sistema de audio de coche instalado de fábrica, pero no será adecuado para soluciones de posventa de alta potencia o subwoofers.
¿Qué necesitan saber los consumidores sobre los amplificadores de clase SB?
Entonces, ¿qué necesita saber el consumidor típico sobre los amplificadores de clase SB? La respuesta no es mucho. Dicho esto, saber qué nuevas tecnologías están en uso siempre es bueno. Los amplificadores de clase SB son principalmente una solución para los fabricantes de vehículos y los sistemas de audio de baja a media potencia. Los instaladores y técnicos deben entender cómo reconocer las señales de audio de un amplificador de clase SB al integrar procesadores de audio DSP y nuevos amplificadores en un vehículo. Muchas, pero no todas, las actualizaciones de audio del mercado de accesorios funcionan con unidades de origen instaladas de fábrica con alimentación de clase SB.