¿Cómo funciona un amplificador en Clase D?

La Clase D es esa tecnología de amplificación cada vez más común entre los dispositivos de audio, denominada popularmente (y erróneamente…) como amplificación “digital”.

Los ultimos años están apareciendo cada vez más dispositivos con amplificación en Clase D que incluso empieza a rivalizar en calidad con la amplificación tradicional en los ámbitos mas exigentes: amplificación estéreo de calidad, audio profesional, car audio, multicanal, etc. En todos ellos, la amplificacion en Clase D está irrumpiendo con resultados de calidad que en ocasiones, sorprenden hasta a los excépticos de esta tecnología.

¿Por qué clase D?

Las ventajas son claras:

  • Menor consumo para conseguir mismas potencias de sonido, gracias a su mayor rendimiento (menos desperdicio de energia en forma de calor).
  • Menor tamaño del amplificador.

En cuanto a las desventajas, la principal, una menor calidad de sonido, parece que esta olvidándose cada vez más gracias a los avances en esta “joven” tecnología. Cada vez se consigue mejorar más la calidad de sonido y reducir otros efectos colaterales, como la consabida emisión de interferencias.

Qué es la amplificación en Clase D

Un amplificador en clase D es un amplificador que basa su funcionamiento en que sus dispositivos de salida (transistores), están o completamete funcionando, o completamente apagados. Las variaciones entre estos dos estados, habrían de ser idealmente instantáneas. Ésta es la característica por la que se les conoce comunmente como “digitales” (y erróneamente, ya que el tratamiento de la información señal de audio es totalmente analógico).

Antes de seguir, veamos un esquema basico de un amplificador en Clase D:

Como se ve, la primera etapa a la izquierda es la entrada de audio, que se modula con una señal triangular a muy alta frecuencia (se hace una operacion de comparación). Ésta comparacion, da como salida una señal de pulsos de muy alta frecuencia, que representan tanto a la señal original, como a la señal triangular que la ha modulado.

¿Como puede representar esta señal de pulsos a la señal original? Las bajas frecuencias de esta señal de pulsos, es la señal original, y las altas frecuencias, es subproducto de la modulación. Por lo tanto, si filtramos esta señal de pulsos en paso bajo de forma adecuada, recuperaremos la señal original, tan simple como eso.

Por lo tanto, de esta señal de pulsos que tenemos a la salida del comparador “C”, una parte es la aprovechable, pero toda la parte alta de su espectro no nos servirá para nada a la salida, y será filtrada al final del proceso para recuperar la forma de la señal original.

Bien, hasta aqui, esta señal de pulsos que tenemos todavía es una señal de bajo voltaje, como la de audio de la entrada. ¿Qué se hace ahora con ella para amplificarla?

Ahora, esta señal se utilizará para controlar la sección de salida. La seccion final, dividida en dos secciones de tipo Mosfet, se comportará como simples interruptores gobernados por la señal de pulsos. La parte alta de esta señal de pulsos se va utilizar para dar la orden de activacion de la mitad de la seccion final, y la parte baja de la señal se utilizara para dar la orden de activacion a la otra mitad.

De esta forma, la suma de las salidas de las dos seccion finales, dara la misma señal de pulsos que teniamos despues de la comparación (C), pero amplificada, esto es, con mucha mas amplitud, pero la misma forma de pulsos, como se ve en el dibujo.

Es ahora, cuando tenemos que recuperar de la señal de pulsos amplificada, la señal de entrada original, y esta vez sí la tendremos amplificada, como se puede deducir. Esto se hara, como se ve en el gráfico, mediante un filtrado paso bajo. Como hemos comentado al principio, la señal de pulsos es la señal original, si la filtramos paso bajo.

¿Qué ocurre con la energía de la palte alta que filtramos de la señal de pulsos? Esta parte es almacenada transitoriamente en el filtro paso bajo de salida, por lo que refuerza la señal de salida paso bajo, y es casi completamente aprovechada. Teoricamente, no se pierde en forma de calor (si los componentes del filtro no tuviesen resistencia parasita)

¿Por qué son tan eficientes los amplificadores en Clase D?

Eficiencia amplifiacion clase D

Teóricamente, podrían alcanzarse eficiencias del 100%. Esto sería así, si suponemos por un lado que el filtro paso bajo de la salida no tienen componentes resistivas parásitas, y si por otro lado, las secciones Mosfet de amplificación se comportasen como interruptores ideales (cosa que no es posible totalmente).

De todas formas, las eficiencias conseguidas actualmente son del orden del 90%, algo impresionante en comparación con las mejores eficiencias en torno al 60% de la amplificación tradicional como la Clase A/B (con su limite de eficiencia teórica máxima del 78%, también prácticamente inalcanzable).

¿De qué depende la calidad de un amplificador Clase D?

Como se ve, un amplificador Clase D trabaja con frecuencias altísimas, a muy alta potencia, lo que justamente requiere muy alta precision en el diseño, y precision en el rendimiento y fiabilidad de los componentes y sus especificaciones. Ademas de que requiere una aplicación teórica avanzada de los conceptos de modulación y recuperación de la señal original.

Esto, junto al menor desarrollo de esta tecnología respecto a la Clase A o A/B, hace que la Clase D todavía fuese difícil de conseguir a bajo coste y con calidad. Últimamente se van superando estas problemáticas, con originales técnicas, y mayor precisión en los modulos de la cadena. Cuando un fabricante saca una nueva técnica para superar los handicaps, rapidamente otros fabricantes intentan aplicarla tambien, o adaptarla si hay patentes de por medio. De esta forma, parece que la amplificación en Clase D esta avanzando ultimamente para intentar equipararse a los logros conseguidos en otras clases mas tradicionales.

¿Lo conseguira? ¿Lo han conseguido ya? Serán nuestros oidos libres de prejuicios, los que lo tengan que juzgar. Lo que parece es que cada vez más, muchos consumidores exigentes están empezando a sucumbir a las prestaciones de esta tecnología cada vez más perfeccionada.

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Acerca de Diego Ena

Desde siempre he tenido un gran interés por los fundamentos y curiosidades del sonido. Durante mis estudios tuve la suerte de poder hacer una especialización sobre audio, y aunque no me dedico profesionalmente a ello, a día de hoy sigo siendo un gran aficionado. Con este blog espero aportar mi granito de arena a la afición por el interesante mundo del sonido.

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