informe amplificador clase d

Electrónica Industrial. Jaime Barrero. 30 de Agosto de 2013.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

I.

II. INTRODUCCIÓN

El sonido esta aplicado a distintos campos de investigación como la medicina, ámbito militar, aparatos electrónicos, la industria entre otros. Es difícil imaginarnos una vida sin los beneficios de la tecnología del sonido, ya que de ella depende nuestro celular, películas, CD’S, televisión, micrófonos, etc.

Por esta razón se hace indispensable el uso de amplificadores de audio, que desde 1906 se ha venido trabajando en este campo gracias a Lee De Forest, pero no fue hasta 1965 con el empleo de transistores que se logró reemplazar los tubos de vacío, disyuntores, condensadores e interruptores, simplificando el tamaño y los costos.

A través de los años se ha venido perfeccionado inicialmente el clase A ,mejor calidad, costosos y menos prácticos seguidamente , clase AB dominan el mercado ya que son más económicos, usan menos corriente que un clase A y son más pequeños. La clase D se usan en aplicaciones más especiales como amplificadores de guitarras, subwoofers, etc, poseen alto eficiencia y se calientan poco logrando dispositivos más pequeños actualmente se están logrando mejoras para vencer sus limitaciones con los agudos debido al filtro pasa bajas.

III. OBJETIVOS

GENERAL

Implementar un amplificador de Audio Clase D con potencia mínima de 100W

ESPECÍFICOS

Simular el funcionamiento del amplificador de Audio clase D.

Comparar a nivel de simulación el amplificador clase AB con el amplificador clase D.

Medir y Calcular los parámetros que pueden caracterizar un amplificador de Audio.

IV. REQUISITOS DE DISEÑO

Amplificador de Audio clase D

AMPLIFICADOR CLASE D(POTENCIA 100W)

Paula Andrea Pedroza Niño. 2090479David Leonardo Abreo Carrillo. 2090456

Edgar Alexander Alfonso Fuentes. 2090462Jheyston Omar Serrano Luna. 2083411

1





Potencia de salida mínima de 100W

V. MARCO TEORICO

Los amplificadores de audio son tipos de etapas de salida las cuales se crean con el objetivo de poder entregar la señal de salida con bajas pérdidas de ganancia a una carga.

Existen diferentes clases de amplificadores de audio las cuales se diferencian principalmente por el tiempo de conducción de los transistores, la clase A mantiene un tiempo de conducción que dura todo el ciclo de la señal de entrada, lo cual en grados corresponde a 360º, la clase B a diferencia de la A mantiene un tiempo de conducción de medio ciclo para la señal de entrada correspondiendo a 180º, la clase AB es una mezcla entre las anteriormente mencionadas, por lo tanto los transistores que se encuentran presentes mantienen un ciclo de conducción de un poco más de 180º sin llegar a los 360º como la clase A.

Estas diferencias entre los amplificadores hacen que la clase A presente un bajo rendimiento al mantener altas temperaturas, sin embargo mantiene buena calidad de sonido, la clase B mantiene una menor calidad y consumo que la clase A y la clase AB que mezcla los beneficios de la clase A y B

Figura 1. Esquema de amplificador clase D1

La clase D es la más moderna, la cual toma ventajas de las clases anteriormente mencionadas usando un modelo de conmutación de los transistores con el fin de regular el suministro de potencia, con esto se está garantizando pequeñas pérdidas de energía, lo cual se

conoce como mayor eficiencia (aproximadamente del 90%), también presenta como principal ventaja la reducción en tamaño del amplificador, circuitos más compactos y menor pérdida de potencia con pequeños disipadores de calor.

Los amplificadores de Audio tipo D se encarga de convertir la entrada en una serie de pulsos, los cuales son proporcionales a la amplitud de la señal de entrada, por lo tanto al final se obtiene un tren de pulsos cuyo ancho está en función de la amplitud y frecuencia de la señal de entrada, es por esto que se dice que los amplificadores de audio tipo D son amplificadores PWM, cabe resaltar que la salida que se obtiene en este proceso se conecta a un filtro pasabajas que aparte de eliminar componentes de alta frecuencia recuperan la señal de entrada.

VI. PROPUESTA DE SOLUCIÓN

De acuerdo a los requerimientos de diseño se necesita un amplificador de audio clase D que entregue una potencia de salida de al menos 100 [W], para lo cual se decidió consultar los integrados disponibles en Texas Instruments por facilidades de muestras y costos de envío tal como se muestra a continuación:

Tabla 1. Parámetros amplificadores, tomado de Texas Instruments

Amplificador

Arquitectura

Potencia máxima

monofásica [W]

Tipo de entrada

Alimentación de

control [V]

alimentación potencia

[V]

TAS5612LA Clase D 250 PWM 10.8 - 13.2 12.0 -34

TAS5611A Clase D 250Analógic

a 10.8 - 13.2 16-34.1

TAS5152 Clase D 240 PWM 10.8 - 13.2 0 -37

TAS5142 Clase D 200 PWM 10.8 - 13.2 0 – 34

En la tabla anterior se puede apreciar como los parámetros son similares entre los amplificadores en

1 Imagen tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_Clase_D

2

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_Clase_D





términos de la alimentación de control y potencia, así como de la potencia máxima capaz de suministrar, pero resalta el tipo de entrada para el TAS5611A que es diferente a la de los otros tres amplificadores, es tipo analógico.

El hecho de que la entrada sea de tipo analógico implica no tener que realizar una modulación previa para que sea la entrada al circuito integrado y con esto se garantiza una mejor operación de este, por eso se seleccionó el TAS5611A como el amplificador.

Además, el TAS5611A es un amplificador que cuenta con una tecnología integrada de lazo cerrado conocida como PurePath™ HD, es decir, maneja los bajos niveles de distorsión tradicionales de la clase AB con la eficiencia y potencia de la clase D.

Según [1=Datasheet], el TAS5611A presenta el siguiente comportamiento en la distorsión armónica en función de la potencia que este suministra.

Figura 2. THD vs Pout (TAS5611A)

Por último, el fabricante presenta un esquemático para realizar un montaje monofásico, el cual se muestra en el anexo 1, y en el anexo 2 la imagen del montaje realizado.

VII. SIMULACIÓN

Se realiza la simulación para dos montajes que poseen características similares de ganancia, salida y entrada.Una señal de entrada una señal sinusoidal de amplitud 4 Vp y una frecuencia de 4.5kHz, ganancia de 5 V/V con una carga de 10 ohm.

Etapa de salida Clase AB

Los amplificadores de clase AB son los más utilizados en los sistemas de audio, ya que poseen alto rendimiento y calidad. En señales grandes se comporta como un clase B y bajas se comporta como un A, con una mejora significativa en la distorsión del cruce por cero. El diseño que se implementara será mostrado a continuación:

3





U 1

u A 7 4 1

+3

-2

V +7

V -4

O U T6

O S 11

O S 25

V 1

F R E Q = 4 . 5 kV A M P L = 4V O F F = 0

2 5

0

-2 5

V 22 5

V 32 5

2 52 5

-2 5

R 11 0

0

0

U 2

u A 7 4 1

+3

-2

V +7

V -4

O U T6

O S 11

O S 25

-2 5

2 5

R 2

4 k

R 3

1 k0

Q 1

TI P 4 2 C

Q 2

TI P 4 1 C

-2 5

Figura 3. Montaje Orcad. Amplificador clase AB

La tensión de salida del amplificador clase AB y su respectiva señal de entrada se ilustra a continuación:

Figura 4. Simulación Entrada (verde) – Salida (roja).

Como se puede apreciar la salida del amplificador clase AB, presenta un problema en el cruce por cero que no es tan notorio como en un clase B, esto debido a que no funcione cuando la entrada oscile entre -0.7 y +0.7 disminuyendo la distorsión generada en un clase B. Pero su desventaja radica en que los dos transistores estén activos simultáneamente.La eficiencia de nuestro amplificador clase AB es:

n=PoutPin

=69.34 %

Por último, mediante la herramienta de simulación Orcad obtenemos el THD tomando los 10 primeros armónicos y frecuencia de 4.5khz su resultado es de 7.699184% el cual esperaríamos fuera mucho mayor que la clase D.

Figura 5. THD Amplificador clase AB

Etapa de salida Clase D:

Los amplificadores clase D son basados en ampliación no lineal, logrando eficiencias mayores al 90%. El diseño implementado en simulación es el mostrado a continuación:

4





V 4

TD = 0 . 0 2 5 u

TF = 1 . 2 2 5 uP W = 0 . 0 2 5 uP E R = 2 . 5 u

V 1 = 5

TR = 1 . 2 2 5 u

V 2 = -5V 5

F R E Q = 4 . 5 kV A M P L = 4V O F F = 0

0

0

U 3

C L C 4 4 0 / C L

O U T6

V+

7V

-4

+3

-2

V 67

0

V 77

0

R 46 k

0IN+IN-

OUT+OUT-

E 1

3 * V (% I N + , % I N -)E V A L U E

IN+IN-

OUT+OUT-

E 2

3 * V (% I N + , % I N -)E V A L U E

IN+IN-

OUT+OUT-

E 3

-3 * V (% I N + , % I N -)E V A L U E

IN+IN-

OUT+OUT-

E 4

-3 * V (% I N + , % I N -)E V A L U E

V 82 5

0

R 5

1 m2 5

0

2 52 5

0

0

0

0 0

R 61 0

L 1

1 uC 16 3 u

M 1I R F 5 3 0

M 2I R F 5 3 0

M 3I R F 5 3 0M 4

I R F 5 3 0

Figura 6. Montaje Orcad. Amplificador clase D

La primera etapa consiste en un comparador de la señal de audio y una señal triangular con el objetivo de

obtener una señal PWM a la salida. Este resultado se aprecia en la siguiente figura:

Figura 7. Simulación etapa de modulación PWM.

Como se apreciar en la anterior figura, se observa la señal portadora (roja) con frecuencia de 4.5kHz, señal moduladora (verde) con frecuencia de 400KHz y finalmente la modulada (azul) también de frecuencia

4.5KHz. Esta señal de salida, se encargara de activar los drivers de los mosfet para así obtener una señal amplificada entre 25V y -25V. Tal como se ilustra a continuación:

5





Figura 8. Salida de los transistores del amplificador clase D.

Por último es necesario tener un filtro pasa bajas, con el objetivo de volver a obtener la señal de audio, pero amplificada. Este filtro está diseñado para frecuencias

de corte hasta 20 KHz ya que son las frecuencias audibles y mediante la herramienta FFT de orcad se aprecia el efecto:

Figura 9. FFT de las señales de salida de los transistores (roja) y la señal después del filtro (Verde).

La señal verde es la FFT en los terminales de la carga, y la roja es la FFT antes del filtro.

La eficiencia es un parámetro esencial en los amplificadores clase D, las perdidas en la etapa de control son despreciables en comparación con las pérdidas de la etapa de salida. Dado que el transistor al trabajar en conmutación realiza un cambio de corte a saturación, pero debido a que este cambio no es instantáneo se presenta un pequeño consumo de corriente. Como sabemos la eficiencia es la potencia de salida, sobre la potencia de entrada, pero tendremos en cuenta lo descrito anteriormente:

eficiencia n= PoutPin+Pswitc h

¿ Iout 2∗RlIou t2 (2Ron+2 Rf+Rl )+0.5 (Fosc∗Iout2(ton+toff )2 Ron)

Donde,Rf: resistencia parasita del filtro;Ron:Resistencia de encendido del MOSFET.RL:Resistencia de carga.

Para nuestro caso tomaremos los parámetros del IRF530:Ton=15ns;

6

GENERADOR DE SEÑALES

PARLANTE

AMPLIFICADOR

OSCILOSCIPIO





Toff=35ns; RL=10; Ron=160m; Fosc=400Khz; Rf=25m; Iout=√ 2;

n=96.4%

Finalmente mediante la herramienta Orcad calcularemos el THD, tomando los primeros 10 armónicos y frecuencia de 4.5khz, dando un porcentaje de 2.499171%, como era de esperarse la distorsión es menor a la de la clase AB.

Figura 10 THD Amplificador clase AB

En la figura mostrada a continuación se aprecia la salida del amplificador clase AB (roja), amplificador clase D (azul) y la entrada que es igual para ambos amplificadores.

Figura 11. Simulación de las señales de entrada (verde) vs la amplificación clase AB (roja) y amplificación clase D (Azul)

VIII.DATOS EXPERIMENTALES

Se realizaron medidas a los parámetros (Vrms de entrada, Vrms salida, dB del armónico fundamental, Frecuencia de operación) al amplificador de audio SA-AK25 Panasonic utilizando el siguiente esquema:

Figura 12. Esquema utilizado.

Físicamente el montaje es el siguiente:

7





Figura 13. Toma de datos

Los valores entre los cuales se varía la frecuencia y la amplitud de la onda de entrada se establecen de acuerdo con [x], donde se especifica que la potencia RMS que entrega el amplificador está diseñada para señales de frecuencia entre 80Hz y 12KHz, y tensiones de entrada tipo AUX superiores a 250 mV.

De acuerdo a lo anterior se tomaron las siguientes medidas:

Tabla 2. Datos para obtención de la potencia del Armónico Fundamental

FRECUENCIA ONDA SENO VRMS ONDA SENO

P Armónico FUND de V

[Hz] SALIDA ENTRADA dB Salida100 20 0,45 25,9

1000 18,3 0,46 25,22000 18,1 0,45 25,14000 20,5 0,445 26,26000 21,1 0,444 26,48000 21,5 0,443 26,6

10000 22 4,42E-01 26,812000 22 0,441 26,8

Con estos valores se puede calcular el THD y la relación de ganancia entrada salida de la siguiente manera:

La THD, está definida como:

THD=√( IrmsI1 rms

)2

−1

Donde Irms se puede calcular como:

Irms= VrmsRload

Para este particular se tiene un parlante SONY MODEL NO SS-RG555 el cual según datos de placa tiene una impedancia de 6Ω,la cual cumple la función de Rload

La I 1rms puede calcularse a partir del valor en dB de la tensión fundamental V 1 rms de la siguiente manera:

I 1rms=10

(V 1 rms[dB]

20)

Rload

Calculando el promedio de los valores de distorsión obtenidos se llega a la que la distorsión armónica total, THD prom es:

THD prom=11,68%

Además, teniendo en cuenta las tensiones Rms de entrada y de salida, en función de la frecuencia, se puede calcular un valor de ganancia que relaciona la entrada-salida, como se muestra en la tabla 4:

Ganancia= V rms salidaV rmsentrada

Tabla 3. Obtención de THD.

8

Ifund Ifun^2 Irms Irms^2 %THD3,287371 10,80680 3,333333 11,11111 16,780433,032834 9,198086 3,05 9,3025 10,654402,998118 8,988712 3,016666 9,100277 11,140773,402896 11,57970 3,416666 11,67361 9,0052953,482160 12,12543 3,516666 12,36694 14,112823,563270 12,69689 3,583333 12,84027 10,626763,646269 13,29528 3,666666 13,44444 10,592133,646269 13,29528 3,666666 13,44444 10,59213





Tabla 4. Datos para obtener ganancia variando la frecuencia.

FRECUENCIA

VRMS

[Hz] SALIDA ENTRADA Ganancia

100 20 0,45 44,4444444

1000 18,3 0,46 39,7826087

2000 18,1 0,45 40,2222222

4000 20,5 0,445 46,0674157

6000 21,1 0,444 47,5225225

8000 21,5 0,443 48,5327314

10000 22 0,442 49,7737557

12000 22 0,441 49,8866213

Otro parámetro que se puede determinar es la potencia de salida en función de la frecuencia a una tensión de entrada constante.

La potencia de salida se puede calcular a partir de la tensión Rms de salida y la resistencia de carga ya conocida de acuerdo a la siguiente expresión:

Pout=Vrms2

RTabla 5. Potencia de Salida a diferentes frecuencias

FRECUENCIA VRMS

[Hz] SALIDA ENTRADA Pout100 20 0,45 66,6666667

1000 18,3 0,46 55,8152000 18,1 0,45 54,60166674000 20,5 0,445 70,04166676000 21,1 0,444 74,20166678000 21,5 0,443 77,0416667

10000 22 0,442 80,666666712000 22 0,441 80,6666667

Por último, se tomaron los datos a una frecuencia constante, F=100Hz, variando la tensión Rms de entrada y calculando el THD y Potencia de salida para cada uno de estos datos, con el objetivo de contrastar la THD con la Potencia de Salida

Tabla 6. Datos para obtención THD y Potencia de Salida

SALIDA

FRECUENCIA DE MEDICIÓN 100 [HZ]

VrmsdB fu

dB --> V Ifun^2 Irms^2%TH

DPo

2,1 6,42,0892

960,1212

50,1225

10,14

0,735

6,8 16,66,7608

291,2696

891,2844

4410,7

87,7066

66

10 19,99,8855

302,7145

472,7777

7715,2

616,666

66

17,7 24,917,579

238,5841

538,7025

11,74

52,215

20 25,919,724

2210,806

8011,111

1116,7

866,666

66

IX. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Luego de obtener los datos experimentales tal como se mencionó en la sección anterior, se procede a realizar las gráficas de Distorsión Armónica vs. Frecuencia, Distorsión Armónica vs. Potencia de salida, y Potencia de salida vs. Frecuencia.Los resultados fueron los siguientes

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

THD vs. Frecuencia

Frecuencia [Hz]

THD

[%]

Figura 14. THD vs. Frecuencia, SA-AK25

En la Figura 14, se puede observar que la distorsión armónica que genera el amplificador de Audio se

9





encuentra alrededor del 11,68%, por lo tanto es conforme con los datos que se ofrecen en el manual de servicio del equipo Panasonic SA-AK25 el cual indica que la distorsión armónica es del 10%, cabe resaltar que la diferencia entre los datos experimentales puede influir en la obtención de datos, debido a que los instrumentos no son lo suficientemente sensibles y a su vez influye es susceptible al error humano, por ejemplo, para determinar la potencia del primer armónico el observador es quien indica el lugar en el que se encuentre el valor máximo, tal como se muestra en la figura 4.

Figura 15. FFT en osciloscopio.

La Figura 15 muestra como se ve afectada la distorsión armónica total (THD) en la señal de salida en función de la potencia que entrega el amplificador.

1 10 10002468

1012141618 THD vs. Pout

%THD

Pout[W]

THD[

%]

6Ohm 100[Hz]

Figura 16. THD vs. Potencia de Salida, SA-AK25

La anterior Figura es de gran relevancia ya que con ella se puede tener relación de dos parámetros muy

importante en términos de audio, y además es una de las curvas con las que generalmente se caracterizan los amplificadores de audio. Como es el caso del amplificador expuesto en la propuesta de solución (TAS5611a), que presenta la relación entre THD vs. Frecuencia expuesta en la Figura 17.

Figura 17 THD vs. Potencia de salida (TAS5611a)2

De las dos Figuras se puede observar como la tendencia de la THD es similar pero los valores de esta difieren entre los dos amplificadores. Lo anterior se justifica en el hecho de que el equipo con el cual se realizaron los datos experimentales (SA-AK25) maneja una arquitectura diferente en su etapa de amplificación a la del amplificador propuesto (TAS5611a).

En la Figura 18 se presenta la relación que existe entre la THD y la frecuencia de operación, en escala logarítmica.

2 Imagen tomada de: Datasheet TAS 5611A

10





100 1000 10000 1000000

5

10

15

20

THD vs. Frecuencia

Frecuencia [Hz]

THD[

%]

Figura 18. THD vs. Frecuencia, SA-AK25

De la misma manera el amplificador propuesto presenta una figura que relaciona estas dos variables, la cual puede observarse en la siguiente figura:

Figura 39. THD vs. Frecuencia (tas5611a)3

Puede observase al igual que para el caso de THD vs Pout que la tendencia es similar pero el valor de la distorsión armónica total difieren bastante entre los dos amplificadores.

02000

40006000

800010000

1200014000

0102030405060708090

Pout vs Frecuencia

Frecuencia[Hz]

Pout

[W]

Figura 20. Pout vs Frecuencia

La Figura 20. Permite ver como la potencia entregada por el amplificador se ve afectada por la frecuencia en la cual este está operando, esto es debido a que la carga, en este caso particular un parlante, presenta una impedancia que no es fija y varía con la frecuencia, así mismo se observa que la Potencia se encuentra alrededor de 69W, cumpliendo con las especificaciones del amplificador de Audio utilizado que especifica una potencia de 72W por parlante.

X.CONCLUSIONES

A pesar de que el proceso de amplificación del amplificador clase D es de manera digital, permite una perfecta combinación con circuitos analógicos que son inevitables en el dominio del audio, usando una modulación PWM en la etapa de entrada y un filtro pasabajas en la etapa de salida.

Se han planteado algunos conceptos básicos de amplificadores de potencia. Las magnitudes más importantes a considerar son la eficiencia, la potencia en la carga y la potencia disipada en el transistor. Cada una de las configuraciones tiene un rendimiento diferente, es importante determinar las magnitudes asociadas a las variables de tal

3 Imagen tomada de: Datasheet TAS5611A

11





forma de ocupar las ecuaciones adecuadas tanto para análisis como para diseño

Es esencial que un amplificador clase D vaya seguido por un filtro pasa-bajas para eliminar tanto la señal portadora (PWM), como el ruido generado por la conmutación de los transistores. Este filtro añade distorsión y desplazamiento de fase, incluso limita las características del amplificador en alta frecuencia, y es raro que tengan buenos agudos (altas frecuencias), pero por otro lado, va a quitar todo el ruido de conmutación sin causar pérdida de potencia.

En simulación, queda claro cómo funciona un amplificador clase D, apreciando como a partir de una etapa moduladora se obtiene un señal PWM con la información de la entrada analógica, y se realiza una amplificación a ésta señal digital obtenida. Luego mediante una etapa de filtro se obtiene la señal de entrada amplificada. Dado que este tipo de amplificación no es lineal, se genera una mayor distorsión si se compara con un amplificador clase AB de audio.

A nivel de simulación se pudo comparar los parámetros característicos de dos diferentes tipos de amplificador (AB, D) y se obtiene que en los parámetros de mayor importancia, como los cuales son distorsión armónica y eficiencia, el amplificador clase D es mucho mejor. Aunque en la vida práctica, el amplificador clase AB presenta mejor distorsión armónica que el amplificador clase D, dado que en simulación se usan modelos básicos de estas configuraciones, y en el de la clase AB aún se presenta el problema de la distorsión generada por el cruce por cero.

Según la aplicación en la cual se desee realizar la etapa de salida, se elegirá entre un amplificador clase AB o D, donde el primero, presenta mejor fidelidad y calidad de la señal resultante respecto a su entrada (THD), pero bajo el costo de que son relativamente grandes y necesitan elementos disipadores de calor, dada las pérdidas de potencia que se presentan en los transistores. Si se requiere una ganancia relativamente alta o mayor potencia de sonido se usara un amplificador clase D, dado su eficiencia es mucho mejor, presentando menos perdidas pero sacrificando algo de calidad, dada la conmutación de los transistores y una etapa filtro pasa-bajas. Aunque en la actualidad se están construyendo etapas de salidas con rendimientos superiores al 90% (Clase D) pero con valores de distorsión armónica a plena potencia, bastante similares a una clase AB, un ejemplo claro, es por ejemplo, el integrado TAS5611A el cual fue elegido en primera instancia como punto de partida para resolver el problema.

XI. REFERENCIAS

[1] Service Manual SA-AK25

XII. BIBLIOGRAFIA

Datasheet tas5611a SEDRA A., SMITH K., Circuitos

Microelectrónicos, Cuarta edición, Madrid 2002.

HART D., Electrónica de Potencia, Prentice Hall, Madrid 2001.

ANALISIS COMPARATIVO DE AMPLIFICADORES DE AUDIO DE ALTA POTENCIA, David Mauricio Barrera Novoa, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, 2005.

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ANEXO 1

Figura 21. Esquemático montaje monofásico (TAS5611A)

13





ANEXO 2

14

informe amplificador clase d

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