Classi di amplificatori:dare un senso agli amplificatori di classe AB e di classe D
Gli amplificatori hanno un compito molto difficile. Devono prendere un segnale a bassissima tensione e aumentarlo in ampiezza in modo che possa pilotare un altoparlante. In questa trasformazione, ci aspettiamo che il segnale rimanga puro:nessuna distorsione o rumore dovrebbe essere aggiunto. Vogliamo anche quantità significative di potenza per pilotare i nostri altoparlanti, anche se alimentiamo i nostri amplificatori solo con un misero 12-14 volt di elettricità. Le leggi della fisica sembrano voler lavorare contro di noi in ogni momento, ma noi prevaliamo! I moderni amplificatori audio per auto sono incredibili prodezze di ingegneria e design. Questo articolo esamina i due principali tipi di classi di amplificatori utilizzati nell'industria dell'autoradio e i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno. Benvenuto in Classe AB contro Classe D.
La matematica dietro come gli amplificatori producono potenza
Indipendentemente da come configuriamo i componenti all'interno di un amplificatore, l'obiettivo è lo stesso:aumentare la tensione del segnale audio del preamplificatore in modo che possa pilotare un altoparlante. Poiché gli altoparlanti che utilizziamo sono a bassa impedenza (2 o 4 ohm per la maggior parte degli altoparlanti di fascia media), dobbiamo essere in grado di fornire anche una quantità significativa di corrente all'altoparlante. Questa erogazione di corrente all'altoparlante è il secondo compito che un amplificatore deve svolgere.
Per fare qualche veloce calcolo, se un altoparlante da 4 ohm riceve un segnale a 12V RMS, possiamo fare alcuni calcoli. Per calcolare la corrente che scorre attraverso l'altoparlante, dividiamo la tensione fornita per l'impedenza dell'altoparlante. In questo esempio, abbiamo 12 diviso per 4, quindi 3 ampere di corrente fluiscono attraverso i cavi degli altoparlanti e la bobina mobile. Un modo semplice per calcolare la potenza che va all'altoparlante è moltiplicare la tensione fornita per la corrente fornita. Il prodotto di 12 per 3 è 36. Questo altoparlante riceve 36 watt di potenza.
Diamo un'occhiata allo stesso esempio come se si trattasse di un amplificatore per subwoofer. In questo secondo esempio, assumeremo di avere un subwoofer a doppia bobina da 2 Ohm con entrambe le bobine cablate in parallelo per produrre un carico di 1 ohm. Se forniamo a questo altoparlante 12 Vrms di segnale, allora 12 ampere di corrente fluiscono attraverso il cavo dell'altoparlante e il subwoofer. Per calcolare la potenza, moltiplichiamo 12 per 12 per ottenere 144 watt. 144 watt sono un molto più potenza e corrente per la stessa quantità di tensione.
Panoramica generale delle funzioni dell'amplificatore
La maggior parte degli amplificatori è composta da tre o quattro sezioni chiave (o stadi), a seconda del loro design e complessità. Lo stadio di ingresso è la parte dell'amplificatore in cui il segnale audio del preamplificatore di basso livello entra nell'amplificatore e riceve qualsiasi elaborazione sotto forma di equalizzazione o filtraggio.
Un amplificatore ha un alimentatore. L'alimentatore converte i 12-14 V forniti di corrente continua in tensioni di alimentazione positive e negative. Diciamo, ad esempio, che un amplificatore teorico ha binari +25 e -25V, rispetto al nostro riferimento di massa. A seconda delle dimensioni dell'amplificatore, ci sarà uno stadio driver. Lo stadio del driver è responsabile dell'aumento del segnale audio di basso livello a una tensione più alta. Quanto lo stadio del driver aumenta la tensione dipende da quanta potenza produrrà l'amplificatore.
Infine, abbiamo lo stadio di uscita. Lo stadio di uscita è relativamente semplice:non altera in modo significativo il segnale proveniente dallo stadio driver, ma i dispositivi (MOSFET o transistor) utilizzati per fornire il segnale di uscita con la corrente richiesta dal carico. L'alimentatore e lo stadio di uscita sono le due parti dell'amplificatore che fanno il "lavoro più duro". Vale a dire, sono le fasi che passano molta corrente.
In quasi tutti gli amplificatori sul mercato, utilizziamo dispositivi dedicati per la metà positiva della forma d'onda e dispositivi separati per la metà negativa della forma d'onda. Per chiarire, se misuriamo il segnale di uscita dell'amplificatore rispetto alla massa del veicolo, vedremo che oscilla avanti e indietro sopra e sotto 0V. Ripensa ai nostri binari di alimentazione da +25 V e -25 V. Gli altoparlanti non si preoccupano del valore del segnale che viene loro inviato; a loro interessa solo la differenza di tensione da un'estremità all'altra della bobina mobile.
Amplificatori di classe AB
Per questo articolo, generalizziamo gli amplificatori di Classe AB in un modello di amplificatore analogico. Nel nostro amplificatore analogico, abbiamo grandi transistor nello stadio di uscita dell'amplificatore. Quando vogliamo metà della tensione positiva della guida in uscita, alimentiamo metà della tensione al dispositivo di uscita positivo. Quando il segnale diventa negativo, spegniamo il dispositivo positivo e iniziamo a utilizzare solo il dispositivo negativo. Da un altro punto di vista, il segnale audio dallo stadio driver controlla la resistenza dei dispositivi di uscita e, di conseguenza, quanta corrente può fluire all'altoparlante.
In un amplificatore analogico, i dispositivi di uscita possono essere "accesi" in quantità variabili rispetto al segnale audio. Ciò significa che i dispositivi di uscita spesso agiscono come resistori. La potenza viene sprecata sotto forma di calore quando passiamo la corrente attraverso un resistore. Tienilo a mente come parte del nostro confronto più avanti nell'articolo.
Amplificatori di classe D
In un amplificatore di classe D, i dispositivi di uscita ricevono un controllo da un circuito integrato del controller (IC). Questo controller invia un'onda quadra a ciclo di lavoro variabile. L'ampiezza dell'onda quadra è sufficientemente alta da accendere o spegnere completamente i dispositivi di uscita. I dispositivi di uscita impiegano pochissimo tempo a funzionare come resistori e si comportano più come interruttori.
La domanda logica è:come diavolo si ottiene la musica da un'onda quadra? Se l'hai pensato, buon per te! La frequenza dell'onda quadra è molto più alta della frequenza massima della nostra musica. In effetti, alcuni moderni amplificatori di classe D commutano i dispositivi di uscita a frequenze fino a 600 kHz.
Per ricreare la musica, il controller di Classe D invia un segnale modulato in ampiezza di impulso. La quantità di tempo "on" rispetto al tempo "off" determina il livello di uscita del segnale. Come analogia molto generale, se ai dispositivi di uscita positivi fosse inviata un'onda quadra con un ciclo di lavoro del 50% (acceso per tutto il tempo in cui è stato spento), la media dell'uscita sarebbe il 50% della tensione positiva del rail. Se l'onda quadra è attiva per il 75% delle volte, quindi spenta per il 25%, otterremmo il 75% della tensione del rail in uscita.
Come puoi immaginare, il segnale del controller di Classe D è piuttosto complesso. Deve modulare il duty cycle dell'onda quadra andando ai dispositivi positivi e negativi abbastanza velocemente da ricreare accuratamente il segnale audio. Deve anche controllare separatamente i dispositivi di uscita positivi e negativi.
Vantaggi e svantaggi degli amplificatori analogici
Poiché il segnale audio in un amplificatore analogico non viene mai sminuzzato, gli amplificatori analogici possono rimanere fedeli al segnale originale. Gli amplificatori dal suono migliore nel settore dell'elettronica mobile sono analogici. Storicamente, agli amplificatori analogici viene data la reputazione di una risposta accurata alle alte frequenze.
Lo svantaggio di un amplificatore analogico è la sua efficienza. L'efficienza descrive quanta energia viene sprecata sotto forma di calore rispetto all'energia inviata all'altoparlante. Poiché i dispositivi di uscita in un amplificatore analogico funzionano come resistori variabili, si surriscaldano. I tipici amplificatori analogici funzionano nella gamma di efficienza del 70-80% per quanto riguarda l'efficienza totale, mentre funzionano a piena potenza. Quel 20-30% mancante viene rilasciato sotto forma di calore. A un livello di potenza inferiore, l'efficienza diminuisce ancora di più.
Vantaggi e svantaggi degli amplificatori digitali
I moderni amplificatori digitali commutano a frequenze estremamente alte. Vediamo amplificatori in grado di rispondere in frequenza audio oltre i 50 kHz e alcuni che superano i 70 kHz. Questa performance è molto lontana dai primi amplificatori di classe D che erano solo per subwoofer e faticavano a produrre audio sopra i 5 kHz. Detto questo, poiché gli amplificatori digitali richiedono reti di filtri alla fine dello stadio di uscita, non possono ancora eguagliare le prestazioni di un amplificatore analogico premium. Tenendo presente queste informazioni, considera che ci sono alcuni buoni amplificatori digitali che suonano meglio di molti amplificatori analogici mal progettati.
Poiché i dispositivi di uscita di un amplificatore digitale funzionano raramente nel loro intervallo resistivo, questi amplificatori possono essere molto efficienti. Un amplificatore di classe D ben progettato può avere un'efficienza di circa il 92%.
Un altro problema con gli amplificatori di classe D è il rumore. Poiché i dispositivi di uscita sono guidati da un'onda quadra, c'è molta energia ad alta frequenza nel segnale di uscita. La rete di filtri di cui abbiamo parlato rimuove gran parte di ciò dal segnale di uscita, ma quell'energia può comunque avere effetti dannosi su altri sistemi del veicolo. Una caratteristica purtroppo comune a molti amplificatori di Classe D è che causano interferenze con la ricezione radio durante il funzionamento.
Scelta tra classi di amplificatori
Sarebbe bello se potessimo formulare una serie di regole rigide per scegliere l'amplificatore giusto per il tuo sistema . Con così tante variazioni su ogni tipo di amplificatore a così tanti punti di prezzo diversi, è davvero impossibile. Suggeriamo vivamente che l'unico modo per scegliere un amplificatore sia confrontarlo con un altro in condizioni controllate:utilizzare la stessa musica e gli stessi altoparlanti e ascoltare allo stesso volume. Sentirai differenze nella risposta in frequenza e differenze drammatiche nelle capacità di imaging e staging.
Un tipo di amplificatore è migliore dell'altro? Per un'installazione dedicata prettamente alla qualità del suono, la scelta è chiara. Anche per un'installazione in cui l'erogazione di energia è limitata o sono richieste enormi quantità di energia, la scelta è chiara. Nel mezzo, dipende dall'applicazione e dal budget.
Fai un salto al tuo rivenditore specializzato di elettronica mobile locale per scoprire gli ultimi amplificatori sul mercato. Saranno felici di aiutarti a sceglierne uno che soddisfi la tua domanda e funzioni con il tuo budget.