Classi degli amplificatori: capire le differenze tra Classe AB e Classe D
Gli amplificatori hanno un compito arduo: devono prendere un segnale a bassissima tensione e aumentarne l'ampiezza per pilotare un altoparlante. In questa trasformazione ci aspettiamo che il segnale rimanga puro, senza distorsioni o rumore aggiunto. Vogliamo anche una potenza significativa per pilotare i nostri altoparlanti, anche se alimentiamo gli amplificatori con soli 12-14 volt. Le leggi della fisica sembrano remare contro a ogni passo, ma l'ingegneria moderna prevale! Gli amplificatori per car audio di oggi sono straordinarie opere di ingegneria e design. Questo articolo esamina i due principali tipi di classi di amplificatori usati nel car audio e i vantaggi e svantaggi di ciascuno. Benvenuti nel confronto Classe AB vs. Classe D.
La matematica dietro la potenza degli amplificatori
Indipendentemente da come configuriamo i componenti interni, l'obiettivo è sempre lo stesso: aumentare la tensione del segnale audio preamplificato per pilotare un altoparlante. Poiché gli altoparlanti hanno bassa impedenza (2 o 4 ohm per la maggior parte dei medi), dobbiamo fornire una corrente significativa. Questa erogazione di corrente è il secondo compito fondamentale dell'amplificatore.
Facciamo due calcoli rapidi. Se un altoparlante da 4 ohm riceve un segnale di 12V RMS, la corrente che lo attraversa è la tensione divisa l'impedenza: 12/4 = 3 ampere. La potenza erogata è tensione per corrente: 12 × 3 = 36 watt.
Consideriamo ora un amplificatore per subwoofer con un doppio bobina mobile da 2 ohm cablato in parallelo per ottenere 1 ohm. Con 12 Vrms, la corrente è 12/1 = 12 ampere. La potenza diventa 12 × 12 = 144 watt, ben più potenza e corrente alla stessa tensione.
Panoramica generale del funzionamento dell'amplificatore
La maggior parte degli amplificatori è composta da tre o quattro sezioni chiave (stadi), a seconda del design e della complessità. Lo stadio d'ingresso riceve il segnale audio a basso livello e applica eventuali elaborazioni come equalizzazione o filtraggio.
L'alimentatore converte i 12-14V DC in tensioni di rail positive e negative. Ad esempio, un amplificatore teorico potrebbe avere rail a +25V e -25V rispetto a massa. A seconda delle dimensioni, c'è uno stadio driver che alza la tensione del segnale audio a basso livello. L'entità dell'aumento dipende dalla potenza finale.
Infine, lo stadio d'uscita. Non altera significativamente il segnale dallo stadio driver, ma i dispositivi (MOSFET o transistor) forniscono la corrente richiesta dal carico. Alimentatore e stadio d'uscita sono le parti che fanno il "lavoro pesante", facendo passare molta corrente.
In quasi tutti gli amplificatori sul mercato, usiamo dispositivi dedicati per la semionda positiva e dispositivi separati per quella negativa. Se misuriamo l'uscita rispetto a massa del veicolo, vediamo che l'oscillazione avviene sopra e sotto 0V. Gli altoparlanti non si curano del valore assoluto del segnale, ma solo della differenza di tensione tra i capi del bobina mobile.
Amplificatori Classe AB
Generalizziamo gli amplificatori Classe AB come un modello analogico. Nello stadio d'uscita abbiamo transistor di potenza. Quando vogliamo metà della tensione del rail positivo in uscita, pilotiamo il dispositivo positivo a metà. Quando il segnale va negativo, spegniamo il dispositivo positivo e usiamo solo quello negativo. In pratica, il segnale audio dallo stadio driver controlla la resistenza dei dispositivi d'uscita e, di conseguenza, quanta corrente fluisce all'altoparlante.
In un amplificatore analogico, i dispositivi d'uscita possono essere "accesi" in misura variabile seguendo il segnale audio. Ciò significa che spesso agiscono come resistenze. La potenza dissipata come calore quando passa corrente attraverso una resistenza è un punto chiave per il confronto successivo.
Amplificatori Classe D
In un amplificatore Classe D, i dispositivi d'uscita ricevono un controllo da un IC (Controller Integrated Circuit). Questo invia un'onda quadra a duty cycle variabile. L'ampiezza è sufficiente per portare i dispositivi completamente in conduzione o in interdizione. I dispositivi trascorrono pochissimo tempo nella zona resistiva e agiscono come interruttori.
La domanda logica è: come si ottiene musica da un'onda quadra? La frequenza dell'onda quadra è molto più alta della massima frequenza audio. Alcuni moderni amplificatori Classe D commutano a frequenze fino a 600 kHz.
Per ricreare la musica, il controller Classe D invia un segnale a modulazione di larghezza d'impulso (PWM). Il rapporto tra tempo "acceso" e "spento" determina il livello di uscita. Come analogia: se i dispositivi positivi ricevono un'onda quadra con duty cycle 50% (acceso quanto spento), la media in uscita sarà il 50% della tensione del rail positivo. Se il duty cycle è 75% acceso e 25% spento, otterremo il 75% della tensione di rail.
Il segnale del controller è complesso: deve modulare il duty cycle per i dispositivi positivi e negativi abbastanza velocemente da ricreare fedelmente il segnale audio.
Vantaggi e svantaggi degli amplificatori analogici (Classe AB)
Poiché il segnale audio in un amplificatore analogico non viene mai "tagliato" in minuscoli pezzi, questi amplificatori possono rimanere fedeli al segnale originale. I migliori amplificatori per qualità sonora nel car audio sono analogici. Storicamente godono di reputazione per una risposta alle alte frequenze accurata.
Lo svantaggio è l'efficienza. L'efficienza descrive quanta energia viene sprecata come calore rispetto a quella inviata all'altoparlante. Poiché i dispositivi d'uscita lavorano come resistenze variabili, si scaldano. I tipici amplificatori analogici operano al 70-80% di efficienza a piena potenza. Il 20-30% mancante diventa calore. A livelli di uscita inferiori, l'efficienza cala ulteriormente.
Vantaggi e svantaggi degli amplificatori digitali (Classe D)
I moderni amplificatori digitali commutano a frequenze altissime. Vediamo amplificatori con risposta in frequenza audio oltre 50 kHz, alcuni superano i 70 kHz. Un salto enorme rispetto alle prime Classe D solo per subwoofer che faticavano oltre i 5 kHz. Tuttavia, poiché gli amplificatori digitali richiedono reti di filtro in uscita, non eguagliano ancora le prestazioni di un amplificatore analogico premium. Detto questo, alcuni buoni amplificatori digitali suonano meglio di molti analogici mal progettati.
Poiché i dispositivi d'uscita di un amplificatore digitale operano raramente nella zona resistiva, questi amplificatori possono essere molto efficienti. Una Classe D ben progettata raggiunge circa il 92% di efficienza.
Un problema delle Classe D è il rumore. Poiché i dispositivi sono pilotati da un'onda quadra, c'è molta energia ad alta frequenza nel segnale d'uscita. La rete di filtro ne rimuove gran parte, ma quell'energia può ancora influenzare altri sistemi del veicolo. Un tratto comune, purtroppo, è che molti amplificatori Classe D causano interferenze alla ricezione radio quando funzionano.
Scegliere tra le classi di amplificatori
Sarebbe bello avere regole ferree per scegliere l'amplificatore giusto. Con tante varianti a tanti prezzi, è impossibile. Consigliamo vivamente di confrontare gli amplificatori in condizioni controllate: stessa musica, stessi altoparlanti, stesso volume. Sentirete differenze in risposta in frequenza, imaging e soundstage.
Una classe è migliore dell'altra? Per un'installazione dedicata puramente alla qualità sonora, la scelta è chiara. Per un'installazione dove la fornitura di corrente è limitata o servono enormi potenze, la scelta è altrettanto chiara. Nel mezzo, dipende dall'applicazione e dal budget.
Passate dal vostro rivenditore specializzato in elettronica mobile per scoprire gli ultimi amplificatori sul mercato. Saranno lieti di aiutarvi a scegliere quello adatto alla vostra applicazione e al vostro budget.