Le classi di funzionamente negli stadi di amplificazione
Efficienza di un amplificatore
Ogni amplificatore, a seconda della sua classe di funzionamento, ha un'efficienza teorica massima, determinata nel seguente modo: si applica in ingresso il massimo segnale sinusoidale tale che in uscita si abbia la massima potenza senza distorsione; si misura la potenza sul carico; si misura la potenza erogata dall'alimentatore; si calcola il rapporto fra la potenza ricevuta dal carico e la potenza erogata dall'alimentatore. Nel caso migliore, l'efficienza vale 1 cioè il 100% della potenza erogata dall'alimentazione viene convertita in potenza utile al carico.
Classi di funzionamento
Classe A: circolazione della corrente sul dispositivo per l'intero periodo (360°), basta un unico dispositivo (o blocco) per amplificare tutta la sinusoide (ma si possono fare anche configurazioni simmetriche), bassa efficienza (lavora praticamente sempre alla max potenza, anche, e soprattutto, quando non c'è segnale) e conseguente generosa dissipazione di calore, basse distorsioni, in particolare assente quella da crossover (che non c'entra nulla con i crossover per gli altoparlanti!). Massima efficienza teorica 25%, che può salire, sempre teoricamente, al 50% con l'uso di accoppiamento in uscita a trasformatore o induttanze di choke per la polarizzazione del dispositivo.
Classe B: circolazione di corrente per metà periodo (180°), serve una coppia di dispositivi per amplificare: uno per la semionda negativa e uno per la positiva ovvero rispettivamente, uno per la semionda positiva da 0° a 180° e l'altro per la semionda negativa da 180° a 360°, alta efficienza, distorsione da crossover (nel passaggio tra semionda positiva e negativa). Massima efficienza teorica 78.5% : In questo caso si amplifica tutto il segnale, come nella classe A, ma con l'efficienza propria della classe B.
Classe A/B : Amplifica più del 50%, ma meno del 100% del segnale e l'angolo di conduzione è compreso fra 180° e 360°, estremi esclusi. Per amplificare l'intera onda sinusoidale (360°), si ricorre a due amplificatori in classe AB che lavorano rispettivamente uno per la semionda positiva e l'altro per la semionda negativa. I 2 transistori sono mantenuti sulla soglia della conduzione da un circuito specifico di polarizzazione sulle basi ; circolazione di corrente intermedia tra classe A e B (>180° e <360°, non c'è angolo standard, maggiore è più si dice classe A/B "alta"), migliore efficienza della classe A, minore distorsione della classe B (in ambito audio è forse la più usata, soprattutto in auto). Efficienza a metà tra i classe A e i classe B, intorno al 60% è un ordine di grandezza attendibile. Notare che, in questo caso, una certa porzione del segnale viene amplificata da entrambi i dispositivi attivi: in questo modo, si riduce enormemente la distorsione che si ha nella regione di commutazione di questi. Questa distorsione è anche nota con il nome "distorsione di attraversamento" (o crossover). Il valore dell'efficienza teorica è compreso fra il 50% e il 78.5% (Classe B)
Classe C: Amplifica il 50% del segnale, l'angolo di conduzione è minore di 180°. Con questa tecnica si realizzano amplificatori destinati all'uso in alta frequenza. Adatto per amplificare singoli toni sinusoidali (es. sinusoide fornita da un oscillatore). L'efficienza teorica può rasentare il 100%, anche se i valori effettivi sono compresi tra il 70% e il 90%. Non è usata in ambito HI-FI perché ha una elevata potenza ed un’elevatissima distorsione
Classe D : (equivalente Classe S)
Sono amplificatori a commutazione utilizzati spesso per sorgenti digitali la cui massima efficienza li rende particolarmente adatti nell'elettronica di alta potenza.
In questo caso cambia radicalmente il concetto, ci si svincola dall'angolo di circolazione ed è basata su tecniche di modulazione di lunghezza d’ impulso, necessita di alcuni particolari accorgimenti, efficienza molto alta, ma qualità non proprio prettamente "audiophile" (distorsione più alta di un classe a/b)
L'efficienza teorica è del 100%, che si riduce, nella pratica, al 94%: ad esempio, se l'amplificatore in classe D consuma dalla sua alimentazione e quindi dalla rete elettrica alla quale è collegato, 600 watt, allora erogherà una potenza di circa 570 watt alla cassa acustica che ne costituisce il carico
Il funzionamento per dirla molto in breve è il seguente : c'è un oscillatore di riferimento e un comparatore, quando la tensione di ingresso supera quella dell'oscillatore l'uscita va alta, quando è più bassa l'uscita è bassa, e così si creano impulsi di lunghezza variabile il cui valor medio nel tempo, una volta opportunamente filtrati, rende in uscita una copia amplificata del segnale in ingresso . La scelta della frequenza di commutazione dei MOSFET in uscita è di 250 kHz. Questa scelta è motivata da un trade off tra potenza dissipata negli istanti di accensione e spegnimento dei MOSFET in uscita, e del filtro in uscita, perché quest'ultimo possa ben ricostruire il segnale audio viene tarato ad una frequenza di taglio di circa 70 kHz, media geometrica tra i 20 kHz del segnale audio udibile e i 250 kHz della "prima armonica" del segnale modulato in PWM. Sono anche usati come amplificatori audio ma hanno bisogno di un modulatore d'ingresso PWM: in questo modo, al variare dell'ampiezza del segnale di ingresso varia il duty cycle del segnale di uscita che porta l'alimentazione ai finali, un funzionamento che garantisce una bassa dissipazione di potenza.
Classe T: lavorano a commutazione, ovvero sfruttando le tecniche di PWM come i classe D, di cui sono una evoluzione . La differenza con i classe D sta nel fatto che la frequenza del comparatore usato in ingresso non è fissa, ma bensì variabile; in che modo e su che base venga fatta variare tale frequenza non ci è dato sapere, poichè questi oggetti sono, e saranno ancora per anni, sotto copyright! (credo che la realizzazione di tale variabilità sia comunque implementata tramite piccolo processore integrato che implementa un algoritmo studiato dalla Tripath)
Classe G: è, in realtà, una derivazione della classe AB in cui, però, viene usato un accorgimento nello stadio di alimentazione per aumentare l'efficienza. In pratica l'alimentatore può fornire due diverse tensioni di alimentazione (una più bassa ed una più alta) e c'è un parte di circuito (lift, ascensore in inglese) che si occupa di commutare opportunamente tra le due: in assenza di segnale o con segnale piccolo, che richiede "poca" potenza in uscita, che si può ottenere senza problemi con l'alimentazione più bassa, l'elettronica (soprattutto lo stadio finale) è alimentata con la tensione bassa, quindi circola meno corrente di bias e la dissipazione è minore; quando ci sono picchi che richiedono potenza maggiore l'alimentazione viene commutata e si passa a quella più elevata, in modo da poter fornire la potenza richiesta solo per il tempo necessario. L'efficienza può superare, in questo modo, l'80% (85,9% la massima teorica).
Classe H: è una ulteriore evoluzione, sempre a partire dalla classe AB, che migliora ancora un po' le prestazioni della classe G in termini di efficienza. Invece di commutare tra due sole tensioni il Lift regola costantemente e con continuità la tensione di alimentazione, tra una minima ed una massima.
STADIO FINALE A VALVOLE :
Classe A : Uno stadio Finale lavora in classe A, quando la Griglia è polarizzata con una tensione negativa tale da far scorrere nella Placca una corrente che risulti circa la metà della corrente massima che la valvola può erogare. Se applichiamo sulla Griglia un segnale sinusoidale, in presenza di semionde positive la corrente di Placca aumenta, e in presenza di semionde negative diminuisce. In classe A l’ampiezza del segnale BF da applicare sulla Griglia non dovrà mai far superare alla valvola la corrente massima di Placca, perché se questo avviene il suono distorce. Gli amplificatori in classe A sono realizzati principalmente utilizzando per lo stadio Finale una sola valvola . In via teorica è possibile collegare in controfase due valvole finali che lavorano in classe A, ma in pratica questa soluzione non è mai usata, perché non presenta nessun vantaggio pratico in quanto si aumenta solo l’assorbimento di corrente senza ottenere un significativo aumento della potenza in uscita. La classe A viene utilizzata molto spesso nei Preamplificatori per realizzare gli stadi Ingresso e Pilota, perché consente di ottenere in uscita un segnale amplificato con bassissima distorsione. La cosa negativa della classe A è che assorbe un’elevata corrente anche in assenza di segnale ed inoltre dalla sua uscita non si riescono a prelevare elevate potenze.
Classe B : Per avere in uscita elevate potenze con minimo assorbimento in assenza di segnale si utilizzano due valvole in controfase che lavorano in classe B. Per ottenere questa condizione si polarizzano le Griglie con un’elevata tensione negativa tanto da portare le valvole quasi in interdizione. Applicando un segnale in opposizione di fase sulle Griglie di controllo delle due valvole, quando una conduce l’altra è a riposo e viceversa. Collegando le due semionde sfasate che escono dalle Placche delle valvole sul primario del trasformatore di uscita provvisto di presa centrale, dal suo secondario si preleva un segnale perfettamente sinusoidale che verrà inviato all’altoparlante . Da un Finale in classe B è possibile prelevare in uscita una elevata potenza, la cosa negativa è che ad una elevata potenza si assomma una elevata distorsione perché le valvole lavorano anche nella parte non lineare della curva. Per questo motivo la classe B non è mai utilizzata negli amplificatori HI-FI.
Classe AB1 : Per ottenere un’elevata potenza con una bassa distorsione occorre far lavorare le due valvole finali in un punto intermedio tra la classe A e la classe B e in pratica in classe AB1. Per far lavorare un finale Push-Pull in classe AB1 si devono polarizzare le Griglie delle valvole con una tensione negativa, in modo da portare il punto di lavoro dove la curva inizia a diventare perfettamente lineare (vedi figura). In questo tipo di configurazione la valvola assorbe in assenza di segnale, una corrente maggiore rispetto alla classe B, ma molto inferiore rispetto alla classe A. La potenza che si ottiene in uscita con la classe AB1 è molto elevata con una bassa distorsione.
Classe AB2 : Un Finale Push-Pull in classe AB2 è molto simile all’AB1, infatti occorre polarizzare le Griglie con una tensione negativa nello stesso punto della classe AB1. La sola differenza esistente tra le due classi è nella diversa potenza di pilotaggio, la classe AB1 si riesce a pilotare con una modica potenza, mentre l’AB2 si deve pilotare con una potenza molto elevata. In questo caso la griglia lavora anche per tensioni positive (rispetto al catodo).