Eficiencia del amplificador clase D
Estima la eficiencia del amplificador clase D a partir de las pérdidas de conducción del MOSFET y la corriente de reposo a una potencia de salida dada.
Fórmula
η = P_out / (P_out + P_cond + P_q) × 100%
Cómo Funciona
Los amplificadores de clase D (amplificadores de conmutación) utilizan la modulación por ancho de pulso (PWM) de alta frecuencia para encender o apagar los MOSFET de forma alterna por completo, lo que logra una alta eficiencia teórica porque los MOSFET en saturación disipan casi cero energía. A diferencia de los amplificadores de clase AB (normalmente con una eficiencia del 50 al 65%), los amplificadores de clase D alcanzan una eficiencia del 85 al 98% en la práctica. Los principales mecanismos de pérdida son: (1) Pérdidas por conducción: P_cond = I²_rms × R_DS (on) × n_MOSFET, donde i_RMS es la corriente de carga y R_DS (on) es el MOSFET encendido por resistencia. (2) Pérdidas de conmutación: por carga/descarga de capacitancias de puerta MOSFET a la frecuencia de conmutación (normalmente 200 kHz—1 MHz). (3) Pérdidas inactivas: corriente consumida por el circuito integrado de control, los controladores de compuerta y los circuitos de arranque, independientemente de la potencia de salida. A potencias de salida bajas, la corriente de reposo domina y la eficiencia cae; a potencia nominal, dominan las pérdidas de conducción.
Ejemplo Resuelto
Módulo clase D: salida de 50 W en 8 Ω. Alimentación: 36 V. MOSFET: 4 × 50 mΩ RDS (encendidos). Corriente de reposo: 30 mA. Corriente de carga (RMS, 8 Ω): i_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2,5 A Pérdida de conducción: P_cond = i²_RMS × R_DS (encendido) × N = (2,5) ² × 0,050 × 4 = 1,25 W Pérdida en reposo: p_Q = 36 × 0,030 = 1,08 W Pérdidas totales ≈ 1,25 + 1,08 = 2,33 W (sin tener en cuenta las pérdidas de conmutación) Potencia total de entrada: 50 + 2,33 = 52,33 W Eficiencia: 50/52,33 = 95,5% Con una salida de 5 W (i_RMS = 0,79 A): P_cond = 0,79² × 0,050 × 4 = 0,125 W; P_q = 1,08 W Eficiencia = 5/(5 + 0,125 + 1,08) = 80,7%: el modo inactivo predomina a baja potencia.
Consejos Prácticos
- ✓Para maximizar la eficiencia a niveles de escucha bajos (el uso doméstico típico es muy inferior a la potencia nominal), minimice la corriente de reposo mediante el uso de un circuito integrado de clase D con un modo inactivo de bajo consumo que reduce la frecuencia de conmutación o entra en modo de espera cuando no hay señal.
- ✓Un voltaje de suministro más alto reduce la corriente RMS para la misma potencia (P = V²/R), lo que reduce las pérdidas de conducción: duplicar el voltaje de suministro en la misma salida de potencia reduce el I_rms a la mitad y el valor P_cond (relación I²).
- ✓Seleccione los MOSFET con la cifra de mérito más baja de R_DS (on) × Q_gate (una cifra más baja indica un mejor rendimiento de conmutación). En el caso del audio de clase D a 400 kHz, es posible conseguir un R_DS (encendido) por debajo de 20 mΩ y Q_gate por debajo de 20 nC a un coste modesto.
Errores Comunes
- ✗Suponiendo una eficiencia del 100% y sin presupuestar la calefacción, incluso con una eficiencia del 95%, un amplificador de clase D de 200 W disipa más de 10 W de calor, lo que requiere una gestión térmica. A temperaturas ambiente elevadas, el MOSFET R_DS (encendido) aumenta (temperatura positiva), lo que empeora la eficiencia.
- ✗Ignorar las pérdidas de conmutación en el modelo: las pérdidas de conmutación se escalan con la carga de la puerta, la frecuencia de conmutación y la tensión de alimentación. Con una conmutación de 1 MHz, las pérdidas de conmutación pueden rivalizar con las pérdidas de conducción. Esta calculadora utiliza un modelo simplificado de conducción y reposo.
- ✗Uso del RDS (encendido) de clase D a partir del máximo de la hoja de datos: las hojas de datos del MOSFET proporcionan el RDS (encendido) a 25 °C. A una temperatura de unión de 100 °C, el RDS (encendido) normalmente se duplica. Utilice la curva de reducción de temperatura para estimar la eficiencia en el peor de los casos.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué los amplificadores de clase D siguen necesitando disipadores si son tan eficientes?
Incluso el 5% de disipación en un amplificador de 200 W es de 10 W, lo suficiente como para requerir que un disipador térmico se mantenga dentro de los límites de temperatura de la unión MOSFET. El disipador térmico puede ser mucho más pequeño que el de la clase AB (que disipa entre un 30 y un 50% en forma de calor), pero rara vez es cero. Algunos diseños de clase D de bajo consumo (menos de 20 W) utilizan el cobre PCB como disipador térmico.
¿Cuál es la diferencia entre la eficiencia de la clase D y la clase AB?
La eficiencia de la clase AB alcanza un máximo de alrededor del 78% para una carga resistiva con una onda sinusoidal y, por lo general, es del 50 al 65% a niveles de escucha normales. La eficiencia de la clase D suele ser del 85 al 95% en niveles de salida medios a altos y del 75 al 85% en niveles de salida bajos donde predomina la corriente de reposo. La mejora es más pronunciada en el caso de una potencia media a alta.
¿La amplificación de clase D compromete la calidad del audio?
Los diseños modernos de clase D (por ejemplo, Hypex, Purifi, Pascal) logran un THD+N por debajo del 0,001% y una SNR por encima de los 120 dB, lo que compite con los mejores amplificadores de clase AB. Los diseños anteriores de la clase D presentaban errores de interferencia electromagnética (EMI), un THD deficiente y errores de respuesta de frecuencia. La diferencia de calidad actual es insignificante para los oyentes y depende en gran medida de la implementación.
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