A continuación les presento una versión corregida, clara y técnicamente precisa de la traducción al español del Tutorial IRS-900D 900W Class-D Tutorial.
🔧 Tutorial del amplificador clase D IRS-900D
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Diagrama en bloques del amplificador clase D
El principio de funcionamiento de un amplificador clase D autooscilante se basa en un circuito interno de retroalimentación, que incorpora una red RC encargada de generar una señal de oscilación tipo diente de sierra.
Esta señal de diente de sierra se compara con la señal de entrada de audio mediante un comparador —en este caso, el IC TL071. El resultado es una señal modulada por ancho de pulso (PWM), cuya proporción de tiempo en nivel alto y bajo depende del nivel instantáneo de la señal de entrada. Este tren de pulsos representa la forma de onda de audio en una versión digitalizada.
La señal resultante del comparador no es apta directamente para controlar los transistores de potencia, ya que su nivel de referencia está en tierra (GND), mientras que los controladores de puerta (gate drivers) requieren señales referidas a una fuente negativa (–VCC). Para adaptar este nivel, se utiliza un transistor PNP 2N5401 junto con un inversor lógico IC CD4049, funcionando como adaptador de nivel (level shifter).
El controlador de compuertas necesita dos señales diferenciadas: una para la compuerta superior (high-side gate) y otra para la inferior (low-side gate). El comparador genera una sola salida, por lo que mediante el inversor lógico se generan ambas señales necesarias para el controlador de compuertas, que luego maneja directamente los MOSFET de potencia. Estos conmutan de acuerdo con la señal PWM y reproducen su forma ON-OFF, que sigue la dinámica de la señal de entrada.
Dado que esta etapa reproduce directamente la salida del comparador, no introduce distorsión por sí misma. No se requiere ningún procesamiento adicional; lo importante es que el sistema mantenga la fidelidad en la conversión PWM.
Los bloques del comparador, el adaptador de nivel, el inversor lógico y el controlador de compuertas funcionan todos con una fuente de 12 V. La etapa de potencia (MOSFETs) puede trabajar con un amplio rango de tensiones, limitado solo por su SOA (Safe Operating Area). Este límite marca la potencia máxima del amplificador.
Para convertir nuevamente la señal PWM en una señal analógica adecuada para el altavoz, se utiliza un filtro pasa bajos (LPF). Este filtro, correctamente diseñado con inductores y condensadores adecuados, recupera la forma sinusoidal de la señal original. Aunque esta no es tan perfecta como la de los amplificadores clase A o AB, eso no afecta significativamente el resultado, ya que los altavoces son dispositivos mecánicos que suavizan naturalmente la señal.
Implementación esquemática
Existen numerosos esquemas de amplificadores clase D disponibles en Internet. En este documento se describe en detalle el diseño del amplificador clase D autooscilante IRS-900D, que ofrece una potencia de salida de hasta 900 W sobre 4 ohmios. Este diseño es factible, funcional y ha sido implementado con componentes y tecnologías disponibles en Indonesia, aunque aplicable en cualquier lugar.
Para lograr un amplificador clase D de buena calidad, se requieren:
- Componentes electrónicos confiables
- Diseño de PCB adecuado para altas frecuencias de conmutación
Aunque este diseño no cumple estándares industriales de alta gama, ofrece un rendimiento notablemente superior al de muchos kits clase AB disponibles comercialmente.
En la imagen incluida se presenta el esquema completo basado en los principios descritos. El diseño requiere una fuente de alimentación de ±100 V DC, además de una fuente auxiliar de 12 V para alimentar el controlador de compuertas IR2110. Usar una fuente separada simplifica el diseño general.
Este amplificador puede usarse para aplicaciones desde subwoofer hasta medios y agudos (mid-hi), cubriendo el rango habitual para kits de 900 W. Es posible realizar mejoras al rendimiento del sistema, como por ejemplo:
- Aumentar la frecuencia de oscilación, que depende de la rapidez del lazo de retroalimentación.
- Sustituir el comparador por un opamp de mayor rendimiento, como los modelos de Burr-Brown.
- Seleccionar MOSFETs de última generación con baja capacitancia de compuerta, por ejemplo, modelos de IXYS.
Factores clave en la elección de los MOSFETs:
- Baja capacitancia de compuerta (para mejor conmutación)
- Alta velocidad de conmutación
- Amplio SOA
🌀 Filtro Pasa-Bajos (LPF)
El filtro pasa-bajos (Low-Pass Filter, LPF) es un componente fundamental en un amplificador clase D, ya que se encarga de reconstruir la señal de audio analógica a partir de la señal PWM conmutada.
Un aspecto importante a tener en cuenta en el diseño del inductor de este filtro es que su núcleo debe ser apto para operar a altas frecuencias. Para este propósito, el núcleo más recomendable es el de polvo de hierro, el cual ofrece:
- Alta capacidad magnética
- Bajas pérdidas a altas frecuencias
Desafortunadamente, este tipo de núcleo no siempre está disponible en los mercados locales de electrónica. Como alternativa, se puede emplear un núcleo de ferrita, el cual, aunque más difícil de encontrar en formato comercial adecuado, puede ser reutilizado de fuentes de alimentación conmutadas (PSU).
El tamaño adecuado del núcleo de ferrita puede estimarse en función de la potencia:
- Para una potencia de salida de hasta 300 W, se recomienda una sección transversal del núcleo de aproximadamente 1 cm²
- Para potencias mayores, se pueden usar núcleos concatenados (acoplados en serie)
La bobina debe enrollarse lo más cerca posible del núcleo para mejorar el acoplamiento magnético.
Para adaptar el comportamiento del núcleo de ferrita al uso en clase D, es necesario introducir un entrehierro (gap). Esto se logra interrumpiendo el círculo magnético:
- En núcleos toroidales: con un corte mediante una segueta o sierra para metales
- En núcleos tipo EI: realizando una separación mecánica entre las mitades del núcleo
Esto incrementa la capacidad de almacenamiento de energía del núcleo al elevar su punto de saturación.
🔧 Número de vueltas del inductor
Como no se dispone de datos precisos de fabricante para estos núcleos reutilizados, la única forma de determinar el número de vueltas adecuado es mediante ensayo y error.
Una guía general para bobinar el inductor es:
- Usar alambre de 1 a 1.5 mm de diámetro
- Probar con entre 22 y 45 vueltas, dependiendo del núcleo y frecuencia de operación
💥 Consideraciones sobre el entrehierro
El entrehierro:
- Evita la saturación del núcleo a altas corrientes
- Reduce el calentamiento del inductor bajo carga
Sin embargo, también puede aumentar las fugas electromagnéticas (EMI), que pueden irradiarse o acoplarse a la red de alimentación.
🧱 Condensadores de salida
Los condensadores del filtro LPF también deben cumplir ciertos requisitos, ya que operan a alta frecuencia y están sometidos a cargas y descargas rápidas.
Se deben seleccionar condensadores:
- No polarizados
- Con alta capacidad de carga y descarga
- Con voltaje de trabajo elevado (mínimo 600 V)
Valores típicos:
- Entre 680 nF y 1 µF, no polarizados, 600 V