Classes d'amplificateurs de puissance

En électronique, l'amplificateur est le dispositif de circuit le plus couramment utilisé avec d'énormes possibilités d'application. Dans l'électronique audio liée, les préamplificateurs et les amplificateurs de puissance sont deux types différents de systèmes d'amplification qui sont utilisés à des fins liées à l'amplification du son. Mais, mis à part cet objectif spécifique à l'application, il existe d'énormes différences entre les différents types d'amplificateurs, principalement dans les amplificateurs de puissance. Nous allons donc explorer ici différentes classes d'amplificateurs ainsi que leurs avantages et inconvénients.

Classifications des amplificateurs à l'aide de lettres

Les classes d'amplificateurs sont l'identité des performances et des caractéristiques de l'amplificateur. Différents types d'amplificateurs de puissance donnent des réponses différentes lors du passage du courant à travers eux. Selon leurs spécifications, les amplificateurs se voient attribuer différentes lettres ou alphabets qui représentent leurs classes. Il existe différentes classes d'amplificateurs à partir de A, B, C, AB, D, E, F, T etc. Parmi ces classes, les classes d'amplificateurs audio les plus couramment utilisées sont A, B, AB, C. D'autres classes sont des amplificateurs modernes qui utilisent des topologies de commutation et la technique PWM (Pulse Width Modulation) pour piloter la charge de sortie. Parfois, une version améliorée des classes traditionnelles se voit attribuer une lettre pour les classer comme une classe différente d'amplificateur, comme l'amplificateur de classe G est une classe d'amplificateur modifiée de classe B ou amplificateur de classe AB.

Les classes de l'amplificateur représentent la proportion du cycle d'entrée lorsque le courant passe à travers l'amplificateur. Le cycle d'entrée est l'angle de conduction dérivé de la conduction d'onde sinusoïdale dans l'entrée de l'amplificateur. Cet angle conducteur est hautement proportionnel avec les amplificateurs à l'heure pendant un cycle complet. Si l'amplificateur est toujours allumé pendant un cycle, l'angle de conduction sera de 360 ​​degrés. Ainsi, si un amplificateur fournit un angle de conduction de 360 ​​degrés, alors l'amplificateur a utilisé le signal d'entrée complet et l'élément actif conduit pendant la période de temps de 100% d'un cycle sinusoïdal complet.

Ci-dessous, nous allons démontrer les classes d'amplificateurs de puissance traditionnels allant de la classe A, B, AB et C, et également démontrer l'amplificateur de classe D qui est largement utilisé dans les conceptions de commutation. Ces classes ne sont pas seulement utilisées dans les amplificateurs de puissance, mais également dans les circuits d'amplificateurs audio.

Amplificateur de classe A

L'amplificateur de classe A est un amplificateur à gain élevé avec une linéarité élevée. Dans le cas d'un amplificateur de classe A, l'angle de conduction est de 360 ​​degrés. Comme nous l'avons indiqué ci-dessus, un angle de conduction de 360 ​​degrés signifie que le dispositif amplificateur reste actif pendant tout le temps et utilise le signal d'entrée complet. Dans l'image ci-dessous, un amplificateur de classe A idéal est montré.

Comme on peut le voir sur l'image, il y a un élément actif, un transistor. La polarisation du transistor reste activée tout le temps. En raison de cette fonction de ne jamais désactiver, l' amplificateur de classe A offre une meilleure stabilité des hautes fréquences et de la boucle de rétroaction. Outre ces avantages, l'amplificateur de classe A est facile à construire avec un seul composant et un nombre minimum de pièces.

Malgré les avantages et la linéarité élevée, il présente certainement de nombreuses limites. En raison de la nature conductrice continue, l' amplificateur de classe A introduit une perte de puissance élevée. De plus, en raison de sa linéarité élevée, l'amplificateur de classe A produit de la distorsion et des bruits. L'alimentation et la construction de polarisation nécessitent une sélection minutieuse des composants pour éviter les bruits indésirables et minimiser la distorsion.

En raison de la perte de puissance élevée de l'amplificateur de classe A, il émet de la chaleur et nécessite un espace de dissipation thermique plus élevé. Le rendement est très médiocre dans les amplificateurs de classe A, théoriquement, le rendement varie entre 25 à 30% s'il est utilisé avec la configuration habituelle. Le rendement peut être amélioré en utilisant une configuration à couplage inductif, mais le rendement dans un tel cas n'est pas supérieur à 45-50%, il ne convient donc qu'à des fins d'amplification à faible signal ou à faible niveau de puissance.

Amplificateur de classe B

L'amplificateur de classe B est un peu différent de la classe A. Il est créé à l'aide de deux dispositifs actifs qui effectuent la moitié du cycle réel, soit 180 degrés du cycle. Deux appareils fournissent une commande de courant combinée pour la charge.

Dans l'image ci-dessus, une configuration d'amplificateur de classe B idéale a été présentée. Il se compose de deux dispositifs actifs qui sont polarisés un par un pendant le demi-cycle positif et négatif de l'onde sinusoïdale et ainsi le signal est poussé ou tiré au niveau amplifié du côté positif et négatif et combine le résultat, nous obtenons un cycle complet à travers la sortie. Chaque appareil est allumé ou est devenu actif la moitié du cycle, et grâce à cela, l'efficacité est améliorée, comparée à l'efficacité de 25 à 30% de l'amplificateur de classe A, elle fournit théoriquement plus de 60% d'efficacité. Nous pouvons voir le graphique du signal d'entrée et de sortie de chaque appareil dans l'image ci-dessous. L'efficacité ne dépasse pas 78% pour amplificateur de classe B . La dissipation thermique est minimisée dans cette classe, offrant un espace de dissipation thermique bas.

Mais, cette classe a également des limitations. Une limitation très profonde de cette classe est la distorsion croisée. Comme deux dispositifs fournissent chaque moitié des ondes sinusoïdales qui sont combinées et jointes à travers la sortie, il y a une discordance (croisement) dans la région, où deux moitiés sont combinées. En effet, lorsqu'un appareil termine le demi-cycle, l'autre doit fournir la même puissance presque en même temps lorsque l'autre termine le travail. Il est difficile de corriger cette erreur dans un amplificateur de classe A car pendant le dispositif actif, l'autre appareil reste complètement inactif. L'erreur fournit une distorsion dans le signal de sortie. En raison de cette limitation, il s'agit d'un échec majeur pour l'application d'amplificateurs audio de précision.

Amplificateur de classe AB

Une autre approche pour surmonter la distorsion croisée consiste à utiliser l'amplificateur AB. L'amplificateur de classe AB utilise un angle de conduction intermédiaire des classes A et B, nous pouvons ainsi voir la propriété de l'amplificateur de classe A et de classe B dans cette classe AB de topologie d'amplificateur. Identique à la classe B, il a la même configuration avec deux appareils actifs qui conduisent individuellement pendant la moitié des cycles mais chaque appareil est polarisé différemment afin qu'ils ne soient pas complètement OFF pendant le moment inutilisable (moment de croisement). Chaque dispositif ne quitte pas la conduction immédiatement après avoir terminé la moitié de la forme d'onde sinusoïdale, au lieu de cela, ils conduisent une petite quantité d'entrée sur un autre demi-cycle. En utilisant cette technique de polarisation, la discordance de croisement pendant la zone morte est considérablement réduite.

Mais dans cette configuration, l'efficacité est réduite car la linéarité des appareils est compromise. L'efficacité reste supérieure à celle d'un amplificateur de classe A typique, mais elle est inférieure à celle du système d'amplification de classe B. En outre, les diodes doivent être soigneusement choisies avec exactement la même valeur nominale et doivent être placées aussi près que possible du périphérique de sortie. Dans certaines constructions de circuits, les concepteurs ont tendance à ajouter une résistance de faible valeur pour fournir un courant de repos stable à travers le dispositif afin de minimiser la distorsion sur la sortie.

Amplificateur de classe C

Outre les amplificateurs de classe A, B et AB, il existe un autre amplificateur de classe C. C'est un amplificateur traditionnel qui fonctionne différemment des autres classes d'amplificateurs. L'amplificateur de classe C est un amplificateur accordé qui fonctionne dans deux modes de fonctionnement différents, accordé ou non. L'efficacité de l'amplificateur de classe C est bien supérieure à celle des amplificateurs A, B et AB. Une efficacité maximale de 80% peut être atteinte dans les opérations liées aux fréquences radio

L'amplificateur de classe C utilise un angle de conduction inférieur à 180 degrés. Pendant le mode non accordé, la section tuner est omise de la configuration de l'amplificateur. Dans cette opération, l' amplificateur de classe C donne également une énorme distorsion sur la sortie.

Lorsque le circuit est exposé à une charge accordée, le circuit limite le niveau de polarisation de sortie avec la tension de sortie moyenne égale à la tension d'alimentation. L'opération réglée est appelée pince. Pendant cette opération, le signal prend sa forme appropriée et la fréquence centrale est moins déformée.

Dans les utilisations typiques, l'amplificateur de classe C offre une efficacité de 60 à 70%.

Amplificateur de classe D

L'amplificateur de classe D est un amplificateur de commutation qui utilise la modulation de largeur d'impulsion ou PWM. L'angle de conduction n'est pas un facteur dans ce cas où le signal d'entrée direct est modifié avec une largeur d'impulsion variable.

Dans ce système d'amplification de classe D, le gain linéaire n'est pas accepté car ils fonctionnent comme un interrupteur typique qui n'a que deux opérations, ON ou OFF.

Avant de traiter le signal d'entrée, le signal analogique est converti en un train d'impulsions par diverses techniques de modulation, puis il est appliqué au système amplificateur. Comme la durée des impulsions est liée au signal analogique, elle est à nouveau reconstruite en utilisant un filtre passe-bas à travers la sortie.

L'amplificateur de classe D est la classe d'amplificateur la plus économe en énergie des segments A, B, AB et C et D. Il a une dissipation thermique plus petite, donc un petit dissipateur thermique est nécessaire. Le circuit nécessite divers composants de commutation comme des MOSFET qui ont une faible résistance.

C'est une topologie largement utilisée dans les lecteurs audio numériques ou dans le contrôle des moteurs. Mais nous devons garder à l'esprit que ce n'est pas un convertisseur numérique. Bien que, pour une fréquence plus élevée, l'amplificateur de classe D ne soit pas un choix parfait car il a des limitations de bande passante dans quelques cas en fonction des capacités du filtre passe-bas et du module convertisseur.

Autres classes d'amplificateurs

Outre les amplificateurs traditionnels, il existe peu de classes supplémentaires, à savoir la classe E, la classe F, la classe G et H.

L'amplificateur de classe E est un amplificateur de puissance très efficace qui utilise des topologies de commutation et fonctionne dans les fréquences radio. Un élément de commutation unipolaire et le réseau réactif accordé est le composant principal à utiliser avec l'amplificateur de classe E.

La classe F est un amplificateur à haute impédance en ce qui concerne les harmoniques. Il peut être entraîné en utilisant une onde carrée ou une onde sinusoïdale. Pour l'entrée d'onde sinusoïdale, cet amplificateur peut être réglé à l'aide d'un inducteur et peut être utilisé pour augmenter le gain.

La classe G utilise la commutation ferroviaire pour réduire la consommation d'énergie et améliorer les performances d'efficacité. Et la classe H est la version améliorée de la classe G.

Des classes supplémentaires sont des amplificateurs spéciaux. Dans certains cas, les lettres sont fournies par le fabricant pour signifier leur conception exclusive. Un meilleur exemple est l'amplificateur de classe T qui est une marque commerciale pour un type spécial d'amplificateur de classe D à commutation, utilisé pour les technologies d'amplification de Tripath, une conception brevetée.