L’amplificatore di potenza è un argomento affascinante nel campo dell’elettronica che verrà trattato in questo tutorial. Sono impiegati in molte applicazioni diverse, tra cui audio, comunicazioni radio, apparecchiature MRI e molte altre. Pertanto, impareremo cos’è un amplificatore di potenza, nonché i vari tipi, classi e applicazioni degli amplificatori di potenza.
Un amplificatore di potenza è cosa
Un amplificatore di potenza è un tipo di amplificatore elettronico creato per aumentare la potenza di un segnale in ingresso. La forza del segnale di ingresso viene aumentata a un livello che può pilotare numerosi dispositivi di uscita, inclusi altoparlanti, cuffie, trasmettitori RF, ecc. Un amplificatore di potenza viene utilizzato come ultimo anello di una catena di amplificatori e, a differenza degli amplificatori di tensione/corrente, è progettato per guidare direttamente i carichi.
Un amplificatore di potenza richiede un segnale di ingresso più forte di una soglia specifica. Pertanto, il segnale audio/RF grezzo viene prima preamplificato utilizzando amplificatori di corrente/tensione prima di essere fornito come ingresso all’amplificatore di potenza dopo aver eseguito le opportune regolazioni. Di seguito è riportato uno schema a blocchi di un amplificatore audio che mostra come viene utilizzato un amplificatore di potenza.
Tipi di amplificatori di potenza
Gli amplificatori di potenza possono essere classificati in una delle seguenti tre categorie in base al tipo di dispositivo di uscita a cui sono collegati:
- Amplificatori di potenza per l’audio
- Amplificatori di potenza, sia RF che DC
Amplificatori di potenza per l’audio
Questi amplificatori di potenza vengono utilizzati per aumentare la forza di un segnale audio più debole. Questa categoria include gli amplificatori utilizzati nei circuiti di pilotaggio degli altoparlanti di televisori, telefoni cellulari, ecc. Un amplificatore di potenza audio può produrre ovunque tra pochi milliwatt (come negli amplificatori per cuffie) e migliaia di watt (come in Hi-Fi/ sistemi home theatre).
Amplificatori per segnali in radiofrequenza
Le onde modulate devono essere trasmesse su distanze aeree significative per le trasmissioni wireless. I segnali vengono trasmessi attraverso l’uso di antenne e il raggio di trasmissione si basa sulla forza dei segnali inviati all’antenna.
Le antenne necessitano di segnali di ingresso con migliaia di kilowatt di potenza per le trasmissioni wireless come le trasmissioni FM. Qui vengono utilizzati amplificatori di potenza a radiofrequenza per aumentare la potenza delle onde modulate a un livello sufficiente a coprire la necessaria distanza di trasmissione.
Amplificatori di potenza per CC
La potenza di un segnale PWM (Pulse Width Modulated) viene amplificata utilizzando amplificatori di potenza CC. Sono impiegati in sistemi di controllo elettronici che richiedono segnali forti per azionare motori o attuatori. Prendono l’input del microcontrollore, lo amplificano e quindi inviano il segnale risultante a motori o attuatori CC.
Amplificatore di potenza in classe A
Alti positivi e minimi negativi costituiscono le forme d’onda analogiche. L’intera forma d’onda in ingresso viene utilizzata nel processo di amplificazione in questa classe di amplificatori.
Le metà positive e negative della forma d’onda sono amplificate dallo stesso transistor. Gli amplificatori di classe A sono il tipo più utilizzato di amplificatori di potenza grazie al loro design semplice. Sebbene da allora progetti migliori abbiano sostituito questa classe di amplificatori di potenza, gli hobbisti li preferiscono ancora.
In questa famiglia di amplificatori, l’elemento attivo, in questo caso il transistor, che funge da amplificatore, è sempre in funzione anche in assenza di segnale in ingresso. Nel caso di un design convenzionale, questo produce molto calore e abbassa l’efficienza degli amplificatori di classe A al 25%, e nel caso di una configurazione accoppiata a trasformatore, al 50%.
Amplificatore di potenza Classe B
Gli amplificatori di potenza di classe B sono realizzati per avere problemi di riscaldamento ed efficienza inferiori rispetto agli amplificatori di classe A. Questa classe di amplificatori utilizza due transistor complementari anziché un singolo transistor per amplificare l’intera forma d’onda.
La metà positiva della forma d’onda è amplificata da un transistor e la metà negativa dall’altro. Di conseguenza, ogni dispositivo attivo conduce per 180 gradi della forma d’onda e due dispositivi attivi che lavorano insieme possono amplificare l’intero segnale.
A causa del design a due transistor, l’efficienza dell’amplificatore di classe B è significativamente superiore a quella degli amplificatori di classe A. Teoricamente, possono raggiungere un’efficienza di circa il 75%. Questi tipi di amplificatori di potenza sono utilizzati in dispositivi alimentati a batteria come transistor e radio FM.
Classe di amplificatore di potenza AB
Gli amplificatori di classe A e di classe B sono combinati per formare amplificatori di classe AB. Questa classe di amplificatori è stata creata per ridurre il problema della bassa efficienza degli amplificatori di classe A e della distorsione del segnale crossover degli amplificatori di classe B.
Mantiene la risposta ad alta frequenza degli amplificatori di classe A e l’elevata efficienza degli amplificatori di classe B. Una piccola tensione di polarizzazione è fornita da una miscela di resistori e diodi, che riduce la distorsione della forma d’onda nella regione di crossover. Di conseguenza, l’efficienza ne risente leggermente (del 60%).
Amplificatore di potenza Classe C
La ridotta linearità/angolo di conduzione degli amplificatori di potenza di classe C inferiore a 90° consente efficienze più elevate ma un’efficienza complessiva inferiore. In altre parole, compromette la qualità dell’amplificazione per una maggiore efficienza.
Questa classe di amplificatori non è appropriata per l’amplificazione audio perché un angolo di conduzione più piccolo implica un livello di distorsione più elevato. Sono impiegati nell’amplificazione di segnali a radiofrequenza e oscillatori ad alta frequenza.
Nella maggior parte degli amplificatori di classe C, un carico sintonizzato filtra e amplifica i segnali di ingresso di una frequenza specifica sopprimendo le forme d’onda di altre frequenze.
Classi di amplificatori di potenza
Un circuito amplificatore di potenza può essere creato in diversi modi. Ciascuno dei layout del circuito ha un funzionamento diverso e caratteristiche di uscita.
Le classi degli amplificatori di potenza vengono utilizzate per classificare i tratti e i comportamenti dei vari circuiti degli amplificatori di potenza e i simboli delle lettere vengono assegnati per indicare la modalità di funzionamento in ciascuna classe. Possono essere divisi generalmente in due gruppi. Gli amplificatori di potenza del segnale analogico rientrano in una delle quattro categorie: A, B, AB o C. Gli amplificatori di potenza del segnale digitale PWM (Pulse Width Modulated) rientrano in D, E, F, ecc.
Altre classi di amplificatori di potenza
I segnali digitali modulati PWM vengono amplificati utilizzando amplificatori di potenza delle classi D, E, F e G. Rientrano nella categoria degli amplificatori di potenza a commutazione e commutano continuamente l’uscita tra ON e OFF senza alcun livello intermedio.