AMPLIFICATORI DI POTENZA I segnali applicati ad utilizzatori, quali servo-motori e impianti audio, sono associati generalmente ad elevati livelli di potenza; questo significa alti valori di corrente oltre che di tensione. L'eventuale segnale prelevato, ad esempio, da un sensore di bassissimo livello, prima di essere applicato ad uno dei carichi sopra citati, deve pertanto attraversare un apparato simile a quello schematizzato a blocchi in figura; qui viene sottoposto a successivi condizionamenti fino ad arrivare allo stadio finale, il quale provvede a fornirlo della necessaria potenza richiesta dal carico, ottenuta tramite trasformazione di parte della potenza erogata dall'alimentazione. Caratteristiche e configurazioni principali degli amplificatori di potenza L'amplificatore di potenza deve svolgere il suo compito soddisfacendo ad alcune importanti condizioni. Deve principalmente trasferire al carico, sotto forma di potenza utile di segnale, la maggior parte dell'energia assorbita dall'alimentazione..01 Si definisce rendimento di conversione c il rapporto tra la potenza utile P L ceduta al carico e la potenza Pcc fornita dall'alimentazione Per quale motivo il rendimento di conversione riveste tanta importanza? Prima di tutto per ragioni di ottimizzazione e quindi di risparmio energetico, tanto più rilevanti quanto più elevate sono le potenze richieste. Questo cosa vuol dire, in pratica? Si consideri ad esempio l'amplificatore per piccoli segnali della figura seguente; la richiesta di una tensione di segnale sul carico di qualche volt di picco, associata ad una potenza utile di alcuni mw, non crea problemi di spreco energetico, in quanto, seppur con rendimento molto basso, dall'alimentazione viene erogata una potenza sull'ordine delle decine di mw. Fornire invece ad un carico una potenza utile di qualche decina di watt, ad esempio mediante un amplificatore in classe A (che, come vedremo successivamente, presenta un rendimento di conversione massimo del 25%) comporta una Pcc superiore ai 100 W e sicuramente problemi di ottimizzazione. Un altro aspetto 1
basilare che rende significativo il parametro c è legato al fatto che la maggior parte della potenza erogata dall'alimentazione e non ceduta al carico Esempio di amplificatore di classe A per piccoli segnali. viene dissipata dal componente attivo dell'amplificatore. Il calore prodotto porta di conseguenza ad un peggioramento delle condizioni di lavoro. Inoltre lo smaltimento del calore deve necessariamente avvenire attraverso l'utilizzo di dissipatori termici con ingombri e costi tanto più alti quanto maggiore è la potenza assorbita dal componente attivo. Per ottenere buoni rendimenti di conversione, vedremo più avanti come è indispensabile che il segnale presenti delle escursioni che coprano quasi per intero la zona attiva del transistor amplificatore. In questo caso appare evidente come diventi maggiormente significativo, rispetto allo studio degli amplificatori di piccoli segnali, il problema della distorsione di non linearità. Accade infatti che, lavorando su tutta la zona compresa tra l'interdizione e la saturazione, l'effetto della non perfetta equidistanza tra le curve che rappresentano la caratteristica di uscita del componente attivo condiziona maggiormente il segnale, che può risultare di conseguenza distorto a causa dell'insorgere di armoniche della frequenza del segnale di ingresso. A tal proposito, significativo risulta il parametro D (distorsione armonica) che rappresenta il rapporto tra i valori efficaci delle ampiezze delle singole armoniche (l 2, l 3 ecc) e della fondamentale (l 1 ) ) e cioè L'effetto di distorsione complessivo viene invece rappresentato mediante il parametro THD (total harmonic distorsion), dove Nel caso di altoparlanti, in campo audio cioè, la conseguenza derivante dalla distorsione armonica è un peggioramento delle qualità del suono prodotto. Nei motori invece l'insorgenza di armoniche causa la generazione di correnti indotte (correnti di Focault) nei nuclei ferromagnetici. Queste correnti hanno un'intensità che è proporzionale al quadrato della frequenza e provocano un riscaldamento del nucleo stesso. 2
Amplificatore in classe A. La ricerca di nuove soluzioni che fornissero migliori prestazioni di carattere energetico ha condotto alla realizzazione di strutture circuitali diverse da quelle tipiche degli amplificatori per piccoli segnali, definite di classe A. Si ricorda che in questa categoria vengono raggruppati quegli amplificatori che presentano il transistor polarizzato in piena zona attiva, con corrente circolante per l'intero periodo del segnale di ingresso. Da questo tipo di dispositivi si ottiene un segnale con bassa distorsione, ma nello stesso tempo si raggiungono rendimenti di conversione molto limitati inaccettabili nella maggior parte delle applicazioni di potenza. Caratteristiche e forma d'onda per un amplificatore in classe A. 3
Un sensibile miglioramento del rendimento si ha con amplificatori in classe B il più diffuso in campo audio. Nella classe B il componente attivo è polarizzato al limite della zona di conduzione e la corrente circola sul carico solo per metà periodo. Appare chiaro che il segnale ricostruito sul carico è costituito da una sola semionda e quindi risulta fortemente distorto. In realtà un dispositivo di potenza in classe B prevede la presenza di due componenti attivi, dello stesso tipo o complementari, posti in condizione di condurre alternativamente per metà periodo ed in grado di ricostruire interamente sul carico la forma d'onda di ingresso. Caratteristiche e forma d'onda in un amplificatore in classe B. Per completare il quadro delle varie classi di amplificatori sarebbe necessario descrivere la classe C. In realtà la prima, che vede il componente attivo polarizzato in interdizione, con corrente circolante sul carico per meno di metà periodo e quindi di tipo impulsivo, è molto diffusa in radiofrequenza, ma non in campo audio. Amplificatore in classe C. 4
Caratteristiche e forma d'onda della corrente per uno stadio in classe C. 5
Amplificatori in classe A Iniziamo ad analizzare in modo più particolareggiato le tipologie di amplificatori più noti nel campo di potenza audio, partendo dai dispositivi in classe A, importanti dal punto di vista didattico, anche se, superati per i loro non soddisfacenti parametri energetici. Lo schema circuitale da considerare sia ancora quello della figura precedente. Il nostro obiettivo è quello di determinare i valori del rendimento di conversione. Anticipiamo subito i risultati, che possono interessare indipendentemente dalla dimostrazione, per poi descrivere il procedimento di analisi sapendo già dove convergere. Procediamo con la dimostrazione della formula sopra scritta determinando prima di tutto Pcc, tenendo d'occhio la figura seguente dove si ipotizza un segnale di ingresso sinusoidale. Caratteristiche e forme d'onda relative ad un amplificatore in classe A. 6
A riposo, cioè in assenza del segnale v i l'alimentazione eroga una corrente sostanzialmente coincidente con Ic Q, per cui la potenza P cc fornita vale ed è graficamente rappresentata dall'area del rettangolo 0123. (a) Schema di principio di amplificatore in classe A e (b) rappresentazione grafica delle potenze. La potenza P D dissipata dal transistore vale P D = V CEQ *I CQ ed è rappresentata dall'area del rettangolo 0453. La differenza fra le due potenze Pcc PD = I CQ *(Vcc V CEQ ) (area del rettangolo 4125) rappresenta la potenza dissipata in continua sul carico. Evidentemente a questa potenza non è associata alcuna informazione relativa al segnale e pertanto è una potenza non utile. Allorché viene fornito il segnale sinusoidale V s, il punto Q si sposta generando forme d'onda sinusoidali di corrente e di tensione, di ampiezza I cm e V cem, che si sovrappongono a Ic Q e V CEQ. Poiché la corrente complessiva i c è data dalla componente continua Ic Q più la componente sinusoidale i c il valore medio della potenza erogata dall'alimentazione non cambia rispetto a prima. Sul carico viene ora dissipata, oltre alla potenza associata alla componente continua, pari evidentemente a quella dissipata a riposo, una potenza P L associata al segnale sinusoidale e quindi utile, pari a In fig. b P L è rappresentata dall'area del triangolo 657 di cateti VceM e I cm. Per mantenere l'equilibrio energetico, il transistore dissiperà ora una potenza inferiore a quella di riposo esattamente della quantità P L fornita al carico. Alla stessa conclusione si può giungere osservando che il transistore è interessato, oltre che dalla componente continua, da componenti sinusoidali di corrente e tensione in opposizione di fase fra di loro, che quindi forniscono un contributo negativo al totale della potenza dissipata. 7
Rendimento di conversione. Se si considerano ideali le caratteristiche del BJT e si trascura la zona di saturazione, dalla fig. b precedente si vede che l'escursione massima possibile del segnale è V cem = Vc EQ = Vcc/2 e I cm = lc Q. In fig. successiva sono indicate graficamente le potenze riguardanti questo caso di massima escursione del segnale e quindi di massima potenza utile. Il rendimento di conversione, che aumenta all'aumentare di P L, raggiunge il suo valore massimo nel caso di massima potenza utile; pertanto si ha La potenza utile, nella migliore delle ipotesi, è quindi solo il 25 % della potenza erogata dall'alimentazione. 8