1 AMPLIFICATORI DI POTENZA I segnali applicati ad utilizzatori

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.
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Si definisce rendimento di conversione
la potenza Pcc fornita dall'alimentazione
c il
rapporto tra la potenza utile PL ceduta al carico e
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
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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 (l2 , l3 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.
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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.
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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.
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Caratteristiche e forma d'onda della corrente per uno stadio in classe C.
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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.
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A riposo, cioè in assenza del segnale vi l'alimentazione eroga una corrente sostanzialmente
coincidente con I cQ , per cui la potenza P cc fornita vale
ed è graficamente rappresentata dall'area del rettangolo 0123.
(a) Schem a di princip io di amplificatore in classe A e (b) rappresentazione grafica delle potenze.
La potenza PD dissipata dal transistore vale PD = VCEQ*ICQ ed è rappresentata dall'area del rettangolo
0453.
La differenza fra le due potenze Pcc — PD = ICQ *(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 IcQ e V CEQ.
Poiché la corrente complessiva ic è data dalla componente continua IcQ più la componente
sinusoidale ic 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 PL associata al segnale sinusoidale e
quindi utile, pari a
In fig. b PL 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 PL 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.
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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'aumen tare di PL , 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.
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