Crown CE4000: etapa de potencia BCA (clase I), cómo funciona, ventajas e inconvenientes

Crown CE4000: etapa de potencia BCA (clase I)

Resumen rápido: el CE4000 es un amplificador conmutado (PWM) a 250 kHz con una variante propia de Crown: BCA, «Balanced Current Amplifier», o clase I. Por canal hay dos semipuentes, uno positivo (Vp) y otro negativo (Vn), que conmutan a la vez y solapados. En reposo sus corrientes se anulan en el nodo de salida B1, así que casi no hay rizado ni calor en reposo. Por canal lleva 8 MOSFET MTP16N25E (4 en Vp y 4 en Vn) y 4 diodos APT15D30K.

Notas relacionadas:

• Crown CE4000 - índice técnico (índice)
• Crown CE4000 - entrada de red y fuente conmutada
• Crown CE4000 - raíles y distribución de alimentación
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• Crown CE4000 - protecciones y secuencia de encendido
• Crown CE4000 - lista de componentes activos

Prelectura: VCA* y modular (antes de lo técnico)

* Nota — VCA (amplificador controlado por tensión). Sencillo, en orden: (1) Imagina un grifo: el agua es la señal de audio y la tensión de control es la mano que abre o cierra el paso. Eso es un VCA: un amplificador cuya ganancia (cuánto deja pasar) la manda una tensión, no un potenciómetro mecánico. (2) En la BCA del CE4000 la idea es parecida, pero con pulsos: el audio entra junto a la portadora triangular de 250 kHz; al compararlas, el ancho de los pulsos crece o se encoge con la música. (3) Eso es modular: la música no empuja el altavoz en continuo como un grifo a medio abrir, sino que decide cuánto tiempo están abiertos los interruptores en cada ciclo. Con esta idea ya se entiende el camino técnico que sigue: moduladores, optos, drivers, MOSFET y bobinas.

Camino de la señal

1. Entrada balanceada → ganancia (0,775 V / 1,4 V / 26 dB) → compresor de tiempo completo con optocélula U1 en la placa BFG → filtros paso alto y paso bajo → filtro gaussiano de 7.º orden a 32 kHz (ajuste R178/R278).
2. Moduladores U101 (Vp) y U103 (Vn) LM361, comparadores diferenciales rápidos, comparan el error de audio con la triangular de 250 kHz (U105 LM318). Su salida pasa por puertas NAND que corta el limitador de corriente.
3. Optoacopladores U119 HCPL-0611 (Vp) y U123 HCPL-0601 (Vn): aíslan la lógica de los ±105 V.
4. Drivers U120/U121 MC34151 (1,5 A) → puertas de Q106–Q113 MTP16N25E (resistencias de puerta de 11 Ω).
5. Bobinas Lp/Ln (L11/L12, 20 µH) y resistencias de medida R383/R384/R361/R362 de 0,02 Ω 5 W → nodo B1 → filtro de salida* (L101/C128 a 250 kHz, L102/C131/C397 a 500 kHz y L104/C136–C139 a 250 kHz) → barras bus → placa de salida 127820-3 → Speakon/bornes/regleta.
6. T100 (transformador de corriente) devuelve la corriente de salida para la realimentación y para los moduladores.

* Nota — Probar el filtro LC sin riesgo. Sencillo, en orden: (1) El manual (4.7.4) no trae un procedimiento de prueba en campo: solo dice que los núcleos no se ajustan fuera de fábrica. (2) Procedimiento recomendado de taller: desconectar la tensión de raíl, inyectar una frecuencia con un generador de RF sencillo (incluso muchos multímetros baratos llevan generador de frecuencia) en la entrada del filtro y mirar en la salida que la portadora queda totalmente atenuada. (3) Así no cargas la etapa si el filtro está mal: el error típico es probarlo con el aparato encendido y cargar la etapa al fallar el filtro. (4) Lógica de diagnóstico: al inyectar con el generador, si a la entrada esa frecuencia tiene que trabajar y no despega el nivel, hay algo mal en la entrada; si a la salida hay nivel (cuando la portadora debería estar atenuada), hay algo mal en la salida. Es muy sencillo de probar y localiza el fallo.

Cómo funciona (técnico)

En reposo, los FET positivos (Q106, Q107, Q110, Q111) y los negativos (Q108, Q109, Q112, Q113) se encienden al mismo tiempo, con un ciclo de trabajo de ~50 %. La corriente sube de +Vcc a −Vcc por Swp → Lp → Ln → Swn, limitada por las bobinas. Al abrirse, la energía de las bobinas vuelve por los diodos D140–D143. Las corrientes de Lp y Ln se anulan en B1, así que la tensión de salida es cero y el rizado es mínimo. Con señal positiva, Vp conduce más del 50 % y Vn menos; la suma sigue en torno al 100 % y los tiempos siempre se solapan. No hay alternancia «uno sí, otro no», y por eso no existe el disparo cruzado (shoot-through) de un clase D clásico. Las bobinas del filtro aíslan los dos interruptores (patente US 5.657.219).

El canal 2 trabaja con su triangular desfasada 90°*. El solape (overlap/underlap) se ajusta moviendo el nivel de continua de la triangular con R170 (canal 1) / R270 (canal 2). Equivale al ajuste de polarización de un clase AB, pero sin deriva térmica. Las fuentes flotantes de los drivers son: Vp desde U22 IR2104 + U23 IRF7501 + T101 (D131/D132 STPS140A, C316–C319); Vn desde la flyback (−VCC+12).

* Nota — Desfase de 90°. Sencillo: la portadora de 250 kHz es el «tic-tac» de conmutación, no música. Al llevar el canal 2 su triangular un cuarto de ciclo (90°) respecto al canal 1, esas dos portadoras se anulan cuando se miran juntas a la salida: el zumbido de conmutación se cancela y solo queda el audio. Si fueran iguales en fase, la portadora se sumaría y saldría ruido de alta frecuencia hacia el altavoz y el filtro.

Explicación sencilla

Imagina una cuerda tensada entre dos personas que tiran a la vez y con la misma fuerza: la cuerda no se mueve. Si una tira un poco más, la cuerda se desplaza hacia ella. Eso es BCA: los dos lados empujan siempre, y la música sale de la diferencia entre lo que empuja cada uno. Un clase D normal es como dos personas que se turnan para tirar; si coinciden un instante, se chocan (el «shoot-through»). En BCA nunca se turnan, así que nunca chocan.

Prelectura: solape* (antes del ajuste técnico)

* Nota — Solape (overlap). Sencillo, en orden: (1) En la BCA los semipuentes Vp y Vn trabajan a la vez. El solape es el tiempo en que los dos están encendidos juntos: un solapamiento controlado, ni hueco ni exceso. (2) Si falta solape (underlap), queda un hueco entre uno y otro: aparece algo parecido a la distorsión de cruce. Si sobra (overlap excesivo), circula demasiada corriente entre +Vcc y −Vcc por las bobinas: calor y desperdicio, sin más audio. (3) Para un técnico de audio es casi lo mismo que el ajuste de vías (la polarización en reposo de un clase AB): se busca el punto justo. Con esa idea ya se entiende el procedimiento de R170/R270 y TP37/TP244.

Ajuste de solape (overlap)

Según el manual (4.7.2), se hace a 21 °C, sin señal y sin carga, mirando TP37 (canal 1) o TP244 (canal 2) con osciloscopio. Hay que girar R170/R270 hasta ver flancos lo más rectos posible con una curva de transición menor de 10 V:

• más de 10 V es underlap (ajuste corto);
• una transición «no suave» es overlap excesivo.

Sencillo: es como ajustar el ralentí de un coche. Si se queda corto, la etapa «tironea» (distorsión de cruce); si se pasa, malgasta corriente y se calienta.

Clase I frente a otras clases

Clase	Cómo trabaja	A favor	En contra
AB	Transistores lineales, en parte abiertos	Sonido muy conocido y sencillo	Rendimiento ~50–60 %; mucho disipador y peso
H	AB con raíles que cambian según la señal	Mejor rendimiento que AB	Más complejo, sigue siendo lineal
D clásico	Dos interruptores que se alternan	Rendimiento muy alto	Riesgo de shoot-through, tiempos muertos que distorsionan, rizado en reposo
I (BCA)	Dos semipuentes solapados con corrientes opuestas	Sin shoot-through, rizado casi nulo en reposo, devuelve a la fuente la energía de cargas reactivas	Más FET y bobinas; ajuste de solape; respuesta en agudos peor según usuarios

Fuentes de la tabla: white paper de Crown y patente para la clase I; ProSoundWeb 83444 para la opinión sobre los agudos. Las cifras de rendimiento de AB son generales, no del CE4000.

Avisos de taller

🔧 Experiencia de taller. Aunque la portadora de 250 kHz no sea audible, el transistor de salida sí es capaz de amplificar ese rango de frecuencia, y eso puede hacer que se reviente el transistor. Es un problema que suele pasar y la gente no destaca.

🔧 Experiencia de taller. Cuando se cambia un transistor y no pertenece al mismo tipo de silicio que el otro, no tiene la misma ganancia, y eso es otro problema. Hay que emparejar por tipo de silicio (y, si se puede, por ganancia) los MOSFET de un mismo semipuente o canal.

* Nota — Pasta térmica y apriete. Sencillo, en orden: (1) Al reparar, limpia la pasta térmica vieja del disipador y de los FET. (2) Pon pasta térmica de silicona, la blanca de toda la vida. (3) Aprieta los tornillos con destornillador de torque, para que todos los FET queden con el mismo nivel de presión contra el disipador. (4) La cabeza de los tornillos puede ser tipo JIS; no está confirmado si son Phillips o JIS. Hay que usar el destornillador correcto (JIS o Phillips) según sean tornillos japoneses o americanos, para no redondearlos.

Puntos débiles conocidos

• Un MOSFET o diodo de salida en corto deja continua en la salida, y la protección de DC bloquea el canal (manual 4.4.5 punto 4).
• Clip LED encendido sin señal = «generalmente un fallo de la etapa de salida» (manual).
• En foros recomiendan cambiar la pasta térmica y revisar los FET de salida al reparar (Harman proforums 137763, leído solo en extracto).

Fuentes de los datos

• manual de servicio 130485-1 Rev. B (PDF local) · original (3.1.3–3.1.6, 3.2.1–3.2.2, 4.4.2, 4.7.2)
• esquemas 126218-13/-14 y placas auxiliares (PDF local) · archive.org (hojas 43 y 44 del 126218-13)
• Crown, «The Class-I Amplifier», white paper 137234-1 (PDF local) · original
• Patente US 5.657.219 «Opposed Current Power Converter»
• Datasheets: MTP16N25E (PDF local) · original · APT15D30K (PDF local) · original · MC34151 (PDF local) · original · HCPL-0601/0611 (PDF local) · original · LM361 (PDF local) · original · LM318 (PDF local) · original · IR2104 (PDF local) · original · IRF7501 (PDF local) · original · STPS140 (PDF local) · original