Etapa de potencia

Etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de ganancia son los nombres que se usan para denominar a un amplificador de audio. La función del amplificador es aumentar el nivel de una señal, incrementando para ello la amplitud de la señal de entrada mediante corrientes de polarización (voltaje negativo, voltaje positivo) en el transistor de salida.

Mixing Amplifier MA-35

El amplificador trabaja, internamente, con corriente continua; en caso de ser alimentado con la tensión entregada por la red domiciliaria se necesita un transformador y rectificador para adaptar el nivel de voltaje y tipo de corriente a los valores necesarios para el buen funcionamiento del equipo.

Cuando se diseña un amplificador, es fundamental su refrigeración. Por ello, siempre encontraremos una rejilla de ventilación y los fabricantes habrán instalado en su interior ventiladores (como en el ordenador). Esto es porque durante el procesado de amplificación, en su interior, se disipa gran cantidad de calor.

Físicamente, cuando vemos un amplificador, nos encontramos con un equipo en el que habitualmente, solo hay un botón: el de encendido/apagado.

En la parte posterior suele situarse el panel con las correspondientes entradas y salidas. El número y tipo de ellas depende de la cantidad de señales que soporte el amplificador.

Características técnicas

Las características técnicas de cada modelo determinarán la calidad del amplificador:

Impedancia.
Factor de amortiguamiento.
Potencia de salida.
Relación señal ruido.
Acoplamiento.
Respuesta en frecuencia.
Respuesta de fase.
Ganancia.
Sensibilidad.
Distorsión.
Diafonía.

Impedancia

La impedancia es la resistencia (oposición) que presenta cualquier dispositivo al paso de una corriente, en este caso, alterna.

La impedancia de entrada de un amplificador debe ser de al menos, 10 kΩ. Estos 10 kΩ se dan para que en el caso de posicionar 10 amplificadores en paralelo la carga total sea de un 1kΩ. (10 kΩ / 10 = 1 kΩ).^{[cita requerida]}

Factor de amortiguación

Indica la relación entre la impedancia nominal del altavoz a conectar y la impedancia de salida del amplificador (la eléctrica que realmente presenta en su salida).

Cuanto mayor sea el factor de amortiguamiento mejor, pero por encima de doscientos, puede significar que el amplificador está deficientemente protegido contra cargas reactivas que pueden deteriorarlo.

El factor de amortiguamiento se expresa: 200 sobre 8 Ω, lo que significaría que la impedancia de salida real del amplificador es de 0,04 Ω (8/200).

Muchos fabricantes incluyen el factor de amortiguamiento para graves, lo que resulta muy útil, porque sabemos que esa es la respuesta en frecuencia crítica. Vendría indicado como 150 sobre 8 Ω a 40 Hz.

Potencia de salida

Hace referencia a la potencia eléctrica, no confundir con la potencia acústica.

Como en el altavoz, es la cantidad de energía que se puede introducir en la etapa de potencia antes de que distorsione en exceso o de que pueda sufrir desperfectos.

Se especifica la potencia máxima del amplificador en función de una determinada impedancia, generalmente, 8 Ω. Por ejemplo: 175 W sobre 8 Ω).

Si el amplificador es estéreo, hay que tener en cuenta si esa potencia se refiere a cada uno de los canales o a ambos. Por ello, en las especificaciones técnicas, se añade una de estas dos indicaciones:

con los dos canales alimentados.
por canal.

En el ejemplo anterior con una potencia de salida de 175 W sobre 8 Ω, si se añade con los dos canales alimentados significa que por canal la potencia será la mitad (87,5 W sobre 8 Ω).

Por el contrario, con una potencia de salida de 175 vatios sobre 8 ohmios por canal, tendremos 350 W sobre 8 Ω con los dos canales alimentados.

En los equipos que permiten modificar la impedancia de entrada, también hay que tener en cuenta las modificaciones que el variar este parámetro introducen en la potencia. En este caso se hacen aproximaciones cercanas, nunca son absolutas, porque en el estado actual de los amplificadores, esto no es posible. Así, si tenemos un amplificador en el que en las especificaciones técnicas figura 175 W sobre 8 Ω, si reducimos la impedancia a 4 Ω, la potencia será cercana al doble, los 350 W (en un amplificador ideal, debería ser justamente estos 350 W).

Dentro de la potencia se diferencia entre potencia nominal y potencia de pico.

Potencia máxima

Potencia máxima eficaz, o potencia media a régimen continuo es la potencia eléctrica real verificable con instrumentos que puede proporcionar la etapa de salida durante un minuto a una frecuencia de 1 kHz (kilo hertzio) sobre la impedancia nominal especificada por el fabricante (normalmente 4, 6 u 8 Ohmios) y viene dada por la expresión Po= Vo (rms)²/Zo. Donde:

 Po es la potencia de salida. Vo es el voltaje (tensión eléctrica) eficaz de salida. Zo es la impedancia nominal del amplificador

Nota: para medir la potencia se emplea una resistencia pura, pues una impedancia compleja altera el desempeño del amplificador.

Potencia máxima útil

La potencia eficaz está limitada por la distorsión del equipo, ya que esta crece con la potencia, de modo que se especifica la potencia útil a un nivel de distorsión nominal, como 1, 2 o 5 % (10% en amplificadores de baja calidad) o menos de 0.25 % en otros de alta calidad, esta medida es inferior a la anterior.

Potencia de pico, admisible o musical

Potencia máxima impulsiva (un pico de señal'), que puede soportar cada cierto tiempo el amplificador antes de deteriorarse.

Algunos fabricantes en lugar de especificar la potencia nominal, especifican la potencia de pico, para maquillar el alcance del amplificador, pues la potencia de pico siempre es superior a la potencia nominal. Hay que estar alerta a este detalle y tener en cuenta que la potencia de pico de un amplificador es 2 veces su valor nominal.

Relación señal/ruido

Hace referencia al voltaje de ruido residual a la salida y se expresa en dB.

Para que la relación señal /ruido esté por debajo del umbral de audición, debe ser de al menos 100 dB. Mayor, 110 dB, en el caso los amplificadores de alta potencia (por encima de los 200 vatios).

Acoplamiento

Indica la forma en que el amplificador está conectado al altavoz. Puede haber varios modos:

“acoplamiento directo”, cuando ambos están acoplados directamente. Este permite la mejor respuesta en frecuencia y el mayor rendimiento en cuanto a potencia entregada a la carga.
“acoplamiento inductivo”, cuando el amplificador y su carga están acoplados mediante un transformador.
“acoplamiento capacitivo”, si el acoplamiento se realiza mediante condensadores.

Internamente, el amplificador funciona con tensión continua, pero a la salida convierte la señal en corriente alterna. Cuando conectamos directamente un amplificador con el altavoz, este acoplamiento directo debe hacerse de forma que la corriente continua residual (DC offset) sea lo más baja posible, no superando los 40 milivoltios. (Los más habituales están en 15 milivoltios).

Respuesta en frecuencia

Calcula el límite dentro del cual el amplificador responde de igual forma (respuesta plana) a las audiofrecuencias (20 a 20.000 Hz) con una potencia muy baja.

La respuesta en frecuencia en los amplificadores se mide en dB tomando como referencia potencia de 1 vatio con una impedancia de 8 ohmios. Para obtener una óptima respuesta en frecuencia, ésta debe estar en torno a 5 dB por encima (+ 5 dB) o por abajo (- 5 dB).

Muchos fabricantes, en lugar de usar solo las audiofrecuencias, para proteger a los amplificadores de perturbaciones suprasónicas o subsónicas, lo que hacen es medir la respuesta en frecuencia para una banda de frecuencias superior (generalmente de 12 a 40.000 Hz). En este caso una respuesta en frecuencia óptima debe estar en torno a 3 dB por encima (+ 3 dB) o por abajo (- 3 dB).

Respuesta de fase

Indica la relación en la fase entre las frecuencias medias con respecto a las altas o las bajas. Este desfase (adelantamiento o retraso) en el espectro de audiofrecuencias (20 – 20.000 Hz) no debería ser superior a los 15º, para que no se produzca distorsión o cancelamientos de la señal.

Existen ciertos modelos de amplificador que invierte la fase en toda su banda de paso, lo que puede ocasionar dificultades en su operatividad (sino lo tenemos presente podremos estar cancelando toda la señal).

Ganancia

Es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada de la señal. Se expresa siempre como una relación logarítmica, y la unidad suele ser el dB, esto es, diez veces el logaritmo decimal del cociente entre potencias (si se relaciones tensiones, sería veinte veces en lugar de diez debido a que la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión).

Si la potencia de salida es 40 W (vatios) y la de entrada 20 W, la ganancia es: 3dB. Si la tensión de salida es de 4 V_RMS y la de entrada 2 V_RMS, la ganancia es: 6 dB.

Cuando la ganancia si es menor que 1, hablamos de atenuación.

En lo relativo a amplificadores, como el decibelio siempre expresa una comparación hablaremos de dBW o dBu, lo que nos indicará cual es la referencia.

dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBw.
dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm.
dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 774,6 mV_RMS $\left({\sqrt {\frac {3}{5}}}\right)\,\!$ . 0,775 V_RMS es la tensión aproximada que aplicada a una impedancia de 600 Ω, disipa una potencia de 1mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas.^[1]

En un circuito en el que intervienen varios amplificadores, las ganancias individuales expresadas en decibelios (en cualquiera de sus fórmulas tanto dB, dBw, dBm o dBu) se suman (restan si son negativas y es atenuación).

Sensibilidad

Indica la cantidad de flujo eléctrico necesario de entrada para producir la máxima potencia de salida.

La sensibilidad viene indicada por dBu a una determinada impedancia. El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 V_RMS. (Al hacer referencia a voltios, en muchos manuales, principalmente norteamericanos, en lugar de dBu usan dBV). Así, 774,6 mV_RMS equivaldrán a 0 dBu.

Si se supera el valor especificado por la sensibilidad la señal de salida sufrirá un recorte (tanto por arriba como por abajo), como ocurre en los limitadores, y quedara distorsionada de tal modo que puede causar daño en ciertos equipos como en los tweeter.

Para evitar este gran problema, la mayoría de equipos profesionales cuentan con un control de nivel de la entrada, que nos permite atenuar la señal si resulta excesiva.

Distorsión

La distorsión (distorsión armónica) describe la variación de la forma de onda a la salida del equipo, con respecto a la señal que entró y se debe a que los equipos de audio, no solo los amplificadores, introducen armónicos en la señal.

Las causas de esta distorsión pueden ser múltiples. En el caso de los amplificadores, la más usual es la sobrecarga a la entrada, es decir, sobrepasar la potencia recomendada por el fabricante, lo que produce a la salida un recorte de la señal, queda el sonido "roto".

La distorsión armónica total, debe ser, como máximo de 0,1 % THD(total harmonic distortion) en todo el espectro de frecuencias (las frecuencias altas – agudos, distorsionan más que la bajas – graves).

La distorsión también puede expresarse en dB en relación a una frecuencia. Es lo que se conoce como distorsión por intermodulación de transistores. Para medir esta distorsión lo que se hace calcular la distorsión del amplificador para dos ondas senoidales diferentes (generalmente, 19 y 20 kHz) y ver cuál es la diferencia entre estas señales expresada en dB. Los amplificadores de calidad deben estar en los 70 dB de diferencia en ese tono diferencial de 1 kHz.

Diafonía

La diafonía indica que en un sistema estéreo, un canal de audio, afecta al otro.

La diafonía depende de la frecuencia. Así hablaremos de que la diafonía es soportable cuando este en torno a 50 dB para graves y agudos y 70 dB para los tonos medios.

Para eliminar problemas de diafonía, los amplificadores cuentan con rectificadores, condensadores de filtro. Además, muchos fabricantes introducen fuentes de alimentación independientes para cada canal, lo que resulta muy efectivo.

Tipos de Amplificadores de Potencia

Entre las diferentes tipologías de etapas de potencia encontramos:

Clase A
Clase B
Clase AB
Clase C
Clase D
Clase G
BJT
MOSFET

Amplificador de Clase A (CLASS-A AMPLIFIER)

La corriente de salida circula durante todo el ciclo de la señal de entrada, en un solo transistor. La corriente de polarización del transistor de salida es alta y constante durante todo el proceso, independientemente de si hay o no hay salida de audio. La distorsión introducida es baja a niveles muy bajos de señales (para niveles altos las distorsiones de segundo orden son importantes) , el rendimiento también será bajo, estando siempre por debajo del 50 %, lo que significa que la otra mitad de la corriente amplificada será disipada por el transistor en forma de calor. Los amplificadores de clase A se utilizan solo en etapas preamplificadoras , su bajo rendimiento y su elevado nivel de distorsión armónica no lo hacen aptos para etapas de potencia. La curva de transferencia de un transistor NO ES LINEAL , en un amplificador de este tipo la parte lineal de dicha curva es la limitante al tener que trabajar con señales altas , en un amplificador clase B o AB en configuración push pull la señal eléctrica se amplifica en semiciclos separados aumentando así la capacidad lineal de transferencia (menor distorsiones , distorsiones de segundo orden casi nulas) y mayor eficiencia

Amplificador clase B (CLASS-B AMPLIFIER)

Durante un semiciclo la corriente circula y es amplificada por un transistor, y durante otro semiciclo circula y es amplificada por otro transistor, lo cual permite un descanso de un semiciclo a cada transistor y uno de trabajo y disipación de potencia. Además, no circula corriente a través de los transistores de salida cuando no hay señal de audio.

El problema es que ocurre la llamada "distorsión por cruce", ya que cuando en el primer semiciclo la tensión de la señal cae por debajo de los 0.6 V (tensión aproximada de polarización de juntura base-emisor de un BJT), se despolariza el BJT y deja de amplificar lo cual también ocurre cuando en el otro semiciclo, la tensión no llega todavía a los 0.6 V. En resumen, en el caso de una senoidal, tendríamos 1.2 V no amplificados, aunque ésta no es la mejor forma de definirlo.

Amplificador de Clase AB (CLASS-AB AMPLIFIER)

Mismo caso que el amplificador B solo que existe una pequeña corriente que circula por los 2 transistores constantemente, que los polariza reduciendo enormemente la llamada "distorsion por cruce". Como en los amplificadores de clase A, hay una corriente de polarización constante, pero relativamente baja, evitando la distorsión de cruce (de ahí su nombre: AB). En el caso de amplificadores de sonido son los más usados llegando a distorsiones menores del 0.01 % (THD=0.01%)

Amplificador de clase C (CLASS-C AMPLIFIER)

La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo de la señal de entrada. Y luego se complementa la salida con un circuito compuesto de condensadores y bobinas (circuito tanque).

La clase C trabaja para una banda de frecuencias estrecha y resulta muy apropiado en equipos de radiofrecuencia. Esto es debido al fenómeno de resonancia el cual se genera a la salida del amplificador cuando es sintonizado (la impedancia capacitiva e inductiva se cancelan a una frecuencia previamente calculada), aunque no trabaja arriba de 180 grados de ciclo, este amplificador a la salida genera una señal de ciclo completo de señal para la frecuencia fundamental.

No se utiliza en sonido, por su gran nivel de distorsión y porque su operación no está destinada para amplificadores de gran señal o gran potencia. Por último, su rendimiento teórico es del 100%.

Amplificador de clase D (CLASS-D AMPLIFIER)

Esta clase de operación modula la señal de entrada para poder usarla en forma de saturación y corte. El uso de técnicas de modulación hace posible obtener una señal que varía a lo largo del ciclo completo para producir la salida a partir de muchas partes de la señal de entrada. entre los dos tipos de modulación que se usan es la AD y la BD, en la modulacion AD se usa o bien PWM con frecuencia fija o se usa modulación sigma-delta, que también se conoce como self-oscillating (auto oscilado), en modulación BD se usa siempre PWM con frecuencia fija pero es posible hacerlo funcionar auto oscilado, pero es un poco complejo. La principal ventaja de la operación en clase D es que los transistores MOSFET de salida trabajan solo en corte y saturación por lo que teóricamente no se disipa potencia en forma de calor y la eficiencia general puede ser muy alta, de entre 85 % a 99 % un valor medio es del 97 %. En la práctica los MOSFETS solo disipan potencia cuando se encuentran conduciendo (saturación) debido a la pequeña resistencia de encendido que poseen, llamada Rdson, de todas maneras esta potencia es despreciable ya que Rdson es del orden de los miliohmios. Además disipan potencias en las transiciones de conducción a no conducción (corte-saturación), este efecto solo se hace notable cuando los tiempos de subida y bajada son comparables a los tiempos de corte y conducción, es decir a considerables altas frecuencias.

Se utilizan transistores MOSFET ya que son los únicos capaces de conmutar a las elevadas frecuencias de trabajo, del orden de los kHz llegando a los MHz en algunos casos.

hoy día, y hace unos cuantos años, los amplificadores clase d son de rango completo a diferencia de la creencia popular que dice que los amplificadores clase d son únicamente para frecuencias bajas o que solo llegan a 10k Hz,

Amplificadores de Clase G

(De las clase E y F ya no fabrican modelos comerciales).

Incorporan varias líneas de tensión que se activan de forma progresiva a medida que el voltaje de entrada aumenta con el fin de lograr mayor eficiencia.

Estos equipos dan una potencia de salida mejor a la de los amplificadores de clase A-B, pero con un menor tamaño.

Transistor BJT

BJT son las siglas de Bipolar Junction Transistor. Es el primer transistor que se fabricó en los inicios de la electrónica de estado sólido. Existen de 2 tipos: NPN o PNP, según su construcción.

Transistor MOSFET

MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Se trata de un tipo de transistores aparecidos en la década de 1980 que como su nombre indica crean un efecto de campo gracias a la unión de un semiconductor formado por la pareja metal-óxido.

Desde su aparición son muy usados, porque aseguran una distorsión más baja, al controlar el desprendimiento térmico que se produce durante el procesado de la señal.

Referencias

Units of Measurement: Levels in dB

Amek (link roto)

Véase también

Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Etapa de potencia.
Etapas de salida Audiophoolery

Las diez mayores mentiras en audio (inglés).
Audiophoolery (inglés).
Etapas de potencia en el mundo del automóvil.
The Truth About Interconnects and Cables La verdad sobre los cables e interconexiones (inglés).

Bibliografía

RUMSEY, Francis & McCORMICK, Tim. Sonido y grabación. Introducción las técnicas sonoras. IORTV. 2004 (2ª edición).

Datos: Q109311259

[1] Amek (link roto)

[1]