AMPLIFICADOR

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PARTES PREAMPLIFICADOR DRIVER ETAPA DE POTENCIA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO El cometido del amplificador de potencia es el de elevar la tensión, y convertir los niveles de entrada de micrófono y de línea, que oscilan entre milivoltios y unos pocos voltios, en tensiones de decenas de voltios. La estructura global de un amplificador integrado consta de cuatro etapas o fases:

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO 1. Preamplificador o previo - Recoge la señal de la fuente y adapta su impedancia de salida con la impedancia de entrada del amplificador, para conseguir la máxima transferencia de tensión. Este voltaje puede regularse con un potenciómetro de ganancia (control de entrada). Permite elegir la fuente y adaptar la sensibilidad de entrada para proporcionar la señal en óptimas condiciones (selector de fuente y control de tonos). Cada fuente de sonido requiere un previo específico: PHONO (tocadiscos), TAPE (reproductor de casete), CD, AUX (equipos auxiliares) o MIC (micrófono). 2. Driver o excitador - Es un amplificador de tensión, que eleva el voltaje de la señal recibida del preamplificador, y la entrega a la etapa de potencia.

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PREAMPLIFICADOR

Control de tonos

Control de micros

Interruptor Control de nivel

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Preamplificador para alta fidelidad

Preamplificador para Public Address

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Preamplificador para Public Address

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO 3. Etapa de potencia o de salida - Por su importancia, da nombre a todo el conjunto. La etapa es la encargada de dotar de potencia a la señal. Su corazón lo constituye un componente activo rodeado de un disipador de calor. Los componentes activos más utilizados son la válvula y el transistor de efecto de campo (MOSFET).Como componentes activos, ambos necesitan alimentación. La señal que recibe la etapa tiene mucho voltaje, pero muy poca intensidad. La etapa proporciona varios amperios de intensidad de corriente eléctrica a la señal, pero apenas aumenta el voltaje que traía del driver. 9

ETAPA DE POTENCIA Una diferencia importante entre la válvula y el transistor está en la forma de recortar la señal. Conforme la válvula se acerca al máximo de amplificación, su capacidad de reacción va disminuyendo suavemente. Sin embargo, el transistor produce un recorte drástico con armónicos aleatorios.

AMPLIFICADOR A VÁLVULAS

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ETAPA DE POTENCIA

DOS ETAPAS DE POTENCIA A TRANSISTORES CON SUS RESPECTIVOS DRIVERS 11

ETAPA DE POTENCIA

Disipador de calor Transistor de potencia Terminal negativo

Terminales de volumen que vienen de un previo aparte

Terminal positivo

Terminales de agudos y bajos que vienen de un previo aparte

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO 4. Fuente de alimentación - Adapta la corriente de la red eléctrica general para que pueda ser usada por las distintas partes del amplificador. Se compone de un transformador, que reduce el voltaje, y un rectificador de corriente, que la convierte de alterna a continua.

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO 5. Protecciones - Puede ser desde el típico fusible hasta dispositivos activos de control de potencia.
Protección electrónica frente al cortocircuito y el circuito abierto.
Protección térmica con disipador de calor para el transistor de salida.
Protección contra tensión continua.
Protección contra sobrecarga.
Protección contra transitorio de encendido. Además, suelen incorporar una luz de aviso de protección activada y otra de clipping, que se enciende en los picos de señal cuando la etapa de potencia está empezando a saturarse y corre peligro de avería o de que salte alguna protección. 14

PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO

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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO

Control de entrada

Control de tonos

Driver

Etapa de potencia: Módulos de Transistores y preamplificación disipador de calor

Fuente de alimentación

Transformador de salida

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TIPOS AMPLIFICADOR INTEGRADO ETAPA DE POTENCIA AMPLIFICADOR

MONOAURAL ESTÉREO MULTICANAL

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AMPLIFICADOR INTEGRADO Y ETAPA DE POTENCIA A diferencia de los amplificadores integrados de los equipos domésticos y de megafonía, en sonido profesional se utilizan etapas de potencia solas, que carecen de ciertos elementos, como el preamplificador (control de entrada, selector de previos y control de tonos), puesto que la señal ya ha pasado por los previos de la mesa de mezclas. La típica etapa de potencia tiene una fuente de alimentación, el driver, una tecla de encendido, un control de nivel y algún dispositivo que indique el estado de trabajo instantáneo (leds o medidores de aguja).

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VU Meter Control de nivel

Indicadores de clipping

Interruptor

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AMPLIFICADOR MONOAURAL Y ESTÉREO El amplificador monoaural consta de una sola etapa de potencia, y es típico en instalaciones de megafonía Public Address (PA). El amplificador estéreo, tan común en equipos domésticos de alta fidelidad, tiene que duplicar la entrada, el driver y la etapa de potencia, compartiendo la fuente de alimentación. El inconveniente del amplificador estéreo está en que si falla éste, nos quedamos sin los dos canales. Por eso, en aplicaciones estéreo de sonido profesional, se puede separar cada canal mediante dos etapas monoaurales independientes. También encontramos amplificadores para sistemas estéreo multicanal o de sonido envolvente (surround sound). 21

AMPLIFICADOR MONOAURAL

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AMPLIFICADOR MONOAURAL

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AMPLIFICADOR ESTÉREO Los equipos de alta fidelidad de ámbito doméstico trabajan con amplificación estéreo, es decir, con dos etapas de potencia. En este caso, cada altavoz se conecta en paralelo a un amplificador. Como cada etapa del amplificador se conecta en paralelo por separado a su altavoz, aunque falle la conexión de un altavoz, el otro sigue funcionando. En este caso, sólo hemos de preocuparnos de que la impedancia de entrada del altavoz coincida con la que marca el amplificador, que suele ser de 3, 4, 6, 8, 10, 12 ó 16 ohmios.

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AMPLIFICADOR ESTÉREO

Impedancia de entrada de los altavoces de 6 ohmios como mínimo 25

AMPLIFICADOR MULTICANAL

El amplificador tiene 6 etapas de potencia y comparte la fuente de alimentación

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CARACTERÍSTICAS POTENCIA DE SALIDA SENSIBILIDAD DE ENTRADA RESPUESTA EN FRECUENCIA IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO RELACIÓN SEÑAL / RUIDO DISTORSIÓN 27

POTENCIA DE SALIDA La potencia nominal, coloquialmente llamada RMS, se refiere a la máxima potencia media continua que puede proporcionar el amplificador sobre una determinada carga (normalmente 8 ohmios). En el caso de amplificadores estéreo, se toman los dos canales alimentados. Por ejemplo, una potencia de 200 vatios sobre una carga de 8 ohmios significa que el amplificador puede entregar 40 voltios sobre esta carga. Calcúlalo y averigua también la corriente que circulará.

V2 V2 P= ⇒ 200 = ⇒ V 2 = 1600 ⇒ V = 40 voltios 8 Z

40 V I= ⇒I= ⇒ I = 5 amperios Z 8 28

POTENCIA DE SALIDA Si la carga se reduce a 4 ohmios, es decir, que el amplificador excita la mitad de impedancia, teóricamente debería doblar su potencia nominal de salida. Calcúlalo.

V2 402 P= ⇒P= ⇒ P = 400 W Z 4 Sin embargo, en la práctica, nunca se alcanza el doble de potencia nominal. Además, 4 ohmios es un castigo para el amplificador, y todavía lo es más 2 ohmios, aunque pueda producir picos de 800 vatios.

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POTENCIA DE SALIDA Además, una potencia de 400 vatios sólo representa 3 dB SPL que una de 200 vatios. Subjetivamente, se necesita 10 veces más potencia, es decir, 2000 vatios, para que nuestro oído perciba el doble de sonoridad. La potencia nominal de salida RMS (Root Mean Square) define la potencia continua entregada por el amplificador sin causar distorsión. La potencia musical o de pico PMPO (Peak Music Power Output) hace referencia a la máxima potencia que puede entregar el amplificador en cortos instantes de tiempo.

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO ESTÉREO

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE Si queremos utilizar las dos etapas de un amplificador estéreo como un solo canal monoaural más potente, debemos colocarlo en modo puente (en inglés, bridged). Este modo consiste en enviar la señal a uno de los canales de entrada y utilizar las dos etapas de salida del amplificador. Mediante un conmutador, activaremos el modo puente, que invertirá la polaridad de una de las salidas. Por último, conectaremos los dos terminales positivos de salida de ambos canales a la caja de altavoces. Para controlar el nuevo canal monoaural, utilizaremos el potenciómetro de uno de los dos canales, quedando el otro anulado. 32

POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE Un amplificador en modo puente ve una impedancia que es la mitad que la impedancia del altavoz. Es decir, que si el altavoz es de 8 ohmios, el amplificador verá 4 ohmios. El amplificador intentará entregar entre tres y cuatro veces más potencia que en modo estéreo por canal, por lo que se requiere que la impedancia mínima del amplificador en modo puente sea el doble que la del modo estéreo. Por ejemplo, un amplificador de 1000 W por canal a 8 ohmios, si lo conectamos a una única carga de 8 ohmios en modo puente, intentará entregar entre 3000 y 4000 W de potencia, rompiendo el amplificador. Por eso, el fabricante especificará que se utilice una carga de 16 ohmios en modo puente.

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE En esta etapa de potencia, se utiliza el potenciómetro del canal izquierdo para regular el volumen en modo puente.

CONMUTADOR PARA MODO PUENTE

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE

8 ohmios

8 ohmios

16 ohmios Terminales positivos utilizados en modo puente Se requiere que la impedancia mínima del amplificador en modo puente sea el doble que la del modo estéreo 36

POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE ETAPA DE POTENCIA SAMSON S1000

4-8 ohmios

4-8 ohmios

8-16 ohmios

TERMINALES POSITIVOS UTILIZADOS EN MODO PUENTE 37

POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE ETAPA DE POTENCIA T.AMP PROLINE 2700

TERMINAL SPEAKON UTILIZADO PARA EL MODO PUENTE 38

POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE

En modo puente, el amplificador entrega 700 W de potencia, correspondiente a la suma de potencias de los dos canales, pero con una carga de 8 ohmios, y no de 4 ohmios.

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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PARALELO Al colocar un amplificador estéreo en modo paralelo, sólo utilizamos un canal de entrada, pero enviamos su señal tanto a la salida de la etapa derecha como a la de la izquierda. De esta manera, conseguimos una salida dual mono.

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RESPUESTA EN FRECUENCIA Indica los límites dentro de los cuales el amplificador responde de igual forma a todas las frecuencias cuando entrega una potencia de 1 vatio sobre 8 ohmios. Por ejemplo, una respuesta de 20 Hz a 20 kHz ± 0,5 dB es prácticamente plana en todo el espectro audible.

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SENSIBILIDAD DE ENTRADA La sensibilidad del amplificador indica cuánto voltaje de entrada se necesita para producir toda la potencia nominal de salida. Así, una sensibilidad de entrada de 0 dBu (775 mV) con un amplificador de 150 vatios sobre 8 ohmios, significa que un voltaje de entrada de 775 mV hará que el amplificador produzca 150 vatios al conectarle un altavoz de 8 ohmios. Si el equipo que excita el amplificador entrega un voltaje mayor, sobrecargará el amplificador, produciendo recortes y distorsión por sobremodulación en la salida. Por ejemplo, si entregamos 2 voltios a una entrada de 0 dBu (775 mV), calcula cuántos dBu marcará el indicador del nivel de entrada.

2 20 ⋅ log10 ⇒ 8,2 dBu 0,775 42

IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA La impedancia de entrada del amplificador debe ser mucho mayor que la impedancia de salida de la fuente que le conectemos, para que se produzca la máxima transferencia de tensión. Oscila entre los 1000 Ω (para micrófonos de baja impedancia) y los 200.000 Ω (para fuentes auxiliares, con niveles de línea). La impedancia de salida que especifica el fabricante corresponde a la mínima impedancia que debe tener la carga (altavoz) para que el amplificador entregue toda su potencia nominal. Oscila entre 4 y 16 ohmios. 43

Sin embargo, hay que saber que la impedancia de salida del amplificador no es la que marca el fabricante para la carga, sino mucho menor. El amplificador ideal debería tener 0 ohmios de impedancia de salida.

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO El factor de amortiguamiento, también llamado damping factor, se relaciona con la capacidad del amplificador de controlar el altavoz de bajas frecuencias, ya que para mover un cono de graves, hace falta mucha tensión. Si el amplificador tiene a su salida un valor de damping bajo, el altavoz de graves seguirá moviéndose por inercia después de haber cesado la señal. En cuanto a pérdidas de potencia, el factor de amortiguamiento afecta a todas las frecuencias.

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO El factor de amortiguamiento se define como la relación entre la impedancia nominal del altavoz (impedancia de la carga) y la impedancia interna de salida del amplificador. Factor de amortiguamiento =

Impedancia nominal del altavoz Impedancia interna del amplificador

Los fabricantes suelen dar el damping factor para una carga de 8 ohmios a 1 kHz. Se recomienda un factor mínimo de 50, aunque los amplificadores exhiben entre 200 y 600. Así, un factor de 200 para una carga de 8 ohmios, significa que la salida de la etapa consume 1/200 de la potencia total, o sea, que de cada 200 vatios, un vatio se consume en la salida. Conociendo estos valores, se puede calcular que la impedancia interna de salida del amplificador a 1 kHz es de 8 / 200 = 0,04 ohmios. 46

FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO Una impedancia interna de salida muy baja, que cortocircuite virtualmente los terminales del altavoz, aumentará el factor de amortiguamiento. Por eso, la impedancia interna del amplificador no debería superar los 0,1 ohmios, correspondientes a un factor de 80 para un altavoz de 8 ohmios. Por otra parte, cuanto menor sea la impedancia del altavoz, peor será el factor de amortiguamiento. En el ejemplo anterior, un factor de 200 para una carga de 8 ohmios pasa a 100 para 4 ohmios.

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO EJERCICIO 1 Calcula la impedancia interna de un amplificador, sabiendo que tiene un factor de amortiguamiento de 400 sobre 8 ohmios.

400 =

8 Impedancia interna del amplificador

Impedancia interna del amplificador =

8 = 0,02 ohmios 400

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO La medida teórica que realiza el fabricante no incluye la impedancia que añade el cable. Como entre el altavoz y la salida de la etapa hay cable, la impedancia de éste ha de añadirse a la impedancia interna de la etapa para obtener el nuevo valor del factor de amortiguamiento. FA total =

Impedancia nominal del altavoz Impedancia interna del amplificador + Impedancia del cable

Un cable malo opone una alta resistencia, que se multiplica por los metros de cable, haciendo que disminuya el factor de amortiguamiento, y que a la carga le llegue menos potencia.

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En el mercado, se utilizan cifras redondeadas: • • •

El calibre del cable AWG 16 equivale a 1,5 mm2. El AWG 14 corresponde a una sección de 2 mm2. El AWG 13 corresponde a una sección de 2,5 mm2.

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO EJERCICIO 2 Partiendo del EJERCICIO 1, calcula el factor de amortiguamiento total, si conectamos el altavoz de 8 ohmios con 20 metros de cable del calibre 14 (2,08 mm2).

FA total =

8 ⇒ FA total = 22,86 0,02 + 0,33

Para instalaciones de calidad, el FA resultante no debería bajar de 25-50.

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De hecho, para 20 metros, deberíamos haber utilizado un cable del calibre 12.

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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO Ahora, el factor de amortiguamiento es aproximadamente de 23, lo que significa que la salida de la etapa y el cable consumen 1/23 de la potencia total. Sabiendo que de cada 23 partes de potencia, una se consume antes de llegar a la carga, calcula cuánta potencia le llegará al altavoz en este caso si la etapa le ataca con 50 vatios.

1 de 50 W = 2,17 W 23

50-2 ,17 = 47,83 W 55

RELACIÓN SEÑAL / RUIDO Es una medida del ruido residual de salida. Se expresa como el logaritmo del cociente entre el máximo voltaje de salida y el ruido de fondo. Se indica en dB.

S Relación S/R = 20 ⋅ log10 R Es conveniente que esté por encima de los 100 dB.

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RELACIÓN SEÑAL / RUIDO Calcula la relación señal ruido de un amplificador, sabiendo que el voltaje de la señal de salida es 500.000 veces mayor que el voltaje del ruido.

Relación S/R = 20 ⋅ log10 500.000

Relación S/R = 20 ⋅ 5,7 = 114 dB

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DISTORSIÓN Es la aparición de una señal en el sonido que no existía en la entrada. Distorsión armónica total (THD) - Es la suma de las contribuciones de todas las frecuencias, múltiplos de la fundamental o de los armónicos de la señal de entrada, generados a la salida del amplificador. Se expresa como un porcentaje de la señal de salida, y no debería sobrepasar el 0,1% en toda la banda audible. Distorsión por intermodulación - Se origina cuando dos o más señales llegan simultáneamente e interfieren para formar una combinación de frecuencias iguales a la suma o resta de las fundamentales y armónicos de las señales de entrada. Distorsión por sobremodulación - Se origina cuando el amplificador recibe un nivel de entrada mayor que el que puede controlar, produciendo recortes. 58

DISTORSIÓN Distorsión por tiempo de respuesta a transitorios - El slew rate, o velocidad de respuesta, indica la rapidez con la que la etapa puede variar la tensión a la salida. Las unidades de esta medida son voltios por unidad de tiempo (V/s), que se suele expresar en V/µs (voltios por microsegundo). Esta medida nos dice cuántos voltios puede aumentar la tensión de salida en un microsegundo. Se recomienda un slew rate mínimo de 30 voltios por microsegundo en etapas de más de 200 vatios. Cuando el equipo tiene un slew rate insuficiente y no puede seguir las variaciones grandes de señal, se produce el efecto de triangulación, es decir, deformaciones y distorsiones en la señal, sobre todo trabajando a alta potencia, ya que es ahí donde se le exigen grandes variaciones de la tensión de salida.. 59

DISTORSIÓN En la figura, se muestra en amarillo la forma de onda que debería presentar el amplificador de potencia a la salida. En rojo, vemos la forma de onda que muestra al estar limitado el valor del slew rate y no poder seguir esa onda. El problema se hace más palpable en las grandes excursiones de tensión (al principio de la forma de onda). El amplificador eleva la tensión de salida lo más rápido que puede (20 V/µs), pero no es suficiente para seguir la forma de onda. En el caso extremo, describe una forma de onda triangular.

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