Download Amplificadores de Potencia

AMPLIFICADORES DE POTENCIA:
El amplificador de potencia de audio es un procesador de señal cuya función es , como lo dice su
nombre, incrementar la potencia de una señal de audio.
En los sistemas de sonido es el último componente activo de la cadena de audio, justo antes de los
parlantes.
Los amplificadores diseñados para uso profesional generalmente son simples en apariencia con
respecto a muchos amplificadores “hi-fi”. Además de una entrada de nivel de línea y una salida de
alto nivel para la conexión de parlantes, tienen el switch de encendido, el control de sensibilidad de
entrada (volume), y ocasionalmente medidores.
En pequeños sistemas de sonido portables, el amplificador de potencia puede encontrarse integrado
a la consola de mezcla. Este tipo de dispositivos son llamados consolas potenciadas.
Ley de Ohm
Para una completa comprensión de la función y la aplicación del amplificador de potencia es
necesario entender la potencia eléctrica y su relación con el voltaje, la corriente, y la resistencia o
impedancia.
Estas relaciones están establecidas por la Ley de Ohm.
Voltaje, resistencia y corriente:
Considere el siguiente circuito. Una tensión de corriente contínua E suministrada por la fuente S ,
una batería, es aplicada a una resistencia de carga R. Este circuito permite circular una corriente I
representada por la flecha en el diagrama.
La relación entre voltaje, resistencia y corriente del circuito está definida por la ley de Ohm.
I = E/R
I= corriente en amperes
E= tensión en voltios
R= resistencia en ohmios
Supongamos que el voltaje es de 1V y la resistencia 100 ohmios. Usando la ley de Ohm podemos
calcular facilmente la corriente en la carga.
I = 1/100 = ,01 amperes = 10 miliamperes
Conociendo 2 valores cualquiera de los 3, podemos calcular el otro:
I = E/R
R = E/I E = I * R
En circuitos de corriente alterna, la compleja cantidad de impedancia sustituye a la resistencia. La
impedancia está definida como la oposición total al flujo de corriente alterna, incluyendo tanto la
resistencia de corriente contínua como la reactancia, la cual es dependiente de la frecuencia.
El símbolo de la impedancia es Z y como la resistencia se mide en ohmios.
I = E/Z Z = E/I E = I * Z
Por ejemplo, en la siguiente figura un voltaje E rms de corriente alterna, de una fuente S es aplicada
a una impedancia de carga Z. La corriente I fluye a través de la carga. Note que la dirección de la
corriente alterna con el voltaje. Supongamos que el voltaje es de 1 voltio rms , y la impedancia 100
ohmios.
I rms = 1 voltio RMS / 100 ohmios = ,01 amperes = 10 miliamperes
Potencia eléctrica:
La potencia eléctrica es la energía usada para hacer el trabajo cuando una corriente eléctrica fluye a
través de una resistencia o una impedancia de carga. La ecuación para la potencia es:
P=E*I
donde P es potencia en watts o vatios.
En relación a la fórmula anterior podemos reescribir ésta como:
P = E² / R (o Z)
P = I² * R (o Z)
Considerando los circuitos anteriores , sabiendo voltaje y resistencia o impedancia , podemos
calcular la potencia disipada.
P = E² / R = (1 voltio) ² / 100 ohmios = ,01 watts = 10 miliwatts
Calcular la potencia disipada en el siguiente circuito:
Potencia eléctrica y amplificador de ganancia
La siguiente figura muestra una representación simbólica de una típica conexión de audio entre una
fuente de señal , amplificador de potencia y parlantes:
E1 = 1 volt RMS
Z1 = 10 kΩ
P = E1 ² / Z= ,0001 watts
ndbm = 10 log ( P1 / 1 mwatt)
= -10 dbm
Supongamos que la ganancia de voltaje es unitaria y la impedancia de carga 8 Ω
E1 = E2
Z2 = 8 Ω
P = E2 ² / Z = 0,125 watts
ndbm = 10 log (.125 watts / 1 mwatt) = 20,9 dbm
Power gain = Pout in dB – Pin dB
21dBm - (-10dBm) = 31 dB
Potencia de los amplificadores:
La potencia de un amplificador establece la potencia que el amplificador va a entregar a una carga
especificada, a un nivel de distorsión especificado, y sobre un especificado rango de frecuencias.
Por ejemplo, la especificación de potencia de un amplificador profesional podría leerse de la
siguiente manera:
Note que desde que indica una carga de 4 ohmios podemos asumir que el equipo puede manejar de
forma segura cargas de 4 Ω como mínimo. Además, la potencia con una carga de 4 Ω es un poco
menos del doble que con una carga de 8Ω. Ésto es típico e indica un limitador de corriente de
protección, probablemente debido a una limitación en la fuente de alimentación o una restricción de
calentamiento de algún componente.
Las especificaciones de potencia de salida deben leerse cuidadosamente para evitar una mala
interpretación. Por ejemplo, algunos fabricantes proveen menos información que en el ejemplo
anterior.
Si los valores de distorsión, ancho de banda e impedancia de carga no son dados, la verdadera
performance del amplificador no podrá ser adecuadamente predecida.
Power bandwidth (ancho de banda de potencia):
El ancho de banda de potencia de un amplificador define el rango de frecuencias en el cual el
amplificador va a producir al menos la mitad de la potencia antes de clippear.
Note que aunque esta figura se parece a un gráfico de respuesta en frecuencia, no representa la
respuesta en frecuencia del amplificador, lo que muestra es la máxima potencia de salida graficado
contra la frecuencia.
Slew rate (velocidad de respuesta):
El slew rate, o velocidad de respuesta es una medida de la habilidad del amplificador para responder
a los cambios rápidos en la señal de voltaje.
Supongamos un cambio instantáneo en la señal de entrada del amplificador como muestra la figura
A:
El amplificador intentará replicar la señal de entrada a su salida lo mas exactamente posible pero
debido a limitaciones de velocidad del circuito analógico, el cambio de voltaje de salida del
amplificador ocurrirá un poco mas lento que en la entrada como se muestra en la figura B.
A esta pendiente se la llama Slew rate, o velocidad de respuesta, y se la especifica en voltios por
microsegundos.
El slew rate del amplificador afecta directamente a los transitorios y formas de onda complejas del
programa musical y es una especificación importante ya que los transitorios ocurren en los picos
donde la demanda de potencia es mayor.
Modo Bridge:
La especificación de potencia de un amplificador profesional a menudo hace mención a la
operación en mono, como a continuación:
Ésta especificación en mono se refiere a la capacidad del amplificador trabajando en modo bridged
(puenteado). Normalmente se selecciona el modo Mono Bridge desde el panel posterior de la
unidad y requiere una conexión especial.
Cuando un amplificador está puenteado, ambos amplificadores son alimentados por la misma señal
(normalmente por la entrada del canal 1 o el izquierdo) , pero la polaridad de uno de los dos canales
(normalmente el 2 o derecho) es invertida. Ambos canales del amplificador procesan la misma
señal. De esta manera el amplificador se convierte en una unidad de un solo canal.
Un amplificador en modo Bridge se conecta como muestra la figura siguiente. Note que la carga se
conecta a los polos positivos de los 2 canales. La terminal del canal Izquierdo o canal 1 es la
terminal positiva, y la del canal derecho o 2 es la negativa.
Note que la especificación anteriormente mencionada indica potencia para 8 ohmios únicamente.
Ésto es porque la impedancia mínima en modo Bridge es típicamente el doble de la impedancia de
carga de un solo canal. Ya que el voltaje es el doble la potencia es cuadruplicada (la potencia es
proporcional al cuadrado del voltaje)
El efecto del clippeo
Cuando a un amplificador se le pide que produzca niveles que exceden el límite de su diseño ocurre
el clippeo.
El clippeo tiene dos efectos básicos . Obviamente incrementa enormemente la distorsión generando
componentes de alta frecuencia decreciendo la calidad de sonido y poniendo en peligro a los drivers
de alta frecuencia, particularmente a los de sistemas de crossover pasivos. Pero aún mas importante
incrementa dramáticamente el promedio de potencia aplicado a la carga, la cual puede sobrecalentar
las bobinas de los drivers.
La forma de onda de la figura A es una sinusoide, la cual su poder de calentamiento es proporcional
a su voltaje RMS. Un clippeo severo como el de la figura C se parece mas a una forma de onda
cuadrada y tiene el mismo efecto que el de incrementear 3 dB el voltaje o duplicar la potencia.
Cuando un amplificador es llevado a clippeos de ese tipo la potencia aplicada a la carga es en
consecuencia el doble. Por ejemplo, cuando un amplificador de 200 Watts con una carga de 8 ohms
es llevado a clippear, el parlante ve una potencia de 400 Watts en los picos de la señal.
La relación entre potencia del amplificador y presión sonora:
El factor que relaciona la potencia del amplificador con el nivel de presión sonora para un altavoz
dado es el grado de sensibilidad de dicho altavoz.
Salvo que está expresado de otra manera, la sensibilidad se especifica en dB SPL a 1 Watt a 1 metro
de distancia en eje.
Consideremos un altavoz cuya sensibilidad fuese 93dB SPL (1 W, 1 m), y una aguante de potencia
de 100 Watts contínuos, 400 Watts de pico.
Para hayar el nivel máximo de SPL en continua y en picos de este altavoz necesitamos hayar el
incremento, en dBs, entre 100 y 400 Watts de potencia máxima y 1 Watt cuya sensibilidad es
especificada. Una vez hayada esta relación será muy fácil hayar la máxima presión sonora.
Para hayar el máximo SPL en contínua:
ndB = 10 * log (P1 / P2)
= 10 * log (100 Watts / 1 Watt)
= 10 * log 100
= 10 * 2
= 20 dB
O sea el máximo SPL a un metro de distancia en contínua de este altavoz es de 93dB + 20 dB = 113
dB SPL.
Para hayar el valor de pico:
ndB = 10 * log (P1 / P2)
= 10 * log (400 Watts / 1 Watt)
= 10 * log 400
= 10 * 2,6
= 26 dB
El máximo SPL a un metro de distancia en picos de este altavoz es de 93dB + 26 dB = 119 dB SPL.
Si un altavoz es 3dB mas sensible que otro, el menos sensible requerirá el doble de potencia para
generar la misma cantidad de presión sonora que el altavoz mas sensible.
Supongamos que decidimos alimentar el altavoz descrito anteriormente con un amplificador de
potencia de 50 Watts contínuos. Calculemos la presión máxima en contínua y en picos:
ndB = 10 * log (P1 / P2)
= 10 * log (50 Watts / 1 Watt)
= 10 * log 50
= 10 * 1,7
= 17 dB
93 dB + 17 dB = 110 dB SPL
Para hayar el valor de pico asumimos que el amplificador va a clippear y por ende va a tener el
doble de potencia.
ndB = 10 * log (P1 / P2)
= 10 * log (100 Watts / 1 Watt)
= 10 * log 100
= 10 * 2
= 20 dB
93 dB + 20 dB = 113 dB SPL
Eligiendo el amplificador para el sistema de altavoces
Cuando elejimos un amplificador para uns sistema de parlantes debemos considerar una serie de
factores.
A menos que el sistema vaya a ser usado solo a bajos niveles, es importante que la potencia del
amplificador no sea demasiado baja.
De otra manera no podremos utilizar la capacidad total de SPL de los parlantes.
Un amplificador con una pequeña capacidad de potencia puede dañar los parlantes mas que uno con
mayor capacidad. Ya que existe mayor probabilidad de clippeo en el pequeño, produciendo
armónicos y sobrecalentando las bobinas de los drivers de alta frecuencia.
Por otro lado es imprudente, especialmente en aplicaciones profesionales, elegir un amplificador
demasiado grande para lo que puede manejar el sistema de altavoces porque sería muy fácil destruir
los parlantes térmicamente (por exceso de potencia) o mecánicamente (por exceso de excursión).
Interpretando el aguante de potencia de los altavoces:
Ejemplo:
¿Qué tipo de amplificador debo usar con este altavoz?
Para responder esta pregunta debemos saber qué significa cada una de estas líneas.
Potencia contínua se refiere al nivel promedio de potencia a largo plazo que el parlante va a
soportar, usualmente medido con señal sinusoidal. Programa se refiere a una medición con una
señal mas parecida al mundo real. El valor de pico corresponde a mediciones hechas con picos de
corta duración.
Lo ideal para este parlante sería una potencia de alrededor de 220 Watts por canal, ya que permite el
máximo de potencia sin distorisión para los pasajes fuertes de la música, sin sobrepasar los valores
máximos de pico del parlante.
Si el parlante no considera valor de programa y dice, 200W continous 400W peak, debería elegir un
amplificador de 200 Watts aproximadamente, en cambio si dice 100W continous y 400 W peak,
debería elegir uno de 200W también.