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9.1-Definición y elementos.

9.2-Características.

9.3-Tipos de etapa.

9.4-Conexión.

 

9.1- DEFINICIÓN Y ELEMENTOS.

 

La etapa de potencia es la encargada de suministrar la potencia a los altavoces al ritmo de la señal de entrada. Los altavoces transforman la potencia eléctrica en potencia acústica. Se habla de etapa de potencia, o amplificador de potencia, en el ámbito del audio profesional, fuera de éste, se habla de amplificador. Un amplificador doméstico y una etapa de potencia tienen como principal tarea la misma: amplificar la señal, si bien tienen diferencias importantes. La señal eléctrica a la salida de la etapa de potencia tiene igual forma de onda que a la entrada, pero varían las magnitudes. En lugar de tensiones de decenas de milivoltios (mV), alimenta a los altavoces con tensiones de decenas de voltios (V) y corrientes de varios amperios (A). La señal de línea que entra al amplificador se mide en milivatios, es decir, tiene una potencia más de 1000 veces menor que la que tendrá a la salida. El producto del voltaje por la intensidad de corriente, es la potencia (P) en vatios (W), I · V = P. Toda esta tensión y corriente que se empleará en mover los altavoces, sale de la fuente de alimentación interna que a su vez la toma de la red eléctrica general.

Señal a la entrada (izda.) y a la salida (dcha.) de una etapa de potencia en relación a su amplitud en voltios.

La figura de arriba representa cómo la etapa aumenta la tensión (V) de la señal sin perturbar la forma de onda, además suministra gran cantidad de corriente (I).

La principal característica que define a una etapa de potencia es la potencia que puede entregar a la salida, que es mayor que la que puede entregar un amplificador doméstico. Por contra, la calidad o fidelidad de sondo que da una etapa de potencia profesional, es menor que la de un amplificador doméstico HI-FI (se amplía en 9.2 características).

Las etapas de potencia no tienen ciertos elementos típicos de los amplificadores como son los previos, selector de previos o controles de tono. La típica etapa de potencia tendrá una tecla de encendido, un par de controles de nivel por ser estéreo y algún dispositivo que indique el estado de trabajo instantáneo: bien leds (lucecitas) o bien medidores de aguja (uno por canal).

La estructura global de una etapa de potencia es la siguiente:

Por amplificador o etapa de potencia se entiende todo el conjunto exceptuando el altavoz de la derecha.

Control de entrada: Es el punto a donde llega la señal de entrada. Esta sección define la impedancia de entrada del aparato y es donde se selecciona el nivel de amplificación deseado. Aumenta un poco la tensión de la señal de entrada antes de pasarla al driver. Los mandos que controlan la potencia de salida trabajan sobre esta etapa. Driver o excitador: Es el encargado de “excitar” la etapa de potencia. Para ello amplifica mucho la señal que recibe del control de entrada para elevar mucho su voltaje antes de pasarla a la etapa de potencia.

Etapa de potencia o de salida: Por su importancia da nombre a todo el conjunto. Es la encargada de dotar de potencia a la señal. La señal que recibe tiene mucho voltaje, pero muy poca intensidad. Esta etapa es la que proporciona varios amperios de intensidad de corriente eléctrica a la señal, sin embargo, apenas aumenta el voltaje que traía desde driver. Maneja tensiones y corrientes muy elevadas y es la que más recursos energéticos demanda de la fuente de alimentación, es decir la etapa que más consume. Esta es la etapa que “ataca” al altavoz, donde se consume la energía eléctrica, transformándose en movimiento que genera ondas acústicas y calor.

Fuente de alimentación: Es un dispositivo que adapta la electricidad de la red eléctrica general (la del enchufe), para que pueda ser usada por las distintas etapas. Como la de la figura, estas fuentes de alimentación suelen ser simétricas. Tiene que ser suficientemente grande para poder abastecer a la etapa de salida de toda la energía que necesita en el caso de estar empleándose el aparato a plena potencia. Un punto débil de las etapas de potencia suele ser la fuente de alimentación, que no puede abastecer correctamente a la etapa de salida. Una etapa de potencia estéreo tiene que duplicar las tres etapas (entrada, driver y salida) y puede usar una fuente de alimentación para todos. Los equipos de calidad estéreo incorporan dos fuentes de alimentación, una por canal. Protecciones: Las etapas de potencia actuales incorporan diversas medidas de protección contra avería, que son más o menos sofisticados en función de la calidad y coste del equipo. Pueden ir desde el típico fusible a dispositivos activos de control de potencia. Las protecciones que se pueden encontrar normalmente son: Protección electrónica frente a cortocircuito y circuito abierto. Protección térmica para transistores de salida y transformador. 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 que la deje fuera de funcionamiento por un tiempo; normalmente hasta que se refrigera lo suficiente.

 

9.2- CARACTERÍSTICAS.

Potencia entregada a la carga (altavoz). Existen dos medidas de potencia definidas:

1.- Potencia Nominal, RMS, Eficaz o Continua:

Se define como la potencia que el amplificador es capaz de proporcionar a la carga nominal (normalmente 8 ohmios), con ambos canales excitados simultáneamente en un margen de frecuencias de 20 Hz a 20 KHz y con una distorsión armónica THD menor que la determinada. La señal que se utiliza para esta medida es un tono sinusoidal puro de 1.000 Hz. Esto significa que se excitan ambos canales con 1 KHz, a la salida se conecta la carga correspondiente según el fabricante y se sube la potencia hasta que la THD llega a la indicada por el fabricante; entonces se ha alcanzado la Potencia Nominal. Debido a que la señal musical que suele excitar los amplificadores tiene poco que ver con la señal sinusoidal usada para medir la Potencia Nominal, se recurre a la Potencia Musical.

2.- Potencia Musical o de Pico:

Es la máxima potencia que puede dar el amplificador a intervalos cortos de tiempo. Una de las señales propuestas como señal utilizada es una sinusoide de 1 KHz pero con picos de 20 ms donde el nivel pasa a ser diez veces mayor. Al contrario que ocurre con la Potencia Nominal, no hay un procedimiento estándar de medida con lo que los valores resultantes tienen que venir acompañados del método de medida usado para tener validez. Por este motivo, a la hora de decidir entre dos amplificadores, es mejor contar con la información de la potencia nominal. En las especificaciones técnicas de una etapa o amplificador de potencia, se habla de Potencia sin más. Ésta es potencia nominal o eficaz. Los sufijos (nominal, musical, RMS) se usan más, curiosamente en amplificadores domésticos, a veces, para “estirar” la potencia real del aparato y otras para complicar su comprensión.

Respuesta en frecuencia.

El concepto está explicado en el capítulo 4.1. Únicamente hay que decir que en general la respuesta en frecuencia será peor que en amplificadores HI-FI domésticos. Además la respuesta en frecuencia de las etapas de potencia es mejor cuando trabaja a baja potencia que cuando trabaja a máxima potencia. Esto es debido a que en el segundo caso, tiene que manejar grandes tensiones e intensidades.

Slew rate.

Es una medida de la rapidez con la que la etapa puede variar la tensión a la salida. Las unidades de esta medida son voltios partido unidad de tiempo (V/s), aunque se suele expresar en V/µs (voltios / microsegundo). Esta medida nos dice exactamente cuántos voltios puede aumentar la tensión de salida en un microsegundo (0,000001 segundos). Cuanto mayor sea el valor del Slew-rate del equipo, mejor será éste. El problema que se da cuando el equipo tiene un slew rate insuficiente, es que no puede seguir las variaciones grandes de señal, provocando el efecto de triangulación, es decir, deformando la señal y generando distorsión. Este efecto de triangulación, se producirá cuando el equipo trabaje a alta potencia, ya que es ahí donde se le exigen grandes variaciones de la tensión de salida.

Representación de un caso de triangulación

En la figura se muestra en amarillo una forma de onda hipotética que tiene que presentar el amplificador de potencia a la salida, y en rojo 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.

Sensibilidad de entrada.

Es el valor en voltios de la tensión que hay que aplicar a la entrada de la etapa de potencia, para obtener a la salida la potencia nominal, cuando el aparato trabaja a la máxima potencia. La sensibilidad es una medida de calidad, cuanto más sensible sea la etapa de potencia, mayor calidad tendrá. La sensibilidad de entrada en una etapa de potencia, equivale a la agudeza auditiva de un oyente; si tiene poca sensibilidad, es duro de oídos. La sensibilidad se mide de la siguiente forma: con el control de nivel a máxima potencia, se va aumentando el nivel de tensión de la señal sinusoidal de entrada de 1000 Hz, hasta que a la carga (altavoz) se le esté entregando la potencia nominal. La potencia consumida en la carga se puede calcular porque se conoce el valor de la misma (R ohmios) y se mide la tensión en bornes (V voltios), así la potencia nominal en watios es: P = V2/R.

Impedancia de entrada.

Es la resistencia eléctrica que “ve” el equipo anterior. Los valores más normales se encuentran entre 10 y 50 Ohmios (W ). En audio, lo que se busca es cumplir el principio de máxima transferencia de energía. Es decir, impedancias de salida de los aparatos muy bajas (alrededor de 1 ohmio) e impedancias de entrada muy altas (del orden de decenas de miles de ohmios).

Impedancia de salida.

Es la resistencia que “ve” el equipo posterior a la etapa. Es útil cuando se usan modelos eléctricos simplificados. Se trata de un valor sólo resistivo que hace que parte de la potencia generada se consuma en la salida misma del amplificador. El criterio de adaptación en tensión busca que la impedancia de salida del amplificador sea la menor posible y la de la carga (altavoz) sea la mayor posible. De este modo la mayor parte de la potencia se consumirá en el altavoz. La intensidad de corriente es la misma para las dos cargas ya que están en serie, por tanto, la de mayor valor consumirá más potencia.

Factor de Amortiguamiento (FA).

El factor de amortiguamiento y el damping factor (DF) son la misma cosa. Es la relación entre la impedancia de la carga y la impedancia de salida del amplificador:

DF=FA=Recarga/Rsalida_ampli.

 

 

 

Resistencia de carga

Factor de Amortiguamiento =


 

Resistencia de salida del amplificador

 

Fórmula teórica para el cálculo del Factor de Amortiguamiento.

 

Por impedancia de la carga se entiende exclusivamente la impedancia del altavoz. Se suele tomar el valor nominal, que es sólo resistivo. Lo que hacen muchos fabricantes es dar el Damping Factor para un valor concreto de Resistencia de carga. Por ejemplo, FA=150 para Recarga = 8 ohms a 1kHz. Con lo cual se puede despejar que la impedancia de salida a 1kHz es 8/150 = 0.053 ohms. Son distintas formas de presentar el mismo dato, la impedancia de salida. FA=DA=150 significa que la carga consume 150 veces lo que consume la salida de la etapa o que la salida consumirá aproximadamente 1/150 de la potencia total. La medida teórica que realiza el fabricante no incluye la resistencia que añade el cable. Lo que es normal, ya que eso dependerá de la instalación final. Cuando entre la carga (altavoz) y la salida de la etapa hay cable, la resistencia de este ha de añadirse a la impedancia de salida de la etapa para obtener el nuevo valor de del Factor de Amortiguamiento.

 

 

 

Resistencia de carga

Factor de Amortiguamiento (real) = 


 

Res. salida amplificador + Res. del cable

 

 

Fórmula real para el cálculo del Factor de Amortiguamiento en una instalación.

 

Un cable malo, tendrá un valor de resistencia alto, que se multiplicará por los metros de cable, haciendo que disminuya el Factor de Amortiguamiento. Es decir, ahora a la carga le llega menos potencia. Si el cable tiene una resistencia en total de 1ohm, ahora FA=8/(0.053+1) que es casi lo mismo que 8/1, con lo que ahora FA=8; lo que significa que de cada nueve partes de potencia, una se consume antes de llegar a la carga y ocho en la carga. De 100W, sólo 88.8 se consumen en la carga. El Factor de Amortiguamiento se relaciona con la capacidad del amplificador de controlar al altavoz en bajas frecuencias, debido a las tensiones provenientes del bobinado del altavoz en los grandes desplazamientos. Al igual que para mover un altavoz de graves hace falta mucha tensión, la tensión producida por la fuerza contraelectromotriz que se genera en la bobina al atravesar el campo magnético, también es alta. Por este motivo, el Factor de Amortiguamiento afecta especialmente en bajas frecuencias. Si el amplificador tiene a su salida un valor de damping bajo, las tensiones a su salida provenientes del altavoz cancelarán las que él genera, con lo que no podrá controlar bien el altavoz. Cuanto mayor sea el valor del Factor de Amortiguamiento, en mejores condiciones (con menos cancelaciones) llega la señal que genera el amplificador al altavoz. Resumiendo, el Factor de Amortiguamiento en cuanto a pérdidas de potencia se refiere, afecta a todas las frecuencias. Respecto al control de los altavoces afecta básicamente a las bajas frecuencias.

Rendimiento.

Este dato informa de cuanta energía entrega a su salida (cable + altavoces) la etapa de potencia, de toda la que consume. El rendimiento se calcula:

Fórmula empleada para el cálculo del rendimiento.

 

La parte de energía que no sale se consume en forma de calor. La mayor parte de este calor se produce en la etapa de potencia, que es la que maneja grandes tensiones e intensidades. Para que el exceso de calor no la dañe, se emplean disipadores de calor y ventiladores para forzar el flujo de aire. Para instalaciones grandes del tipo de megafonía o escenarios que dependen de grupos electrógenos autónomos, el rendimiento es un factor importante en la elección del modelo de las etapas de potencia que se emplearán. También se suelen dar otros valores que definen la calidad del equipo. Los más típicos, de los que no se han nombrado arriba, son la Diafonía (crosstalk) y la Relación señal-ruido. Las definiciones generales de estas características están dadas en el apartado Equipos de Audio > Calidad de Audio, capítulos > 4.3 (Relación señal-ruido) y >4.4 (Diafonía).

 

9.3- TIPOS DE ETAPA.

Los amplificadores de potencia se clasifican en función del tipo de elemento modulador que llevan en la etapa de potencia o de salida. Este elemento es el encargado de dejar pasar la corriente eléctrica procedente de la fuente de alimentación, en función de la tensión que recibe de la etapa anterior (driver). Es una especie de grifo que se abre y cierra al ritmo de la señal de entrada, dejando pasar más o menos corriente a la carga.

A su vez, el dispositivo modulador, puede ser de varios tipos en función de su configuración. Los dispositivos moduladores son el corazón del amplificador de potencia y están basados en uno o varios transistores. Estos transistores pueden estar asociados de distintos modos: normal (un único transistor), paralelo (se consigue mayor corriente máxima de salida), serie (se consigue mayor tensión máxima de salida) y darlington (se consigue mayor ganancia).

Independientemente de como esté configurado el dispositivo modulador, las etapas se clasifican según el número y disposición de dispositivos moduladores. La clasificación es la siguiente:

Clase A: un solo dispositivo modulador. Sólo produce distorsión por la alinealidad del dispositivo. Esta clase es más teórica que práctica porque no se implementa en etapas reales porque dan poca potencia y bajo rendimiento.

Clase B: dos dispositivos moduladores en modo push-pull, uno conduce los ciclos positivos y otro los ciclos negativos. Produce la distorsión anterior más distorsión de cruce, cuando se pasa de un ciclo positivo a uno negativo. Mejora la potencia pero empeora el rendimiento. Esta clase tampoco se implementa.

Clase AB: es una clase B pero mejora la polarización de los moduladores para disminuir la distorsión de cruce, a costa de aumentar el consumo energético. Consumen aproximadamente el doble de lo que suministra.

Existen otros tipos de clases A, que se basan en mejoras de la red de polarización para mejorar la distorsión de cruce.

Clase C: uno, dos o cuatro dispositivos moduladores, cada uno conduciendo en una parte del ciclo. Si tiene n dispositivos moduladores, cada uno conduce 1/n de ciclo. Elevada distorsión pero gran rendimiento. Se usa para señales de banda estrecha. Era típico en radiofrecuencia, pero ahora usan del tipo AB.

Clase D: dos o cuatro dispositivos moduladores que amplifican señal PWM (señal cuadrada). Después se filtra paso bajo la señal amplificada. Destacan por la mejora del rendimiento y la nueva filosofía de trabajo. Su forma de trabajo consiste en modular el ancho de los pulsos (ciclo de trabajo) de una onda cuadrada (portadora), con la señal de entrada (hace de moduladora); a continuación se amplifica la señal modulada resultante y finalmente se filtra paso bajo para volver a obtener una señal banda base. También se la conoce como amplificación digital.

Diagrama de bloques de una etapa de potencia clase D.

Modulador – Amplificador – Filtro paso bajo

Clases E y G: son la misma clase pero se denominan distinto en Europa y en USA. Es una clase AB pero con dos tensiones de alimentación y un dispositivo de interconexión automático que usa una tensión de alimentación para señales bajas y otra para señales altas. Con esto se mejora el rendimiento que tenía la clase AB, ya que con señales débiles, se consume mucha menos potencia.

Clase H: son como las clases E y G pero incorporan más tensiones de alimentación para mejorar aún más el rendimiento.

En las especificaciones de una etapa de potencia se encuentra fácilmente la clase a la que pertenecen. Sin embargo es menos común encontrar el dato de cómo se montan los transistores, en paralelo, darlington… Otro dato que suele aparecer es el tipo de transistor utilizado, sobretodo cuando se trata de transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor), tanto J-Fet como Mos-Fet. Los transistores Fet destacan frente a los Bipolares comunes por su reducido ruido y distorsión, además de otras características que los hacen “mejores” para su uso en amplificadores de potencia.

 

9.4- CONEXIÓN.

En los amplificadores o etapas de potencia dedicados al audio se tiene que dar la adaptación en tensión, que consiste en que la resistencia de salida sea mucho menor que la resistencia de la carga. Teniendo en cuenta que la impedancia nominal de los altavoces puede ser de 2W, 4W , 8W , o 16W (generalmente 8W ), la resistencia de salida de la etapa de potencia tiene que ser muy pequeña.

La relación entre resistencia de la carga o impedancia nominal del altavoz, e impedancia de salida del aparato, se denomina Factor de amortiguamiento (F.A.) y se calcula: F.A. = Rcarga / Rsalida. En audio profesional se busca que F.A. sea mayor de 100.

Conexión de una etapa de potencia estéreo.

La figura de arriba representa una etapa o amplificador de potencia estéreo. Cada rectángulo representa un amplificador de potencia completo como el de la figura de la estructura. Según la configuración del aparato pueden compartir o no la fuente de alimentación.

En las etapas de potencia dedicadas a radiofrecuencia se tiene que dar la adaptación en potencia, lo que significa que la impedancia de salida de la etapa, la impedancia de la carga y la impedancia nominal del cable han de tener el mismo valor. Esto es debido a las altas frecuencias que se manejan en radiofrecuencia (varios MHz), mientras que en audio, se trabaja en banda base (hasta 25 KHz), que comparando con radiofrecuencia, equivale a muy baja frecuencia. El caso extremo de desadaptación en potencia equivale a carga desconectada (impedancia infinita), en este caso, se genera una onda estacionaria en el interior del cable que provoca a la salida del amplificador una tensión dos veces la original, con lo que la etapa de potencia corre serio peligro de avería. Aunque estas precauciones sólo son necesarias para radiofrecuencia, es aconsejable no dejar una etapa de potencia trabajando sin carga para evitar dañarla.

Modo Bridge o Puente. Este modo de trabajo permite a aquellas etapas estéreo que están diseñadas para ello, trabajar con una sola carga. Lo que se hace es conmutar internamente las salidas ( – ) de cada canal de salida mediante un interruptor del modo bridge. El usuario tiene que conectar los bornes de la carga a las dos salidas activas ( + ) de cada canal. De este modo, si cada canal entregaba 200W, ahora se entregarán 400W a una sola carga o altavoz.

Conexión de una etapa de potencia estéreo en modo puente.

 

Aunque la conexión es sencilla, hay que asegurarse que la etapa está diseñada para soportar este tipo de trabajo antes de conmutar los negativos “a mano” y poner los positivos a la carga, ya que se puede estar condenando el aparato. En este modo de trabajo, un canal amplifica los semiciclos positivos y el otro los negativos.

Como se ha explicado antes las cargas pueden tener valores desde 2 Ohm a 16 Ohm, o superior (la etapa puede sobrecargarse al reducir la carga, no al aumentarla). La potencia que entrega la etapa de potencia depende de la carga a la que esté conectada, como se ha mencionado, P = V2/R. De este modo y en teoría, si se reduce la carga a la mitad, aumenta la potencia entregada al doble. A continuación se muestra una tabla con los valores teóricos para distintas cargas y los reales para el modelo MF-8 de Altair, que proporciona 240W por canal con una carga de 8 Ohm.

Impedancia de la carga Potencia teórica Potencia real*
Estéreo 8 W . 240W 240W
Estéreo 4 W . 480W 400W
Estéreo 2 W . 960W 500W
Bridge 8 W . 960W 800W
Bridge 4 W . 1920W 1000W

* Fuente: http://www.altairaudio.com/

 

En la tabla se aprecian diferencias considerables entre teoría y realidad. En el caso de estéreo a 4 Ohm. hay 80W de diferencia por canal, estos pueden ser debido la propia construcción de la etapa. En el caso de estéreo a 2 Ohm. la diferencia es de 460W, lo cual es mucho. El motivo es principalmente uno: la fuente de alimentación no puede entregar más potencia a la etapa de salida, en este caso se puede ver que el tope son 1000W, 500W por canal.

En el caso de trabajo en modo bridge, vuelve a suceder algo parecido, a 8 Ohm da un poco menos de lo esperado. Pero cuando se baja la carga a la mitad (4 Ohm), no da el doble, ya que otra vez la fuente de alimentación limita la potencia máxima.

Como queda demostrado, la fuente de alimentación es la que limita la potencia máxima que puede entregar una etapa o amplificador de potencia, de ahí la importancia de que ésta esté bien calculada. Generalmente se ponen fuentes de alimentación capaces de suministrar más de la potencia nominal a 8 Ohm , para poder abastecer la demanda de energía cuando la carga cae a la mitad o a la cuarta parte. Por otro lado, si luego el amplificador de potencia no se usa más que con 8 Ohm, se están desperdiciando recursos y dinero. Por este motivo se llega a una solución de compromiso que da como resultado los valores de potencia real suministrados en la tabla.

Cuando los dos canales comparten la fuente de alimentación, se tienen que repartir la potencia que ésta entrega. Una picardía empleada a veces (sobretodo en amplificadores domésticos) es medir la potencia que entrega un canal cuando el otro no está amplificando, con lo que toda la potencia de la fuente de alimentación se dedica sólo al canal medido. Si tenemos que las especificaciones dicen “potencia por canal = 100W”, puede que los dos no puedan entregar los 100W a la vez porque la fuente de alimentación no llega a suministrar los 200W. En cualquier caso, en etapas de potencia profesionales no se suelen dar estas estratagemas, ya que se indica el método de medida utilizado o bien se trata de grandes casas en las que se puede confiar.

Sólo queda apuntar dos cosas más. Una es que los cables que conectan etapa de potencia y carga (altavoces o filtros), han de estar dimensionados acorde con la intensidad que circulará por ellos. Además, cuanta mayor calidad tenga el cable, menor resistencia presentará y menor potencia se consumirá en el mismo. Los cables de potencia no necesitan apantallamiento ya que el ruido que se puede introducir por inducción es despreciable comparado con las altas tensiones (y corrientes) que circulan por él.

Otro factor a tener en cuenta son las conexiones. Se suelen usar conexiones seguras que protejan a la persona de descargas y al aparato de cortocircuitos. Por este último motivo no se usan conectores tipo Jack, ya que al sacarlos o introducirlos, hay un momento en que se conectan los polos positivo y negativo; si en ese momento el amplificador de potencia está encendido y trabajando, se puede quemar la etapa de salida. Los conectores más usados son XLR o SPEAKON.

 

 

 

Conector XLR macho. Conector SPEAKON macho.