república bolivariana de venezuela amplificador de potencia
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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio Del Poder Popular Para la Educación Superior
Universidad Politécnica Experimental “José Antonio
Anzoátegui”
División Extensión Anaco.
Programa Nacional De Formación Del Electricista
Profesor Ing. Bachilleres: Emili Moya Rondon Nelson CI. 16.172.858
Landaeta, Enrique CI. 18.204.491Vilera, Deonel CI. 14.308.933
Jaramillo, Jorge CI. 19.156.706
Oscarina Tovar CI. 18.206.706
Anaco 11 de Julio de 2011
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Introducción
Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente
continua (Polarización VCC de un circuito con transistores), usando el control de
una señal de entrada, a potencia de salida en forma de señal. Si sobre la carga sedesarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar una gran
excursión en voltaje y corriente.
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¿Qué es un amplificador de potencia?
Se puede definir amplificador de potencia como la etapa, cuyo objetivo es entregar
la máxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con el máximo
rendimiento, sin sobrepasar ni en las condiciones más desfavorables de
funcionamiento, los límites máximos permitidos de disipación de potencia de loselementos empleados.
Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente
continua (Polarización VCC de un circuito con transistores), usando el control de
una señal de entrada, a potencia de salida en forma de señal. Si sobre la carga se
desarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar una gran
excursión en voltaje y corriente.
CLASIFICACION DE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA
1. Según la frecuencia de las señales a amplificar
• De Corriente Continua. Entre 0 y algunos hercios.
• De Audiofrecuencia. Entre 20Hz y 20KHz.
• De Radiofrecuencia. Entre 20KHz y varios cientos de MHz.
• De Videofrecuencia. También llamados de banda ancha, entre 30Hz y 15MHz.
2. Según el funcionamiento de los transistores de salida
• Lineales. Los transistores trabajan en zona lineal.
• De conmutación. Los transistores de salida trabajan en conmutación, on - off.
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A continuación, se presenta una breve descripción de las clases de
amplificadores de potencia.
Clase A: La señal de salida varía para los 360° completos de ciclo. Esto requiere
que el punto Q se polarice a cierto nivel, de manera que al menos la mitad de la
variación de la señal para la salida pueda variar arriba y abajo sin tener quealcanzar un voltaje suficientemente alto para ser limitado por el nivel del voltaje de
la fuente o demasiado bajo para aproximarse al nivel inferior de la fuente, ó 0v en
esta descripción.
Clase B: Un circuito de clase B proporciona una señal de salida que varia sobre la
mitad del ciclo de la señal. El punto de polarización d.c para un clase B se
encuentra por lo tanto en 0v, lo que implica una variación de la salida desde este
punto de polarización para un medio ciclo. Obviamente, la salida no es una
reproducción fiel de la entrada si solamente se tiene presente un medio ciclo. Son
necesarias dos operaciones de clase B, una para proporcionar la salida del medio
ciclo de salida positivo y otra para proporcionar la operación del medio ciclonegativo. La combinación proporciona entonces una salida de 360° completos de
operación. Este tipo de conexión se denomina como funcionamiento en contrafase,
la cual se discutirá mas adelante. Nótese que la operación clase B, por si misma
crea una señal de salida muy distorsionada debido a que la reproducción de la
entrada tiene lugar para sólo 180° de la variación de la señal de salida.
Clase AB: Un amplificador puede polarizarse a un nivel d.c sobre el nivel de
corriente de base cero de clase B y arriba de la mitad del nivel de voltaje de fuente
de la clase A; esta condición de polarización es la clase AB. La operación de clase
AB requiere todavía de una conexión en contrafase para conseguir un ciclo
completo de salida, pero el nivel de polarización de d.c está por lo regular cercano
al nivel de corriente de base cero para una mejor eficiencia de potencia. Para la
operación de clase AB la oscilación en la señal de salida ocurre entre los 180° y
360°, y no está en la operación de clase A ni en la de clase B.
Clase C: La salida de un amplificador de clase C se polariza para una operación a
menos de 180° del ciclo y operará solamente con un circuito sintonizador
(resonante), el cual suministra un ciclo completo de operación para la frecuencia de
sintonía o resonante. Esta clase de operación se emplea, por consiguiente, en áreas
especiales de circuito de sintonía, tales como los de radio y comunicaciones.
Clase D: Esta clase de operación es una forma de operación de amplificador que
utiliza señales de pulso (digitales) las cuales se activan para un intervalo corto y se
desactivan para un intervalo mas largo. Al utilizar técnicas digitales se hace posible
obtener una señal que varié sobre el ciclo completo, empleando circuitos de
muestreo y retención (sample-and-hold), de diversos fragmentos, de la señal de
entrada. La mayor ventaja de la operación de clase D es que el amplificador se
encuentra activado o encendido (empleando energía) solo para intervalos cortos y
la eficiencia total puede ser prácticamente muy alta.
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Ventajas e inconvenientes de los diferentes tipos de Ampl.
ificadores
• Funcionamiento en clase B respecto al de clase A
Ventajas:
- Mayor potencia de salida, debido a que la amplitud de las señales de salida que
se puede obtener sin recorte es casi el doble.
- Pérdida de potencia en reposo despreciable, ya que el punto de trabajo está
situado justo en la zona de corte.
- Rendimiento mayor como consecuencia de los puntos anteriores: un 78.5%
teórico
de la clase B frente al 25% de la clase A.
Inconvenientes:- En la configuración en contrafase es necesario emplear dos transistores idénticos
para no introducir deformación entre los semiciclos de la señal de salida.
- Distorsión de cruce, producida porque los transistores no empiezan a
conducir hasta que la VBE no alcanza unos 0.7V.
Funcionamiento en clase AB respecto al de clase B
Ventaja:
- Elimina la distorsión de cruce
Inconvenientes:- Mayor consumo de potencia debido a que circula corriente en reposo.
- Menor rendimiento.
Amplificadores de Potencia en Contrafase
La configuración en contrafase o push-pull, se utiliza para los casos en los cuales la
potencia necesaria en la carga es superior a la que puede entregar un único
transistor. También se utiliza cuando se quiere hacer trabajar un transistor en claseB y amplificar los dos semiciclos de la señal de entrada.
Las características de esta configuración son:
• Empleo de dos transistores excitados con señales iguales pero desfasadas 180º.
• El primario del transformador de salida está recorrido por corrientes iguales y de
sentido contrario, por lo que en ausencia de señal alterna, el flujo resultante a través
del transformador es nulo.
• La fuente de alimentación no necesita filtrado riguroso al no inducir señal en el
secundario del transformador de entrada, por producirse en el primario señales
opuestas, que se contrarrestan.
• Se eliminan los armónicos pares, reduciéndose la distorsión.
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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 (voltajenegativo, voltaje positivo) en el transistor de salida.
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 la refrigeración del mismo. Por
ello, siempre encontraremos 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 calor.
Físicamente, cuando vemos un amplificador, nos encontramos con un equipo en el
que, habitualmente, sólo 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.
Mixing Amplifier MA-35
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.
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• 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).
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 ésa 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.
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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 esta 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 ó 5% (10% en amplificadores de baja calidad) o menos de0.25% 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
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tener en cuenta que la potencia de pico de un amplificador es 1,4142 (raíz
cuadrada de 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 esta 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 lacorriente 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 sólo 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).
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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 VRMS y la de entrada 2 VRMS, 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 indicara 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 elevado, 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
mVRMS . 0,775 VRMS 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 dBuexpresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 VRMS. (Al hacer
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referencia a voltios, en muchos manuales, principalmente norteamericanos, en
lugar de dBu usan dBV). Así, 774,6 mVRMS 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 comoen los tweeter.
Para evitar este gran problema, la mayoría de equipos profesionales cuentan con un
control de nivel de la entrada, que nos permiten 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 sólo 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.
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