Amplificador de potència

Mixing Amplifier MA-35

Una etapa de potència, amplificador de potència, etapa de guany o amplificador d'àudio és un dispositiu electrònic que augmenta el nivell d'un senyal, incrementant, per això, l'amplitud del senyal d'entrada mitjançant corrents de polarització (voltatge negatiu, voltatge positiu) dels transistors de sortida. L'amplificador treballa, internament, amb corrent continu, en cas de ser alimentat amb la tensió lliurada per la xarxa domiciliària es necessita un transformador amb circuit rectificador (o una font commutada) per adaptar el nivell de voltatge i tipus de corrent als valors necessaris per al bon funcionament de l'equip.

Quan es dissenya un amplificador és fonamental la seva refrigeració. Per això, sempre hi ha una reixeta de ventilació i els fabricants sovint instal·len al seu interior ventiladors (com als ordinadors). Això és perquè durant el procés d'amplificació, al seu interior, es dissipa gran quantitat calor.

Físicament, quan veiem un amplificador, ens trobem amb un equip en què, habitualment, només hi ha un botó: el d'encesa/apagat. Tanmateix és usual acoblar les etapes de potència amb els preamplificadors i equalitzadors amb els seus potenciòmetres.

A la part posterior se sol situar el panell amb les corresponents entrades i sortides. El nombre i tipus depèn de la quantitat de senyals que suporti l'amplificador.

Característiques tècniques

Les característiques tècniques de cada model determinaran la qualitat de l'amplificador:

• Impedància.
• Factor d'esmorteïment.
• Potència de sortida.
• Relació senyal soroll.
• Acoblament.
• Resposta en freqüència.
• Resposta de fase.
• Guany.
• Sensibilitat.
• Distorsió.
• Diafonia.

Impedància

La impedància és la resistència (oposició) que presenta qualsevol dispositiu al pas d'un corrent que el travessa.

Factor d'amortiment

El factor d'amortiment indica la relació entre la impedància nominal de l'altaveu a connectar i la impedància de sortida del amplificador (l'elèctrica que realment presenta en la seva sortida).

Potència de sortida

La potència de sortida de l'amplificador fa referència a la potència elèctrica, no confondre amb la potència acústica. Com en l'altaveu, és la quantitat d'energia que es pot introduir en l'etapa de potència abans que distorsioni en excés o que pugui patir desperfectes.

S'especifica la potència màxima de l'amplificador en funció d'una determinada impedància, generalment, 8 Ω. Per exemple: 175 W sobre 8 Ω).

Si l'amplificador és estèreo, cal tenir en compte si aquesta potència es refereix a cadascun dels canals oa ambdós. Per això, en les especificacions tècniques, s'afegeix una d'aquestes dues indicacions:

• amb els dos canals alimentats .
• per canal .

En l'exemple anterior amb una potència de sortida de 175 W sobre 8 Ω, si s'afegeix amb els dos canals alimentats vol dir que per canal la potència serà la meitat (87,5 W sobre 8 Ω).

Per contra, amb una potència de sortida de 175 watts sobre 8 ohms per canal , tindrem 350 W sobre 8 Ω amb els dos canals alimentats .

En els equips que permeten modificar la impedància d'entrada, també cal tenir en compte les modificacions que el variar aquest paràmetre introdueixen en la potència. En aquest cas, es fan aproximacions properes, mai són absolutes, perquè, en l'estat actual dels amplificadors, això no és possible. Així, si tenim un amplificador en què en les especificacions tècniques figura 175 W sobre 8 Ω, si reduïm la impedància a 4 Ω, la potència serà propera al doble, els 350 W (en un amplificador ideal, hauria de ser justament aquests 350 W ).

Dins de la potència es diferencia entre potència nominal i potència de pic.

Potència màxima

Potència màxima eficaç, o potència mitjana a règim continu és la potència elèctrica real verificable amb instruments que pot proporcionar l'etapa de sortida durant un minut a una freqüència de 1 kHz (quilo hertz) sobre la impedància nominal especificada pel fabricant (normalment 4, 6 o 8 Ohms) i ve donada per l'expressió Po = Vo (rms) ²/Zo. On:

Po és la potència de sortida. 
Vo és el voltatge (tensió elèctrica) eficaç de sortida. 
Zo és la impedància nominal de l'amplificador 

Nota: per mesurar la potència es fa servir una resistència pura, ja que una impedància complexa altera el desenvolupament de l'amplificador.

Potència màxima útil

La potència eficaç està limitada per la distorsió de l'equip, ja que aquesta creix amb la potència, de manera que s'especifica la potència útil a un nivell de distorsió nominal, com 1, 2 o 5% (10% en amplificadors de baixa qualitat) o menys de 0,25% en altres d'alta qualitat, aquesta mesura és inferior a l'anterior.

Potència de pic, admissible o musical

Potència màxima impulsiva (un pic de senyal ), que pot suportar de tant en tant l'amplificador abans de deteriorar-se.

Alguns fabricants en lloc d'especificar la potència nominal, especifiquen la potència de pic, per maquillar l'abast de l'amplificador, ja que la potència de pic sempre és superior a la potència nominal. Cal estar alerta a aquest detall i tenir en compte que la potència de pic d'un amplificador és 1,4142 (arrel quadrada de 2) vegades el seu valor nominal .

Relació senyal/soroll

Fa referència al voltatge de soroll residual a la sortida i s'expressa en dB.

Perquè la relació senyal/soroll estigui per sota del llindar d'audició, ha de ser d'almenys 100 dB. Major, 110 dB, en el cas els amplificadors d'alta potència (per sobre dels 200 watts).

Acoblament

Indica la manera com l'amplificador està connectat a l'altaveu. Pot haver diverses maneres:

• "Acoblament directe" , quan tots dos aquesta acoblats directament. Aquest permet la millor resposta en freqüència i el major rendiment pel que fa a potència lliurada a la càrrega.
• "Acoblament inductiu" , quan l'amplificador i la seva càrrega estan acoblats mitjançant un transformador.
• "Acoblament capacitiu" , si l'acoblament es realitza mitjançant condensadors.

Internament, l'amplificador funciona amb tensió contínua, però a la sortida converteix el senyal en corrent altern. Quan connectem directament un amplificador amb l'altaveu, aquest acoblament directe s'ha de fer de manera que la corrent continu residual ( DC offset) sigui el més baixa possible, no superant els 40 milivolts. (Els més habituals són a 15 milivolts).

Resposta en freqüència

Calcula el límit dins del qual l'amplificador respon de la mateixa manera (resposta plana) a les audiofreqüències (20 a 20.000 Hz) amb una potència molt baixa.

Resposta de fase

Indica la relació en la fase entre les freqüències mitjanes pel que fa a les altes o les baixes. Aquest desfasament (avançament o retard) en l'espectre d'audiofreqüències (20 - 20.000 Hz).

Hi ha certs models d'amplificador que inverteix la fase en tota la seva banda de pas, el que pot ocasionar dificultats en la seva operativitat (sinó el tenim present podrem estar cancel tot el senyal).

Guany

És la relació entre la potència de sortida i la potència d'entrada del senyal. S'expressa sempre com una relació logarítmica, i la unitat sol ser el db, és a dir, deu vegades el logaritme decimal del quocient entre potències (si es relacions tensions, seria vint vegades en lloc de diez pel fet que la potència és proporcional al quadrat de la tensió).

Si la potència de sortida és 40 W (watts) i la d'entrada 20 W, la guany és: 3dB. Si la tensió de sortida és de 4 V _RMS i la d'entrada 2 V _RMS , el guany és: 6 dB.

Quan el guany si és menor que 1, parlem de atenuació .

Pel que fa a amplificadors, com el decibel sempre expressa una comparació parlarem de dBW o dBu , el que ens indiqués quina és la referència.

• DBW : La W indica que el decibel fa referència a watts. És a dir, es pren com a referència 1 W (watt). Així, a un watt li corresponen 0 dBw.
• DBm : Quan el valor expressat en watts és molt elevat, s'usa el mil·liwatt ( MW ). Així, a un mW li corresponen 0 dBm.
• DBu : El dBu expressa el nivell de senyal en decibels i referit a 774,6 mV _RMS $\left (\sqrt{\frac{3}{5}}\right) \, \!$. 0,775 V _RMS és la tensió aproximada que aplicada a una impedància de 600 Ω, dissipa una potència de 1mW.

En un circuit en el qual intervenen diversos amplificadors, els guanys individuals expressades en decibels (en qualsevol de les seves fórmules tant dB, dBw, dBm o dBu) se sumen (resten si són negatives i és atenuació).

Sensibilitat

Indica la quantitat de flux elèctric necessari d'entrada per a produir la màxima potència de sortida.

La sensibilitat està indicada per dBu a una determinada impedància. El dBu expressa el nivell de senyal en decibels i referit a 0,7746 V _RMS . (En fer referència a volts, en molts manuals, principalment nord-americans, en lloc de dBu usen dBV). Així, 774,6 mV _RMS equivaldran a 0 dBu.

Si se supera el valor especificat per la sensibilitat del senyal de sortida patirà una retallada (tant per dalt com per baix), com passa en els limitador és, i quedés distorsionada de tal manera que pot causar dany en certs equips com en els tweeter.

Per evitar aquest gran problema, la majoria d'equips professionals compten amb un control de nivell de l'entrada , que ens permeten atenuar el senyal si resulta excessiva.

Distorsió

La distorsió (distorsió harmònica) descriu la variació de la forma d'ona a la sortida de l'equip, pel que fa al senyal que va entrar i es deu a que els equips d'àudio, no només els amplificadors, introdueixen harmònics en el senyal.

Les causes d'aquesta distorsió poden ser múltiples. En el cas dels amplificadors, la més usual és la sobrecàrrega a l'entrada, és a dir, sobrepassar la potència recomanada pel fabricant, el que produeix a la sortida una retallada del senyal, queda el so "trencat".

La distorsió també pot expressar-se en decibels en relació a una freqüència. És el que es coneix com distorsió per intermodulació de transistors. Per mesurar aquesta distorsió del que es fa calcular la distorsió de l'amplificador per dues ones sinusoïdals diferents (generalment, 19 i 20 kHz) i veure quina és la diferència entre aquests senyals expressada en decibels. Els amplificadors de qualitat han de ser als 70 dB de diferència en aquest to diferencial d'1 kHz.

Diafonia

La diafonia indica que en un sistema estèreo, un canal d'àudio, afecta a l'altre.

La diafonia depèn de la freqüència. Així parlarem de que la diafonia és suportable quan aquest entorn de 50 dB per greus i aguts i 70 dB per als tons mitjans.

Per eliminar problemes de diafonia, els amplificadors tenen rectificadors , condensadors de filtre. A més, molts fabricants introdueixen fonts d'alimentació independents per a cada canal, la qual cosa resulta molt efectiu.

Tipus

Entre les diferents tipologies d'etapes de potència hi ha :

• Classe A
• Classe B
• Classe AB
• Classe C
• Classe D
• Classe G
• BJT
• MOSFET

Amplificador de classe A (CLASS-A Amplified)

El corrent de sortida circula durant tot el cicle del senyal d'entrada, en un sol transistor. La corrent de polarització del transistor de sortida és alta i constant durant tot el procés, independentment de si hi ha o no hi ha sortida d'àudio. La distorsió introduïda és molt baixa, però el rendiment també serà baix, estant sempre per sota del 50%. Això significa que l'altra meitat del corrent amplificada serà dissipada per el transistor en forma de calor.

Amplificador classe B (CLASS-B Amplified)

Durant un semicicle el corrent circula i és amplificada per un transistor, i durant un altre semicicle circula i és amplificada per un altre transistor, la qual cosa permet un descans d'un semicicle a cada transistor i un de treball i dissipació de potència. A més, no circula corrent a través dels transistors de sortida quan no hi ha senyal d'àudio.

El problema és que passa l'anomenada "distorsió per encreuament", ja que quan en el primer semicicle la tensió del senyal cau per sota dels 0,6 V (tensió aproximada de polarització de juntura base-emissor d'un BJT), es despolaritza l' BJT i deixa d'amplificar la qual cosa també passa quan en l'altre semicicle, la tensió no arriba encara als 0,6 V. En resum, en el cas d'una sinusoïdal, tindríem 01/02 V no amplificats, encara que aquesta no és la millor forma de definir-lo.

Amplificador de classe AB (CLASS-AB Amplified)

Mateix cas que l'amplificador B només que hi ha un petit corrent que circula pels 2 transistors constantment, que els polaritza reduint enormement l'anomenada "distorsió per encreuament". Com en els amplificadors de classe A, hi ha un corrent de polarització constant, però relativament baixa, evitant la distorsió d'encreuament (d'aquí el seu nom: AB). En el cas d'amplificadors de so són els més usats arribant a distorsions menors de 0,01% (THD = 0.01%)

Amplificador de classe C (CLASS-C Amplified)

El corrent de sortida només circula durant menys de mig cicle del senyal d'entrada. I després es complementa la sortida amb un circuit compost de condensadors i bobines (circuit tanc).

La classe C treballa per a una banda de freqüències estreta i resulta molt apropiat en equips de radiofreqüència. Això és a causa del fenomen de ressonància el qual es genera a la sortida del amplificador quan és sintonitzat (la impedància capacitiva i inductiva es cancel a una freqüència prèviament calculada), encara que no treballa dalt de 180 graus de cicle, aquest amplificador a la sortida genera un senyal de cicle complet de senyal per la freqüència fonamental.

No s'utilitza en so, per la seva gran nivell de distorsió i per que la seva operació no està destinada per amplificadors de gran senyal o gran potència.

Amplificador de classe D (CLASS-D Amplified)

Aquesta classe d'operació utilitza senyals de pols (digitals). L'ús de tècniques digitals fa possible obtenir un senyal que varia al llarg del cicle complet per produir la sortida a partir de moltes parts del senyal d'entrada. El principal avantatge de l'operació en classe D és que els transistors MOSFET de sortida treballen només en tall i saturació pel que teòricament no es dissipa potència en forma de calor i l'eficiència general pot ser molt alta, d'entre 90% a 99% . En la pràctica els MOSFETs només dissipen potència quan es troben conduint (saturació) a causa de la petita resistència d'encesa que posseeixen, anomenada Rdson, de tota manera aquesta potència és menyspreable ja que Rdson és de l'ordre dels milihoms. S'utilitzen transistors MOSFET ja que són els únics capaços de commutar a les elevades freqüències de treball, de l'ordre dels KHz arribant als MHz en alguns casos.

=== Amplificadors de Classe G Els amplificadors de Classe G incorporen diverses línies de tensió que s'activen de forma progressiva a mesura que el voltatge d'entrada augmenta amb la finalitat d'aconseguir major eficiència.

Aquests equips donen una potència de sortida millor a la dels amplificadors de classe AB, però amb un menor mida.

Transistor BJT

BJT són les sigles de Bipolar Junction Transistor . És el primer transistor que es va fabricar en els inicis de l'electrònica d'estat sòlid. Hi ha de 2 tipus: NPN o PNP, segons les seves construcció.

Transistor MOSFET

MOSFET són les sigles de Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor . Es tracta d'un tipus de transistors apareguts en la dècada de 1980 que com el seu nom indica creen un efecte de camp gràcies a la unió d'un semiconductor format per la parella metall-òxid.

Des de la seva aparició són molt usats, perquè asseguren una distorsió més baixa, en controlar el despreniment tèrmic que es produeix durant el processat del senyal.

Vegeu també

• Audiòfil
• Ona periòdica

Bibliografia

• Rumsey, Francis & McCormick, Tim. So i enregistrament. Introducció les tècniques sonores . IORTV . 2004 (2 ª edició).

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Amplificador de potència

• # Tema_7 Etapes de sortida Audiophoolery
• The Ten Biggest Lies in Àudio Les deu grans mentides en àudio (anglès).
• Audiophoolery (anglès).
• Etapes de potència en el món de l'automòbil.
• The Truth About Interconnects and Cables La veritat sobre els cables i interconnexions (anglès).