Etapa de potencia

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

A etapa de potencia ou amplificador de potencia é o/a encargada de subministrarlle a potencia aos altofalantes ao ritmo da sinal de entrada. Os altofalantes transforman a potencia eléctrica en potencia acústica.Fálase de etapa de potencia ou amplificador de potencia no ámbito de audio profesional, en cambio fóra de este fálase de amplificador soamente. Un amplificador doméstico e unha etapa de potencia teñen como principal tarefa a mesma: amplificar a sinal, aínda que teñen tamén diferencias importantes.

A sinal eléctrica á saída da etapa de potencia ten igual forma de onda que na entrada, mais varían as magnitudes.En lugar de tensións de decenas de milivoltios(mV), alimenta ós altofalantes con tensións de decenas de voltios(V) e correntes de varios amperios (A).A sinal de liña que entra ao amplificador mídese en miliwatios, é dicir,ten unha potencia máis de 1000 veces maior ca que terá na saída. O produto da voltaxe pola intensidade de corrente, é a potencia(P) en watios(W) I x V = P. Toda a tensión e corrente que se empregará en mover os altofalantes, sae da fonte de alimentación interna que á súa vez tómaa da rede eléctrica xeral.

A principal característica que define a unha etapa de potencia é a potencia que pode entregar á saída, que é maior que a que pode entregar un amplificador doméstico. Polo contrario, a calidade ou fidelidade do son que pode dar una etapa profesional, é menor ca que da un amplificador doméstico Hi-Fi. As etapas de potencia non teñen certos elementos típicos dos amplificadores como por exemplo os previos, selector de previos ou controles de ton. A típica etapa de potencia terá una tecla de acendido, un par de controles de nivel por ser estéreo e algún dispositivo que indique o estado de traballo instantáneo: ben leds (luces) ou ben medidores de agulla(un por canal).

Definicións[editar | editar a fonte]

  • Control de entrada: é o punto onde chega a sinal de entrada. Esta sección define a impedancia de entrada do aparato e é onde se selecciona o nivel de amplificación desexado.Aumenta un pouco a tensión da sinal de entrada antes de pasala ao driver. Os mandos que controlan a potencia de saída traballa sobre esta etapa.
  • Driver ou excitador: é a encargada de excitar a etapa de potencia. Para isto, amplifica moito a sinal que recibe do control de entrada para elevar moito a súa voltaxe antes de pasala á etapa de potencia.
  • Etapa de potencia ou de saída: pola súa importancia da nome a todo o conxunto. É a encargada de dotar da potencia á sinal. A sinal que recibe ten moita voltaxe pero moi pouca intensidade. Esta etapa é a que proporciona varios amperios de intensidade de corrente eléctrica á sinal, sen embargo, apenas aumenta a voltaxe que traía desde o driver. Manexa tensións e correntes moi elevadas e é a que máis recursos enerxéticos demanda da fonte de alimentación, é dicir, a etapa que máis consume. Esta é a etapa que ataca ao altavoz, onde se consume a enerxía eléctrica, transformándose en movemento que xera ondas acústicas e calor.
  • Fonte de alimentación: é un dispositivo que adapta a electricidade da rede eléctrica xeral(a do enchufe) para que poda ser usada polas distintas etapas.Estas fontes de alimentación soen ser simétricas.Ten que ser suficientemente grande para poder abastecer a etapa de saída de toda a enerxía que precisa no caso de estar empregándose o aparato a plena potencia. Un punto débil das etapas de potencia soe ser a fonte de alimentación, que non pode abastecer a etapa de saída correctamente. Unha etapa de potencia estéreo ten que duplicar as tres etapas(entrada, driver, saída) e pode usar a fonte de alimentación para todos. Os equipos de calidade estéreo incorporan dúas fontes de alimentación, unha por canal.
  • Proteccións: as etapas de potencia actuais incorporan proteccións contra avaría, que son máis ou menos sofisticados en función da calidade e do custo do equipo. Poden ir dende o típico fusible a dispositivos activos de control de potencia. As proteccións que normalmente se poden e soen encontrarse son:
  1. Protección electrónica fronte a curtocircuíto e circuíto aberto.
  2. Protección térmica para transistores de saída e transformador.
  3. Protección contra tensión continua
  4. Protección contra sobrecarga
  5. Protección contra transitorio de acendido

Ademais soen incorporar unha luz de aviso de protección activada e outra de clipping, que acendese nos picos de sinal cando unha etapa de potencia está comezando a saturarse e corre perigo de avaría ou de que salte algunha protección que a deixe fora de funcionamento por un tempo; normalmente ata que se refrixera o suficiente. Potencia entregada á carga (altofalante). Existen dúas medidas de potencia definidas:

Potencia Nominal, RMS, eficaz ou continua: defínese como a potencia que amplificador é capaz de proporcionar á carga nominal (normalmente 8 ohmios), con ambos canales excitados simultaneamente nunha marxe de frecuencias de 20 Hz a 20 KHz y cunha distorsión armónica THD menor que a determinada. A sinal que se utiliza para esta medida é un tono sinusoidal puro de 1.000 Hz. Isto significa que excítanse ambos canais con 1 KHz, a la salida conéctase a carga correspondinte segundo o fabricante súbese a potencia ata que a THD chega á indicada polo fabricante; entón alcanzouse a Potencia Nominal. Debido a que a sinal musical que soen excitar os amplificadores teñen pouco que ver coa sinal sinusoidal usada para medir a Potencia Nominal, recórrese á Potencia Musical.

Potencia Musical ou de Pico: é a máxima potencia que pode dar o amplificador a intervalos cortos de tempo. Unha das sinais propostas como sinal utilizada é unha sinusoide de 1 KHz pero con picos de 20 ms onde o nivel pasa a ser dez veces maior. Ao contrario que ocorre coa Potencia Nominal, non hai un procedemento estándar de medida co que os valores resultantes teñen que vir acompañados do método de medida usado para ter validez. Por este motivo,á hora de decidir entre dous amplificadores, é mellor contar coa información da potencia nominal. Nas especificacións técnicas dunha etapa ou amplificador de potencia, fálase de Potencia sen máis. Esta é potencia nominal ou eficaz. Os sufixos (nominal, musical, RMS) úsanse máis, curiosamente en amplificadores domésticos, ás veces, para "estirar" a potencia real do aparato e outras para complicar a súa comprensión.

Resposta en frecuencia: Unicamente hai que dicir que en xeral a resposta en frecuencia será peor que nos amplificadores HI-FI domésticos. Ademais a resposta en frecuencia das etapas de potencia é mellor cando traballa a baixa potencia que cando traballa a máxima potencia. Esto é debido a que no segundo caso, ten que manexar grandes tensións e intensidades. Slew rate: É unha medida da rapidez coa que a etapa pode variar a tensión á saída. As unidades desta medida son voltios partido unidade de tempo (V/s), aínda que sóese expresar en V/µs (voltios / microsegundo). Esta medida dinos exactamente cantos voltios pode aumentar a tensión de saída nun microsegundo (0,000001 segundos). Canto maior sexa o valor do Slew-rate do equipo, mellor será este. O problema que se da cando o equipo ten un slew rate insuficiente, é que non pode seguir as variacións grandes de sinal, provocando o efecto de triangulación, é dicir, deformando a sinal e xerando distorsión. Este efecto de triangulación, producirase cando o equipo traballe a alta potencia, xa que é aí onde se lle esixen grandes variacións da tensión de saída.

Sensibilidade de entrada:' É o valor en voltios da tensión que hai que aplicarlle á entrada da etapa de potencia, para obter á saída a potencia nominal, cando o aparato traballa á máxima potencia. A sensibilidade é unha medida de calidade, canto máis sensible sexa a etapa de potencia, maior calidade terá. A sensibilidade de entrada nunha etapa de potencia, equivale á agudeza auditiva dun oínte; se ten pouca sensibilidade, é duro de oídos. A sensibilidade mídese da seguinte forma: co control de nivel á máxima potencia, vaise aumentando o nivel de tensión da sinal sinusoidal de entrada de 1000 Hz, ata que á carga (altofalante) se lle estea entregando a potencia nominal. A potencia consumida na carga pódese calcular porque coñécese o valor da mesma (R ohmios) e mídese a tensión en bornes (V voltios), así a potencia nominal en watios é: P = V2/R.

Impedancia de entrada: É a resistencia eléctrica que "ve" o equipo anterior. Os valores máis normais atópanse entre 10 y 50 Ohmios (W ). En audio, o que se busca é cumprir o principio da máxima transferencia de enerxía. É dicir, impedancias de saída dos aparatos moi baixas (arededor de 1 ohmio) e impedancias de entrada moi altas (do orden de decenas de miles de ohmios).

Impedancia de saída: É a resistencia que "ve" o equipo posterior á etapa. É útil cando se usan modelos eléctricos simplificados. Se trata dun valor só resistivo que fai que parte da potencia xerada se consuma na saída mesma do amplificador. O criterio de adaptación en tensión busca que a impedancia de saída do amplificador sexa a menor posible e a da carga (altofalante) sexa a maior posible. Deste modo a maior parte da potencia se consumirá no altofalante. A intensidade de corrente é a mesma para as dos cargas xa que están en serie, por tanto, a de maior valor consumirá máis potencia.

Factor de amortiguación: O factor de amortiguamiento e o damping factor (DF) son a mesma cousa. É la relación entre a impedancia da carga e a impedancia de saída do amplificador: DF=FA=Recarga/Rsaída_ampli. Por impedancia da carga enténdese exclusivamente a impedancia do altofalante. Sóese tomar o valor nominal, que é só resistivo. O que fan moitos fabricantes é dar o Damping Factor para un valor concreto de Resistencia de carga. Por exemplo, FA=150 para Recarga = 8 ohms a 1kHz. Co cal pódese despexar que a impedancia de saída a 1kHz es 8/150 = 0.053 ohms. Son distintas formas de presentar o mesmo dato, a impedancia de saída. FA=DA=150 significa que a carga consume 150 veces o que consume a saída da etapa o que a saída consumirá aproximadamente 1/150 da potencia total.

A medida teórica que realiza o fabricante non inclúe a resistencia que engade o cable. O que é normal, xa que iso dependerá da instalación final. Cando entre a carga (altofalante) e a salida da etapa hai cable, a resistencia deste hai de engadirse á impedancia de salida da etapa para obter o novo valor do Factor de Amortiguamiento. Un cable malo, terá un valor de resistencia alto, que se multiplicará polos metros de cable, facendo que diminúe o Factor de Amortiguamiento. É dicir, agora á carga chégalle menos potencia.

Se o cable ten unha resistencia en total de 1ohm, agora FA=8/(0.053+1) que é case o mesmo que 8/1, có que agora FA=8; o que significa que de cada nove partes de potencia, unha consúmese antes de chegar á carga e oito na carga. De 100W, só 88.8 se consumen na carga.

O Factor de Amortiguamiento relaciónase coa capacidade do amplificador de controlar o altofalante en baixas frecuencias, debido ás tensións provintes do bobinado do altavoz nos grandes desprazamentos. Ao igual que para mover un altofalante de graves fai falta moita tensión, a tensión producida pola forza contraeletromotriz que se xera na bobina ao atravesar o campo magnético, tamén é alta. Por este motivo, o Factor de Amortiguamiento afecta especialmente en baixas frecuencias.

Se o amplificador ten a súa saída un valor de damping baixo, as tensións a súa saída provintes do altofalante cancelarán as que el xera, co que non poderá controlar ben o altavoz. Canto maior sexa o valor del Factor de Amortiguamiento, en mellores condiciones (con menos cancelacións) chega a sinal que xera o amplificador ao altavoz. Resumindo, o Factor de Amortiguamiento en canto a perdas de potencia refírese, afecta a todas as frecuencias. Respecto ao control dos altofalantes afecta basicamente ás baixas frecuencias.

Rendemento: Este dato informa de canta enerxía entrega a súa saída(cable + altofalantes) a etapa de potencia, de toda a que consume. A parte de enerxía que non sae consúmese en forma de calor. A maior parte deste calor prodúcese na etapa de potencia, que é a que manexa grandes tensións e intensidades. Para que o exceso de calor non a dañe, empréganse disipadores de calor e ventiladores para forzar o fluxo de aire. Para instalacións grandes do tipo de megafonía ou escenarios que dependen de grupos electróxenos autónomos, ou rendimento é un factor importante na elección do modelo das etapas de potencia que se emplearán. Tamén sóense dar outros valores que definen a calidade do equipo. Os máis típicos, dos que non se nombraran arriba, son a Diafonía (crosstalk) e a Relación señal-ruido.

Tipos de etapa[editar | editar a fonte]

Os amplificadores de potencia clasifícanse en función do tipo de elemento modulador que levan na etapa de potencia ou de saída. Este elemento é o encargado de deixar pasar a corrente eléctrica procedente da fonte de alimentación, en función da tensión que recibe da etapa anterior (driver). É unha especie de grifo que se abre y se pecha ao ritmo da sinal de entrada, deixando pasar máis ou menos corrente á carga.

Á súa vez, o dispositivo modulador, pode ser de varios tipos en función da súa configuración. Os dispositivos moduladores son o corazón do amplificador de potencia e están basados nun ou varios transistores. Estes transistores poden estar asociados de distintos modos: normal (un único transistor), paralelo ( conséguese maior corrente máxima de saída), serie ( conséguese maior tensión máxima de saída) e darlington ( conséguese maior ganancia). Independentemente de como estea configurado o dispositivo modulador, as etapas clasifícanse segundo o número e disposición de dispositivos moduladores. A clasificación é a seguinte:

  • Clase A: un só dispositivo modulador. Só produce distorsión pola alinealidade do dispositivo. Esta clase é máis teórica que práctica porque non se implementa nas etapas reais porque dan pouca potencia e baixo rendemento.
  • Clase B: : dous dispositivos moduladores en modo push-pull, un conduce os ciclos positivos e outro os ciclos negativos. Produce a distorsión anterior máis distorsión de cruce, cando se pasa dun ciclo positivo a un negativo. Mellora a potencia pero empeora o rendemento. Esta clase tampouco se implementa.
  • Clase AB: é unha clase B pero mellora a polarización dos moduladores para diminuír a distorsión de cruce, a costa de aumentar o consumo enerxético. Consumen aproximadamente o dobre do que subministra.

Existen outros tipos de clases A, que se basean en melloras da rede de polarización para mellorar a distorsión de cruce.

  • Clase C: un, dous ou catro dispositivos moduladores, cada un conducindo nunha parte do ciclo. Se ten dispositivos moduladores, cada un conduce 1/n de ciclo. Elevada distorsión pero gran rendemento. Úsase para sinais de banda estreita. Era típico en radiofrecuencia, pero agora usan do tipo AB.
  • Clase D: dous ou cuatro dispositivos moduladores que amplifican sinal PWM (sinal cadrada). Despois fíltrase paso baixo a sinal amplificada. Destacan pola mellora do rendemento e a nova filosofía de traballo. A súa forma de traballo consiste en modular o ancho dos pulsos (ciclo de traballo) dunha onda cadrada (portadora), coa sinal de entrada (fai de moduladora); a continuación amplifícase a sinal modulada resultante e finalmente fíltrase paso baixo para volver a obter unha sinal banda base. Tamén coñécese como a amplificación dixital.
  • Clase E e G: : son a mesma clase pero denomínanse distinto en Europa e en USA. É unha clase AB pero con dous tensións de alimentación e un dispositivo de interconexión automático que usa unha tensión de alimentación para sinais baixas e outra para sinais altas. Con isto mellórase o rendemento que tiña a clase AB, xa que con sinais débiles, consúmese moita menos potencia.
  • Clase H: son como as clases E e G pero incorporan máis tensións de alimentación para mellorar aínda máis o rendemento. Nas especificacións dunha etapa de potencia atópase facilmente a clase á que pertencen. Sen embargo é menos común encontrar o dato de como se montan os transistores, en paralelo, darlington... Outro dato que soe aparecer é o tipo de transistor utilizado, sobre todo cando se trata de transistores de efecto de campo ou FET (Field Effect Transistor), tanto J-Fet como Mos-Fet. Os transistores Fet destacan frente aos Bipolares comúns polo seu reducido ruído e distorsión, además de outras características que os fan "mellores" para o seu uso en amplificadores de potencia.
  • Clase Mosfet: son as siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste nun transistor de efecto de campo baseado na estrutura MOS. É o transistor máis utilizado na industria microelectrónica. Practicamente a totalidade dos circuítos integrados de uso comercial están baseados en transistores MOSFET

Conexión[editar | editar a fonte]

Nos amplificadores ou etapas de potencia dedicados ao audio se ten que dar a adaptación en tensión, que consiste en que a resistencia de saída sexa moito menor que a resistencia da carga. Tendo en conta que a impedancia nominal dos altofalantes pode ser de 2Ω , 4Ω , 8Ω , ou 16Ω (xeralmente 8Ω ), a resistencia de saída da etapa de potencia ten que ser moi pequena.

A relación entre resistencia da carga ou impedancia nominal do altofalante, e impedancia de salida do aparato, denomínase Factor de amortiguamiento (F.A.) calcúlase: F.A. = Rcarga / Rsalida. En audio profesional búscase que F.A. sexa maior de 100.

Nas etapas de potencia dedicadas a radiofrecuencia se ten que dar a adaptación en potencia, o que significa que a impedancia de saída da etapa, a impedancia de a carga e a impedancia nominal do cable han de ter o mesmo valor. Isto é debido ás altas frecuencias que se manexan en radiofrecuencia (varios MHz), mentres que en audio, trabállase en banda base (ata 25 KHz), que comparando con radiofrecuencia, equivale a moi baixa frecuencia. O caso extremo de desadaptación en potencia equivale a carga desconectada (impedancia infinita), neste caso, xérase unha onda estacionaria no interior do cable que provoca á saída do amplificador unha tensión dúas veces a orixinal, co que a etapa de potencia corre serio perigo de avaría. Aínda que estas precaucións só son necesarias para radiofrecuencia, é aconsellable non deixar unha etapa de potencia traballando sen carga para evitar danala.

  • Modo Bridge ou Ponte: Este modo de traballo permite a aquelas etapas estéreo que están deseñadas para iso, traballar con unha soa carga. O que se fai é conmutar internamente as saídas ( - ) de cada canal de saída mediante un interruptor do modo bridge. O usuario ten que conectar os bornes da carga ás dúas saídas activas ( + ) de cada canal. Deste modo, se cada canal entregaba 200W, agora entregaranse 400W a unha soa carga ou altofalante. Aínda que a conexión é sinxela, hai que asegurarse que a etapa está deseñada para soportar este tipo de traballo antes de conmutar os negativos "a man" e poñer os positivos á carga, xa que se pode estar condenando o aparato. Neste modo de traballo, un canal amplifica os semiciclos positivos e o outro os negativos.

Como se explicou antes as cargas poden ter valores desde 2 Ohm a 16 Ohm, ou superior (a etapa pode sobrecargarse ao reducir a carga, non ao aumentala). A potencia que entrega a etapa de potencia é depende da carga á que estea conectada, como se mencionou, P = V2/R. Deste modo e en teoría, se se reduce a carga á metade, aumenta a potencia entregada ao dobre.

No caso de traballo en modo bridge ou ponte, volve a suceder algo parecido, a 8 Ohm da un pouco menos do esperado. Pero cando se baixa a carga á metade (4 Ohm), non da o dobre, xa que outra vez a fonte de alimentación limita a potencia máxima. Como queda demostrado, a fonte de alimentación é a que limita a potencia máxima que pode entregar unha etapa ou amplificador de potencia, de aí a importancia de que esta estea ben calculada. Xeralmente ponse fontes de alimentación capaces de subministrar máis da potencia nominal a 8 Ohm , para poder abastecer a demanda de enerxía cando a carga cae á metade ou á cuarta parte. Por outro lado, se logo o amplificador de potencia non se usa máis que con 8 Ohm, estánse desperdiciando recursos e diñeiro. Por este motivo se chega a unha solución de compromiso que da como resultado os valores de potencia real subministrados na táboa.

Cando os dous canais comparten a fonte de alimentación, téñense que repartir a potencia que esta entrega. Unha picardía empregada a veces (sobre todo en amplificadores domésticos) é medir a potencia que entrega un canal cando o outro non está amplificando, co que toda a potencia da fonte de alimentación dedícase só ao canal medido. Se temos que as especificacións din "potencia por canal = 100W", pode que os dous non podan entregar os 100W á vez porque a fonte de alimentación non chega a subministrar os 200W. En calquera caso, en etapas de potencia profesionais non se soen dar estas estrataxemas, xa que se indica o método de medida empregado ou ben trátase de grandes casas nas que se pode confiar.

Só queda apuntar dúas cousas máis. Unha é que os cables que conectan etapa de potencia e carga (altofalantes ou filtros), teñen que estar dimensionados acorde coa intensidade que circulará por eles. Ademais, canta maior calidade teña o cable, menor resistencia presentará e menor potencia consumirase no mesmo. Os cables de potencia non necesitan apantaxamento xa que o ruído que se pode introducir por indución é desprezable comparado coas altas tensións (e correntes) que circulan por el.

Outro factor a ter en conta son as conexións. Sóense usar conexións seguras que protexan á persoa de descargas e ao aparato de curtocircuítos. Por este último motivo non se usan conectores tipo Jack, xa que ao sacalos ou introducilos, hai un momento no que se conectan os polos positivo e negativo; se nese momento o amplificador de potencia está acendido e traballando, pódese queimar a etapa de saída. Os conectores máis usados son XLR Macho ou SPEAKON.