Introducción
Este post esta dirigido a cualquier usuario,tanto avanzado como no,aquí veremos que función desempeña un Amplificador,como funcionan y que tipos existen.Iremos viendo desde básico a mas avanzado.
DISCLAIMER:
El material mostrado aquí es con fin educativo, las imágenes publicadas aquí son una recopilación de distintas fuentes.
Electrónica Básica,Partes
Electronica Basica Parte 1 Los componentes
Electronica Basica Parte 2 Teoria Electrica y Leer Esquemas
Electronica Basica Parte 3 Como Soldar
Formato del Post
Las cosas escritas en NARANJA son importantes y se recomienda leerlas.
Las cosas escritas en AZUL son de menor importancia.
Recomiendo leer el post completamente,como siempre.
Como funcionan los amplificadores
Concepto básico
Concepto según Wikipedia:
"Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este cuya función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa."
Características según Wikipedia:
"La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia de la misma para cada frecuencia. Es habitual mantener un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud de entrada.
El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacío todavía suelen utilizarse en algunos amplificadores especialmente diseñados para audio, preferida en algunos estilos musicales por su respuesta en frecuencia, o en amplificadores de alta potencia en radiofrecuencia. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como los amplificadores de instrumentación."
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Pequeño Resumen:
El amplificador es un dispositivo construido principalmente con Transistores o Válvulas de vacío,en la actualidad se usan Transistores por su bajo coste y voltaje relativamente bajo de funcionamiento.
Este dispositivo aumenta la señal de salida sobre la de entrada,esta potencia la obtiene de una fuente de alimentación.También he de aclarar que existen amplificadores de todo tipo,no solo de audio pero aquí solo trataremos de audio.
Si quieres leer mas de este tema,articulo completo de Wikipedia aquí.
¿Como se mide la potencia de salida del Amplificador?
Existen dos medidas,R.M.S y P.M.P.O.
R.M.S
De sus siglas en inglés “Root Mid Square” (Raíz cuadrada media), este valor representa un nivel medio y constante de potencia que da un amplificador. Es un valor científicamente comprobable y se basa en una fórmula matemática.
P.M.P.O
De sus siglas en inglés “Peak Music Power Output” (Salida de potencia de picos), este valor representa el máximo nivel de potencia que puede soportar un amplificador durante unos instantes, por ejemplo un punto culminante del tambor de una batería.
Conclusión y aclaraciones sobre la Potencia
Primero que todo decir que siempre deben guiarse por la potencia RMS y no la PMPO,la potencia PMPO no se puede lograr ni con Trash Metal,es mas,ni con Grunge.Si esta potencia fuera lograda probablemente saltaría tu disyuntor gracias a las leyes de la termodinámica.
Por otro lado,RMS es una potencia confiable y constante,si les parece que los Amplificadores que se publican en internet son de "muy poca potencia" probablemente están siendo guiados por los PMPO,daremos un pequeño ejemplo aquí:
Si tenemos un amplificador medido en PMPO (Esta lo sabemos por que lo debe especificar o directamente no lo dice) y dice que es de "400W" vamos a dividir ese lindo valor por 20 aproximadamente para obtener la potencia real, 400/20 = 20,ahora tenemos aproximadamente 20W RMS,lo mismo que nos daría un TDA2050 y TDA2052 en una ganancia baja y con sonido excelente.
(Diminuto TDA2050).
Probablemente la mayoría de la gente compraría un amplificador de "400W PMPO" por digamos 100 dolares,mientras pueden comprar uno "100W RMS" por solo 80 dolares(Estos valores son solo un ejemplo,pero son fieles a la realidad lamentablemente). En el afán de presumir quien la tiene mas grande se olvidan del sentido común y de informarse.
Algunos fabricantes de parlantes también usan la potencia PMPO,mucho cuidado al comprar parlantes fíjense que sean RMS.
Aquí esta el truco de los vendedores expuesto,si quieren saber el valor de su amplificador en PMPO solo basta con multiplicarlo por 20,yo siempre especifico los valores de mis proyectos en RMS.
Atención;digo aproximadamente ya que este valor puede subir o bajar,no se sabe con exactitud como se mide PMPO y cada fabricante lo hace de forma diferente,el estándar es el que yo especifico aquí.Por ejemplo el fabricante de parlantes AIWA no exagera tanto este valor.
¿Que es una Fuente de Alimentación?
(Imagen de Construya su Video Rockola,es el mejor ejemplo que encontré y les recomiendo visitarlos http://www.construyasuvideorockola.com)
Una fuente de Alimentación se encarga de suministrarnos la potencia necesaria para hacer funcionar cualquier aparato al que este conectado,este reduce el Voltaje y Corriente hogareñas,por ejemplo reduce de 120V 60Hz CA a 19V 3A 120Hz CA. Una vez rectificamos el valor hacia Corriente Continua este subirá a aproximadamente 25V con 3A.
Existen Simétricas (Voltaje Positivo,Voltaje Negativo y tierra) y normales (Voltaje positivo y Tierra).
La fuente debe estar bien filtrada o el ruido HUM se escuchara en la salida.
La fuente consiste de un puente rectificador de diodos,capacitores. Adicionalmente se puede incluir un regulador y un sistema de protección para mejorar el sonido y proteger nuestro aparato. La protección suelen ser de uno hasta doce fusibles. El regulador puede ser un simple LM7820 o un Zener con un Transistor,también hay mas métodos de regulación pero no son tan usados.
Relación potencia salida y potencia de Alimentación.
La potencia de salida no puede ser mas alta que la de alimentación,hablando en RMS un amplificador no puede tener mas de "1,200.000W RMS" ya que saltaría el disyuntor de cualquier casa,es mas,solo bastaría con unos 1.200W RMS para que las bombillas de nuestras casas bajen la intensidad.
Digamos que si tengo una fuente de 50W y un amplificador de 50W RMS si este fuera "ideal" (Rendimiento 100%(Eficiencia)) este funcionaria perfectamente,pero en la "practica" el rendimiento varia,la mayoría de las veces seria de 60% a 75% por lo que necesitaremos una fuente que nos de mas potencia que la potencia de salida deseada,en estos casos recomendaría 75W,los que a 20V serian 3.75 Amperios.
Formula:
I = P/E
Donde I = Intensidad (Amperios),P = Potencia (Watts) y E= Voltaje (Volts).
Con esta sencilla formula podemos ver que fuente necesitamos para el amplificador,vemos que tan eficiente es y le sumamos lo que le falta para el valor,normalmente es mucho mejor estar un poco por arriba del valor necesitado en Amperios pero no Voltaje.Como por ejemplo saltar de 3.75 A hasta 4 A para un correcto funcionamiento. Pronto estaré publicando otro post sobre fuentes de alimentación donde trataremos el tema mas a fondo.
Que es la Ganancia y que es el Volumen
Para este ejemplo quería mostrar una simulación pero resulta que perdí mis archivos de circuitos que tenia en un disco duro de 1 TB el cual saco la mano.Gracias a esto tratare de representarlo lo mejor posible,como se me acaba de ir la pereza pondré ejemplos reales.
Ganancia
Se podría decir que la ganancia es la relación de amplificación entre dos señales,en Azul vemos la señal de entrada a un amplificador y en Rojo vemos la señal de salida. Vamos a llamar a esta diferencia Ganancia y la vamos a medir en Decibeles (dB),se le apoda "Factor de Amplificación".
Volumen
El volumen es lo que llamamos a un sonido fuerte en diferencia a uno bajo,dejémoslo así para simplificar,existen muchos factores que lo afectan como la distancia,presión y hasta nuestros propios oídos.(No confíes en nadie,ni si quiera en tus propios oídos,si vas a confiar en alguien que esas sean las ciencias exactas.)
ALERTA DE CHISTE:
Perdonen,tenia que hacerlo.
Ejemplos y Relación
Condiciones de la simulación;200mV 1KHz entrada,Ganancia ajustada en 3 máximo,VR1 es 30K,VR2 es 5K,TL081 en Inverting.
Figura 1.
La señal azul es salida,la roja entrada.
En la figura 1 vemos como tenemos la ganancia en 50% por VR1 y el volumen en 50% por VR2.La onda es un poco mas grande.
Figura 2.
Ahora en la figura 2 tenemos ambos potenciómetros a máximo,Ganancia y Volumen máximo mostrando la máxima potencia,600mV.
Figura 3.
Ahora vemos que la ganancia esta al máximo y el volumen a la mitad,obtenemos 400mV.
Figura 4.
Ahora en la figura 4 tenemos la ganancia casi en la mitad y el volumen en máximo.
¿Conclusión?; Con la ganancia podemos controlar el volumen máximo del amplificador,digamos que si tenemos unos parlantes de 50W y el Amplificador es de 100W si subimos el volumen mas de la mitad estos explotarían,por lo que bajamos la ganancia a la mitad y tenemos ahora un Amplificador de 50W.
(Estas imágenes fueron innecesarias,lo se,pero me anime)
Tipos de Amplificadores
Aquí trataremos los tipos de amplificadores entre Transistores,Integrado y Válvulas de Vacío.Como ya sabemos que es ganancia y volumen puedo usar el termino libremente.
Integrado o Circuito
Como mi objetivo no es mal informar gente,quiero que quede muy en claro por lo que seré breve.
El integrado o circuito es un Amplificador a Transistores Encapsulado,sus patas suelen ser para Voltaje Positivo,Negativo,Tierra,Entrada Señal,Salida Señal y las de Ganancia.Las ventajas de este es su reducido tamaño y placa de fácil diseño,las desventajas serian que se calientan bastante y solo tenemos un punto para disipar ese calor,también que aveces no son de la mayor calidad deseable.
Su distorsión puede llegar a ser alta.
Transistores
(Esta imagen pertenece a un PCB del Sinclair Z30)
A estos se le llaman "Transistorizados y Transistorized",sus esquemas suelen ser desde simples a complicados dependiendo de la potencia,utilizan muchos componentes externos y algunos placas PCB grande.La mayor ventaja de estos es el control TOTAL de casi todos los aspectos,ganancia,voltaje,transistores,valores de resistencias, además el calor generado puede ser disipado en distintos puntos como vemos arriba haciéndolo mas frío y resistente.
Otra gran ventaja es su poca distorsión si son diseñados y hechos correctamente. También diré que los encapsulados (integrados) están compuestos de estos amplificadores empaquetados.
Válvulas de Vacío
(Válvula Termoiónica)
Sobre este tema existe un poco de "masoquismo" ya que estos amplificadores son caros de hacer y algunos aseguran que su sonido es "Excelente",estas añaden un poco de distorsión al sonido,pero es una distorsión que casi todos consideran "agradable y cálida". El problema de estos es su precio y además Potencia que necesitan para funcionar,ya se consideran obsoletos por lo que el precio de cada válvula y de los amplificadores están por las nubes.
Estos necesitan un Voltaje en su Calentador para funcionar y luego de unos segundos funcionara,su sonido es agradable pero yo no lo encuentro lo suficientemente especial como para que valga la inversión.
La Distorsión y Usted
GIF
Según Wikipedia:
"Se entiende por distorsión la diferencia entre la señal que entra a un equipo o sistema y la señal que sale del mismo. Por tanto, puede definirse como la "deformación" que sufre una señal tras su paso por un sistema. La distorsión puede ser lineal o no lineal. Si la distorsión se da en un sistema óptico recibe el nombre de aberración."
Resumen:
La distorsión se define como la deformación de la señal de entrada según la de salida,arriba vemos un ejemplo de lo que parece ser una distorsión de alrededor del 20%. La distorsión si es audible,la mayoría de la gente asegura que menos es mejor,a algunos les gusta lo que genera en algunos tipos de musica.
Tus oídos deben ser lo suficientemente sensibles como para escucharla,pero normalmente puede sentirse.
Clases de Amplificadores
Clase A
Esquema de un amplificador transistorizado clase A.
Según Wikipedia:
"Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión.Son amplificadores que trabajan con la onda completa.
Tiene una corriente de polarización igual a aproximadamente la mitad de la corriente de salida máxima que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consiste en tres transistores de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del negativo al positivo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil."
Resumen:
Los Amplificadores clase A consumen bastante Corriente por lo que también Potencia resultando en poca eficiencia,estos normalmente solo trabajan con transistores NPN o PNP para toda la onda senoidal.Cuando no están en uso siguen consumiendo potencia.
Clase B
Esquema de un amplificador transistorizado clase B.
Según Wikipedia:
"Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio.
Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización infinita. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la señal de salida cruza por su nivel de cero volt a.c. y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen."
Resumen:
La Clase B,mas llamada "Push Pull" es caracterizada por amplificadores altamente eficientes,además de usar dos transistores,PNP para la mitad de la onda negativa y NPN para la positiva,luego se unen a la salida para formar una completa,estos tienen algo llamado "Distorsión de cruce",este fenómeno añade un poco de distorsión y se genera por que un transistor funciona mas rápido que el otro o no están bien configurados,este fenómeno no se puede eliminar pero si se puede suprimir a niveles inaudibles. Si no recibe señal de entrada no consume casi nada.
Clase C
Esquema de un amplificador transistorizado clase C.
Según Wikipedia:
"Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga.
El amplificador clase «C» es exclusivo de «RF». Utiliza como «carga» un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el elemento activo conduce menos de 180º, de una señal senoidal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia."
Resumen:
Tengo poca experiencia con estos amplificadores ya que solo se usan para señales RF,es de alto rendimiento y no amplifica la onda completa,solo la parte que le especifiquemos.Si le administramos señal de audio podremos escucharla amplificada pero de una manera peculiar,con una distorsión casi total,el equivalente de volver a cualquier musica grunge.
Clase AB
Según Wikipedia:
"Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B.
Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una gran corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al máximo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción."
Resumen:
Básicamente un híbrido entre A y B,altamente eficiente pero a la vez consumen bastante,la distorsión de cruce se suprime un poco mas,en vacío sigue consumiendo corriente pero esta ya es casi mínima por lo que su eficiencia es mas que aceptable,buena.
Clase D
Esquema de un Amplificador Clase D.
Advertencia; si no te gusta romperte la cabeza no es necesario leer este,este tipo de amplificadores son los usados actualmente,difíciles de hacer pero terriblemente eficientes.(Contar que menos eficiencia es equivalente a mas calor).
Según Wikipedia:
"Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95% (teóricamente entre el 90% y el 100%), lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor , y por tanto el tamaño y peso general del circuito.
Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de la clase AB.
Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento.
Esta señal conmutada puede generarse de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser al menos 10 veces superior al ancho de banda de la señal.
Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten y evitar, así, que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM."
Resumen:
Sean bienvenidos al presente,la tecnología llego a tal punto que no es necesario disipar calor con cosas gigantes y un amplificador de 1000W RMS mide solo 5 x 5 CM.Eficiencia tan alta que llega a ser casi 1:1,distorsión igual de baja que un clase AB,pero,por que siempre esta el pero.
Pero genera radiación electromagnética,están llenos de bobinas y necesitan un diseño minucioso ya que puede interferir con virtualmente todo lo cercano,si quieren construir uno necesitaran un medidor de inductancia,un multimetro de alta precisión,un osciloscopio,un generador de funciones y por ultimo mucha paciencia.
Estos no los recomiendo para gente que lo hace por hobby,no mas con nombrar las herramientas se ve fuera de su alcance,si trata de simularlo en una protoboard probablemente no obtenga el mismo resultado que en la PCB por lo que puede llegar a ser extremadamente engañoso y requerir muchos diseños diferentes y pruebas.La única vez que diseñe uno necesito catorce diseños exactamente y pude reducir la distorsión a 1.7% y la radiación hacerla casi nula.No volví a intentarlo por el coste de hacer tantas placas.
Conclusión "Final"
Llegamos al "Final" he de decir que si quieren comprar un amplificador o equipo de sonido usen RMS y busquen que tenga parlante de Medios,Woofer y Altos.
Digo "Final" porque tendrá una parte dos,donde romperé mitos del audio,les comentare que parlantes elegir y mas.
Teoría en la practica
Todas las situaciones que creamos en Teoría son solo teoría,en la practica pueden variar ya que existen muchos factores que determinan el funcionamiento de algo.
Siempre recomiendo hacer todo lo mas prolijo posible y verificarlo todas las veces necesarias.
Veras que mágicamente funciona.
Despedida y Notas Finales
Ahora, después de leer todo esto,(sin trampas,te vi) ya puede reconocer amplificadores y entrar al tema sin preguntarle a todos que significa cualquier cosa.
No había hecho mas posts no por falta de tiempo sino de ganas e ideas,si me dieran ideas podría hacerlos mas seguidos,claro,los puntos también me animan.(No es que me compre un Ford Carrera 911 con los puntos,pero siento que a la gente le es útil lo que escribo y no escribo para el aire)
Además de que perdí mis esquemas en el disco viejo,aun así seguiré aportándoles conocimiento.
Aclaro que todo lo escrito aquí es mio menos lo de Wikipedia,por favor no joderme con lo de "hurto".
¿No quieres perderte el próximo?,¡sígueme!.
Espero les haya gustado el post,si les sirvió comenten.Si no,también.
Hasta la próxima.
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