Etapa de potencia

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

O sinal eléctrico 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 os altofalantes con tensións de decenas de voltios (V) e correntes de varios amperios (A). O sinal de liña que entra ao amplificador mídese en miliwatios, é dicir, ten unha potencia máis de 1 000 veces maior que a que terá na saída. O produto da voltaxe pola intensidade de corrente^{[Ligazón morta]}, 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 a toma 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 unha etapa profesional, é menor que a que dá 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 controis de ton. A típica etapa de potencia terá unha tecla de acendido, un par de controis 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

Control de entrada: é o punto onde chega o 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 do sinal de entrada antes de pasalo ao driver. Os mandos que controlan a potencia de saída traballan sobre esta etapa.
Driver ou excitador: é o encargado de excitar a etapa de potencia. Para isto, amplifica moito o sinal que recibe do control de entrada para elevar moito a súa voltaxe antes de pasalo á etapa de potencia.
Etapa de potencia ou de saída: pola súa importancia dá nome a todo o conxunto. É a encargada de dotar de potencia ao sinal. O sinal que recibe ten moita voltaxe pero moi pouca intensidade. Esta etapa é a que proporciona varios amperios de intensidade de corrente eléctrica ao sinal, porén, 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 consome. Esta é a etapa que ataca o altofalante, onde se consome 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 poida ser usada polas distintas etapas. Estas fontes de alimentación acostuman 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 adoita 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 sofisticadas 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 poden e acostuman encontrarse son:

Protección electrónica fronte a curtocircuíto e circuíto aberto.
Protección térmica para transistores de saída e transformador.
Protección contra tensión continua.
Protección contra sobrecarga.
Protección contra transitorio de acendido.

Ademais adoitan incorporar unha luz de aviso de protección activada e outra de clipping, que se acende 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 fóra 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 o amplificador é capaz de proporcionar á carga nominal (normalmente 8 ohmios), con ambas as canles excitadas simultaneamente nunha marxe de frecuencias de 20 Hz a 20 KHz e cunha distorsión harmónica THD menor que a determinada. O sinal que se utiliza para esta medida é un tono sinusoidal puro de 1 000 Hz. Isto significa que se excitan ambas as canles con 1 KHz, á saída conéctase a carga correspondente segundo o fabricante e sóbese a potencia ata que a THD chega á indicada polo fabricante; entón alcanzouse a potencia nominal. Debido a que o sinal musical que adoitan excitar os amplificadores teñen pouco que ver co sinal sinusoidal usado 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 curtos de tempo. Un dos sinais propostos como sinal utilizado é unha sinusoide^{[Ligazón morta]} 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 a 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. Isto 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 se acostuma 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^{[Ligazón morta]} do equipo, mellor será este. O problema que se dá cando o equipo ten un slew rate insuficiente, é que non pode seguir as variacións grandes de sinal, provocando o efecto de triangulación^{[Ligazón morta]}, é dicir, deformando o 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 do 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 se coñece o valor da mesma (R ohmios) e se mide 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 e 50 Ohmios (W). En son, 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 (da orde 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. Trátase 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 consumirase no altofalante. A intensidade de corrente é a mesma para as dúas cargas xa que están en serie, por tanto, a de maior valor consumirá máis potencia.

Factor de amortecemento: O factor de amortecemento e o damping factor (DF) son a mesma cousa. É a 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. Adóitase tomar o valor nominal, que é só resistivo. O que fan moitos fabricantes é dar o Damping Factor^{[Ligazón morta]} para un valor concreto de resistencia de carga. Por exemplo, FA=150 para recarga = 8 ohms a 1 kHz. Co cal pódese despexar que a impedancia de saída a 1 kHz 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 consome 150 veces o que consome a saída da etapa ou 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 saída da etapa hai cable, a resistencia deste ha de engadirse á impedancia de saída da etapa para obter o novo valor do factor de amortecemento. Un cable malo terá un valor de resistencia alto, que se multiplicará polos metros de cable, facendo que diminúa o factor de amortecemento. 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, co que agora FA=8; o que significa que de cada nove partes de potencia, unha consómese antes de chegar á carga e oito na carga. De 100W, só 88,8 se consomen na carga.

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

Se o amplificador ten á súa saída un valor de damping baixo, as tensións á súa saída provenientes do altofalante cancelarán as que el xera, co que non poderá controlar ben o altofalante. Canto maior sexa o valor do factor de amortecemento, en mellores condicións (con menos cancelacións) chega o sinal que xera o amplificador ao altofalante. Resumindo, o factor de amortecemento en canto a perdas de potencia se refire, afecta a todas as frecuencias. Respecto ao control dos altofalantes afecta basicamente ás baixas frecuencias.

Rendemento: Este dato informa de canta enerxía entrega á súa saída (cable + altofalantes) a etapa de potencia, de toda a que consome. A parte de enerxía que non sae consómese 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 dane, 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, o rendemento é un factor importante na elección do modelo das etapas de potencia que se empregarán. Tamén se acostuman dar outros valores que definen a calidade do equipo. Os máis típicos, dos que non se nomearon arriba, son a Diafonía^{[Ligazón morta]} (crosstalk) e a relación sinal-ruído.

Tipos de etapa

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^{[Ligazón morta]} procedente da fonte de alimentación, en función da tensión que recibe da etapa anterior (driver). É unha especie de billa que se abre e se pecha ao ritmo do 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 baseados 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^{[Ligazón morta]}, un conduce os ciclos positivos e outro os ciclos negativos. Produce a distorsión anterior máis distorsión de cruzamento, 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 cruzamento, á custa de aumentar o consumo enerxético. Consomen 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 cruzamento^{[Ligazón morta]}.

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^{[Ligazón morta]} pero gran rendemento. Úsase para sinais de banda estreita. Era típico en radiofrecuencia^{[Ligazón morta]}, pero agora usan do tipo AB.
Clase D: dous ou catro dispositivos moduladores que amplifican sinal PWM (sinal cadrado). Despois fíltrase paso baixo o sinal amplificado. 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), co sinal de entrada (fai de modulador); a continuación amplifícase o sinal modulado resultante e finalmente fíltrase paso baixo para volver a obter un sinal banda base. Tamén se coñece como a amplificación dixital.
Clase E e G: son a mesma clase pero denomínanse distinto en Europa e en EUA. É unha clase AB pero con dúas tensións de alimentación e un dispositivo de interconexión automático que usa unha tensión de alimentación para sinais baixos e outra para sinais altos. Con isto mellórase o rendemento que tiña a clase AB, xa que con sinais débiles, consómese 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. Porén é menos común encontrar o dato de como se montan os transistores^{[Ligazón morta]}, en paralelo, darlington... Outro dato que adoita 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 fronte aos bipolares comúns polo seu reducido ruído e distorsión, ademais doutras 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^{[Ligazón morta]}. É o transistor máis utilizado na industria microelectrónica. Practicamente a totalidade dos circuítos integrados de uso comercial están baseados en transistores MOSFET.

Conexión

Nos amplificadores ou etapas de potencia dedicados ao son tense 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 saída do aparato, denomínase factor de amortecemento (F.A.) calcúlase: F.A. = Rcarga / Rsaída. En son profesional búscase que F.A. sexa maior de 100.

Nas etapas de potencia dedicadas a radiofrecuencia tense que dar a adaptación en potencia, o que significa que a impedancia de saída da etapa, a impedancia da 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 son 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 cunha 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 de 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 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 dá un pouco menos do esperado. Pero cando se baixa a carga á metade (4 Ohm), non dá 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 dá 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 ás 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 se dedica só ao canal medido. Se temos que as especificacións din "potencia por canal = 100W", pode que os dous non poidan 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 acostuman dar estes estrataxemas, xa que se indica o método de medida empregado ou ben se trata 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 se consumirá 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. Adóitanse usar conexións seguras que protexan a persoa de descargas e o 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.