Etapas de potencia (Básico I)
Los amplificadores o etapas de potencia, son los equipos encargados de hacer trabajar a las cajas acústicas.
Cuando una señal de audio ha sido mezclada, ecualizada y procesada para obtener un nivel estándar de línea, es enviada al amplificador que se encarga de incrementar la potencia de la señal hasta obtener el nivel de sonido deseado de los altavoces, idealmente, sin variar la forma de onda de la señal original.
Un altavoz es un dispositivo electromagnético que convierte corriente eléctrica en movimiento a frecuencias de audio.
Necesitamos aquí hacer ciertas consideraciones sobre el comportamiento de los altavoces:
- A causa del peso e inercias del cono y de las inevitables pérdidas por resistencia en la bobina, es necesario utilizar bastante potencia para producir un nivel alto de sonido.
- El movimiento del cono es proporcional a la corriente que circula por la bobina del altavoz.
- El aumento de temperatura en los componentes del amplificador es también proporcional a la corriente y para hacer que la corriente circule, es necesario hacer que la diferencia de potencial aumente. Dado que los altavoces están fabricados habitualmente con una resistencia de bobina equivalente a 8 Ohm, el amplificador debe producir 8V entre bornas del altavoz para lograr que circule una corriente de 1A.
- En la realidad, la impedancia del altavoz es inductiva, por lo que tiene un comportamiento complejo ya que, por un lado, el movimiento del cono genera corrientes de retorno que pueden hacer que se incremente o disminuya la corriente que fluye desde el amplificador y por otro, a causa de las interacciones de la presión del aire dentro del recinto acústico, el movimiento del cono varía enormemente, de forma especial en la región de graves. Todo lo anterior hace que la impedancia equivalente del altavoz varíe entre 4 y 20 Ohm en función de la frecuencia de la señal aplicada.
La potencia de un amplificador
Un amplificador de 200W a 8Ohm está diseñado para entregar 40V y 5A y obtener así 200W sobre 8Ohm de carga. Si quisiéramos duplicar el desplazamiento del cono, tendríamos que doblar la corriente pasando de 5 a 10Amp y dado que la impedancia sigue siendo de 8Ohm, necesitaremos 80V para conseguir los 10A, lo que implica una potencia de 800W. Como puede verse, la potencia crece rápidamente cuando hablamos de altos niveles de sonido.
Cómo trabajan los amplificadores de potencia
Cualquier amplificador se basa en un convertidor AC/DC/AC, que toma la energía de la red eléctrica, con una amplitud y frecuencia constante y la transforma, siguiendo la señal de audio, en potencia sonora mediante el altavoz, con una amplitud y frecuencia variables. La salida debería ser una réplica exacta, con mayor amplitud, de la señal de línea suministrada.
Lo primero que necesitamos para llevar a cabo este cambio es una buena fuente de alimentación. Este primer subsistema recibe la alimentación alterna de la red eléctrica, aísla los circuitos de audio de sus fluctuaciones, aumenta o disminuye la tensión alterna para adaptarla a las necesidades del amplificador, convierte la corriente alterna en continua y almacena energía para su uso cuando sea necesario.
El otro subsistema fundamental es la sección de salida. Se trata de una circuitería electrónica que acepta la señal de audio a nivel de línea y la utiliza para controlar transistores o válvulas de alta potencia. Es la encargada de convertir la energía almacenada en la fuente de alimentación, en una señal de audio de alta potencia que sea una réplica magnificada de la señal de entrada.
Limitaciones de los amplificadores
Todo amplificador tiene un límite máximo de potencia que viene establecido por el hecho de que la tensión de salida nunca puede superar a la tensión máxima continua suministrada por la fuente de alimentación. Si la señal alcanza este nivel, “toca techo”, se produce el efecto “clipping” o recorte, que resulta de un “aplanamiento” de los picos de señal y el característico sonido roto de un amplificador saturado. Para evitar este efecto es necesario aumentar la fuente de alimentación, lo que supone un incremento de peso y de precio.
Los amplificadores tienen un nivel mínimo de impedancia de salida que debe ser menor o igual a la impedancia del altavoz conectado. Cuanto más disminuye la impedancia del altavoz, más corriente circula procedente del amplificador. Hasta un cierto punto, la potencia del amplificador se incrementa conforme disminuye la impedancia de la carga, sometiendo a un alto stress a los componentes del amplificador y a su fuente de alimentación, lo que puede ocasionar su fallo si sobrepasamos el nivel mínimo de impedancia.
Las etapas de potencia, idealmente, deberían ser lineales y reproducir todas las frecuencias de audio, desde la mayor a la menor, con igual amplificación. Si la ganancia en bajas frecuencias cae, el sonido parecerá agudo y falto de pegada, si por el contrario lo que tenernos es una pérdida en altas frecuencias, el sonido será opaco y sin brillo. La mayoría de los amplificadores actuales tienen una respuesta en frecuencia casi plana, incluso algunos modelos limitan intencionadamente su respuesta para proteger los altavoces de un exceso de potencia en frecuencias inaudibles.
En el próximo artículo analizaremos en mayor profundidad cada uno de los subsistemas electrónicos que componen una etapa de potencia. Veremos las distintas aproximaciones que los fabricantes hacen para solucionar los problemas de carga relacionados con la fuente y las configuraciones de finales, con sus pros y sus contras.
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