Internacional 243: Amplificadores de Audio

Saber Electrónica Nº 243 5

El Sonido

El sonido es una forma de ener-gía que se transmite desde el cuer-po que la irradia a través del medioque lo circunda, en forma de ondasde presión.

Hasta el siglo pasado, paraescuchar música era necesario dis-poner de los ejecutantes en el lugar,por lo que la buena música era caray obligaba a asistir a funcionesespeciales en teatros para tal propósito. Nuestra “EraTécnica” permitió ampliar y generalizar esta posibilidad.Alrededor de 1878, Thomas Alva Edison inventó el apara-to que hoy llamamos “fonógrafo” que puede considerarsecomo el puntapié inicial de los sistemas de registro y repro-ducción del sonido.

El avance de la técnica ha sido tal, que en la actualidadson muy pocos los hogares que no cuentan con aparatosde grabación y/o reproducción del sonido (grabadores,tocadiscos, centros musicales, CDs, etc.).

Como una primera aproximación podríamos definir elsonido como el movimiento vibratorio de los cuerpos quees transmitido a través de un medio elástico como el aire,en forma de ondas de presión; notemos que no sólo losgases sino también líquidos y sólidos transmiten el sonido.En los sólidos la propagación de las ondas se realiza enambas direcciones, es decir, longitudinal y transversal-mente.

Como fenómeno físico, el sonido puede definirse comola perturbación producida por un cuerpo que está vibrandodentro de un medio y que puede identificárselo por sucesi-vas variaciones de presión que provocan la generación delas denominadas “Ondas Sonoras” que se propagan a tra-vés de este medio transportando energía a una determina-da velocidad.

Por lo tanto, “sonido” es el movimiento vibratorio pro-ducido por un cuerpo y “sensación sonora” -no confundir-es el efecto que produce una onda sonora en el órganoauditivo.

¡Atención! para la producción de un sonido no sólo esnecesario que un cuerpo vibre, sino que hace falta unmedio material que permita la propaga-ción de la onda sonora. Quizás esto últi-mo pueda parecer extraño, pero sedemuestra fácilmente colocando unaradio dentro de una campana de vidrio. Sien el interior de la campana hay aire,desde el exterior se escuchará el sonidoemitido por la radio, aunque un poco ate-nuado (figura 1-a). Quitemos ahora el airecontenido en el interior del recipiente;notaremos que el sonido deja de percibir-

se ya que deja de existir el medio de transmisión del soni-do: “el aire” (figura 1-b).

Consideremos ahora una regla de acrílico común delas que usan los estudiantes, a la que sujetamos contra elborde de una mesa, con la mano (figura 2).

Con la otra mano doblemos la regla hacia arriba ohacia abajo y soltémosla; inmediatamente percibiremos unsonido (figura 3).

Vea que el medio que envuelve a la regla es el aire, talque al pasar la regla de la posición 1 a la 2, comprime elaire que se encuentra encima y enrarece (depresiona) elaire que se encuentra por debajo. Desde la posición 2 a la3 el camino recorrido es inverso y la situación se invierte(se comprime el aire por debajo de la regla y se expandeel que se encuentra por arriba).

Todos los puntos del recorrido de la regla experimenta-rán variaciones alternativas de presión que se puedenrepresentar como una onda senoidal, tal como se observaen la figura 4.

El lector ya habrá notado que la señal dibujada tieneforma de onda senoidal, la cual se caracteriza con varios

Artículo de Portada

6 Saber Electrónica Nº 243

Figura 1

Figura 2

Figura 3

parámetros, como ser: período, amplitudde pico, amplitud de pico a pico, valor ins-tantáneo, frecuencia, etc. Para facilitar elestudio recordemos la definición de cadauno de estos parámetros:

Amplitud de la vibración o valor de

pico

Es la distancia que existe entre el puntoen que la regla alcanza la máxima elonga-ción y la posición inicial de la misma (dis-tancia entre los puntos 1 y 2 de la figura 5).

Amplitud pico a pico de la vibración

Es la distancia que existe entre lospuntos en que la regla alcanza las máxi-mas elongaciones en ambos sentidos.

Amplitud instantánea

Es la amplitud que alcanza el movi-miento de la regla en un instante de tiem-po determinado respecto del valor dereposo.

Ciclo

Es el recorrido efectuado por la regla al pasar dosveces consecutivas por la posición 1 en el mismo sentido.

Período

Es el tiempo empleado por la regla en completar unciclo; se lo designa con la letra T.

Frecuencia

Es la inversa del período; es decir, es la cantidad deciclos que completa la regla en la unidad de tiempo, y se ladesigna con la letra f.

1f = ––––––

T

El sonido se propaga con velocidad constante, la cualsólo depende del medio en que se desplaza. Esto quieredecir que la longitud de onda de una señal que se despla-za en el tiempo dependerá del medio y se calcula como:

l = Velocidad de Propagación x Período

Recuerde que para una onda electromagnética, porejemplo, la longitud de onda se calcula como:

Vl = –––––––– = V x T

f

donde V es la “velocidad de la luz” y corresponde a lavelocidad de desplazamiento de dichas ondas (la luz escomo una gama de ondas electromagnéticas que pode-mos percibir con los ojos).

El sonido se propaga a una velocidad mucho menorque las ondas electromagnéticas. Podemos ver las veloci-dades que adquieren las ondas acústicas en la tabla 1.

También se puede definir el sonido como una perturba-ción del medio que, al llegar al oído, produce una sensa-ción auditiva.

Los sonidos periódicos (repetitivos), a su vez, puedentener o no carácter musical, mientras que los sonidos ape-riódicos (que no se repiten) son generalmente catalogadoscomo ruidos.

Los sonidos periódicos se caracterizan por su tono, porsu timbre y por su intensidad.

El tono aumenta cuando se pasa de los sonidos graves



Figura 4

Figura 5

TABLA IVelocidades que adquieren las ondas acústicas

en distintos medios

medio velocidadAire frío (0°C) 331 m/segAire moderado (25°C) 343 m/segHidrógeno frío (0°C) 1290 m/segAgua de río 1450 m/segAgua de mar 1504 m/seg

(bajas frecuencias) a los sonidos agudos(altas frecuencias). De esta manera, eltono de un sonido queda determinado porsu frecuencia, pero muchas veces el soni-do no es puro y está compuesto por másde una señal de distintas frecuencias. Enese caso el tono queda determinado por lafrecuencia del sonido fundamental.

Así, por ejemplo, si se coloca un flejede madera sobre una rueda dentada queestá girando (es el caso de las “matracas”utilizadas en los festejos de carnaval), tal como se graficaen la figura 6, el tono del sonido emitido por el conjuntodependerá de la velocidad de giro de la rueda, ya que sigira a mayor velocidad, el fleje golpeará contra los dientesde la rueda mayor cantidad de veces por segundo, y elsonido tendrá un tono más agudo (aumentó la frecuenciade los golpes).

En general, el oído humano no entrenado no estácapacitado para distinguir variaciones muy pequeñas en eltono de un sonido, y mucho menos saber cuál es la fre-cuencia de la señal que le dio origen, si bien puede dedu-cir si se trata de una señal de baja frecuencia o alta fre-cuencia.

Por esta razón, en música no se habla de frecuencia,sino de “intervalo”, aduciendo a las relaciones entre fre-cuencias; las “notas musicales” poseen frecuencias carac-terísticas y un grupo de siete notas ocupan un intervalomusical. Ver tabla 2.

Así, por ejemplo, si en un intervalo musical el “la” poseeuna frecuencia de 440Hz, en el intervalo siguiente el “la”emitido tendrá el doble de frecuencia, es decir, 880Hz.

A este intervalo se lo denomina OCTAVA MUSICAL.Pero nos podemos hacer la siguiente pregunta:

¿Cómo es que la misma nota ejecutada por un violín

produce una sensación sonora distinta de la de un piano?

Las dos notas tendrán el mismo tono pero causan dis-tinta impresión a nuestros oídos, ya que se distinguirán porel “timbre”.

El timbre de un sonidoqueda determinado por lacantidad de armónicasque acompañan a unsonido fundamental cuan-do éste es emitido y tam-bién por la amplitud deesos armónicos. Porejemplo, una señal senoi-dal de 1000Hz no seescuchará igual que unaonda cuadrada de igualfrecuencia ya que la pri-mera es una señal pura

mientras que la onda cuadrada, como sabemos, poseemuchas armónicas impares de la fundamental (vea la figu-ra 7).

Se dice que un sonido es rico en armónicas cuando vaacompañado hasta la 6ª ó 7ª armónica con amplitudesapreciables.

Si posee mayor cantidad de armónicas (más agudos)el sonido se torna muy áspero. Además, los sonidos conarmónicas impares (como la onda cuadrada) resultanagradables, mientras que donde predominan las armóni-cas pares (como la onda triangular) resultan desagrada-bles.

Dos personas se distinguen por su timbre de voz, puessi bien pueden decir lo mismo con tonos parecidos, la sen-sación sonora es distinta en ambos casos.

Cuando Ud. habla por teléfono su voz tiende a defor-marse, ya que si bien se puede entender perfectamente loque dice, el sonido parece distinto. Lo que ocurre es que la



TABLA IILas notas musicales se agrupan en un intervalo que en frecuen-

cias corresponde a una relación igual a “2” entre una nota de unintervalo y la misma nota del intervalo siguiente:

do re mi fa sol la si do9 5 4 3 5 15

1 —— —— —— —— —— —— 28 4 3 2 3 18

Figura 6

Figura 7

central telefónica no deja pasar las armónicas superiores a4000Hz (aproximadamente) ya que la respuesta del canaltelefónico está limitada a esa frecuencia.

Si un sonido viene acompañado por una señal que noes armónica de la fundamental, se interpretará como“ruido” ya que la sensación sonora será desagradable. Laintensidad de las ondas sonoras determinan las mayores omenores presiones y depresiones que la onda provocasobre los tímpanos de nuestros oídos.

Si volvemos al caso en que vibraba la regla sujeta porun extremo, cuando aumenta la amplitud de las vibracio-nes, aumentará la energía transportada por la onda sono-ra y mayor será la intensidad del sonido.

“Se dice que un sonido es más intenso cuanto mayor

sea la energía transportada por la onda sonora”.

La intensidad mínima de sonido capaz de ser reprodu-cida por el oído humano es de 10-16 watt/cm2 o, lo que es lomismo 0,0002 dina/cm2. A esta intensidad mínima se lallama UMBRAL AUDITIVO INFERIOR o INTENSIDADUMBRAL, ya que es el “umbral” entre las señales que seescuchan, y las que no se escuchan y se la designa comoWo (Wo = 10-16 watt), vea la figura 8.

Se debe tener en cuenta que la respuesta del oído noes lineal con la potencia, sino logarítmica; esto quiere decirque, si asignamos el valor “1” como sensación sonora auna potencia 10 veces superior a la de umbral (10Wo),

para que el oído humano reconozca el doble dela sensación sonora inicial hace falta aplicar unapotencia de 100Wo. Vea la tabla 3.Esto quiere decir que, para obtener un aumentounitario de la sensación auditiva, se debeaumentar la potencia 10 veces. Dicho de otramanera, el sonido emitido por un amplificadorde 10 watt no se escuchará como el doble de lasensación auditiva de un amplificador de 5 watt.

Curva Umbral

El oído no responde de la misma manera paratodas las frecuencias.Se dice que el oído medio humano reconoceseñales comprendidas entre 40Hz y 16000Hzpero se ha convenido en señalar que el espec-tro audible va de 20Hz a 20kHz. Asimismo, laintensidad umbral es distinta para todas las fre-cuencias. Por ejemplo, el oído responde mejor a

las denominadas frecuencias medias (entre 800Hz y4500Hz aproximadamente).

Hemos dicho anteriormente (y graficado en la figura 8),que la intensidad umbral era de Wo = 10-16 watt/cm2. Estaintensidad se da para una frecuencia de 1000Hz.

Para 100Hz la intensidad umbral ronda el valor Wo’ =10-12 watt/cm2 ; es decir, se reconoce recién cuando lapotencia es 10000 veces mayor que la mínima potenciaaudible para 1000Hz.

Los valores de potencia mínima reconocible para cadafrecuencia se dan en una CURVA DE INTENSIDADUMBRAL que abarca todo el espectro audible. Así, porejemplo, para una frecuencia de 500Hz la intensidadumbral es de 10-14 watt/cm2; es decir, sólo se escucharánlos tonos de 500Hz por encima de esa potencia. Idénticoanálisis puede efectuarse para cualquier otra frecuencia.

Curva de Sensación Dolorosa

La curva de intensidad umbral determina el nivel míni-mo de intensidad reconocible por el oído humano para dis-tintas frecuencias. Si se aumenta la potencia del sonidollega un momento en que produce una sensación de dolor.La CURVA DE SENSACION DOLOROSA determina ellímite, pasado el cual, el sonido produce una sensación dedolor en nuestros oídos (tal como se puede apreciar en lafigura 9). Como se observa, la zona del gráfico encerradapor las curvas de intensidad umbral y sensación dolorosa,determina el nivel que pueden tomar los sonidos de distin-tos tonos para que puedan escucharse por el oído huma-no sin inconvenientes.

Se ve en el gráfico que para un sonido de 1000Hz laintensidad dolorosa (Wd) es de 10-4 watt/cm2 (luego seestudiará que corresponde a 120dB). Se debe deducirentonces que una presión de 1 watt/cm2 con una frecuen-cia de 1000Hz provocará lesiones muy graves en el oído.

Amplificadores de Audio


Figura 8

TABLA III - Sensación sonora relativaPotencias en watt Sensación sonora10-15watt (10Wo) 110-14watt (100Wo) 210-13 watt (1000Wo) 310-12 watt (10000Wo) 4

Características Técnicas de

un Amplificador

La función del amplificador es aumen-tar el nivel de una señal, incrementando,para ello, la amplitud de la señal de entra-da mediante corrientes de polarización(voltaje negativo, voltaje positivo) en untransistor de salida.

El amplificador necesita de un “CON-VERTIDOR” o fuente de alimentación yaque internamente, trabaja con corrientecontinua.

Cuando se diseña un amplificador, esfundamental la refrigeración del mismo.Por ello, siempre encontraremos sistemasde ventilación y si son de potencia, losfabricantes suelen incluir ventiladoresinternos, tal como ocurre con una compu-tadora. Esto es porque durante el procesado de amplifica-ción, en su interior, se disipa gran cantidad calor.

Físicamente, cuando vemos un amplificador, nosencontramos con un equipo en el que, habitualmente, sólohay un botón: el de encendido/apagado.

En la parte posterior suele situarse el panel con lascorrespondientes entradas y salidas. El número y tipo deellas depende de la cantidad de señales que soporte elamplificador.

Las características técnicas de cada modelo determi-narán la calidad del amplificador:

Impedancia.

Factor de amortiguamiento.

Potencia de salida.

Relación señal ruido.

Acoplamiento.

Respuesta en frecuencia.

Respuesta de fase.

Ganancia.

Sensibilidad.

Distorsión.

Diafonía.

Impedancia

La impedancia es la resistencia (oposición) que pre-senta cualquier dispositivo al paso de una corriente alter-na. La impedancia de entrada de un amplificador debe serde, al menos, 10kΩ. Estos 10kΩ se dan para que en elcaso de posicionar 10 amplificadores en paralelo la cargatotal sea de un 1kΩ (10kΩ / 10 = 1kΩ).

Factor de Amortiguación

Indica la relación entre la impedancia nominal del alta-voz a conectar y la impedancia de salida del amplificador

(la eléctrica que realmente presenta en su salida). Cuantomayor sea el factor de amortiguamiento mejor, pero porencima de doscientos, puede significar que el amplificadorestá deficientemente protegido contra cargas reactivasque pueden deteriorarlo.

El factor de amortiguamiento se expresa: 200 sobre

8 , lo que significaría que la impedancia de salida real delamplificador es de 0,04Ω (8/200).

Muchos fabricantes incluyen el factor de amortigua-miento para graves, lo que resulta muy útil, porque sabe-mos que ésa es la respuesta en frecuencia crítica. Vendríaindicado como 150 sobre 8 a 40Hz .

Potencia de SalidaHace referencia a la potencia eléctrica, no confundir

con la potencia acústica.Como en el parlante, bocina o altavoz, es la cantidad

de energía que se puede introducir en la etapa de poten-cia antes de que distorsione en exceso o de que puedasufrir desperfectos.

Se especifica la potencia máxima del amplificador enfunción de una determinada impedancia, generalmente,8Ω. Por ejemplo: 175W sobre 8Ω).

Si el amplificador es estéreo, hay que tener en cuentasi esa potencia se refiere a cada uno de los canales o aambos. Por ello, en las especificaciones técnicas, seañade una de estas dos indicaciones:

* con los dos canales alimentados.* por canal.

En el ejemplo anterior con una potencia de salida de175W sobre 8Ω, si se añade con los dos canales alimen -

tados significa que por canal la potencia será la mitad(87,5W sobre 8Ω).



Figura 9

Por el contrario, con una potencia de salida de 175vatios (en realidad debe decirse watt en lugar de vatio,pero colocamos este término porque se encuentra muyarraigado en el lenguaje técnico) sobre 8 ohm por canal,tendremos 350W sobre 8Ω con los dos canales alimenta -

dos.En los equipos que permiten modificar la impedancia

de entrada, también hay que tener en cuenta las modifi-caciones que el variar este parámetro introducen en lapotencia.

En este caso, se hacen aproximaciones cercanas,nunca son absolutas, porque, en el estado actual de losamplificadores, esto no es posible. Así, si tenemos unamplificador en el que en las especificaciones técnicasfigura 175W sobre 8Ω, si reducimos la impedancia a 4Ω, lapotencia será cercana al doble, los 350W (en un amplifica-dor ideal, debería ser justamente estos 350W).

Dentro de la potencia se diferencia entre potencianominal y potencia de pico.

Potencia Máxima

Potencia máxima eficaz, o potencia media a régimencontinuo es la potencia eléctrica real verificable con instru-mentos que puede proporcionar la etapa de salida duranteun minuto a una frecuencia de 1kHz sobre la impedancianominal especificada por el fabricante (normalmente 4, 6 u8 Ohm) y viene dada por la expresión:

Po = Vo2 (rms)/Zo

Donde:Po es la potencia de salida.Vo es el voltaje (tensión eléctrica) eficaz de salida.Zo es la impedancia nominal del amplificador.

Nota: para medir la potencia se emplea una resistenciapura, pues una impedancia compleja altera el desempeñodel amplificador.

Potencia Máxima Útil

La potencia eficaz esta limitada por la distorsión delequipo, ya que esta crece con la potencia, de modo que seespecifica la potencia útil a un nivel de distorsión nominal,como 1, 2 ó 5% (10% en amplificadores de baja calidad) omenos de 0.25% en otros de alta calidad, esta medida esinferior a la anterior.

Potencia de Pico, Admisible o Musical

Potencia máxima impulsiva (un pico de señal), quepuede soportar cada cierto tiempo el amplificador antes dedeteriorarse.

Algunos fabricantes en lugar de especificar la potencianominal, especifican la potencia de pico, para maquillar elalcance del amplificador, pues la potencia de pico siempre

es superior a la potencia nominal. Hay que estar alerta aeste detalle y tener en cuenta que la potencia de pico deun amplificador es 1,4142 (raíz cuadrada de 2) veces suvalor nominal.

Relación Señal/Ruido

Hace referencia al voltaje o tensión de ruido residual ala salida y se expresa en dB.

Para que la relación señal /ruido esté por debajo delumbral de audición, debe ser de al menos 100dB. Mayor,110dB, en el caso los amplificadores de alta potencia (porencima de los 200 watt).

Acoplamiento

Indica la forma en que el amplificador está conectadoal parlante. Puede haber varios modos:

“acoplamiento directo”, cuando ambos estan acopla-dos directamente. Este permite la mejor respuesta en fre-cuencia y el mayor rendimiento en cuanto a potencia entre-gada a la carga.

“acoplamiento inductivo”, cuando el amplificador ysu carga están acoplados mediante un transformador.

“acoplamiento capacitivo”, si el acoplamiento se rea-liza mediante condensadores.

Internamente, el amplificador funciona con tensión con-tinua, pero a la salida convierte la señal en corriente alter-na. Cuando conectamos directamente un amplificador conel altavoz, este acoplamiento directo debe hacerse deforma que la corriente continua residual (DC offset) sealo más baja posible, no superando los 40 milivolt (los máshabituales están en 15 milivolt).

Respuesta en Frecuencia

Calcula el límite dentro del cual el amplificador respon-de de igual forma (respuesta plana) a las audiofrecuencias(20 a 20.000Hz) con una potencia muy baja.

La respuesta en frecuencia en los amplificadores semide en dB tomando como referencia potencia de 1 wattcon una impedancia de 8 ohm. Para obtener una óptimarespuesta en frecuencia, ésta debe estar en torno a 5dBpor encima (+ 5dB) o por abajo (- 5dB).

Muchos fabricantes, en lugar de usar sólo las audiofre-cuencias, para proteger a los amplificadores de perturba-ciones suprasónicas o subsónicas, lo que hacen es medirla respuesta en frecuencia para una banda de frecuenciassuperior (generalmente de 12 a 40.000Hz). En este casouna respuesta en frecuencia óptima debe estar en torno a3dB por encima (+ 3dB) o por abajo (- 3 dB).

Respuesta de Fase

Indica la relación en la fase entre las frecuenciasmedias con respecto a las altas o las bajas. Este desfase(adelantamiento o retraso) en el espectro de audiofrecuen-cias (20 – 20.000Hz) no debería ser superior a los 15 gra-



dos, para que no se produzca distorsión o cancelacionesde la señal.

Existen ciertos modelos de amplificador que invierte lafase en toda su banda de paso, lo que puede ocasionardificultades en su operatividad (sino lo tenemos presentepodremos estar cancelando toda la señal).

Ganancia

Es la relación entre la potencia de salida y la potenciade entrada de la señal. Se expresa siempre como una rela-ción logarítmica, y la unidad suele ser el dB, esto es, diezveces el logaritmo decimal del cociente entre potencias (sise relaciones tensiones, sería veinte veces en lugar dediez debido a que la potencia es proporcional al cuadradode la tensión).

Si la potencia de salida es 40W y la de entrada 20W, laganancia es: 3dB. Si la tensión de salida es de 4 VRMS y lade entrada 2 VRMS, la ganancia es: 6dB.

Cuando la ganancia es menor que 1, hablamos de ate-nuación.

En lo relativo a amplificadores, como el decibel siempreexpresa una comparación, hablaremos de dBW o dBu, loque nos indicara cual es la referencia.

dBW: La W indica que el decibel hace referencia a

watt. Es decir, se toma como referencia 1W. Así, a 1W le

corresponden 0dBw.

dBm: Cuando el valor expresado en watt es muy ele -

vado, se usa el miliwatt (mW). Así, a 1mW le correspon -

den 0dBm.

dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibel refe -

rido a 774,6 mVRMS . 0,775 VRMS es la tensión aproximada

que aplicada a una impedancia de 600, disipa una poten -

cia de 1mW. Se emplea la referencia de una impedancia

de 600 por razones históricas que tienen que ver con las

comunicaciones.

En un circuito en el que intervienen varios amplificado-res, las ganancias individuales expresadas en decibel (encualquiera de sus fórmulas tanto dB, dBw, dBm o dBu) sesuman (restan si son negativas y es atenuación).

Sensibilidad

Indica la cantidad de flujo eléctrico necesario de entra-da para producir la máxima potencia de salida.

La sensibilidad viene indicada por dBu a una determi-nada impedancia. Como dijimos, el dBu expresa el nivel deseñal en decibel referido a 0,7746 VRMS (al hacer referen-cia a volt, en muchos manuales, principalmente norteame-ricanos, en lugar de dBu usan dBV).

Si se supera el valor especificado por la sensibilidad laseñal de salida sufrirá un recorte (tanto por arriba como porabajo), como ocurre en los limitadores, y quedara distor-sionada de tal modo que puede causar daño en ciertos

equipos como en los tweeter. Para evitar este gran proble-ma, la mayoría de equipos profesionales cuentan con uncontrol de nivel de la entrada, que nos permiten atenuarla señal si resulta excesiva.

Distorsión

La distorsión (distorsión armónica) describe la varia-ción de la forma de onda a la salida del equipo, con res-pecto a la señal que entró y se debe a que los equipos deaudio, no sólo los amplificadores, introducen armónicos enla señal.

Las causas de esta distorsión pueden ser múltiples. Enel caso de los amplificadores, la más usual es la sobrecar-ga a la entrada, es decir, sobrepasar la potencia recomen-dada por el fabricante, lo que produce a la salida un recor-te de la señal, queda el sonido “roto”.

La distorsión armónica total, debe ser, como máximode 0,1% THD (total harmonic distortion) en todo elespectro de frecuencias (las frecuencias altas – agudos,distorsionan más que la bajas – graves).

La distorsión también puede expresarse en dB en rela-ción a una frecuencia. Es lo que se conoce como distor-sión por intermodulación. Para medir esta distorsión loque se hace calcular la distorsión del amplificador para dosondas senoidales diferentes (generalmente, 19 y 20kHz) yver cuál es la diferencia entre estas señales expresada endB. Los amplificadores de calidad deben estar en los 70dBde diferencia en ese tono diferencial de 1kHz.

Diafonía

La diafonía indica que en un sistema estéreo, un canalde audio, afecta al otro.

La diafonía depende de la frecuencia. Así hablaremosde que la diafonía es soportable cuando este en torno a50dB para graves y agudos y 70dB para los tonos medios.

Para eliminar problemas de diafonía, los amplificadorescuentan con rectificadores, condensadores de filtro.Además, muchos fabricantes introducen fuentes de ali-mentación independientes para cada canal, lo que resultamuy efectivo.

Tipos de Amplificadores

Entre las diferentes tipologías de etapas de potenciaencontramos:

Clase A

Clase B

Clase AB

Clase C

Clase D

Clase G

Amplificador de Clase A (CLASS-A AMPLIFIER) : Lacorriente de salida circula durante todo el ciclo de la señal



de entrada, en un solo transistor. La corriente de polariza-ción del transistor de salida es alta y constante durantetodo el proceso, independientemente de si hay o no haysalida de audio.

La distorsión introducida es muy baja, pero el rendi-miento también será bajo, estando siempre por debajo del50%. Lo que significa que la otra mitad de la corrienteamplificada será disipada por el transistor en forma decalor.

Amplificador clase B (CLASS-B A M P L I F I E R ) :Durante un semiciclo la corriente circula y es amplificadapor un transistor, y durante otro semiciclo circula y esamplificada por otro transistor, lo cual permite un descansode un semiciclo a cada transistor y uno de trabajo y disipa-ción de potencia. Además, no circula corriente a través delos transistores de salida cuando no hay señal de audio.

El problema es que ocurre la llamada “distorsión porcruce”, ya que cuando en el primer semiciclo la tensión dela señal cae por debajo de los 0.6V (tensión aproximada depolarización de juntura base-emisor de un BJT), se despo-lariza el BJT y deja de amplificar lo cual también ocurrecuando en el otro semiciclo, la tensión no llega todavía alos 0.6V. En resumen, en el caso de una senoidal, tendría-mos 1.2V no amplificados, aunque ésta no es la mejorforma de definirlo.

Amplificador de Clase AB (CLASS-AB AMPLIFIER):Mismo caso que el amplificador B, sólo que existe una

pequeña corriente que circula por los 2 transistores cons-tantemente, que los polariza reduciendo enormemente lallamada “distorsión por cruce”. Como en los amplificadoresde clase A, hay una corriente de polarización constante,pero relativamente baja, evitando la distorsión de cruce (deahí su nombre: AB). En el caso de amplificadores de soni-do son los más usados llegando a distorsiones menoresdel 0.01% (THD=0.01%)

Amplificador de clase C (CLASS-C AMPLIFIER): Lacorriente de salida sólo circula durante menos de mediociclo de la señal de entrada. Y luego se complementa lasalida con un circuito compuesto de capacitores y bobinas(circuito tanque). La clase C trabaja para una banda de fre-cuencias estrecha y resulta muy apropiado en equipos deradiofrecuencia.

Esto es debido al fenómeno de resonancia el cual segenera a la salida del amplificador cuando es sintonizado(la impedancia capacitiva e inductiva se cancelan a unafrecuencia previamente calculada), aunque no trabaja arri-ba de 180 grados de ciclo, este amplificador a la salidagenera una señal de ciclo completo de señal para la fre-cuencia fundamental.

No se utiliza en sonido, por su gran nivel de distorsióny por que su operación no esta destinada para amplifica-dores de gran señal o gran potencia.

Amplificador de clase D (CLASS-D AMPLIFIER):Esta clase de operación usa señales de pulso (digitales),


que están encendidas por un intervalo corto y apagadasdurante un intervalo largo. El uso de técnicas digitales haceposible obtener una señal que varía a lo largo del ciclo com-pleto para producir la salida a partir de muchas partes de laseñal de entrada. La principal ventaja de la operación enclase D es que el amplificador está encendido (usandopotencia) sólo por intervalos cortos y la eficiencia generalpuede ser muy alta. Se compone de 4 transistores, funcio-nando 2 a la vez, al corte o a la saturación. Finalmente sedefine la eficiencia agregada de potencia de un amplificador,como la relación de la potencia de AC (corriente alterna) desalida entre la potencia de DC (corriente continua) con quese alimenta al amplificador. Esto representa que tanta ener-gía de DC se convierte en AC.

Amplificadores de Clase G: Incorporan varias líneasde tensión que se activan de forma progresiva a medidaque el voltaje de entrada aumenta con el fin de lograrmayor eficiencia. Estos equipos dan una potencia de sali-da mejor a la de los amplificadores de clase A-B, pero conun menor tamaño.

Proyectos de Amplificadores de Audio

Los amplificadores de audio son bastante antiguos enel mundo de la electrónica, sin embargo no dejan de serinteresantes. Diseñar un amplificador de audio por primeravez puede ser todo un reto, por muy sencillo que parezca



Figura 10

Figura 12

Figura 11

el circuito, las salidas de potencia siempre dan problemasy por lo general siempre se termina con un par de transis-tores quemados y un sonido horrible en la salida. El circui-to de la figura 10, diseñado por Nicholás Gutiérrez y EdgarContreras es una configuración de amplificador clase AB,

permite hasta 20W de potencia (no se recomienda aumen-tar más, tiende a producir problemas térmicos en Q1). Elcircuito presentado y cuyo armado en experimentador digi-tal se muestra en las figuras 11 y 12, ofrece una potenciade aproximadamente 1W, es cuestión de jugar con lasresistencias R2 y R1 para variarla. Para incrementar lapotencia se puede disminuir el valor de R2, el problemaestá, en que esto aumenta la corriente de colector de Q1ysu temperatura.

Una vez ensamblado el circuito, se coloca en condiciónde reposo (encendido pero sin audio) y se mide la tensiónen el punto A, debe existir una tensión de Vcc/2 paragarantizar una correcta polarización, esta tensión puedevariar gracias a P1.

En la figura 13 podemos ver que con un simple circuitointegrado y pocos componentes pasivos periféricos pode-mos disfrutar de nuestra música favorita con una excelen-te potencia para la mayoría de los usos domésticos.Presentamos este amplificador de muy buena calidad y aun bajísimo precio de armado. El TDA2040 es un circuitointegrado muy común en equipos de audio domésticos porsu excelente calidad de sonido y por su facilidad deempleo.

Como observará no hay nada especial en este circuito,el desacople de continua a la entrada, por medio del capa-citor electrolítico no polarizado, la realimentación, la cargaRC y, por supuesto, el parlante.

Este circuito debe ser alimentado por una fuente decontinua partida de 20V+20V con una corriente de 1A porcanal. La tensión positiva ingresa por el pin 5 mientras quela negativa lo hace por el 3. Entre cada vía de alimentacióny masa se deberá colocar un capacitor electrolítico de220µF junto con otro en paralelo, cerámico, de 100nF. Deesta forma se efectúa un correcto desacople y filtrado de lafuente. Recuerde equipar al chip con un adecuado disipa-dor de calor.



Figura 13

Figura 14

Figura 15 Figura 16

En la figura 14 mostramos un amplificador deaudio de 8W con TDA2002. Es un amplificador quedurante años predominó en los auto radios y demásmontajes para coche. El diagrama del circuito nosmuestra que la señal de entrada es bloqueada enDC a través del capacitor de 1µF, luego ingresa alamplificador operacional por la entrada no inverso-ra. De la salida se toma una parte de la señal pararealimentar el sistema por medio de la entradainversora. La señal completa de la salida se le quita lacontinua por medio del capacitor de 1000µF y se aplica alparlante, cuya impedancia debe ser de 4 ohm. De colocarun parlante de 8 ohm la potencia total obtenida será de 4watt. El circuito se alimenta con 12V y necesita unacorriente de 1A a máxima potencia. La figura 15 muestrael diagrama de circuito impreso y en la figura 16 podemosapreciar la máscara de componentes. Este impresopuede ser hecho sobre placa de fenólico sin inconvenien-tes. También puede optar por armarlo sobre una placa decircuito impreso universal del tipo islas con paso de 5mm.

En la figura 17 podemos verun amplificador de potencia de200W RMS sobre una carga de 8ohm.

Utiliza transistores comple-mentarios para lograr así lapotencia deseada. Se alimentacon una fuente de 45V+45V yconsume 5 amperios. Todos lostransistores, exceptuando losBC556C deben ser montadossobre el disipador térmico, el cualdebe ser uno de los laterales delgabinete. Los diodos marcados

como A, B y C son 1N4001 y deben ser montados tam-bién sobre el disipador de calor pero con grasa térmica.La entrada debe ser línea de 1Vpp estándar.

La fuente de alimentación no tiene que ser estabiliza-da pero si bien filtrada. Recomendamos seguir el esque-ma de la figura 18.

En este caso el transformador tiene un secundariocon toma central de 32V + 32V (ó 64V con toma central).Para una configuración mono debe tener una corriente de5A, para estéreo 10A. Los diodos deben ser de al menos100V por 6A para mono y 100V 12A para estéreo. Los



Figura 17

Figura 18

capacitores deben ser de 4700µF 63V cada uno. No usarvoltajes mayores puesto que eso afectaría la curva de tra-bajo del capacitor (no filtraría en forma óptima).

La figura 19 muestra el circuito diseñado para serempleado como etapa de potencia cuadrafónica de unacomputadora equipada con una placa de sonido DiamondMonsterSound MX300.

Así obtuvimos una potencia de salida global de200W con una distorsión armónica total inferior al 0.01%.Algo calificado como High-End Audio.

El componente principal de este sistema es un ampli-ficador operacional integrado de la firma NationalSemiconductor, el LM3886TF. No hace falta ningún otrocomponente activo, sólo el integrado y un puñado decomponentes pasivos tales como resistencias y capacita-res.

La señal de audio proveniente de la placa de sonidoentra al amplificador operacional por su pin 10 (entradano inversora). Un capacitor de 1µF deja pasar sólo laseñal de audio, bloqueando la componente DC quepudiese existir.

Un potenciómetro de 10kΩ (opcional) permite ajustarel límite de entrada. A la salida una resistencia de 20kΩrealiza la realimentación por medio de la entrada inverso-ra mientras que un conjunto RL acopla la salida de poten-cia con el parlante.

Este conjunto consta de una bobina de 10 a 15 vuel-tas de alambre 1.5mm sobre una resistencia de 10 ohm /2 watt. Dos electrolíticos desacoplan la fuente de alimen-tación y un jumper controla la función Mute (enmudecer)la cual se activa abriendo el interruptor. El capacitor de100µF junto con la resistencia de 47kΩ hacen las veces

de retardo de entrada, evitan-do ruidos al conectarse la ali-mentación.La fuente de alimentacióndebe proporcionar comomínimo 70V (fuente simétri-ca, o sea, 35V + 35V) conuna corriente mínima de 8ª,pudiendo emplearse elesquema de la figura 18.En vez de colocar grandesdisipadores de aluminio serecomienda instalar en cadachip un disipador de los quese usaban en los microproce-sadores Pentium de compu-tadoras. Sí, esos pequeñoscubos de metal de 5cm x 5cmque traían un mini ventiladoratornillado. En realidad eltamaño de disipador no esadecuado, pero hemos

detectado que, con el ventilador funcionando y a máximapotencia de salida el amplificador no llega siquiera acalentar. Hemos, incluso, dejado el equipo funcionando apleno durante un fin de semana completo sin que subie-se la temperatura.

Para alimentar los motores de los ventiladores basta-rá con utilizar las líneas principales de alimentación limi-tando la corriente (provocando una caída de tensión) pormedio de resistores de 100 ohm y 5 watt de potencia.Cada ventilador debe tener su propio resistor.Recomendamos colgar dos ventiladores al positivo (ymasa) y dos ventiladores al negativo (y masa). Así lacarga es equitativa para ambas fases.

En la figura 20 podemos ver un amplificador de conFet. Se trata de un pequeño amplificador de 12W depotencia sobre una carga de 8Ω que combina el integra-do NE5534 con unos transistores de tecnología V-MOS-FET como etapa de salida para obtener una excelentecalidad de sonido.

La sensibilidad de entrada es de 3Vrms como máxi-mo, el factor de distorsión es de 0.002% a 1kHz, y la fre-cuencia de respuesta es de 15Hz a 100kHz. La tensiónde alimentación es de +/-25V (fuente partida), pudiendoemplearse el esquema de la figura 18. En este caso eltransformador tiene un secundario con toma central de25V + 25V (ó 50V con toma central). Para una configura-ción mono debe tener una corriente de 2A, para estéreo4A. Los diodos deben ser de al menos 100V por 3A paramono y 100V 5A para estéreo. Los capacitores deben serde 4700µF 63V cada uno. No usar tensiones mayorespuesto que eso afectaría la curva de trabajo del capacitor(no filtraría en forma óptima).



Figura 20

A continuación, damos la lista demateriales y componentes para el cir-cuito de la figura 20:

R1 - 33 k

R2 - 6.8 k

R3 - 22 k

R4 - 100 k

R5 - 1 k

R6 - 330

R7 - 1 k

R8 - 10 k

R9 - 0.47 x 2W

R10 - 0.47 x 2W

R11 - 10 k

C1 - 1nF x 63V

C2 - 47µF x 40V

C3 - 100nF x 63V

C4 - 100nF x 63V

C5 - 47µF x 40V

C6 - 4.7 pF cerámico

C7 - 100 µF x 40V

C8 - 100 µF x 40V

D1 - 1N967B, zener 18V x 0.5W

D2 - 1N967B, zener 18V x 0.5W

D3 - 1N4148

D4 - 1N4148

Q1 - 2SK135

Q2 - 2SJ50

IC1 - NE5534

Obviamente, toda etapa de potencia requiere de unpreamplificador para que se pueda ecualizar el sonido ytambién para poder conectarle una fuente determinada.



Figura 21

Figura 22

En la figura de 21 puede observarse el esquema eléctri-co de un preamplificador universal. Este circuito ya lohemos publicado en Saber Electrónica pero creemosconveniente mencionarlo por su fácil montaje y buendesempeño. La ganancia de la etapa de entrada, dise-ñada alrededor de A1, puede variarse entre 10 y 20mediante el potenciómetro de ajuste P1.

El nivel de 0dB a la entrada es de 50mV. La impe-dancia y capacidad de entrada son 56kΩ y 47pF, respec-tivamente, para permitir la conexión directa de la mayoríade los reproductores de CDs y casetes. La sección decontrol de tonos es una de tipo Baxandall estándar. Lospotenciómetros P3 y P4 tienen como finalidad el controlde bajos y agudos, respectivamente.

En la figura 22 damos nuestra versión de circuitoimpreso.

El consumo de corriente del preamplificador es redu-cido; sólo unos 10mA. Cuando el circuito esté correcta-mente balanceado, los puntos de medida deben estar auna tensión cercana a la de masa. En el caso de que sequiera obtener un preamplificador estéreo, habrá queduplicar el circuito.

Si bien el TCL272 es fácil de conseguir, puede emple-ar dos integrados independientes con entrada Fet, comoel LF356, para lo cual deberá cambiar el lay-out delimpreso.

El último proyecto de este artículo está destinado alos que recién comienzan y quieren armar algo que “salgafuncionando enseguida” y que le sirva tanto para una gui-tarra eléctrica como para el timbre de una casa.

El circuito de la figura 23 es un amplificador de bajoruido con vúmetro a Leds y surge como una modificaciónde un circuito enviado por el lector Victor Húmeda, quienarmó un montaje similar al descrito para obtener una sali-da de potencia para su guitarra eléctrica.

Al consultar las hojas del manual de datos del circuitointegrado LM382, me sorprendió el excelente “rechazo”que puede presentar a señales de baja frecuencia, lo cualme dió la idea de modificar el filtro de entrada con el obje-to de obtener una unidad que presente muy bajo ruido alas señales de la red eléctrica, ya que éste es un proble-ma al que suelen enfrentarse los músicos que interpretaneste instrumento.

Consiste en un amplificador de unos 5W de potencia



Figura 23

de salida (más de 70W PMPO) que emplea uno de losdos amplificadores, operaciones de muy bajo ruido quetrae el circuito integrado LM382 y posee un vúmetro aleds comandado por un LM3915 que, de alguna manera,es un indicador de la potencia de salida.

La señal procedente del captor de la guitarra eléctricase aplica a la pata no inversora del amplificador opera-cional, teniendo la precaución “de no conectar la patainversora”, ésta queda flotante debido a que, posible-mente, el operacional tenga una referencia de masa inter-

namente. Nosotros hemos probadocon la colocación de un resistor de1MΩ conectado a masa y el desempe-ño no varió mucho, las característicasrecién comenzaron a alterarse cuandoel valor de dicho resistor era inferior alos 470kΩ.El circuito no reviste consideracionesespeciales, sólo debe tener la precau-ción de no modificar en demasía el cir-cuito impreso mostrado en la figura 24dado que, por ser un circuito experi-mental, no aseguro los resultados si seemplea otra configuración. Con rela-ción al vúmetro a leds, he tenido algúnproblema para encontrar una calibra-ción conveniente pero, con los valoresdados en el diagrama los resultadosfueron aceptables. Cabe aclarar quemás que un vúmetro es un medidor dela potencia de salida de nuestro ampli-ficador dado que la cantidad de ledsque se encenderán dependerá delvolumen del amplificador, el cual sepuede regular por medio del resistorR2. Si Ud. prefiere, puede colocar unpotenciómetro como R2 ya que con élpodrá regular el volumen del equipo. Si lo desea, podrá colocar el vúmetrofuera de la placa de circuito impreso,de modo de poder colocarlo en el fren-te de algún gabinete.Para terminar con este artículo quierocomentarles que en esta misma revis-ta se publican los montajes de unamplificador de audio de potencia de100W y un preamplificador con ecuali-zador, preparados por Guillermo H.Necco (LW3DYL) para los “más exi-gentes” aclarando que en la próximaedición publicaremos el montaje de unamplificador de potencia de 400W rea-les, con su fuente de alimentación y supreamplificador, de modo de contar

con un equipo de audio que puede emplearse tanto en elhogar como en reuniones donde incluso puedan asistircentenares de personas.

Páginas de Consultawww.wikipedia.com

www.pablin.com.ar

www.electronicafacil.com

www.centrojapones.com.ar

www.webelectronica.com.ar



Figura 24

Internacional 243: Amplificadores de Audio

Documents

Transcript of Internacional 243: Amplificadores de Audio