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Un amplificador de potencia (o amplificador de potencia ) amplifica señales de audio electrónicas de baja potencia , como la de un receptor de radio o la de la pastilla de una guitarra eléctrica , hasta un nivel suficientemente alto para alimentar altavoces o auriculares . Los amplificadores de potencia se encuentran en todo tipo de sistemas de sonido, incluyendo sistemas de refuerzo de sonido , megafonía , sistemas de audio domésticos y amplificadores para instrumentos musicales, como los de guitarra . Es la etapa electrónica final en una cadena de reproducción de audio típica antes de que la señal se envíe a los altavoces.
Las etapas previas en dicha cadena son amplificadores de audio de baja potencia, que realizan tareas como la preamplificación de la señal, la ecualización y la mezcla de diferentes señales de entrada . Las entradas también pueden ser cualquier número de fuentes de audio, como tocadiscos , reproductores de CD , reproductores de audio digital y reproductores de casete . La mayoría de los amplificadores de potencia de audio requieren estas entradas de bajo nivel, que son de nivel de línea .
Si bien la señal de entrada a un amplificador de potencia de audio, como la de una guitarra eléctrica, puede medir solo unos cientos de microvatios , su salida puede ser de unos pocos vatios para pequeños dispositivos electrónicos de consumo, como radios con reloj ; decenas o cientos de vatios para un sistema estéreo doméstico ; varios miles de vatios para el sistema de sonido de una discoteca ; o decenas de miles de vatios para un sistema de refuerzo de sonido para un gran concierto de rock. Aunque los amplificadores de potencia están disponibles en unidades independientes, generalmente dirigidas al mercado audiófilo de alta fidelidad (un nicho de mercado) de entusiastas del audio y profesionales de sistemas de refuerzo de sonido, muchos productos de audio electrónicos de consumo , como un amplificador integrado , un receptor , radios con reloj, radiocasetes portátiles y televisores, tienen tanto un preamplificador como un amplificador de potencia en un solo chasis.
Historia
El amplificador de audio fue inventado alrededor de 1912 por Lee de Forest . Esto fue posible gracias a su invención del primer componente eléctrico amplificador práctico, el tubo de vacío triodo (o "válvula" en inglés británico) en 1907. El triodo era un dispositivo de tres terminales con una rejilla de control que podía modular el flujo de electrones del filamento a la placa. El amplificador de vacío triodo se utilizó para fabricar la primera radio AM . [ 2 ] Los primeros amplificadores de potencia de audio se basaban en tubos de vacío y algunos de ellos lograron una calidad de audio notablemente alta (por ejemplo, el amplificador Williamson de 1947-1949).
Los amplificadores de potencia de audio basados en transistores se hicieron prácticos gracias a la amplia disponibilidad de transistores económicos a finales de la década de 1960. Desde la década de 1970, la mayoría de los amplificadores de audio modernos se basan en transistores de estado sólido , especialmente el transistor de unión bipolar (BJT) y el transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET). Los amplificadores basados en transistores son más ligeros, más fiables y requieren menos mantenimiento que los amplificadores de válvulas .
El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] fue adaptado a un MOSFET de potencia para audio por Jun-ichi Nishizawa en la Universidad de Tohoku en 1974. [ 9 ] Los MOSFET de potencia pronto fueron fabricados por Yamaha para sus amplificadores de audio de alta fidelidad . JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba también comenzaron a fabricar amplificadores con MOSFET de potencia en 1974. [ 9 ] En 1977, Hitachi introdujo el LDMOS (MOS de difusión lateral), un tipo de MOSFET de potencia. Hitachi fue el único fabricante de LDMOS entre 1977 y 1983, tiempo durante el cual el LDMOS se utilizó en amplificadores de potencia de audio de fabricantes como HH Electronics (serie V) y Ashly Audio , y se utilizaron para música y sistemas de megafonía . [ 9 ] Los amplificadores de clase D tuvieron éxito a mediados de la década de 1980 cuando se dispuso de MOSFET de bajo costo y conmutación rápida. [ 10 ] Muchos amplificadores de transistores utilizan dispositivos MOSFET en sus secciones de potencia , porque su curva de distorsión es más parecida a la de los tubos . [ 11 ]
En la década de 2010, todavía existen audiófilos, músicos (en particular guitarristas eléctricos , bajistas eléctricos , organistas de Hammond y pianistas eléctricos de Fender Rhodes , entre otros), ingenieros de audio y productores musicales que prefieren los amplificadores de válvulas y lo que se percibe como un sonido de válvulas "más cálido" .
Parámetros de diseño
Los parámetros clave de diseño para los amplificadores de potencia de audio son la respuesta en frecuencia , la ganancia , el ruido y la distorsión . Estos parámetros son interdependientes; aumentar la ganancia suele conllevar aumentos indeseables de ruido y distorsión. Si bien la retroalimentación negativa reduce la ganancia, también reduce la distorsión. La mayoría de los amplificadores de audio son amplificadores lineales que operan en clase AB .
Hasta la década de 1970, la mayoría de los amplificadores utilizaban válvulas de vacío . Durante esa década, los amplificadores de válvulas fueron reemplazados progresivamente por amplificadores basados en transistores , que eran más ligeros, fiables y requerían menos mantenimiento. No obstante, los preamplificadores de válvulas todavía se venden en nichos de mercado , como entre los aficionados al hi-fi doméstico , los ingenieros de audio y los productores musicales (que utilizan preamplificadores de válvulas en grabaciones de estudio para "calentar" las señales de micrófono), así como entre guitarristas eléctricos, bajistas eléctricos y organistas de Hammond , de los cuales una minoría sigue utilizando preamplificadores, amplificadores de potencia y unidades de efectos de válvulas . Mientras que los aficionados al hi-fi y los ingenieros de audio que realizan sonido en directo o monitorizan pistas en el estudio suelen buscar amplificadores con la menor distorsión posible, los instrumentistas eléctricos de géneros como el blues , el rock y el heavy metal , entre otros, utilizan amplificadores de válvulas porque les gusta la saturación natural que producen cuando se les exige al máximo.
El amplificador de clase D , que es mucho más eficiente que los amplificadores de clase AB, se utiliza ampliamente en productos de audio para electrónica de consumo , amplificadores de graves y equipos de sistemas de refuerzo de sonido , ya que los amplificadores de clase D son mucho más ligeros y generan mucho menos calor, aunque pueden introducir algo de ruido.
Filtros y preamplificadores
Dado que los dispositivos digitales modernos, incluidos los reproductores de CD y DVD, los receptores de radio y las pletinas de casete, ya proporcionan una señal "plana" a nivel de línea, el preamplificador no es necesario más que para el control de volumen y la selección de fuente. Una alternativa a un preamplificador independiente es simplemente usar controles pasivos de volumen y conmutación, a veces integrados en un amplificador de potencia para formar un amplificador integrado .
etapas de potencia de salida
The final stage of amplification, after preamplifiers, is the output stage, where the highest demands are placed on the transistors or tubes. For this reason, the design choices made around the output device (for single-ended output stages, such as in single-ended triode amplifiers) or devices (for push-pull output stages), such as the class of operation of the output devices is often taken as the description of the whole power amplifier. For example, a class-B amplifier will probably have just the high power output devices operating cut off for half of each cycle, while the other devices (such as differential amplifier, voltage amplifier and possibly even driver transistors) operate in class A. In a transformerless output stage, the devices are essentially in series with the power supply and output load (such as a loudspeaker), possibly via some large capacitor and/or small resistances.
Further developments
Transient intermodulation distortion
Durante algunos años después de la introducción de los amplificadores de estado sólido, su sonido percibido no tenía la excelente calidad de audio de los mejores amplificadores de audio de válvulas . Esto llevó a los audiófilos a creer que el sonido de las válvulas tenía una calidad intrínseca debido a la propia tecnología de las válvulas de vacío. En 1970, Matti Otala publicó un artículo sobre la distorsión transitoria [ 12 ] . La distorsión transitoria se conoció más tarde como distorsión de intermodulación transitoria (TIM). Dos años después, en un artículo de 1972, Matti Otala informó que se descubrió que la TIM ocurría durante aumentos muy rápidos en el voltaje de salida del amplificador. [ 13 ] En ese momento, algunos pensaron que la TIM era una forma de distorsión no observada previamente, solo para ser revelado por otros autores en artículos posteriores que la TIM, en realidad, no era única ni no observada, ya que las técnicas de medición ya disponibles revelaron que la TIM era en realidad distorsión de velocidad de cambio, que a su vez siempre se revelaba como distorsión armónica medida tradicionalmente que aumentaba en las frecuencias más altas, así como por la distorsión de intermodulación medida tradicionalmente. [ 14 ] [ 15 ] Los artículos también revelaron más tarde que la distorsión TIM se desencadenaba no solo por transitorios, sino también por mediciones de tono sinusoidal en estado estacionario. [ 15 ] Una afirmación en el artículo de Otala de 1970 de que una gran ganancia de lazo abierto (que crea un alto nivel de retroalimentación negativa) era una causa de distorsión transitoria, fue actualizada más tarde cuando Cordell concluyó justo lo contrario, concluyendo que un ancho de banda de lazo abierto pequeño combinado con una gran ganancia de lazo abierto no causa TIM. [ 16 ] [ 17 ] Publicaciones posteriores de Otala y otros autores encontraron la solución para la distorsión TIM, incluyendo aumentar la velocidad de respuesta, disminuir el ancho de banda de frecuencia del preamplificador y la inserción de un circuito de compensación de retardo en la etapa de entrada del amplificador de manera que haga que la etapa de entrada sea más lineal. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Teorema de Baxandall
El siguiente paso en el diseño avanzado fue el teorema de Baxandall, creado por Peter Baxandall en Inglaterra. [ 21 ] Este teorema introdujo el concepto de comparar la relación entre la distorsión de entrada y la distorsión de salida de un amplificador. Esta nueva idea ayudó a los ingenieros de diseño de audio a evaluar mejor los procesos de distorsión dentro de un amplificador.
Efecto Baxandall
Al aplicar retroalimentación negativa, puede entrar en juego el efecto Baxandall, donde, al aumentar el nivel de retroalimentación negativa dentro de un rango limitado, el producto de distorsión del segundo armónico se reduce como se espera, pero al mismo tiempo, los productos de distorsión de los armónicos de orden superior aumentan. Esto ha dado lugar al mito de que los altos niveles de retroalimentación negativa son perjudiciales. Sin embargo, al aumentar el nivel de retroalimentación negativa más allá de aproximadamente 20 dB, todos los productos de distorsión se reducen aún más, lo que demuestra que dichos niveles más altos de retroalimentación negativa no tienen inconvenientes. [ 22 ]
Aplicaciones
Entre las aplicaciones importantes se incluyen sistemas de megafonía , sistemas de refuerzo de sonido para teatro y conciertos , y sistemas domésticos como un sistema estéreo o de cine en casa . Los amplificadores de instrumentos, incluidos los de guitarra y teclado eléctrico , también utilizan amplificadores de potencia de audio. En algunos casos, el amplificador de potencia para un amplificador de instrumentos está integrado en un único cabezal amplificador que contiene un preamplificador, controles de tono y efectos electrónicos. Estos componentes pueden montarse en una caja de altavoz de madera para crear un "amplificador combinado". Los músicos con necesidades de interpretación únicas o que requieren una amplificación muy potente pueden crear una configuración personalizada con preamplificadores, ecualizadores y un amplificador de potencia independientes montados en rack y alojados en un estuche de transporte de 19" .
Los amplificadores de potencia están disponibles en unidades independientes, utilizadas por aficionados al audio de alta fidelidad y diseñadores de sistemas de megafonía (sistemas PA) y sistemas de refuerzo de sonido . Un usuario de alta fidelidad puede tener un amplificador estéreo para alimentar los altavoces izquierdo y derecho, y un amplificador mono para alimentar un subwoofer . La cantidad de amplificadores de potencia utilizados en un sistema de refuerzo de sonido depende del tamaño del lugar. Una cafetería pequeña puede tener un solo amplificador para dos altavoces PA. Un club nocturno puede tener varios amplificadores para los altavoces principales, uno o más para los monitores (orientados hacia la banda) y un amplificador adicional para el subwoofer. Un concierto en un estadio puede tener una gran cantidad de amplificadores montados en racks. La mayoría de los productos electrónicos de consumo de audio, como televisores , radiocasetes , sistemas de cine en casa , teclados electrónicos Casio y Yamaha , amplificadores de guitarra combinados y autorradios, tienen amplificadores de potencia integrados en el chasis del producto principal.
Véase también
- Amplificador FET : dispositivo que utiliza un transistor de efecto de campo.
- Amplificador de instrumentos : amplificador con altavoz para usar con instrumentos musicales.
- Amplificador OCL : amplificador de audio con salida de acoplamiento directo sin condensador.
Referencias
- ↑ "1 – Amplificador integrado (todas las versiones)" . Archivado del original el 24/04/2011 . Consultado el 16/01/2011 .Cyrus Audio: Archivo de productos: Cyrus One
- ↑ El transistor en un siglo de electrónica . nobelprize.org
- ↑ US 2802760 , Lincoln, Derick y Frosch, Carl J., "Oxidación de superficies semiconductoras para difusión controlada", publicado el 13 de agosto de 1957
- ↑ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficie y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio" . Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
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- ↑ También se puede encontrar un análisis de las características prácticas de diseño que pueden provocar o disminuir la limitación de la velocidad de respuesta y la intermodulación transitoria en amplificadores de audio, por ejemplo, en Hood, John Linsley (1993). "Cap. 9". The Art of Linear Electronics . Oxford: Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/B978-0-7506-0868-8.50013-8 . ISBN 978-0-7506-0868-8.
- ↑ Baxandall, Peter (febrero de 1979) "Diseño de amplificadores de potencia de audio" Archivado el 9 de junio de 2022 en Wayback Machine , revista Wireless World
- ↑ Cordell, Bob (2011). Diseño de amplificadores de potencia de audio . McGraw-Hill. pág. 499. ISBN 978-0-07-164024-4.
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