Amplificador de audio es un término general utilizado para describir un circuito que produce y amplifica una versión de su señal de entrada. Sin embargo, no todas las tecnologías de convertidores son iguales, ya que se clasifican según sus configuraciones y modos de funcionamiento.
En electrónica, los amplificadores pequeños se usan comúnmente porque pueden amplificar una señal de entrada relativamente pequeña, como la de un sensor como un reproductor de música, en una señal de salida mucho más grande para controlar un relé, una lámpara o un altavoz, etc.
Hay muchas formas de circuitos electrónicos clasificados como amplificadores, desde transductores operativos y de señal pequeña hasta convertidores de potencia y pulso grandes. La clasificación de un dispositivo depende del tamaño de la señal, grande o pequeña, su configuración física y cómo se procesa el flujo de entrada, es decir, la relación entre el nivel de entrada y la corriente que fluye en la carga.
Anatomía del dispositivo
Los amplificadores de frecuencia de audio pueden verse como una simple cajao un bloque que contiene un dispositivo, como un sensor bipolar, FET o operativo, que tiene dos terminales de entrada y dos de salida (tierra es común). Además, la señal de salida es mucho más grande debido a su conversión en el dispositivo.
Un amplificador de señal ideal tendrá tres propiedades principales:
- Impedancia de entrada, o (R IN).
- Resistencia de salida, o (R OUT).
- Ganancia, o (A).
No importa cuán complejo sea el circuito amplificador, se puede usar un modelo general de bloques para demostrar la relación de estas tres propiedades.
Conceptos generales
Los amplificadores de audio de alta calidad pueden variar en rendimiento. Cada tipo tiene una conversión digital o analógica. Se establecen códigos para separarlos.
La mayor diferencia entre las señales de entrada y salida se llama conversión. La ganancia es una medida de cuánto "transforma" un amplificador una señal de entrada. Por ejemplo, si hay un nivel de entrada de 1 voltio y un nivel de salida de 50 voltios, entonces la conversión será 50. En otras palabras, la señal de entrada se ha desarrollado 50 veces. Un amplificador de frecuencia de audio hace precisamente eso.
El cálculo de conversión es simplemente la relación de la salida dividida por la entrada. Este sistema no tiene unidades como su relación, pero en electrónica, el símbolo A se usa comúnmente para la ganancia. La conversión se calcula simplemente como "salida dividida por entrada".
Convertidores de potencia
Lupa pequeñaUn amplificador de señal se denomina comúnmente amplificador de "voltaje" porque tiende a convertir una entrada pequeña en un voltaje de salida mucho mayor. A veces, se requiere un circuito de dispositivo para impulsar un motor o la potencia de un altavoz, y para este tipo de aplicaciones, donde se involucran altas corrientes de conmutación, se necesitan convertidores de potencia.
Como sugiere el nombre, la tarea principal de un amplificador de potencia (también conocido como amplificador de señal grande) es suministrar energía a una carga. Es el producto del voltaje y la corriente aplicados a una carga con una potencia de salida mayor que el nivel de la señal de entrada. En otras palabras, el convertidor aumenta la potencia del altavoz, por lo que este tipo de circuito de bloque se utiliza en las etapas externas de los convertidores de audio para controlar los altavoces.
Principio de funcionamiento
El amplificador de audio funciona según el principio de convertir la potencia de CC extraída de la fuente de alimentación en una señal de voltaje de CA suministrada a la carga. Aunque la conversión es alta, la eficiencia de la fuente de alimentación de CC a la señal de salida de voltaje de CA es generalmente baja.
Un bloque ideal le da al dispositivo una eficiencia del 100% o al menos la potencia de ENTRADA será igual a la potencia de SALIDA.
División de clases
Si los usuarios alguna vez observaron las especificaciones de los amplificadores de potencia de audio, es posible que hayan notado las clases de equipos, generalmente indicadas con la letra odos. Los tipos de bloques más comunes que se utilizan en el audio doméstico de consumo hoy en día son los valores A, A/B, D, G y H.
Estas clases no son simples sistemas de clasificación, sino descripciones de la topología del amplificador, es decir, cómo funcionan en el nivel central. Si bien cada tipo de amplificador tiene su propio conjunto de fortalezas y debilidades, su rendimiento (y cómo se miden las características finales) sigue siendo el mismo.
Sirve para convertir la forma de onda enviada por la preunidad sin introducir interferencias o al menos la menor distorsión posible.
Clase A
En comparación con otras clases de amplificadores de potencia de audio que se describirán a continuación, los modelos Clase A son dispositivos relativamente simples. El principio definitorio de funcionamiento es que todos los bloques de salida del transductor deben pasar por un ciclo de señal completo de 360 grados.
La clase A también se puede dividir en amplificadores de un solo extremo y de contrafase. Push/pull difiere de la explicación principal anterior al usar dispositivos de salida en pares. Si bien ambos dispositivos ejecutan un ciclo completo de 360 grados, un dispositivo soportará la mayor parte de la carga durante la parte positiva del ciclo, mientras que el otro soportará la mayor parte del ciclo negativo.
La principal ventaja de este circuito es la reducción de la distorsión en comparación con los diseños de un solo extremo, ya que incluso se eliminan las fluctuaciones de orden. Además, los diseños de contrafase Clase A son menos sensibles al ruido.
Debido a las cualidades positivas asociadas con el rendimiento de Clase A, se considera el estándar de oro para la calidad del sonido en muchas aplicaciones acústicas. Sin embargo, estos diseños tienen un inconveniente importante: la eficiencia.
Requisito para los amplificadores de audio de transistores Clase A de tener todos los dispositivos de salida encendidos en todo momento. Esta acción conduce a una pérdida significativa de energía, que finalmente se convierte en calor. Esto se ve agravado aún más por el hecho de que los diseños de Clase A requieren niveles relativamente altos de corriente de reposo, que es la cantidad de corriente que fluye a través de los dispositivos de salida cuando el amplificador produce una salida cero. Las tasas de eficiencia del mundo real pueden estar en el orden del 15-35%, con un solo dígito posible utilizando material fuente altamente dinámico.
Clase B
Mientras que todos los mecanismos de salida en un amplificador de audio de clase A tardan el 100 % del tiempo en funcionar, las unidades de clase B usan circuitos push-pull de modo que solo la mitad de los dispositivos de salida están conduciendo en cualquier momento.
La mitad cubre la parte de +180 grados de la forma de onda mientras que la otra mitad cubre la sección de -180 grados. Como consecuencia, los amplificadores de Clase B son significativamente más eficientes que sus homólogos de Clase A, con un máximo teórico del 78,5 %. Dada la eficiencia relativamente alta, la Clase B se ha utilizado en algunos transductores de megafonía profesionales, así como en algunos amplificadores de válvulas domésticos. a pesar de ellosfuerza evidente, las posibilidades de adquirir un bloque clase B para una casa son prácticamente nulas. Un examen del amplificador de audio mostró la causa de esto, conocida como distorsión cruzada.
El problema con la latencia en el traspaso entre dispositivos que procesan las partes positiva y negativa de la forma de onda se considera significativo. No hace f alta decir que esta distorsión es audible en cantidades suficientes, y aunque algunos diseños de Clase B fueron mejores que otros en este sentido, la Clase B recibió poco reconocimiento por parte de los entusiastas de los sonidos limpios.
Clase A/B
El amplificador de audio de válvulas se puede encontrar en muchas salas de conciertos. Tiene un alto rendimiento y no se sobrecalienta. Además, los modelos son mucho más baratos que muchos bloques digitales. Pero también hay desviaciones. Es posible que dicho módulo no funcione con todos los formatos de audio. Por lo tanto, es mejor utilizar el equipo como parte de un complejo general de procesamiento de señales.
Clase A/B combina lo mejor de cada tipo de dispositivo para crear una unidad sin las desventajas de ninguno. Con esta combinación de ventajas, los amplificadores de clase A/B dominan en gran medida el mercado de consumo.
La solución es bastante simple en concepto. Donde la clase B usa un dispositivo push-pull con cada mitad de la etapa de salida conduciendo 180 grados, los mecanismos de clase A/B lo aumentan a ~181-200 grados. Por lo tanto, hayes mucho menos probable que haya un "desgarro" en el bucle y, por lo tanto, la distorsión cruzada cae hasta el punto en que no importa.
Los amplificadores de potencia de audio Valve pueden absorber esta interferencia mucho más rápido. Gracias a esta propiedad, el sonido sale del dispositivo mucho más limpio. Modelos de estas características suelen utilizarse para transformar el sonido de guitarras acústicas y eléctricas.
Baste con decir que la clase A/B cumple su promesa, superando fácilmente a las construcciones puras de clase A con un rendimiento del mundo real de ~50-70 %. Los niveles reales, por supuesto, dependen de la compensación del amplificador, así como del material del programa y otros factores. También vale la pena señalar que algunos diseños Clase A/B van un paso más allá en su búsqueda para eliminar la distorsión cruzada al operar en modo Clase A puro hasta unos pocos vatios de potencia. Esto brinda cierta eficiencia a niveles bajos, pero asegura que el amplificador no se convierta en un horno cuando se aplica una gran cantidad de energía.
Clases G y H
Otro par de diseños diseñados para mejorar la eficiencia. Desde un punto de vista técnico, ni los amplificadores de clase G ni los de clase H están reconocidos oficialmente. En su lugar, son variaciones del tema Clase A/B que utilizan la conmutación de voltaje del bus y la modulación del bus, respectivamente. En cualquier caso, en condiciones de baja demanda, el sistema utiliza un voltaje de bus más bajo que un amplificador de clase A/B similar, lo quereduce el consumo de energía. Cuando ocurren condiciones de alta potencia, el sistema aumenta dinámicamente el voltaje del bus (es decir, cambia al bus de alto voltaje) para manejar transitorios de alta amplitud.
También hay fallas. El principal de ellos es el alto costo. Los circuitos de conmutación de red originales usaban transistores bipolares para controlar los flujos de salida, lo que aumentaba la complejidad y el costo. Los amplificadores de frecuencia de audio de tubo de alta calidad de este tipo son comunes, aunque el precio comienza en 50 mil rublos. El bloque se considera una técnica profesional para trabajar en el escenario o grabar en un estudio. Hay problemas con los transistores. Bajo carga prolongada, algunos de ellos pueden fallar.
Hoy en día, el precio suele reducirse hasta cierto punto mediante el uso de MOSFET de alta corriente para seleccionar o cambiar las guías. El uso de MOSFET no solo mejora la eficiencia y reduce el calor, sino que también requiere menos piezas (normalmente, un dispositivo por hilo). Además del costo de la conmutación de bus, la modulación en sí misma, también vale la pena señalar que algunos amplificadores de clase G usan más dispositivos de salida que un diseño típico de clase A/B.
Un par de dispositivos funcionarán en modo A/B típico, alimentados por las barras colectoras de bajo voltaje. Mientras tanto, el otro está en espera para actuar como un amplificador de voltaje, activado solo según la situación. Soportar cargas elevadas solo clases G y H,asociado con potentes amplificadores, donde la mayor eficiencia vale la pena. Los diseños compactos también pueden usar topologías de clase G/H en lugar de A/B dado que la capacidad de cambiar al modo de bajo consumo significa que pueden salirse con la suya con un disipador de calor un poco más pequeño.
Clase D
Este tipo de dispositivo te permite crear tus propios sistemas modulares. Con la ayuda del equipo, se lleva a cabo un procesamiento de alta calidad de todo el flujo de salida. El diseño de amplificadores de potencia de frecuencia de audio le permite crear su propio sistema multimedia para el trabajo o el entretenimiento. Sin embargo, hay algunos matices aquí. A menudo denominados erróneamente amplificación digital, los convertidores de clase D son una garantía de la eficiencia de la unidad y logran ganancias superiores al 90 % en las pruebas reales.
Primero vale la pena considerar por qué esto es de clase D si la "amplificación digital" es incorrecta. Era solo la siguiente letra del alfabeto, con la clase C utilizada en los sistemas de audio. Más importante aún, cómo se puede lograr una eficiencia superior al 90 %. Si bien todas las clases de amplificadores mencionadas anteriormente tienen uno o más dispositivos de salida que están constantemente activos incluso cuando el convertidor está realmente en modo de espera, las unidades de clase D los apagan y encienden rápidamente. Esto es bastante conveniente y permite usar el módulo solo en los momentos correctos.
Por ejemplo, el cálculo de los amplificadores de audio de clase T, que sonLa implementación de clase D de Tripath, a diferencia del dispositivo básico, utiliza frecuencias de conmutación del orden de 50 MHz. Los dispositivos de salida generalmente se controlan mediante modulación de ancho de pulso. Esto es cuando las ondas cuadradas de diferentes anchos son generadas por un modulador que presenta una señal analógica para reproducción. Con un control estricto de los dispositivos de salida de esta manera, una eficiencia del 100% es teóricamente posible (aunque obviamente no se puede lograr en el mundo real).
Al profundizar en el mundo de los amplificadores de audio de clase D, también puede encontrar menciones de módulos controlados analógicos y digitales. Estos bloques de control tienen una señal de entrada analógica y un sistema de control analógico, generalmente con algún grado de corrección de errores de retroalimentación. Por otro lado, los amplificadores de clase D de conversión digital utilizan control digital, que conmuta la etapa de potencia sin control de errores. Esta decisión también encuentra aprobación, según las opiniones de muchos compradores. Sin embargo, el segmento de precios es mucho más alto aquí.
La investigación sobre amplificadores de audio ha demostrado que la clase D analógica tiene una ventaja de rendimiento sobre la analógica digital, ya que normalmente ofrece una impedancia de salida más baja (resistencia) y un perfil de distorsión mejorado. Esto eleva los valores iniciales del sistema en su máxima carga.
Los parámetros de los amplificadores de frecuencia de audio son mucho más altos que los de los modelos básicos. Debe entenderse que dichos cálculos solo se requieren para crear música en el estudio. Para los compradores ordinarios, estoslas características se pueden omitir.
Por lo general, un circuito L (inductor y capacitor) colocado entre el amplificador y los altavoces para reducir el ruido asociado con la operación de clase D. El filtro es de gran importancia. Un diseño deficiente puede comprometer la eficiencia, la confiabilidad y la calidad del sonido. Además, la retroalimentación después del filtro de salida tiene sus ventajas. Aunque los diseños que no usan retroalimentación en esta etapa pueden ajustar su respuesta a una impedancia específica, cuando dichos amplificadores tienen una carga compleja (es decir, un altavoz en lugar de una resistencia), la respuesta de frecuencia puede variar significativamente dependiendo de la carga del altavoz. La retroalimentación estabiliza este problema proporcionando una respuesta suave a cargas complejas.
Al final, la complejidad de los amplificadores de audio Clase D tiene sus beneficios. Eficiencia y, en consecuencia, menos peso. Dado que se gasta relativamente poca energía en calor, se requiere mucha menos energía. Como tal, muchos amplificadores de clase D se utilizan junto con fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). Al igual que la etapa de salida, la fuente de alimentación en sí se puede encender y apagar rápidamente para regular el voltaje, lo que da como resultado mayores ganancias de eficiencia y la capacidad de reducir el peso en comparación con las fuentes de alimentación analógicas/lineales tradicionales.
En conjunto, incluso los potentes amplificadores de clase D pueden pesar solo unos pocos kilogramos. La desventaja de las fuentes de alimentación SMPS en comparación con las fuentes lineales tradicionales esque los primeros no suelen tener mucho headroom.
Las pruebas y numerosas pruebas de amplificadores de audio de clase D con fuentes de alimentación lineales en comparación con los módulos SMPS han demostrado que esto es así. Cuando dos amplificadores manejaban potencia nominal, pero uno con una fuente de alimentación lineal podía producir niveles de potencia dinámica más altos. Sin embargo, los diseños de SMPS se están volviendo más comunes y puede esperar ver mejores unidades Clase D de próxima generación con formas similares en las tiendas.
Comparación de la eficiencia de las clases AB y D
Aunque la eficiencia de un amplificador de potencia de audio transistorizado Clase A/B aumenta a medida que se acerca a la potencia de salida máxima, los diseños Clase D mantienen una alta eficiencia en la mayoría de los rangos operativos. Como resultado, la eficiencia y la calidad del sonido se inclinan cada vez más hacia el último bloque.
Usar un transductor
Cuando se implementa correctamente, cualquiera de los bloques anteriores fuera de la clase B puede formar la base de un amplificador de alta fidelidad. Aparte de las posibles dificultades de rendimiento (que son principalmente una decisión de diseño en lugar de una clase específica), la selección del tipo de bloque es en gran medida una cuestión de costo versus eficiencia.
En el mercado actual, domina el sencillo amplificador de audio Clase A/B, y por una buena razón. Funciona muy bien, es relativamente barato y sula eficiencia es bastante adecuada para aplicaciones de baja potencia (>200W). Por supuesto, a medida que los fabricantes de convertidores intentan ampliar los límites con, por ejemplo, el monobloque Emotiva XPR-1 de 1000 W, recurren a diseños de clase G/H y D para evitar duplicar sus amplificadores como sistemas capaces de calentar equipos rápidamente. Mientras tanto, en el otro lado del mercado, hay fanáticos de clase A que pueden perdonar la f alta de eficiencia del dispositivo con la esperanza de un sonido más limpio.
Resultado
Después de todo, las clases de conversión no son necesariamente tan importantes. Por supuesto, existen diferencias reales, especialmente en lo que respecta al costo, la eficiencia del amplificador y, por lo tanto, el peso. Por supuesto, los aparatos de clase A de 500 W son una mala idea, a menos, por supuesto, que el usuario tenga un sistema de refrigeración potente. Por otro lado, las diferencias entre clases no determinan la calidad del sonido. Al final, se trata de desarrollar e implementar sus propios proyectos. Es importante comprender que los transductores son solo un dispositivo que forma parte del sistema de audio.
