¿Qué es un amplificador?

Esquema de un amplificador.

Si hace unos días abríamos el taller de electrónica con un poco de teoría y práctica sobre multiplexores y demultiplexores, esta semana vamos a explicar qué es un amplificador, sus características y lo que hay que tener en cuenta para diferenciarlos. ¡Tomad nota!

En pocas palabras: un amplificador es un dispositivo capaz de magnificar lo que pasa a través de él.

La relación que existe entre la salida del amplificador y la entrada, expresada normalmente en función de la frecuencia de la señal de entrada, se denomina función de transferencia del amplificador y a su amplitud de ganancia. Dependiendo de la amplificación de la frecuencia, se les hace funcionar a un determinado rango de frecuencia, para que la amplificación sea constante y lineal.

Los amplificadores electrónicos son los más comunes y son usados en casi todos los aparatos electrónicos, como radios, televisiones, ordenadores, equipos de comunicación, instrumentos musicales, etcétera.

El funcionamiento de estos amplificadores se basa en la utilización de diferentes elementos activos, como pueden ser tubos de vacío o un transistor, normalmente BJT, aunque en ocasiones se utilizan MOSFET. La función del BJT es la de amplificar la corriente eléctrica que haya en su base un determinado valor en el colector y en el emisor. El valor de amplificación depende del tipo de transistor y del diseño del circuito (valores de los componentes, configuración en base común, colector común, etc).

Con transistores se pueden hacer dispositivos más complejos que también cumplan la función de amplificar, como los amplificadores operacionales, y estos a su vez otros como los amplificadores de instrumentación.

Otro tipo de amplificadores electrónicos son los diseñados específicamente para audio, en ellos se suelen preferir las válvulas de vacío a los transistores por sus mejores características sonoras. Estos amplificadores para audio son los preamplificadores y las etapas de potencia.

A un amplificador de audio también se le conoce como etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de ganancia.

La finalidad principal del amplificador es aumentar el nivel de señal de entrada, para tal cometido se debe incrementar la amplitud de la señal de entrada mediante corriente de polarización en el transistor de salida.

Cuando se diseña un amplificador es fundamental la ventilación del mismo. Por ello, siempre encontraremos rejilla de ventilación y los fabricantes habrán instalado en su interior ventiladores (como en el ordenador) o un disipador de calor. Esto es porque durante el procesado de la señal se desprende gran cantidad de calor en su interior.

Físicamente, cuando vemos un amplificador, nos encontramos con un equipo en el que, habitualmente, solo hay un botón: el power para enchufarlo o apagarlo.

En la parte posterior, no obstante, está el panel con las correspondientes entradas y salidas que estarán en función de la cantidad de señales que puede soportar un determinado modelo de amplificador.

Características de los amplificadores

Estas características son las que determinan la calidad de cada modelo de amplificador:

• Impedancia.
• Diafonía.
• Factor de amortiguamiento.
• Potencia de salida.
• Relación señal ruido.
• Respuesta en frecuencia.
• Respuesta de fase.
• Ganancia.
• Sensibilidad.
• Distorsión.
• Acoplamiento.

1. Impedancia: es la oposición que presenta cualquier material o dispositivo al paso de una corriente alterna. La impedancia de entrada de un amplificador debe ser de, al menos, 10 kiloohmios. Estos 10 kiloohmios se dan para que en el caso de posicionar 10 amplificadores en paralelo la carga total sea de un kiloohmio (10 kiloohmio / 10=1 kiloohmio).
2. Factor de amortiguación: indica la relación entre la impedancia de salida del amplificador y la impedancia nominal del altavoz al que va conectado. Cuanto mayor sea el factor de amortiguamiento mejor, pero por encima de doscientos puede significar que el amplificador está deficientemente protegido contra cargas reactivas que pueden deteriorarlo.

Lo ideal es que el factor de amortiguación sea elevado, por encima de los doscientos.

El factor de amortiguamiento se expresa: ‘200 sobre 8 ohmios’, lo que significaría que este factor de amortiguamiento es de 0,04 ohmios (8/200).

Muchos fabricantes incluyen el factor de amortiguamiento para graves, lo que resulta muy útil, porque sabemos que esa es la respuesta en frecuencia crítica. Vendría indicado como ‘150 sobre 8 ohmios a 40Hz’.

3. Potencia de salida: es la cantidad de energía que se puede introducir en la etapa de potencia antes de que distorsione en exceso o de que pueda sufrir los desperfectos.

La potencia máxima del amplificador viene en función de una determinada impedancia, generalmente, 8 ohmios. Por ejemplo: 175 vatios sobre 8 ohmios.

En amplificador es estéreo, hay que tener en cuenta si esa potencia se refiere a cada uno de los canales o a ambos. Estos se debe indicar en las especificaciones técnicas, si esta potencia es con los dos canales alimentados, o por canal.

En el ejemplo anterior con una potencia de salida de 175 vatios sobre 8 ohmios, si se añade ‘con los dos canales alimentados’ significa que ‘por canal’ la potencia será la mitad (87,5 vatios sobre 8 ohmios).

Por el contrario, con una potencia de salida de 175 vatios sobre 8 ohmios ‘por canal’, tendremos 350 vatios sobre 8 ohmios ‘con los dos canales alimentados’.

En los equipos que permiten modificar la impedancia de entrada, también hay que tener en cuenta las modificaciones que el variar este parámetros introducen en la potencia. En este caso, se hacen aproximaciones más cercanas, nunca son absolutas, porque en el estado actual de los amplificadores esto no es posible. Así, tenemos un amplificador en el que en las especificaciones técnicas figura 175 vatios sobre 8 ohmios, si reducimos la impedancia a 4 ohmios, la potencia será cercana al doble, los 350 vatios (es un amplificador ideal, debería ser justamente estos 350 vatios).

Esquema de un amplificador

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

Potencia nominal, eficaz o RMS: es la potencia máxima que puede soportar el amplificador, en régimen continua, antes de deteriorarse. Si el amplificador trabaja por encima de esta potencia nominal se dañará irremediablemente tanto el altavoz al que está conectado como el amplificador.

• RMS, son las siglas en inglés de Root Men Square, o lo que es lo mismo Valor cuadrático medio. Potencia de pico, admisible o musical.

Potencia máxima impulsiva (un pico de señal), que puede soportar cada cierto tiempo el amplificador antes de deteriorarse.

Algunos fabricantes en lugar de especificar la potencia nominal, especifican la potencia de pico para maquillar el alcance del amplificador, pues la potencia de pico siempre es superior a la potencia nominal. Hay que estar alerta a este detalle y tener en cuenta que la potencia de pico de un amplificador es 0,707 veces su valor de pico.

4. Relación señal/ruido: hace referencia al voltaje de ruido residual a la salida y se expresa en dB. Para que la relación señal/ruido esté por debajo del umbral de audición, debe ser de al menos 100 dB. Mayor, 110 dB, en el caso de los amplificadores de alta potencia (por encima de los 200 vatios).
   • Acoplamiento: indica la forma en que el amplificador está conectado al altavoz. Se habla de acoplamiento directo cuando ambos están acoplados directamente, sin pasos intermedios.

Internamente, el amplificador funciona con tensión continua, pero a la salida convierte la señal en corriente alterna. Cuando conectamos directamente un amplificador con el altavoz, este acoplamiento directo debe hacerse de forma que la corriente continua residual (DC offsets) sea lo más baja posible, no superando los 40 milivoltios. Los más habituales están en 15 milivoltios.

5. Respuesta en frecuencia: calcula el límite dentro del cual el amplificador responde de igual forma (respuesta plana) a las audiofrecuencias (20 a 20.000 Hz) con una potencia muy baja.

Esta respuesta en frecuencia se mide en dB tomando como referencia la potencia de 1 vatio con impedancia de 8 ohmios. Una óptima respuesta en frecuenta está en torno a 5 dB por encima de +5 dB o por debajo de -5 dB.

Muchos fabricantes, en lugar de usar solo las audiofrecuencias, para proteger a los amplificadores de perturbaciones suprasónicas o subsónicas, lo que hacen es medir la respuesta en frecuencia para una banda de frecuencias superior (generalmente de 12 a 40.000 Hz). En este caso una respuesta en frecuencia óptima debe estar en torno a 3 dB por encima +3 dB o por abajo -3 dB.

6. Respuesta de fase: relaciona la fase entre las frecuencias medias con respecto a las altas o las bajas. Este desfase (adelantamiento o retraso) no debería de ser superior a los 15º para que no se produzca distorsión y/o cancelamientos de señal.

Existen ciertos modelos de amplificador que invierte la fase en toda su banda de paso, lo que puede ocasionar dificultades en su operatividad (sino lo tenemos presente podremos estar cancelando toda la señal).

7. Ganancia: es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada de la señal. Si la potencia de salida es de 40W (vatios) y la entrada de 20W, la ganancia es de 2 dB.

Cuando la ganancia es menor que 1, hablamos de atenuación. En lo relativo a amplificadores, como el decibelio siempre expresa una comparación hablaremos de dBw o dBu, lo que nos indicará cual es la referencia:

• dBw: la W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como referencia 1 W. Así, a un vatio le corresponden 0 dBw.
• dBm: cuando el valor expresado en vatios es muy elevado, se una el milivatio (mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm.
• dBu: expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,775 voltios. Los 0,775 son la tensión que aplicada a una impedancia de 600 ohmios, desarrolla una potencia de 1mW. Se elige la impedancia de 600 ohmios, porque es donde el nivel de la señal en dBm y en dBu coincide.

Cuando en un circuito intervienen varios amplificadores, las ganancias individuales expresadas en decibelios en cualquiera de sus fórmulas (tanto dB, dBw, dBm o dBu) se suman (restan si son negativas y es atenuación).

8. Sensibilidad: nos indica la cantidad de flujo eléctrico necesario de entrada para producir la máxima potencia de salida.

Viene indicada por dBu a una determinada impedancia. El dBu expresa el nivel de señal de decibelios y referido a 0,775 voltios.

Si se supera el valor especificado por la sensibilidad la señal de salida sufrirá un recorte (tanto por arriba como por abajo), como ocurre en los limitadores, y quedará distorsionada de tal modo que puede causar daño en ciertos equipos como en los tweeter.

Para evitar este gran problema, la mayoría de equipos profesionales cuenta con un control de nivel de la entrada, que nos permiten atenuar la señal si resulta excesiva.

9. Distorsión: describe la variación de la forma de onda a la salida del equipo, con respecto a la señal que entró y se debe a que los equipos de audio, no solo los amplificadores, introducen armónicos en la señal. Las causas de esta distorsión pueden ser múltiples. En el caso de los amplificadores, la más usual es la sobrecarga a la entrada, es decir, sobrepasar la potencia recomendada por el fabricante, lo que produce a la salida un recorte de la señal, queda el sonido roto.

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

La distorsión también puede expresarse en dB en relación a una frecuencia. Es lo que se conoce como distorsión por intermodulación de transistores. Para medir esta distorsión lo que se hace es calcular la distorsión del amplificador para dos ondas senoidales diferentes (generalmente, 19 y 20 kHz) y ver cuál es la diferencia entre estas señales expresada en dB. Los amplificadores de calidad deben estar en los 70 dB de diferencia en ese tono diferencial de 1 Hhz.

• Diafonía: la diafonía indica que en un sistema estéreo, un canal de audio afecta al otro. La diafonía depende de la frecuencia. Así hablaremos de que la diafonía es soportable cuando esté en torno a los 50 dB para graves y agudos y 70 dB para los tonos medios. Para eliminar problemas de diafonía, los amplificadores cuentan con rectificadores, condensadores de filtro. Además, muchos fabricantes introducen fuentes de alimentación independientes para cada canal, lo que resulta muy efectivo.

Esquema del kit de montaje de un amplificador de Todoelectronica.

Si os apetece poner en práctica esta lección, podéis hacerlo con este montaje.

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Esperamos que esta amplia lección sobre amplificadores os sea útil para vuestros proyectos, si queréis en otro artículos os podemos explicar los tipos que existen. ¿Os apetece? ¡Esperamos vuestros comentarios o sugerencias sobre cualquier tema!