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Etapas de potencia: La musculatura del audio-sistema

  • Publicado en Didáctica directo

estapa abierta

La función primordial de cualquier amplificador de potencia es la de magnificar las señales que, procedentes de un preamplificador, recibe en su entrada hasta obtener el nivel adecuado para excitar el o los altavoces que conectemos a su salida. Esta breve introducción, así expuesta, puede dar la impresión de que la tarea encomendada a un amplificador, o etapa de potencia, sea una labor sencilla; sin embargo, nada más lejos de esto.

En el caso de un altavoz electrodinámico, que es el principio de funcionamiento de prácticamente todos los utilizados en sonorización profesional, éste es propulsado mediante una corriente eléctrica que circula por su bobina móvil; dicha corriente es proporcionada por el amplificador, quien lo que en realidad hace es seguir, lo más fielmente posible, las variaciones de tensión que se encuentran en su entrada (las que recibe del previo) reflejándolas en su salida con un nivel varias veces superior. Es entonces cuando realmente se establece la circulación de corriente a través del bobinado del altavoz; es decir, una etapa de potencia amplifica tensión y al encontrar en su salida el bobinado del altavoz se produce una circulación de corriente. Esto hace cumplirse el enunciado de la ley de Ohm, el cual establece la relación entre tensión-intensidad-resistencia, o impedancia en el caso de la corriente alterna, que es el que nos ocupa. Tenemos entonces que: dividiendo la tensión obtenida en los bornes de salida de un amplificador, entre la impedancia del altavoz o caja acústica, obtendremos la intensidad de corriente circulante.

Criterios de elección a la hora de adquirir una etapa de potencia
En realidad, lo que se ha de tener casi exclusivamente en cuenta a la hora de realizar un desembolso económico en la adquisición de, no solamente una etapa de potencia, sino de cualquier aparato de audio es el hecho de que la última palabra la tiene el oído.
Etapas de potenciaTal vez a alguien le parezca raro esto que acabo de mentar, sin embargo, la razón de tal afirmación proviene del hecho demostrado de la subjetividad existente a la hora de hacer un juicio de sonoridad de un aparato de audio cualquiera, cableado y conectores incluidos. Si te suena bien a ti ¡pues vale! cuando menos para ti, que a fin de cuentas eres quien va a poner los euros. Aunque, nadie se llame a engaño; no es lo mismo la opinión de alguien versado en el tema, que la de un profano en el mismo y, de todas todas, si una máquina de audio presenta malas características técnicas sobre el papel, a buen seguro sónicamente ofrecerá pobres resultados. Es por ello que, a continuación, paso a desglosar algunas de las principales características técnicas que podemos encontrar en las etapas de potencia, para que tengáis una idea lo más aproximada posible de a qué ateneros a la hora de elegir una etapa de potencia, o bien, comparar al menos sobre el papel una serie de posibles candidatas para tal elección, ya que no siempre es posible probarlas in situ.

Interpretación de los datos técnicos para etapas de potencia
Sea cual sea el esquema de amplificación (clase A, B, AB, C, D, etc.) utilizado en una etapa de potencia su hoja de características técnicas definirá en gran medida su comportamiento a la hora de trabajar. He de decir respecto a esto del esquema o clase de amplificación, que los diseños más sofisticados en etapas de potencia lo son en clase A pura. No suelen encontrarse amplis así diseñados en el campo de la sonorización profesional, pero no resulta nada extraño verlos en estudios de grabación serios.

Respuesta en frecuencia y potencia de salida
Este dato, que puede presentarse en forma numérica o de gráfica, nos muestra el margen de frecuencias (ancho de banda en potencia) que el amplificador es capaz de reproducir y que ha de ser, como mínimo, el del espectro de audición (de 20 a 20.000 Hz) y el margen de variación en +-dB´s con que es capaz de mantener ese margen (linealidad de la respuesta en frecuencia) respecto a una respuesta perfectamente lineal (ideal teórico) de 0 dB. Cuanto mayor sea el ancho de banda tanto mejor, puesto que se tendrá una restitución armónica superior. El ideal teórico para este dato sería el caso de un amplificador de potencia capaz de reproducir un ancho de banda entre 0 Hz (corriente continua) e 8 Hz (infinito).

Este dato cobra especial relevancia en las etapas de potencia que se van a emplear en un estudio de registro de sonido o masterización para excitar los monitores de referencia. En cuanto a la linealidad en la curva de respuesta, mejor cuanto más cercana a los comentados 0 dB.

Sirvan como ejemplo de lo mencionado al respecto los datos reales reflejados en la hoja de características técnicas de una de las etapas de potencia realizadas por un conocido fabricante.

Etapas powersoft

Potencia y T.H.D.
Como se puede apreciar, la potencia de salida varía según la impedancia de carga (del altavoz o caja acústica) conectada y está basada en unas cotas de distorsión harmónica total THD (total harmonic distortion) definidas; en este caso 0,1 % y, atención, para una frecuencia de prueba determinada en 1 Khz. Observar cómo la potencia de salida aumenta a medida que la impedancia de carga disminuye; pero ojito, que esto no es ninguna panacea.

Por ejemplo, si esto se cumpliera en el caso que nos ocupa; al entregar 280 W por canal sobre 8 Ohms, cambiando la carga por una de 4 Ohms la potencia liberada sería de 2 x 280 W = 560 W. Lo cual no se cumple, aunque muy lejos de ocurrir no anda. Esta cuestión es un detalle que nos dará una idea clara acerca del mejor o peor diseño de la fuente de alimentación en la etapa de potencia. No obstante, acerca de esto, comentar que una etapa de potencia escrupulosamente diseñada dobla matemáticamente su potencia cada vez que la impedancia de carga se reduce a la mitad de su valor (la ley de Ohm cumplida a rajatabla). Cabe decir que en etapas profesionales tal cosa no suele acontecer, por lo que tampoco vamos a ponernos a buscar cinco pies al gato.

Que ¿por qué hago este comentario? Pues sencillamente porque sería lo suyo en los estudios de grabación. En estos nada es antepuesto a la calidad. No quiero decir con esto que una etapa de potencia profesional de las habitualmente usadas en, por ejemplo, una P.A. no tenga una calidad que se pudiera tildar incluso de muy buena, ni que no se pueda utilizar uno de estos amplificadores de potencia diseñados sin compromiso; simplemente, no llega a la precisión extrema de una etapa High End y pretender usarlos masivamente resultaría harto descabellado puesto que, debido a su alto precio, el presupuesto sería a todas luces insostenible, ni los Rolling. Aunque puedo asegurar que en rara ocasión algún músico incluía alguna en su Backline. También se ha de tener en cuenta que mientras el diseño de un ampli pro se orienta a su dureza (vibraciones en su transporte, golpes, etc.) el diseño de uno de fidelidad extrema se concibe con otras miras.

Por otro lado, respecto a la potencia de salida sobre un ancho de banda de 20 Hz a 20 Khz, se puede ver cómo ésta resulta ser más baja que lo anteriormente expresado, a la vez que la THD medida es claramente inferior y cómo ésta aumenta algo con carga a 4 Ohms. En consecuencia, esta etapa de potencia, tendrá su mejor respuesta cargada con 8 Ohms.

Debido a cuestiones de espacio y la complejidad del término, sólo comentaré respecto a la T.H.D. que se refiere al promedio de distorsión armónica en todos las ordenes (2º armónico, 3º armónico,…Nº armónico) y que cuanto más baja sea, mejor. Suele expresarse, como se puede ver en el cuadro, en porcentaje; aunque también se puede definir en dB, pero esto es menos usual.

 

Powersoft amps

La potencia RMS
La indicación RMS (root mean square) o, raíz media cuadrática suele definirse también como potencia eficaz o continua. Esto hace referencia al hecho de que esta es la potencia que el amplificador puede liberar continuamente durante largos periodos de tiempo, normalmente decenas de horas, sin ningún tipo de problema. Se denomina RMS porque es el resultado de dividir la potencia de pico (peak power) entre la raíz cuadrada de 2.

Potencia eficaz o RMS = Potencia de pico / 20,5
Potencia de pico = RMS x 20,5

20,5 es lo mismo que la raíz cuadrada de 2

Nunca confundir la potencia eficaz con la de pico
La potencia de pico es la que el amplificador puede liberar durante un breve intervalo de tiempo sin llegar a dañarse. Además, cuando la etapa alcanza este régimen de trabajo la integridad del altavoz conectado a ella sufre serio peligro.

Algunos fabricantes facilitan el dato de potencia de pico para dar la impresión de que sus etapas son super-potentes, en lugar de la eficaz o RMS. Insisto, no te líes con esto que es muy importante: ten en cuenta que necesitas un altavoz que conectar a esa etapa que piensas adquirir y éste tendrá que estar en concordancia con aquella, de lo contrario, tu presupuesto podría no quedar correctamente elaborado.

También puedes ver otras clasificaciones para determinar la potencia de salida, tales como potencia musical, de programa y de mil y un cuentos. Fíjate más que nada en la potencia RMS.

Bridge mode (modo puente)
El modo puente se refiere al hecho de que prácticamente todos los amplificadores estereofónicos profesionales observan la posibilidad de "sumar" los dos canales en uno solo, obteniendo una potencia superior para usar esa etapa así configurada como un bloque monofónico. Véase en el cuadro.

Velocidad de subida (Slew Rate) y tiempo de subida (Rise Time)
Este parámetro presenta la velocidad de subida de una etapa de potencia (la rapidez con que amplifica) y se define en voltios por microsegundo (V/µsec). Mejor cuanto mayor sea este valor. Tiene a la vez que ver con otra característica denominada rise time, y que informa sobre el tiempo transcurrido entre el estado de reposo, del ampli considerado, y su máxima potencia. El rise time se define en Microsegundos (µsec).

Observar cómo en modo puente también la velocidad de subida se dobla; esto es interesante siempre que se desee una respuesta más rápida por parte del amplificador.

Crest audio

Factor de amortiguamiento (Damping Factor)
Una bobina, tal como la de un altavoz, presenta oposición al establecimiento de circulación de corriente a través de ella y también se opone a la desaparición de dicha corriente una vez establecida en la misma. Dicho sencillamente, el bobinado de un altavoz almacena corriente (energía magnética) durante un breve intervalo de tiempo; tiempo que interesa que sea lo más corto posible y que está determinado por la resistencia a través de la que esa bobina se descarga. Cuanto mayor sea el valor de esa resistencia de descarga, mayor será asimismo el tiempo invertido en la descarga y viceversa.


Pues bien, esa impedancia (recuerda que hablamos de corriente alterna) a través de la cual se descarga la bobina del altavoz es precisamente la impedancia de salida del amplificador (no confundir esta con la impedancia de carga). Para no llegar a marear con tanta terminología eléctrica, solamente comentar que se trata de lo que se conoce como fuerza contraelectromotriz. Y algo importante; el cable con que conectamos el altavoz al ampli posee ciertamente una resistencia propia que se encuentra en serie con ese amplificador, así que contribuirá a que ese valor de resistencia de descarga aumente, y por la razón que antes expuse el factor de amortiguamiento o damping disminuya.

El resultado que obtenemos al dividir la impedancia de carga entre la de salida de la etapa de potencia es el valor del damping de esa etapa. Damping = Zload / Zout. No es cuestión de calcularlo, sino de comprender el concepto, de cualquier manera ¿qué impedancia interna poseerá esta etapa de potencia? ¿Cómo afectaría al damping si cambio la impedancia de carga por una de 4 Ohms?

Relación señal ruido (signal to noise ratio)
El mismo término lo indica, es la relación en dB existente entre la señal entrante amplificada (usualmente a máxima potencia = 0 dB) y el ruido propio del amplificador cuando no existe señal de entrada, y manteniéndolo igualmente en su máxima ganancia, o sea, 0 dB. Se mide la tensión en ambos estados, dividimos la tensión de salida entre la de entrada y lo pasamos a dB. La relación señal/ruido o S/N determina lo silenciosa que será una etapa de potencia. Cuanto mayor sea la S/N tanto mejor.

Antes de finalizar este artículo voy a comentaros algo de bastante importancia, que aunque no tiene que ver con ninguna característica técnica, medida o parámetro alguno relativo al tema que nos ocupa, sí que tiene verdadero interés a la hora de adquirir un ampli, por no decir uno o varios rack´s de amplificación. Te has preguntado en alguna ocasión, bueno y ahora ¿qué potencia de amplificación necesito? ¿De qué potencia tengo que comprar el ampli?

Potencia eléctrica necesaria (Electrical Power Required)
Puesto que siempre he observado mucha confusión con esto de la EPR, además, de haber escuchado más de una barbaridad al respecto, tal como, "1 Watio por persona", dicho por un "experto" en el tema…, lo voy a explicar aunque sea muy someramente (el espacio obliga).

Para conocer el valor de la potencia de amplificación que precisamos necesitamos saber:

1) La distancia hasta el oyente más lejano al que deseamos que llegue el sonido.
2) El nivel de presión acústica o SPL que precisamos a esa distancia.
3) La sensibilidad, rendimiento, o eficiencia del altavoz o sistema de altavoces en dB.

Estos tres datos son absolutamente imprescindibles para calcular la EPR. Habría que contar, además, con la absorción acústica del espacio que hay que sonorizar, y alguna cosa más por ahí que de momento no menciono por no ser motivo del tema que nos atañe. Considero que esto es trascendente y por eso lo he puntualizado.

Espero que este artículo te resulte de provecho. Si ya eras conocedor del tema, un repaso no te vendrá mal y si, por el contrario, lo desconocías, cuando menos ya has conocido unos cuantos términos nuevos que tal vez te den base para continuar indagando. Salud y hasta la próxima.

 

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