Amplificador de potencia de audio

Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este cuya función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa.

El amplificador puede realizar su función de manera pasiva, variando la relación entre la corriente y el voltaje, manteniendo constante la potencia (de manera similar a un transformador), o de forma activa, tomando potencia de una fuente de alimentación y aumentando la potencia de la señal a su salida del amplificador, habitualmente manteniendo la forma de la señal, pero dotándola de mayor amplitud.

La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia de la misma para cada frecuencia. Es habitual mantener un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud de entrada.

El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacío todavía suelen utilizarse en algunos amplificadores especialmente diseñados para audio, preferida en algunos estilos musicales por su respuesta en frecuencia, o en amplificadores de alta potencia en radiofrecuencia. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como los amplificadores de instrumentación.

Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión.Son amplificadores que trabajan con la onda completa.

Tiene una corriente de polarización igual a aproximadamente la mitad de la corriente de salida máxima que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consiste en tres transistores de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del negativo al positivo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil.

Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Esta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio.

Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización infinita. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la señal de salida cruza por su nivel de 0 V en corriente alterna y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen.

Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga.

El amplificador clase «C» es exclusivo de «RF». Utiliza como «carga» un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el elemento activo conduce menos de 180º, de una señal senoidal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia.

Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B.

Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una gran corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al máximo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción.

Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95% (teóricamente entre el 90% y el 100%), lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor, y por tanto el tamaño y peso general del circuito.

Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de la clase AB.

Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento.

Esta señal conmutada puede generarse de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Esta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser al menos 10 veces superior al ancho de banda de la señal.

Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten y evitar, así, que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM.

Las clases E, G y H no están estandarizadas como las A y B. Se trata de variaciones de los circuitos clásicos, que dependen de la variación de la tensión de alimentación para minimizar la disipación de energía en los transistores de potencia en cada momento, dependiendo de la señal de entrada.

---