1 7 - A M P L I F I C A D O R D E P O T E N C I A D E A U D I O
¿Qué es un parlante? ¿Cuáles son sus requerimientos circuitales? ¿Qué potencia tiene un
amplificador? ¿Qué sensibilidad tiene un amplificador? ¿Cuál es su distorsión y como se reduce?
Son muchas preguntas y seguramente el lector tiene algunas respuestas difusas entre sus
conocimientos.
Los amplificadores de potencia suelen ser el primer equipo que encara un reparador. Y es muy
lógico porque la gama de frecuencias en las que funciona un amplificador de audio es la más baja
de la electrónica (20 Hz a 20KHz) y eso permite encarar experiencias prácticas con cables largos
sin que se produzcan problemas con la inductancias y capacidades parásitas.
Además la gama de frecuencias involucradas nos permiten construir nuestros propios instrumentos
de medición y prueba sin mayores gastos de dinero y realizando una interesante práctica.
E l p a r l a n t e
Yo supongo que todos mis lectores tuvieron alguna ves un parlante en sus manos, así que no voy a
perder tiempo en describirlos con mucho detalle. Un parlante esta compuesto de una campana
metálica, un imán (generalmente cerámico) y un cono de papel o de plástico. El borde exterior del
cono está sujeto a la campana con un montaje elástico de goma o con un ondulado del mismo
material del cono que le confiere la posibilidad de moverse hacia adelante y hacia atrás alrededor
de un punto de equilibrio mecánico.
Fig.1 Las diferentes partes de un parlante
Desde el punto de vista técnico, un parlante es un transductor electroacústico. Recibe energía
eléctrica y la transforma en energía mecánica que mueve el cono generando energía acústica por
compresión y expansión del aire.
Ahora vamos a analizar como se realiza esa transferencia energética primaria de eléctrica en
mecánica. Para entenderlo debemos introducirnos en el parlante y realizar un corte a nivel del
imán.
Fig.2 Corte de un parlante
El imán cerámico anular tiene el polo sur en la cara superior y el norte en la inferior o
viceversa.
La pieza polar inferior es en realidad un disco de hierro con un cilindro de hierro soldado en
el medio que penetra en el carretel de papel de la bobina móvil, de modo que esta tenga un
huelgo para que pueda deslizarse verticalmente.
La pieza polar interna, es una gran arandela de hierro que sierra el camino magnético de
modo que solo quede un pequeño entrehierro que atraviesa la bobina móvil.
La araña es una pieza elástica que completa la suspensión del cono de modo que pueda
entrar y salir del núcleo cilíndrico sin rozar en el mismo.
En la figura 3 se puede observar un detalle de la interacción entre el campo magnético de la bobina
móvil y el del circuito magnético fijo.
Fig.3 Detalle de la interacción entre el campo
El espacio existente entre el borde interno de la arandela que hace de pieza polar superior y
el núcleo cilíndrico se llama entrehierro. Es un lugar abierto donde existe un enorme campo
magnético radial que va desde la arandela hasta el núcleo y por dentro este hacia abajo y
luego hacia fuera hasta completar un circuito magnético cerrado alimentado por el imán.
La bobina móvil esta recorrida por una corriente entregada por el amplificador de audio que
genera otro campo magnético en el núcleo de hierro.
Los dos campos magnéticos paralelos dentro del núcleo interaccionan entre si generando
una fuerza que mueve al cono en proporción a la corriente circulante por la bobina.
El rendimiento de un parlante se calcula como la potencia eléctrica entregada al mismo dividida por
la potencia mecánica que sale del parlante. Y la potencia eléctrica entregada al parlante es igual a
la tensión aplicada a la bobina móvil multiplicada por la corriente que circula por ella. Los parlantes
tiene uniformada la resistencia de su bobina móvil en dos valores clásicos de 4 y de 8 Ohms (los
parlantes muy antiguos pueden ser de 3,2 Ohms).
Esto implica que los amplificadores se pueden comparar de acuerdo a su resistencia de carga y a
su tensión de fuente y a continuación vamos a realizar un análisis de ese tipo, que no permitirá
desenmascarar a una gran cantidad de embaucadores que tiene esta especialidad de la electrónica
que es el audio de potencia.
P o t e n c i a s d e l o s a m p l i f i c a d o r e s d e a u d i o
Un amplificador de audio tiene que cumplir siempre con las leyes de la termodinámica. La potencia
entregada al parlante no puede ser nunca mayor a la potencia que ingresa por la fuente. Y que
quede claro que dije la potencia entregada al parlante y no la potencia entregada por el parlante,
que depende del rendimiento del mismo y que no podemos medir fácilmente por tratarse de una
unidad acústica (llamada presión sonora) muy difícil de medir.
Antes que nada vamos a explicar que los parlantes se caracterizan por su Impedancia y no por su
resistencia. Si Ud. toma un parlante de 8 Ohms y lo mide con el tester predispuesto como óhmetro,
encontrará que tiene alrededor de 6,5 Ohms. Esto suele desconcertar a los enconadores de
parlante que terminan realizando un trabajo aproximado o muchas veces exacto pero sin saber el
porque.
Si observa la construcción de un parlante puede ver que tiene una “bobina móvil” y no una
“resistencia móvil”. En efecto si tomamos un alambre y los bobinamos sobre un núcleo de hierro
debemos esperar un comportamiento inductivo. Pero el alambre utilizado tiene una resistencia
considerable y por lo tanto el circuito equivalente de un parlante no es un componente puro sino un
R L (en realidad debería ser un R L C pero el C se puede despreciar en prácticamente todos los
casos).
Algo que casi nadie tiene en cuenta es que si se dice impedancia de parlante se debe aclarar a que
frecuencia. Como todos los fabricantes dan la impedancia a 1KHz se da por descontado el hecho y
solo se dice “Impedancia de 8 Ohms” o “Impedancia de 4 Ohms” cuando realmente se debería decir
“Reactancia Inductiva de 8 Ohms a 1 KHz”.
Con ese dato ¿se puede saber cual es el circuito equivalente de un parlante, para tenerlo en
cuenta en los diseños de amplificadores o en el cálculo de la potencia de salida del amplificador?
Si, se puede hacer fácilmente utilizando el Multisim tal como lo indicamos en la figura 4.
Fig.4 Medición de las componentes inductivas y resistivas de un parlante
Hagamos un simple cálculo. ¿Si un parlante de 8 Ohms nominales se alimenta con un generador
sinusoidal de 1V eficaz, cuanta corriente debe pasar por él? Como
I = E/R
podemos calcular
1/8 = 0,125 mA
Luego variamos el inductor de 1 mHy para que la corriente sea igual a ese valor y obtenemos el
circuito equivalente aproximado de un parlante de 8 OHms porque en realidad todo depende del
parlante utilizado ya que no todos tienen una resistencia de 6,5 Ohms.
Y si se trata de un parlante de 4 Ohms todo se reduce a la mitad. Es decir que tiene una resistencia
de 3,25 Ohms y una inductancia de 375 uHy en serie.
Ahora que sabemos cual es la resistencia de carga real equivalente a un parlante, vamos a calcular
cual es la potencia máxima que se puede sacar de un amplificador con una tensión de fuente
determinada:
A m p l i f i c a d o r e s c o n u n a s o l a t e n s i ó n d e f u e n t e ( p o r e j e m p l o 1 2 V )
Debemos tener en cuenta que si la fuente es de 12V la tensión pico a pico de la salida será de 12V
también y por lo tanto la tensión eficaz será de 6/1.41V como máximo es decir 4,25V y la potencia
desarrollada sobre una carga de 4 Ohms será de
(4,25)2 /4 = 4,51 W
y con 8 Ohms de carga de 2,25W
Para los que gustan de las matemáticas les decimos que la fórmula de calculo para la potencia en
función de la tensión de fuente es
P=(V/2 x1,41)2/ Z
en donde V = tensión de fuente y Z = impedancia del parlante
A m p l i f i c a d o r e s c o n t e n s i ó n p o s i t i v a s y n e g a t i v a s ( p o r e j e m p l o 2 4 V )
Lla tensión total aplicada es de 48V y el valor de pico es de 24, con lo cual el valor eficaz será de
24/1,41 = 15V
En este caso la potencia desarrollada sobre una carga de 8 Ohms será de
152 /8 = 28W
y para una carga de 4 Ohms de 56W.
Estos son valores máximos absolutos que nos garantizan que no sale mas potencia que la que
entra, pero son imposibles de conseguir porque los componentes que se encargan de controlar la
corriente que circulará por el parlante no llegan a tener cero Ohms cuando están conduciendo ni un
valor infinito cuando están abiertos.
La fórmula es la misma que en el caso anterior pero considerando que
V = V1+V2
en donde V1 es la tensión positiva y V2 la tensión negativa.
L a e t a p a d e s a l i d a d e a u d i o g e n é r i c a
¿Ud. sabe de donde proviene el nombre transistor? Según su inventor es una conjunción de
trasmisión y resistor. El quería indicar que un transistor es un resistor variable conectado entre dos
patas y que el valor de ese resistor depende de la corriente inyectada en la tercer pata del
transistor.
Una etapa de excitación de un parlante en su modo mas sencillo puede ser la representada en la
figura 5 en donde colocamos un potenciómetro (asimílelo a dos resistores en serie de valor
variable) y una fuente de tensión continua.
Fig.5 Etapa de excitación de un parlante
Si el lector lleva el potenciómetro al máximo el cono se mueve y se va a su posición extrema hacia
fuera o hacia adentro y si lo lleva a la posición mínima se va a la posición de reposo.
Nota: esto es algo simbólico para aclarar el tema pero no debe ser realizado en la realidad; porque
la bobina móvil está recibiendo una energía eléctrica que no puede transformar en energía
mecánica, ya que luego del cambio inicial de posición del cono, el aire se desplaza
permanentemente y no hay presión sonora. Esto significa que entra energía pero no sale y esto
implica la generación de calor que calienta la bobina móvil.
Ahora imagínese que Ud. realiza el movimiento del potenciómetro a tal velocidad que genera una
señal de 1 KHz. Ahora si el cono presiona el aire 1.000 veces por segundo y Ud. escucha un
sonido. ¿Y si mueve el potenciómetro siguiendo una ley sinusoidal se escucha una sinusoide? No,
porque la sinusoide tiene un ciclo negativo y otro positivo y en nuestro caso solo podemos mover el
cono en una sola dirección. A lo sumo generaríamos un semiciclo de una sinusoide.
El problema se puede resolver de dos modos diferentes. El primero es usando un capacitor
electrolítico tal como lo indicamos en la figura 6.
Fig.6 Etapa de salida genérica con capacitor de acoplamiento
Comencemos el ejercicio con el potenciómetro en la mitad de su recorrido. Como se puede
observar, allí la tensión es igual a 6V. Del otro lado del capacitor la tensión es nula porque el
parlante está conectado a masa. Es decir que el capacitor está cargado con 6V. La capacidad del
mismo tiene que ser suficientemente alta como para que siempre conserve ese valor de tensión
aproximadamente; aunque como vamos a ver esta recorrido por una CA.
Cuando Ud. lleva el potenciómetro hacia arriba el parlante tiene aplicados 12 V de la fuente menos
6 V del capacitor es decir 6 V positivos. Cuando lo lleva a masa tiene aplicada la carga del
capacitor solamente es decir -6V. Como vemos ahora tenemos la posibilidad de que el parlante
tenga aplicados los dos semiciclos de los sinusoide. Cuando el potenciómetro está arriba el
capacitor se carga, cuando esta abajo se descarga. Si es suficientemente grande su tensión no va
a variar ni aun a la menor frecuencia que puede salir del amplificador que por lo general se estima
en 25 Hz con lo cual el capacitor debe conservar la carga por 1/25 = 40 mS. Para comenzar
hacemos un calculo aproximado por constante de tiempo, es decir que hacemos una constante de
tiempo con la resistencia del parlante y el capacitor incógnita. Por ejemplo 50 mS o 0,05S para
hacer número redondos. Es decir que
RC = 50 mS
de donde se deduce que con
R de 8 Ohms C = 0,05/8 = 0,0062 F o 6,2 mF o 6.000 uF
es decir un valor bastante elevado que por lo general se reemplaza por 4700 uF.
En lugar de hacer un cálculo aproximado es mejor utilizar el Workbench Multisim para hacer un
calculo exacto mediante el analizador de Bode. En la figura 7 se puede observar el circuito de un
generador y un parlante representado por un resistor de 8 Ohms.
Fig.7 Respuesta en bajas frecuencias de un parlante excitado a capacitor
La respuesta en frecuencia se mide moviendo el cursos del analizador de Bode hasta que la señal
caiga 3 dB aproximadamente. En nuestro caso eso ocurre cuando la frecuencia es de 4 Hz lo cual
significa que se puede usar un capacitor mas chico por ejemplo de 470 uF y volver a probar con lo
que se obtiene un corte de baja frecuencia de 40 Hz totalmente aceptable para nuestros
requerimientos.
Ahora que desarrollado nuestro circuito de salida podemos prepararlo como para hacer todas las
mediciones posible con osciloscopio, vatímetro y tester para observar las características completas
de nuestro circuito con una fuente de 12V y una carga de 8 Ohms.
M e d i c i o n e s s o b r e e l c i r c u i t o d e s a l i d a
En la figura 8 se puede observar nuestro circuito de salida con los agregados de un osciloscopio,
un tester y un vatimetro.
Fig.8 Mediciones completas sobre la salida de potencia
Primero vamos a analizar los puntos donde se realizan las mediciones.
1. El osciloscopio lo conectamos sobre la salida de señal del amplificador, que en este caso
está reemplazado con un generador de funciones.
2. Como estamos imitando un amplificador con una fuente de 12V de CC, la señal (de color
naranja o gris claro en blanco y negro) la ajustamos para que cubra una tensión de 0V a 12V
como se observa con los cursores azul y rojo adecuadamente ubicados.
3. Para lograrlo el generador de funciones debe ajustarse en 6Vpp (ya sabemos que el WB
tiene un modo extraño de indicar la amplitud pico a pico).
4. El offset debe ajustarse para que la tensión de salida fluctúe entre 0V y 12V y esto ocurre
con una tensión offset de 6V.
5. La frecuencia de medición se elige en 1 KHz que es el valor standard utilizado en audio.
6. El tester está midiendo la salida del amplificador y si lo abriéramos indicaría una CA de
4,24V que es el valor eficaz de una señal senoidal con un valor de pico de 6V.
Nota: un tester digital común no llega a medir una frecuencia de 1 KHz porque solo están
preparados para realizar mediciones de 50 Hz. Le aconsejamos al lector que descargue la Sonda
de RF de picerno.com.ar. Esta sonda indicará directamente el valor de pico de la salida es decir
12V, en cambio si Ud trabaja con un milivoltímetro de CA por ejemplo obtendrá el valor eficaz de la
CA de salida es decir 6/1,41 = 4,24V.
El vatímetro tiene cuatro cables de conexión. Dos para medir la tensión sobre la carga y otros dos
para medir la corriente por la carga. La potencia de nuestro amplificador es de 2,24W.
El medidor de Bode se conecta en la salida del amplificador y sobre la carga y la grafica nos
permite observar la respuesta con una caída de -3 dB a una frecuencia de 40 Hz.
Con todo lo visto hasta aquí podemos desenmascarar a muchos fabricantes de amplificadores de
audio que pueden realizar el milagro de obtener valores de potencia mayores a los indicados como
máximos por medición de la tensión de fuente y observando la impedancia del parlante. Recuerde
que la tensión de fuente se debe medir a pleno consumo y nunca con el sonido cortado y si el
amplificador es estereofónico deben estar consumiendo ambos canales. Excite al amplificador con
una señal senoidal de 1 KHz y levante el volumen lentamente hasta que escuche una distorsión
causada por la saturación del amplificador; baje el volumen hasta que desaparezca la distorsión y
mida la salida del amplificador con la sonda y el tester. Calule la potencia y verá como adelgazan
los vatios prometidos.
Ahora vamos a hacer un comentario práctico. Si Ud. no tiene osciloscopio, ni vatímetro deberá
arreglarse solo con el tester digital y la sonda agregada para transformarlo en un medidor de pico
de CA conectado sobre la salida del amplificador. ¿Y el generador de funciones? Si no tiene un
generador de audio le aconsejamos que utilice la PC como generador de funciones según
indicamos a continuación.
L a P C c o m o g e n e r a d o r d e f u n c i o n e s
Internet le ofrece varios generadores de funciones. Si ingresa a un buscador general como el
Google y pide por la palabra clave “Generador de audio para PC” tiene varios disponibles.
Si Ud. conoce algún otro generador que funcione realmente por favor deje un comentario
para que lo publiquemos en beneficio de nuestro lectores pero primero pruébelo
exhaustivamente; no lo de por bueno solo porque tenga una bonita presentación.
Fig.9 Generador de funciones por PC
Ud puede elegir entre 5 forma de señal (arriba a la izquierda debajo del botón de STOP) senoidal,
cuadrada, triangular, diente de sierra y salva de senoides. Para elegir el nivel debe pulsar el ultimo
icono de la misma paleta de herramientas que tiene el símbolo de un amplificador cruzado con una
flecha roja. En la parte activa de la pantalla aparece dos renglones. El primero sirve para cambiar
la frecuencia. Pulse sobre el renglón y verá que se activan las teclas + y – que le permiten cambiar
la frecuencia de 2Hz a 20 KHz. Si pulsa dos veces sobre el renglón aparecerá un cuadro de dialogo
que lo invita a escribir la frecuencia deseada.
Si pulsa sobre el segundo renglón puede cambiar la amplitud indicada en dB. La salida máxima es
de 0 dB es decir 640 mV eficaces sobre la salida para los amplificadores de PC. Si desea una
mayor señal de salida puede tomar el cable que conecta un bafle con el otro que corresponde a la
conexión del parlante del bafle que no posee amplificador.
C i r c u i t o s c o n d o b l e f u e n t e
Como vimos en el punto anterior, cuando se alimenta un amplificador con una fuente única, la
salida en reposo (sin señal de audio en la entrada) queda en la mitad de la tensión de fuente (por
ejemplo 6V en los amplificadores para automóviles con batería de 12V). Esto implica el uso de un
capacitor electrolítico relativamente grande y caro o una importante perdida de señal en bajas
frecuencias. La solución es una complejidad mayor de la fuente pero una simplificación de la etapa
de salida: el uso de una doble fuente positiva y negativa para que la corriente por el parlante tenga
posibilidad de invertirse.
En la figura 10 se puede observar un circuito elemental con un potenciómetro que cumple con este
criterio.
Fig.10 Circuito de salida elemental con fuente doble
En este caso la condición de reposo de salida es con tensión nula (potenciómetro en el medio) y
esto significa que el parlante no necesita tener un capacitor de acoplamiento; puede estar
conectado directamente a la salida, mientras la salida garantice que va a estar en cero. Por lo
general dada la peligrosidad de esta disposición los amplificadores siempre tienen una protección
contra el desbalance de la salida.
En este circuito cuando el potenciómetro está en el extremo superior la corriente circula hacia
abajo por la resistencia de carga y cuando esta en el extremo inferior circula para arriba ya que se
adopta el sentido convencional de la circulación de corriente como del positivo al negativo.
En la figura 11 mostramos los oscilogramas correspondientes a esta disposición considerando que
las fuentes son de 12V y que la resistencia de carga es de 8 Ohms.
Nota: no conectamos el medidor de Bode porque la respuesta se extiende hasta 0 Hz es decir CC.
Fig.11 Oscilogramas correspondientes a una salida con doble fuente
Ahora podemos observar que la señal de salida tiene una posibilidad de excursionar desde -12V
hasta +12V es decir una tensión pico a pico de 24V. Esto implica un valor de pico de 12V y un valor
eficaz de 8,48V tal como lo indica el tester.
La potencia no es el doble, sino cuatro veces la original ya que en la formula de la potencia la
tensión esta elevada al cuadrado. Intuitivamente podemos decir que al aumentar la tensión al doble
sin cambiar la resistencia de carga se duplican en ella tanto la tensión como la corriente y esto
implica un incremento doble de la potencia que para nuestro ejemplo llega a 8,96W aprox. 9W.
C o n c l u s i o n e s
En esta lección nos introducimos en el mundo de los amplificadores de audio. El amplificador de
audio es lo primero que arma un estudiante de electrónica. Es por lo general su proyecto de tesis
del ultimo año de la secundaria. Pero está tan tril lado, que por lo general los profesores lo
consideran como algo hecho por cumplir y que no aporta nada nuevo.
Nosotros vamos a redescubrir el audio con proyectos tan novedosos que sus profesores van a
quedar sorprendidos al observar que un tema clásico puede ser muy novedoso. Vamos a aplicar
soluciones diferente al tema del audio como por ejemplo el tema de los amplificadores que dieron
en llamarse amplificadores digitales de 1bit. Y no le decimos nada mas, para crear el gancho hasta
la próxima entrega. Solo le pedimos a aquellos que aun no tiene instalados el Workbench Multisim
9, lo instalen ya, antes de recibir la próxima entrega porque en caso contrario se van a perder lo
mas didáctico de nuestro curso.
Como complemento de nuestro estudio aprendimos a transformar nuestro tester en un voltímetro de
CA de audio.
A p é n d i c eE v o l u c i ó n d e l o s a m p l i f i c a d o r e s d e a u d i o
Los amplificadores de audio están cambiando muy rápidamente, así que aun los técnicos que hace
muchos años que trabajan en el tema, no conocen que los amplificadores de audio ahora son
digitales.
Inclusive los parlantes están cambiando. El viejo y conocido parlante analógico de 2 terminales
(masa y vivo) está siendo reemplazado por parlantes digitales multifi lares de 8 a 16 salidas, una
masa y un bobinado de realimentación. Si, los parlantes ya son digitales y nosotros vamos a
explicarles a los enconadores de parlantes, a modificar un parlante analógico y convertirlo en un
parlante digital.
El último grito de la moda son los bafles digitales provistos de 8 parlantes en donde el medio
ambiente, el aire, realiza la transformación digital analógica en el mismo oído de usuario.
Es decir que el viejo concepto de procesar la señal digitalmente y luego convertirla en una señal
analógica antes de enviarla al amplificador de audio que es analógico ya perdió validez. Se puede
amplificar digitalmente y luego transformar la señal analógica en digital en el mismo parlante. O
inclusive llegar hasta el último bastión analógico que es el propio oído humano y realizar la
conversión dentro de él.