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Amplificadores: impedancia y fase

En post anteriores se explicó el concepto de impedancia y fase eléctrica de un altoparlante (ver Impedancia del altoparlante). Si bien se puede trabajar con la impedancia nominal para saber la ”carga” resultante en un amplificador, resulta útil comprender por qué un parlante puede causarle mayor trabajo al amplificador que otro.

Para estudiar con más detenimiento el efecto de la carga al amplificador es importante definir algunos términos y repasar la Ley de Ohm.

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Fig 1: Diferencias angulares entre tensión y corriente.

Impedancia: Similar a la resistencia, es la oposición al flujo de corriente para una corriente alterna, puede incluir elementos reactivos.

Ángulo de fase: diferencia angular (o temporal) entre corriente y tensión en un circuito reactivo. Es decir con que retraso o adelanto se encuentra la corriente con respecto a la tensión (ver figura 1).

La Ley de Ohm establece que la corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia presente. De forma matemática se puede expresar cómo I=V/R, o cualquier de sus identidades (V=I*R, R=V/I). En un circuito de corriente alterna se reemplaza la resistencia R por la impedancia Z.

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Fig 2: Triángulo de potencia

Por otro lado, hay que tener en cuenta que la potencia activa en un circuito se calcula cómo P = V*I*cos(Ф), donde P es potencia y Ф es el ángulo de fase discutido previamente. Si se combina la potencia y la ley de ohm se pueden deducir las siguientes ecuaciones: P = (I^2)*Z*cos(Ф) y P = (V^2/Z)*cos(Ф). Vale aclarar que la energía se disipa únicamente en la resistencia. La capacitancia e inductancia almacenan y entregan energía, pero no la disipan. Esto quiere decir que hay un consumo de energía que no es resistivo, esto es por la potencia reactiva. Entre ambas potencias se forma la potencia aparente, es decir que un equipo está aparentemente consumiendo más potencia de la que disipa, esto se debe a que la parte reactiva es devuelta a la fuente y no consumida. Para entender un poco mejor se puede observar la figura 2, en donde se relacionan las tres potencias y forman el ángulo de fase.

Hasta ahora se discutió de la impedancia como Z, un número único, pero es importante entender que en los altoparlantes su valor cambia con la frecuencia. Por más que nominalmente se especifique de 8 ohms, puede haber frecuencias en las cuales se trabaje por debajo de 4 ohms. Junto a esto también existe una variación en la fase, es decir que un altoparlante presenta componentes reactivos (ver Impedancia del altoparlante).

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Fig 3: Impedancia de un altoparlante al aire libre.

Mientras la carga sea predominantemente resistiva (con el ángulo de fase cercano a 0), el amplificador no va a tener problema. El problema puede aparecer en medida que la carga sea altamente reactiva.

Lo que preocupa en el amplificador es la potencia que disipan los transistores. Si se piensa al transistor como una compuerta, de un lado se tiene la fuente de tensión y de la otra la carga, la compuerta se va a abrir y cerrar siguiendo la señal de audio. Dependiendo de la carga presente, va a circular una corriente y se va a desarrollar potencia. En medida que el transistor no se encuentre totalmente abierto, va a haber una caída de tensión en él (colector-emisor), que junto con la corriente que lo atraviesa van a desarrollar potencia.

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Fig 4: Tensión y potencia en un transistor.

Ésta se va a consumir en forma de calor, elevando la temperatura del transistor. Por ejemplo con una fuente de 20V y la compuerta por la mitad, en la carga caen 10V y en el transistor otros 10V. Dependiendo de la resistencia de la carga las potencias que se va a desarrollar. Justamente la compuerta a medio abrir es la situación donde mayor potencia disipa el transistor, esto es debido a que se encuentra el máximo de tensión y corriente. En la figura 4 se observa gráfico de tensión de salida y potencia disipada en el transistor, para una onda senoidal.

Desde este punto de vista, una diferencia de fase entre tensión y corriente va a causarle mayores problemas el transistor. Donde la peor situación es 90 grados, dado que debe disipar toda la potencia en el transistor (máxima caída de tensión y máxima corriente). Por suerte esta situación es irreal, dado que todas las cargas presentan algún tipo de parte resistiva, y no son puramente reactivas.

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Fig 5: Disipación amplificador/carga vs fase, normalizada.

Con una carga real, la situación más preocupante es cuando la diferencia entre tensión y corriente es de 45 grados. En estas condiciones los transistores de salida tienen que disipar el doble de potencia en comparación a una carga puramente resistiva. Como se puede observar en la figura 3, esta condición no es rara. Entre 100 y 200 Hz el altoparlante presenta simultáneamente una baja impedancia y una fase eléctrica de 45 grados. En esta región, los transistores de salida van a estar trabajando al máximo, especialmente si se cuenta con varios altoparlantes en paralelo.

Una de las grandes ventajas de los amplificadores clase D, es que sus transistores de salida trabajan totalmente abiertos o cerrados, evitando así la peor situación de disipación de potencia. Esta es una de las principales razones de su eficiencia, capacidad de potencia y espacio reducido. Por el mismo motivo, también son ideales para trabajar con cargas altamente reactivas.

Ing. Eduardo Sacerdoti

Investigación & Desarrollo – Equaphon

 

Eduardo Sacerdoti

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