Amplificadores

Los amplificadores electrónicos o «amps» son dispositivos que aumentan la potencia de la señal. Se utilizan en todo, desde la radio hasta los ordenadores. Entender los amplificadores es clave si quieres ser un ingeniero eléctrico o simplemente aprender a ajustar tu sistema de audio. Miles de ingenieros han contribuido a mejorar el diseño de los amplificadores a lo largo de los años. El área de diseño de amplificadores es enorme, por lo que sólo cubriremos algunos aspectos básicos aquí con enlaces a páginas que entran en más detalles sobre aspectos de este tema.

1.) Cómo funcionan y fundamentos
2.) Amplificadores de potencia
3.) Amplificadores para altavoces e instrumentos musicales
4.) Amplificadores de transistores
5.) Amplificadores de válvulas, cómo funcionan
6.) 3 Modelo de amplificador de tubo

1.) Cómo funcionan

En el sentido más básico, un amplificador toma una señal débil y le añade potencia de una fuente de alimentación para hacerla más grande en el extremo de salida.

Dos ejemplos básicos de la necesidad de un amplificador:

Audio – Thomas Edison y Emile Berliner desarrollaron el micrófono de carbón. La corriente continua pasa entre dos placas de metal con carbono entre ellas, una de esas placas es el diafragma que vibra cuando las ondas sonoras lo golpean. Esta distancia cambiante entre las dos placas cambia la resistencia y, por lo tanto, en el extremo de salida se tiene una señal de CC que se convierte en CA a medida que se modula.
Problema: el extremo de salida de un micrófono es una señal débil porque se necesita una tensión continua baja para que un micrófono funcione. Ahora tenemos que tomar esa señal débil y enviarla a larga distancia (como el sistema telefónico) o ponerla en un altavoz. Para ello se necesitaban amplificadores.

Radio – Cuando Alexanderson, Fessenden, Hull y otros desarrollaron la transmisión de voz por radio y la radio, necesitaban una forma de tomar las débiles ondas de radio detectadas por los tubos de vacío y amplificar la señal para que pudiera alimentar un altavoz. También se necesitaban amplificadores (como el tubo de vacío triodo) para tomar las débiles señales de audio y vídeo (televisión) y convertirlas en megavatios de señal (para un transmisor), o en varios vatios para alimentar un altavoz en el extremo del receptor.

Ganancia – la palabra ganancia se utiliza para describir la capacidad de los amplificadores para multiplicar la potencia. Para medir la ganancia hay que medir la potencia de entrada y de salida. Los decibelios se utilizan para medir la ganancia mediante ecuaciones. La ganancia es logarítmica, se mide por la potencia de 10. Para calcular la ganancia de un determinado amplificador utilice la serie de ecuaciones que se encuentran en esta página wiki >

Osciladores – cuando un amplificador se conecta a un filtro y luego a su propia entrada se crea un oscilador lineal. Los osciladores se utilizan en los relojes, la radio, la televisión, los filtros y muchas otras cosas. Se utilizan para sintonizar circuitos y son herramientas importantes para hacer que las cosas funcionen. Más sobre osciladores >

2.) Amplificadores de potencia

En la cadena de señal el amplificador de potencia se refiere al amplificador final. El amplificador de potencia puede elevar la señal a niveles altos para alimentar una antena, un magnetrón (radar), un altavoz o un cable/fibra de transmisión de datos a larga distancia.

Los amplificadores de potencia vienen en clases para describir la cantidad de señal sinusoidal que se amplifica. El amplificador puede diseñarse para apagarse durante la mitad de un ciclo, lo que cambia la forma de la onda que llega.
Clases (analógicas): A, B, AB, CCClases (digital): D, E, F, G, S, T
Más información sobre las clases aquí.

Abajo: Izquierda: amplificador de tubo para un magnetrón en un primer horno de microondas. Los grandes dispositivos cilíndricosplata y amarillo son condensadores.
Abajo: Derecha: moderno amplificador de estado sólido para un magnetrón.

3.) Amplificadores para altavoces e instrumentos musicales Los amplificadores utilizados para accionar altavoces toman una pequeña cantidad de señal generada por un micrófono, un receptor de radio, un televisor u otro dispositivo y la convierten en una señal lo suficientemente potente como para accionar los fuertes electroimanes que se encuentran en los altavoces. Los circuitos de los amplificadores de audio están formados por: Condensadores: condensadores de filtro, condensadores de acoplamiento Resistores Tubos de vacío o transistores Rectificadores: convierten la corriente alterna en continua. Pueden ser diodos de silicio o rectificadores de tubo Diodos y rectificadores de tubo Los circuitos amplificadores para accionar altavoces electromagnéticos fueron el mayor reto para los primeros ingenieros de audio. A pesar de que el altavoz fue teorizado por primera vez en la década de 1870, pasaron más de 40 años antes de que viéramos el primer altavoz funcional listo para su venta comercial. La razón es que hubo que desarrollar otras tecnologías, como los tubos de vacío y las matemáticas avanzadas de los circuitos eléctricos, para fabricar un amplificador de audio que realmente produjera música y voz, a diferencia de los dispositivos rudimentarios que podían hacer que un altavoz produjera un zumbido feo e incontrolado. Fabricar una electrónica que pudiera aumentar con precisión la señal de audio conservando las formas de onda ricas y puras de la señal original fue la tarea que ejecutaron por primera vez C.W. Rice y E.W. Kellogg. Derecha: el primer prototipo de altavoz en funcionamiento (1921) y su amplificador, que ocupaba un armario entero.

Vídeo: Corbin Irvin, ingeniero eléctrico, nos muestra las partes de un amplificador de válvulas clásico en elEdison Tech Center:

4.) Amplificadores de transistores Los transistores tienen «transresistencia», lo que significa que los semiconductores de los que están hechos pueden cambiar los valores de resistencia. Los transistores pueden utilizarse tanto como interruptor como amplificador. El transistor tiene tres conductores: una entrada (colector), una tensión (base) y una salida (emisor). Transistor como interruptor: Cuando se utiliza como un interruptor, la aplicación de energía en el plomo ‘base’ permitirá que la energía fluya desde la entrada (colector) a la salida (emisor), cuando se deja de suministrar energía, actúa como un interruptor abierto y la señal no fluirá desde el colector al emisor. Cuando se utiliza como interruptor, se dice que el transistor está «saturado», ya que fluye la máxima cantidad de tensión que puede soportar. Piense en esto como un simple interruptor de «encendido» o «apagado» sin opciones a medias. Transistor como amplificador: En un amplificador se aplica una pequeña cantidad de energía al transistor en todo momento y esto cierra el «interruptor», permitiendo que la señal pase a través del dispositivo. La adición de este voltaje positivo al dispositivo es para «polarizar» el dispositivo. Cuando la señal de entrada débil pasa a través de él, gana fuerza gracias a la polarización, que se suma a la señal de salida. Esto es bueno, pero en realidad no hace una gran amplificación. Dos transistores: Cuando ponemos dos transistores juntos podemos hacer que uno suministre una señal de CA ligeramente amplificada al cable de base del siguiente, permitiendo así que una señal más potente fluya a través del segundo transistor y haga cambios más dramáticos en el segundo transistor.La forma de la onda de CA permanece intacta como la señal original, sólo que es más fuerte. Así que puede imaginarse que una gran cantidad de presión de agua se acumula en un lado de una válvula (el lado del colector), está esperando para precipitarse por la tubería, todo lo que tiene que hacer es girar una perilla y hacer ligeros ajustes en el lado de la base y la puerta se abrirá parcial o totalmente. El agua saldrá a borbotones, o simplemente goteará. Así es como hacemos que un poco de esfuerzo (señal débil) controle una gran cantidad de potencia.

Para hacer un amplificador operacional se utilizan múltiples transistores junto con resistencias y condensadores, de esta manera se puede amplificar un rango de frecuencias. Aplicando tensiones negativas y positivas al dispositivo puedes hacer que el amplificador cree hasta 12 voltios(+) con 12 voltios(-), de esta manera tienes suficiente potencia para hacer funcionar un altavoz. Hay 1000 maneras de diseñar estos circuitos, pero puede empezar con unos cuantos modelos básicos.

Condensador utilizado antes del transistor: los amplificadores de transistores utilizan un condensador antes de la entrada del transistor para «centrar» la señal de CC procedente de un micrófono. Los micrófonos resuenan, creando energía DC negativa y positiva. También utilizan una «polarización», pero por una razón diferente a la de los transistores. El sesgo en el micrófono energiza el dispositivo y pone 0 db por encima de la tensión 0. La polarización en la mayoría de los micrófonos requiere que se le suministre alrededor de 2 voltios, pero puede ser diferente.El condensador antes del transistor lleva la polarización de 2 voltios hasta el 0 real, y por lo tanto elimina el desplazamiento de CC.El transistor necesita esto para trabajar.

Complicaciones: La creación de un circuito amplificador se complica debido a cosas como el ruido de la señal. Te recomendamos que empieces a construir amplificadores sencillos a partir de kits para aprender lo básico. Después de eso, puede ajustar sistemas más potentes y costosos.

Aprende construyendo:
Construye tus propios amplificadores y pedales de efectos (dispone de kits sencillos) >
Kits de amplificadores de válvulas de vacío vintage (amplificadores de guitarra de tamaño completo con altavoces) >

Arriba: en un triodo un filamento calienta el cátodo, el cátodo y la rejilla están conectados a la señal de CA. En (1.) la rejilla está cargada negativamente y repele los electrones, pudiendo incluso bloquearlos completamente para que no lleguen al cátodo. En (2.) la rejilla no está cargada negativamente y los electrones pasan libremente a la placa exterior curvada que es el cátodo. Nota: la parte (1.) y (2.) no ocurren al mismo tiempo, sólo se muestran juntas para este gráfico.

5.) Uso de tubos de vacío para amplificar La aparición del triodo en 1906 revolucionó la telefonía y la radio. Hay muchos tipos de tubos de vacío utilizados para amplificar y todavía hoy utilizamos algunos de ellos. Los amplificadores de tubo pueden utilizar tetrodos, triodos y tubos de vacío pentodos para realizar el trabajo de amplificación de la señal. El amplificador triodo: Este tubo tiene un cátodo caliente en el centro rodeado por una rejilla metálica con el ánodo rodeándolo. El cátodo emite electrones, y en el vacío los electrones fluyen libremente a través de la rejilla hacia el ánodo. Al energizar la rejilla negativamente se repelen más electrones, lo que significa que menos electrones pueden pasar a través de la rejilla para llegar al ánodo. Si toma una señal de audio débil (un voltaje variable) y la aplica a la rejilla, dejará pasar más energía a través de la rejilla durante los picos positivos y menos en los negativos, por lo que puede amplificar mucho la señal. La parte mala de los amplificadores de tubo es que consumen más energía y espacio que los transistores.El cátodo caliente de un tubo está hecho de un filamento de tungsteno y torio. Este filamento, al igual que una bombilla, se quemará después de un número de horas y el tubo tendrá que ser reemplazado. Cuando se conecta un amplificador a un altavoz, el comportamiento del amplificador cambiará. La impedancia del altavoz cambiará cuando cambie la carga, y esto afecta a todo el sistema. Ventajas sobre los transistores: Los guitarristas argumentarán que el sonido de un amplificador de válvulas es mejor que el de los amplificadores basados en transistores. Los sistemas de amplificadores de válvulas tienen un recorte no lineal y más distorsión armónica de segundo orden; hay muchos artículos detallados sobre este tema. Los amplificadores de estado sólido diseñados para guitarristas ahora utilizan circuitos de retroalimentación de corriente para aumentar la impedancia de salida, esto da un sonido similar del altavoz que un amplificador de tubo.

6.) Ejemplo de amplificador de tres válvulas

Utilizaremos un sencillo amplificador de guitarra con tres válvulas para demostrar cómo la señal se transforma de una señal débil de 0,9 voltios a una señal lo suficientemente potente como para alimentar un gran diafragma de altavoz. Nuestros gráficos son una versión simplificada del Fender Champ-Amp que aparece en los vídeos del «Tío Doug». Vea el video de 38 minutos que aparece en la parte inferior aquí para entrar en más profundidad si lo necesita. En nuestros diagramas de abajo hemos omitido las resistencias y la mayoría de los condensadores para centrarnos en la acción de amplificación.

En el gráfico de arriba verás la disposición que consiste en una fuente de alimentación (transformador) conectada a un tubo rectificador y otros dos tubos. El transformador convierte los 120 V de la pared en tres líneas separadas. La línea de 6V sólo alimenta los filamentos de los dos tubos del amplificador. Mantiene los filamentos calientes para que los tubos puedan funcionar. La línea de 5 V va al rectificador de potencia y calienta ese tubo. La otra línea de alto voltaje lleva la corriente alterna al rectificador, donde se convierte en corriente continua cortando los lados negativos de la forma de onda. Las resistencias y los transformadores de otras partes del sistema ayudan a suavizar la señal de CC, eliminando las jorobas curvas.

La señal de la guitarra generada por las pastillas se conecta a la rejilla del tubo triodo del preamplificador. El ánodo en el tubo ha sido suministrado con un muy fuerte150 voltios de + DC. En el cátodo, en el centro del tubo, está muy caliente, lo que estimula la generación de muchos electrones, pero la rejilla está por defecto en estado negativo, bloqueando el paso de los electrones sobre el ánodo. La señal de CA de la guitarra cambia la rejilla, permitiendo que millones de electrones pasen al otro lado en un patrón que replica la forma de onda de las guitarras.

La potencia de CA sigue ahora la línea de CC del ánodo a otra rejilla (tubo 12AX7) en el mismo tubo. Un condensador bloquea la alimentación de CC, permitiendo sólo el paso de la señal de CA. Esta señal es ahora más fuerte que la señal original de la cuerda de la guitarra y esta segunda rejilla reacciona aún más fuertemente, permitiendo que una forma de onda de CA más extrema pase del cátodo al ánodo.La señal, por lo tanto, ya ha sido amplificada dos veces en este tubo de preamplificación.

La señal del tubo de preamplificación pasa a las placas del tubo final. El último tubo de esta cadena tiene la friolera de 320 voltios de CC con una carga + extremadamente fuerte. Una vez más, la red reacciona a la corriente alterna y muchos electrones la atraviesan siguiendo el mismo patrón que la forma de onda de la corriente alterna. Esta señal de CA pasa por un transformador que transforma la energía en un voltaje que el altavoz puede utilizar. Normalmente los 320 voltios que pasan por la bobina del transformador no afectan al lado del altavoz porque la CC no puede pasar por un transformador.

Vídeo, descripción completa de este circuito:
Cómo funcionan los amplificadores de válvulas, descripción del circuito – fuente de alimentación (18 min) >
Y parte 2 (20 min) de la descripción de este circuito para un Fender Champ-Amp >

Vídeo: El primer prototipo de altavoz, este vídeo te muestra las válvulas utilizadas en este prototipo de 1921.

Tipos de amplificadores:
Amplificadores operacionales
Amplificadores diferenciales
Amplificadores de aislamiento
Amplificadores de realimentación negativa
Amplificadores de instrumentación

Más lecturas:
Teoría de transistores >
Amplificadores operacionales >
Electrónica de semiconductores >
Radio >

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