Potentzia etapa

Audio-anplifikadore bat, potentzia-etapa, potentzia-anplifikadore edo irabazi-etapa izenez ezagutzen den zirkuitu elektroniko mota bat da. Honen funtzioa seinale baten maila handitzea da, eta horretarako sarrerako seinalearen anplitudea handitzean oinarritzen du bere funtzionamendua. Irteerako transistorearen polarizazio-korronteen bidez lortzen du hau (tentsio negatiboa, tentsio positiboa).

Gitarra elektrikoarentzako anplifikadorea

Audio-potentziako anplifikadore bat (edo potentzia-anplifikadorea) potentzia txikiko audio-seinale elektronikoak anplifikatzen dituen anplifikadore elektroniko bat da, hala nola, irrati-hargailuaren seinalea edo gitarra elektriko baten pastilla. Helburua bozgorailuak edo entzungailuak bultzatzeko bezain maila altua izatea da. Audio-potentziaren anplifikadoreak soinu-sistema mota guztietan daude, soinua indartzeko sistemetan, etxerako megafonia- eta audio-sistemetan eta musika-tresnen anplifikadoreetan (gitarra-anplifikadoreetan, esaterako). Azken etapa elektronikoa da audio-erreprodukzio tipiko batean.

Mota honetako kate baten aurreko etapak potentzia baxuko audio-anplifikadoreak dira, eta hainbat zeregin egiten dituzte, hala nola seinalearen aurreanplifikazioa (hori bereziki lotuta dago giradiskoen seinaleekin, mikrofono-seinaleekin eta pastilladun tresna elektrikoen seinaleekin, gitarra elektriko eta baxu elektrikoa, esaterako), ekualizazioa (adibidez, altuen eta baxuen doikuntza), tonu-kontrolak, sarrera-seinaleen nahasketa edo efektu elektronikoen gehitzea, erreberberazioa adibidez. Sarrerak edozein audio-iturri ere izan daitezke, hala nola disko-jogailuak, CD-erreproduzitzaileak, audio digitaleko erreproduzitzaileak eta kasete-erreproduzitzaileak. Audio-potentziako anplifikadore gehienek maila baxuko sarrera horiek behar dituzte, lineakoak direnak.

Audio-potentziaren anplifikadore baterako sarrera-seinalea, gitarra elektriko baten seinalea adibidez, ehunka mikrowatt gutxi batzuk bakarrik neur ditzakeen bitartean, bere irteera watt gutxi batzuetakoa izan daiteke (kontsumorako gailu elektroniko txikientzat, hala nola, erloju-irratiak), etxeko sistema estereo baterako hamarnaka edo ehunka wattekoa, gaueko klub baten soinu-sistemarako milaka wattekoa edo hamarnaka mila wattekoa rock kontzertu baten soinua indartzeko sistema handi baterako. Potentzia-anplifikadoreak unitate independenteetan daude eskuragarri, oro har audio-zale sutsuen (merkatu-nitxo bat) eta soinua indartzeko sistemen profesionalen audiofiloen merkatura zuzenduta, baina kontsumo-produktu elektroniko gehienak audio-produktuek, hala nola erloju-erradioek, estereo eramangarriek eta telebistek, potentzia-anplifikadore txiki samarrak dituzte produktuan integratuta.

Historia

De Foresten audio-anplifikatzaile prototipoa, 1914

Audio-anplifikadorea 1912 inguruan asmatu zuen Lee de Forestek, 1907an lehen osagai elektriko anplifikatzaile praktikoa, huts-hodia (edo "balbula" ingelesez), asmatu zuelako. Triodoa hiru terminaleko gailua zen, eta harizpetik plakarako elektroien fluxua modulatu dezakeen kontrol-sareta bat zuen. Huts-anplifikadore triodoa lehen AM irratia egiteko erabili zen. Audio-potentziaren lehen anplifikadoreak huts-hodietan oinarritzen ziren, eta horietako batzuek audio-kalitate nahiko altua lortzen zuten (adibidez, 1947-9ko Williamson anplifikadorea).

Transistoreetan oinarritutako audio-potentziako anplifikadoreak praktikoak egin ziren 1960ko hamarkadaren amaieran transistore merkeen eskuragarritasun zabalaren ondorioz. 1970eko hamarkadaz geroztik, audio-anplifikadore moderno gehienak egoera solidoko transistoreetan oinarritzen dira, bereziki lotura bipolarreko transistorea (BJT) eta metal-oxido erdieroalezko eremu-efektuko transistorea (MOSFET). Transistoreetan oinarritutako anplifikadoreak arinagoak eta fidagarriagoak dira, eta hodi-anplifikadoreek baino mantentze-lan gutxiago behar dute.

MOSFETa, Mohamed Atallak eta Dawon Kahngek Bell Laborategietan asmatua 1959.urtean, audiorako potentziako MOSFET batean egokitu zuen Jun-ichi Nishizawak Tohokuko Unibertsitatean 1974. urtean. Potentziako MOSFETak laster fabrikatu zituen Yamahak bere fideltasun handiko audio-anplifikadoreetarako. JVC, Pioneer Corporation, Sony eta Toshiba enpresak ere MOSFET potentzia duten anplifikadoreak fabrikatzen hasi ziren 1974 . urtean. Urte berdinean, Hitachi LDMOS (lateral diffused MOS) argitaratu zuen, potentzia MOSFET mota bat. Hitachi LDMOSen fabrikatzaile bakarra izan zen 1977 eta 1983 artean, eta denbora horretan LDMOSa HH Electronics (V seriea) eta Ashly Audio bezalako fabrikatzaileen audio-potentziako anplifikadoreetan erabili zen, musika eta megafonia sistemetarako erabiliak izanik. D klaseko anplifikadoreek arrakasta izan zuten 1980ko hamarkadaren erdialdean, kostu baxuko eta konmutazio azkarreko MOSFETak izan zituztenean. Transistoreen anplifikadore askok MOSFET gailuak erabiltzen dituzte potentzia ataletan, beren distortsio kurba tutuenaren antzekoa delako.

2010eko hamarkadan, oraindik ere badira audioaren zale amorratuak, musikariak (bereziki gitarra elektrikoa, baxu elektrikoa, Hammond organoa eta Fender Rhodes piano elektrikoa jotzen duten musikariak, besteak beste), audio-ingeniariak eta musika produktoreak zeinek anplifikadore balbularrak nahiago dituzten, hauen soinu “beroagoaren” ondorioz.

Diseinu parametroak

Hiru potentzia-anplifikadore rack batean muntaturik.

Audio-potentziaren anplifikadoreak diseinatzeko funtsezko parametroak maiztasun-erantzuna, irabazia, zarata eta distortsioa dira. Horiek interdependenteak dira; irabazia handitzeak, askotan, zarataren eta distortsioaren igoera ez-desiragarriak eragiten ditu. Berrelikadura negatiboak irabazia murrizten duen arren, distortsioa ere murrizten du. Audio-anplifikadore gehienak AB klasean jarduten duten anplifikadore linealak dira.

1970eko hamarkadara arte, anplifikadore gehienek hutseko balbulak erabiltzen zituzten. 1970eko hamarkadan, balbula bidezko anplifikadoreen ordez transistoreetan oinarritutako anplifikadoreak nagusituz joan ziren. Anplifikadore horiek arinagoak eta fidagarriagoak ziren, eta mantentze-lan gutxiago behar zuten. Hala ere, balbulen aurreanplifikadoreak merkatuko nitxoetan saltzen dira oraindik ere, hala nola etxeko fideltasun handiaren zaleak, soinu-ingeniariak eta musika-ekoizleak (balbulen aurreanplifikadoreak erabiltzen dituzte estudioko grabazioetan mikrofonoen seinaleak "berotzeko") eta gitarra elektrikoak, baxu elektriko jotzaileak eta Hammond organoen interpreteak. Gutxiengo batek balbulen aurreanplifikadoreak, balbulen potentzia-etapak eta balbulen efektu-unitateak erabiltzen jarraitzen du. Fideltasun handiaren zale amorratuek eta estudioan zuzeneko soinua egiten duten edo pistak monitorizatzen dituzten audio-ingeniariek distortsio txikieneko anplifikadoreak bilatzen dituzte; bluesa, rock musika eta heavy metal musika bezalako generoetako instrumentista elektrikoek, berriz, balbulen anplifikadoreak erabiltzen dituzte, asko eskatzen zaienean balbula-anplifikadoreek sortzen duten gainmartxa naturala gustatzen zaielako.

D klaseko anplifikadorea, AB klaseko anplifikadoreak baino askoz ere eraginkorragoa dena, kontsumorako elektronikako audio-produktuetan, baxu-anplifikadoreetan eta soinua indartzeko sistemen ekipoetan erabiltzen da,

Modelo bakoitzaren ezaugarri teknikoek anplifikadorearen kalitatea zehaztuko dute.

Ezaugarri teknikoak

Eredu bakoitzaren ezaugarri teknikoek anplifikadorearen kalitatea zehaztuko dute:

• Inpedantzia.
• Moteltze-faktorea.
• Irteera-potentzia.
• Zarata-seinalearen erlazioa.
• Akoplamendua.
• Maiztasuneko erantzuna.
• Fase-erantzuna.
• Irabazia.
• Sentikortasuna.
• Distortsioa.
• Diafonia.

Inpedantzia

Inpedantzia korronte baten eroapenari edozein gailuk ezartzen dion erresistentzia (oposizioa) da, kasu honetan, korronte alternoa.

Anplifikadore baten sarrera-inpedantziak gutxienez 10 kΩkoa izan behar du. Paraleloan 10 anplifikadore posizionatuz gero, karga osoa  1kΩkoa izateko ematen zaio balio hori.

Moteltze-faktorea

Konektatu beharreko bozgorailuaren inpedantzia nominalaren eta anplifikadorearen irteerako inpedantziaren arteko erlazioa adierazten du (irteeran benetan duen inpedantzia elektrikoa).

Zenbat eta moteltze-faktore handiagoa, orduan eta hobeto, baina berrehundik gora, anplifikadorea karga erreaktiboetatik ( hura hautsi ditzaketenak) gaizki babestuta dagoela esan nahi du.

Indargetze-faktorea honako hau da: 200 8Ωren gainean; horrek esan nahiko du anplifikadorearen irteera-inpedantzia erreala 0,04Ωkoa (8/200) dela.

Fabrikatzaile askok baxuentzako moteltze-faktorea barne hartzen dute, eta hori oso baliagarria da badakigulako hori dela erantzuna maiztasun kritikoan. Honela adieraziko litzateke: 150 8ren gainean eta 40 Hzra.

Irteera-potentzia

Potentzia elektrikoari egiten dio erreferentzia, ez potentzia akustikoari.

Bozgorailuan bezala, gehiegizko distortsionatu edo kalteak jasan aurretik potentzia-etapan sar daitekeen energia-kantitate maximoa da.

Anplifikadorearen gehienezko potentzia inpedantzia jakin baten arabera zehazten da, oro har, 8Ω. Adibidez: 175 W 8Ωren gainean.

Anplifikadorea estereoa bada, kontuan izan behar da potentzia hori kanal bakoitzari edo biei dagokien. Horregatik, zehaztapen teknikoetan, bi ohar hauetako bat gehitzen da:

- bi kanalak elikatuta

- kanalez-kanal.

Sarrerako inpedantzia aldatzeko aukera ematen duten ekipoetan, parametro hori aldatzeak potentzian sartzen dituen aldaketak ere kontuan hartu behar dira. Kasu honetan gertuko hurbilketak egiten dira, inoiz ez dira absolutuak, anplifikadoreen egungo egoeran hori ezinezkoa delako. Horrela, anplifikadore bat badugu, zeinean espezifikazio teknikoetan 175 W agertzen bada 8Ωren gainean, inpedantzia 4 Ωra murrizten badugu, potentzia bikoitza izango da, 350 W (anplifikadore ideal batean, 350 W izan beharko lirateke).

Potentziaren barruan potentzia nominala eta piko-potentzia bereizten dira.

Potentzia maximoa

Gehieneko potentzia eraginkorra, edo erregimen jarraituko batez besteko potentzia elektrikoa, Irteera-etapak minutu batean 1 kHzko maiztasunean, fabrikatzaileak zehaztutako inpedantzia nominalaren gainean (normalean 4Ω, 6Ω edo 8Ω) eta tresnekin egiazta daitekeen potentzia elektrikoa da.

Po = Vo (rms) ²/Zo adierazpenak emana dator, non:

Po irteerako potentzia den.

Vo irteerako tentsio eraginkorra den (tentsio elektrikoa).

Zo anplifikadorearen inpedantzia nominala den.

Oharra: potentzia neurtzeko erresistentzia purua erabiltzen da, inpedantzia konplexu batek anplifikadorearen jarduera aldatzen baitu.

Gehienezko potentzia erabilgarria

Potentzia eraginkorra ekipamenduaren distortsioak mugatzen du, hau potentziarekin hazten baita. Horrela, potentzia erabilgarria distortsio nominaleko maila batean zehazten da, hala nola % 1, 2 edo 5 ( % 10 kalitate baxuko anplifikadoreetan) edo % 0,25 baino gutxiago kalitate handiko beste batzuetan. Neurri hori aurrekoa baino txikiagoa da.

Gailur-potentzia, onargarria edo musikala

Anplifikadoreak narriatu aurretik, aldian behin, jasan dezakeen gehienezko potentzia inpultsiboa (seinale-gailurra).

Fabrikatzaile batzuek potentzia nominala zehaztu beharrean, gailurraren potentzia zehazten dute anplifikadorearen irismena makillatzeko, gailurraren potentzia beti potentzia nominala baino handiagoa baita. Xehetasun horri adi egon behar zaio, eta kontuan izan behar da anplifikadore baten gailurreko potentzia bere balio nominala halako 2 dela.

Seinale/zarata erlazioa

Irteerako hondar-zarataren tentsioari egiten dio erreferentzia, eta dB-tan adierazten da.

Seinale/zarata erlazioa entzumen-atalasearen azpitik egoteko, gutxienez 100 dB-koa izan behar du. Handiagoa, 110 dB, potentzia handiko anplifikadoreen kasuan (200 wattetik gorakoak).

Akoplamendua

Anplifikadorea bozgorailura konektatuta dagoen modua adierazten du. Hainbat modu egon daitezke:

• Zuzeneko akoplamendua, biak zuzenean akoplatuta daudenean. Horri esker, maiztasun-erantzunik onena lor daiteke, eta errendimendu handiagoa kargari emandako potentziari dagokionez.
• Akoplamendu induktiboa, anplifikadorea eta bere karga transformadore baten bidez akoplatuta daudenean.
• Kapazitate-akoplamendua, akoplamendua kondentsadoreen bidez egiten bada.

Barnean, anplifikadoreak tentsio jarraituarekin funtzionatzen du, baina, irteeran, seinalea korronte alternoa bihurtzen du. Anplifikadore bat bozgorailuarekin zuzenean konektatzen dugunean, zuzeneko akoplamendu hori hondar-korronte jarraitua (offset DC) ahalik eta baxuena izateko moduan egin behar da, 40 milibolteko muga gainditu gabe. (Ohikoenak 15 miliboltiotan daude).

Maiztasuneko erantzuna

Kalkula ezazu muga non haren barruan anplifikadoreak berdin erantzuten dien (erantzun laua) audiofrekuentziei (20-20.000 Hz) oso potentzia txikiarekin.

Anplifikadoreen maiztasun-erantzuna dB-tan neurtzen da, erreferentzia gisa hartuta watt bateko potentzia 8 ohmioko inpedantziarekin. Maiztasunean erantzun optimoa lortzeko, 5 dB gainetik izan behar du (+ 5 dB) edo azpitik (- 5 dB).

Fabrikatzaile askok, audiofrekuentziak bakarrik erabili beharrean, anplifikadoreak perturbazio suprasoniko edo subsonikoetatik babesteko, frekuentzia-banda altuago baterako maiztasun-erantzuna neurtzen dute (normalean 12 eta 40.000 Hz artean). Kasu horretan, maiztasun optimoko erantzun batek 3 dB inguruan egon behar du gainetik (+ 3 dB) edo azpitik (- 3 dB).

Fase erantzuna

Batez besteko eta goiko edo behekoen arteko maiztasunen erlazioa adierazten du fasean. Audiofrekuentzien espektroan (20 – 20.000 Hz) dagoen desfase horrek (aurreratzeak edo atzerapenak) ez luke 15º baino handiagoa izan behar, seinalea distortsiorik edo ezeztatzerik gerta ez dadin.

Badaude Anplifikadore-eredu batzuk fasea pasoko banda osoan inbertitzen dutenak, eta horrek zailtasunak eragin ditzake eraginkortasunean (gogoan ez badugu, seinale osoa bertan behera utzi ahal izango dugu).

Irabazia

Seinalearen irteera-potentziaren eta sarrera-potentziaren arteko erlazioa da. Erlazio logaritmiko gisa adierazten da beti, eta unitatea dB izan ohi da, hau da, potentzien arteko zatiduraren logaritmo hamartarraren halako hamar (tentsioak erlazionatuz gero, hogei aldiz izango litzateke hamar aldiz beharrean, potentzia tentsioaren karratuarekiko proportzionala delako).

Irteerako potentzia 40 W (watt) bada eta sarrerakoa 20 W, irabazia da: 3dB. Irteerako tentsioa 4 V_RMS bada eta sarrerakoa 2 V_RMS, irabazia da: 6 dB.

Irabazia 1 baino txikiagoa bada, andargabetzeaz ari gara.

Anplifikadoreei dagokienez eta dezibelioak beti konparazio bat adierazten duenez, dBW edo dBu-ri buruz hitz egingo dugu, eta horrek erreferentzia zein den adieraziko digu.

• dBW: W-ak adierazten du dezibelioak wattei egiten diela erreferentzia. Hau da, 1 W (watt) hartzen da erreferentziatzat. Horrela, watt bati 0 dBw dagozkio.
• dBm: wattetan adierazitako balioa oso txikia denean, milibatioa (mW) erabiltzen da. Horrela, mW bati 0 dBm dagozkio.
• dBu: dBu-k seinale-maila adierazten du dezibelioetan eta 774,6 mV_RMS $\left({\sqrt {\frac {3}{5}}}\right)\,\!$ 0,775 V_RMS gutxi gorabeherako tentsioa da, 600 Ω-ko inpedantziari aplikatuta 1 mW-ko potentzia uxatzen duena. Arrazoi historikoengatik 600 Ω-ko inpedantziaren erreferentzia erabiltzen da.

Hainbat anplifikadorek parte hartzen duten zirkuitu batean, dezibelioetan adierazitako banakako irabaziak (edozein formulatan, dB, dBw, dBm edo dBu) batu egiten dira (negatiboak badira kendu egiten dira, eta andargabetzea da).

Sentikortasuna

Irteerako potentzia maximoa sortzeko behar den sarrerako fluxu elektrikoaren kantitatea adierazten du.

Inpedantzia jakin bati dBu-k adierazten dio sentikortasuna. dBu-k dezibelioetako seinale-maila adierazten du, 0,7746 V_RMSri dagokionez. (Voltei erreferentzia egitean, eskuliburu askotan, batez ere iparramerikarretan, dBu-ren ordez dBV erabiltzen dute). Horrela, 774,6 mV_RMS 0 dBu izango dira.

Sentikortasunak zehaztutako balioa gainditzen bada, irteera-seinaleak murrizketa bat jasango du (bai goitik, bai behetik), mugatzaileetan gertatzen den bezala, eta distortsionatuta geratuko da zenbait ekipamendutan, hala nola tweeterretan, kaltea eragin baitezake.

Arazo handi hori saihesteko, talde profesional gehienek sarreraren maila kontrolatzen dute, eta horrek seinalea, gehiegizkoa bada, arintzea ahalbidetzen digu.

Distortsioa

Distortsioak (distortsio harmonikoa), sartu den seinalearekiko, uhin-formaren aldaketa deskribatzen du ekipoaren irteeran, eta audio-ekipoek, ez anplifikadoreak soilik, seinalean, harmonikoak sartzen dituztelako gertatzen da.

Distortsio horren kausak anitzak izan daitezke. Anplifikadoreen kasuan, sarrerarako gainkarga da ohikoena, hau da, fabrikatzaileak gomendatutako potentzia gainditzea. Horrek seinalea ebakitzea eragiten du irteeran, eta soinua hautsita geratzen da.

Erabateko distortsio harmonikoak, gehienez, % 0,1 THD (total harmonic distortion) izan behar du frekuentzia-espektro osoan (maiztasun goikoek – akutuek, behekoek – larriek baino gehiago distortsionatzen dute).

Distortsioa dB-tan ere adieraz daiteke maiztasun bati dagokionez. Transistoreen intermodulazio bidezko distortsioa esaten zaio horri. Distortsio hori neurtzeko, anplifikadorearen distortsioa kalkulatzen da bi uhin senoidal desberdinetarako (normalean, 19 eta 20 kHz), eta, seinale horien artean, dB-n adierazitako aldea zein den ikusten da. Kalitate-anplifikadoreek 70 dB-tan egon behar dute, 1 kHz-ko tonu diferentzial horretan.

Diafonia

Diafoniak sistema estereo batean adierazten du audio-kanal batek besteari eragiten diola.

Diafonia maiztasunaren araberakoa da. Horrela, diafonia jasangarria dela esango dugu 50 dB ingurukoa denean larrietarako eta akutuetarako, eta 70 dB ingurukoa tonu ertainetarako.

Diafonia-arazoak ezabatzeko, anplifikadoreek artezgailuak eta iragazki-kondentsadoreak dituzte. Gainera, fabrikatzaile askok elikadura-iturri independenteak sartzen dituzte kanal bakoitzerako, eta hori oso eraginkorra da.

Anplifikadore motak

Balbuladunak

Huts-balbula

Lehenengo komertzializatu zen anplifikadore mota da, eta audioa anplifikazioa gauzatzeko huts-balbulak baliatzen ditu; hain zuzen ere, elektronika zaharrean erabili ohi zirenak. Elektronikaren merkatuan transistoreek harrera ona izan duten arren, balbulak oraindik ere erabiltzen dira; zeren, balbula bidezko anplifikadoreetan lortzen den soinu xehetasuna aberatsagoa den,  eta giza entzumenarentzat goxoagoak diren maiztasunak lortzen dira. Anplifikadore hauetan erabiltzen diren osagaien urritasunaren ondorioz,  gailu oso garestiak bilakatu dira azken urteotan.

Transistoredunak

Kalitate/prezio erlazioari dagokionez, egokienak dira. Anplifikazio sistema honetan transistoreek arestian aipatutako balbulak ordezkatzen dituzte; era honetan, soinu garbiagoa lortzen da, baina aldi berean, kalitatea eta goxotasuna urriagoak dira. Aurretik esan bezala, soinu kalitate txikiagoa eskaintzen duten anplifikadoreak dira; hala ere, duten prezio ekonomikoarengatik oso erabiliak dira hainbat alorretan, hala nola, entsegu geletan.

Transistoreak

Hibridoak

Goian aipatutako bi anplifikadore moten konbinazioa da; zirkuituaren atal batzuetan balbulak erabiltzen dira, eta beste batzuetan, aldiz, transistoreak. Osagaien bateraketa honi esker, balbulen soinu aberatsa eta transistoreen prezio baxua bateratzen dituen anplifikadorea  eskuratu daiteke. Lortzen den emaitza ez da, bere osotasunean, balbulaz soilik osatutako anplifikadore batena, ez eta transistorez soilik osatutakoarena bezain merke ere; baina erosleei erdibideko hautabide bat aurkezten dienez, oso arrakastatsua bilakatu da azken urteotan; musikagintzan lanean hasten direnen artean gehienbat.

Bibliografia

• RUMSEY, Francis & McCORMICK, Tim. Sonido y grabación. Introducción las técnicas sonoras. IORTV. 2004 (2ª edición).

Ikus, gainera

• Bozgorailu

Kanpo estekak

• Datuak: Q27094
• Multimedia: Audio power amplifiers / Q27094