Amplificadores en puente y en paralelo

Se pueden conectar varios amplificadores electrónicos de manera que accionen una única carga flotante (puente) o una única carga común (paralelo), para aumentar la cantidad de potencia disponible en diferentes situaciones. Esto se encuentra comúnmente en aplicaciones de audio.

Descripción general

Los modos de trabajo en puente o en paralelo, que normalmente involucran amplificadores de potencia de audio, son métodos para usar dos o más amplificadores idénticos para controlar la misma carga simultáneamente. Esto es posible para conjuntos de amplificadores mono, estéreo y multicanal, ya que las salidas del amplificador se combinan por carga. Dependiendo del método de combinación de amplificadores separados, puenteo o paralelo, se pueden lograr diferentes objetivos de amplificación. El resultado es un amplificador que se puede combinar aún más con puenteo o conexión en paralelo. Este enfoque puede resultar beneficioso para controlar cargas para las que utilizar un amplificador de un solo extremo es imposible, poco práctico o menos rentable.

Amplificador puenteado

Una carga puenteada (BTL), también conocida como sin transformador puenteada y mono puenteada, es una configuración de salida para amplificadores de audio, una forma de puente de impedancia utilizada principalmente en audio y audio profesional. aplicaciones de automóviles. Los dos canales de un amplificador estéreo reciben la misma señal de audio monoaural, con la polaridad eléctrica de un canal invertida. Se conecta un altavoz entre las dos salidas del amplificador, puente los terminales de salida. Esto duplica la oscilación de voltaje disponible en la carga en comparación con el mismo amplificador utilizado sin puente. La configuración se utiliza con mayor frecuencia para subwoofers.

Para un oscilación de tensión de salida dado, el menor la impedancia mayor la carga de amplificador. Bridging se utiliza para permitir que un amplificador conduzca cargas bajas en potencia superior, porque el poder es inversamente proporcional a la impedancia y proporcional al cuadrado de voltaje, según la ecuación P=V2/R{displaystyle P=V^{2}/R}. Esta ecuación también muestra que cerrar cuadruplica el poder teórico en un amplificador, sin embargo esto es verdad sólo para cargas lo suficientemente bajas. Por ejemplo, para las cargas donde el amplificador alcanza su potencial completo en modo único, no hay ningún beneficio por hacer con el puente. Esto es porque un amplificador puede tener limitaciones actuales. En aplicaciones prácticas, la disipación de calefacción inadecuada y la fuente de alimentación también limitan el aumento de potencia, aunque si los amplificadores puentes utilizan fuentes de alimentación separadas, lo que es típico, el aumento límite de cargas altas es duplicación de energía, ya que cada amplificador sólo proporciona la mitad de la potencia total.

Circuito típico

Ejemplo: La imagen muestra dos amplificadores idénticos A1 y A2 conectados en modo puente. El sistema está dispuesto de tal manera que las salidas de los amplificadores están invertidas entre sí. En otras palabras, mientras la señal en un amplificador oscila positivamente, la señal del otro oscila negativamente. Cuando la salida de un amplificador está a +10 voltios, la salida del otro estará a -10 voltios y viceversa. La carga está conectada entre las salidas “calientes” (a menudo rojas) de los dos amplificadores y está sujeta a la diferencia de potencial entre ellos. Si el potencial instantáneo en la salida de un amplificador es de +10 voltios, entonces la salida del otro será de -10 voltios y la diferencia de potencial a través de la carga será de 20 voltios, o el doble del potencial disponible de un solo amplificador. amplificador.

El suministro de la señal de entrada de audio antifase se puede proporcionar de varias maneras, lo que requiere conocimientos y habilidades adecuados.

1. por una modificación interna como la descrita por Rod Elliot en https://sound-au.com/project20.htm;
2. por un simple circuito de splitter de fase activa, externo al amplificador;
3. por un transformador de entrada de audio de división de fase, externo al amplificador.

Beneficios e inconvenientes

Dado que se utilizan dos amplificadores en polaridad opuesta, utilizando la misma fuente de alimentación, la salida puenteada está flotante. Esto hace innecesario un condensador de bloqueo de CC entre el amplificador y la carga, ahorrando costes y espacio y evitando la reducción de potencia a baja frecuencia debido al condensador. Por la misma razón las salidas del amplificador nunca deben conectarse a tierra o podría dañar el amplificador. El factor de amortiguación se reduce a la mitad, lo que beneficia la entrega de potencia.

Consideraciones de diseño del amplificador

En foros de chat de audio, algunos aficionados afirman que operar el par estéreo de un amplificador en modo puente proporcionará cuatro veces la potencia de uno de los canales del par. Dada una carga equivalente, la potencia entregada es proporcional al cuadrado del voltaje y la operación en modo puente duplica el voltaje presentado. Sobre esa base, un par de canales de amplificador operados en modo puente deberían entregar cuatro veces la potencia de un solo amplificador, impulsando la misma carga. Sin embargo, esto ignora una consideración importante: debido a que la diferencia de potencial en la carga se duplica, la corriente que pasa a través de la carga (y a través de cada una de las salidas del amplificador) también se duplicará.

Los circuitos amplificadores generalmente se diseñan con los componentes de menor costo necesarios para proporcionar las características de rendimiento deseadas. Los componentes que transportan la corriente de salida del amplificador tenderán a ser los más pequeños (más baratos) que satisfarán el consumo máximo de corriente cuando el amplificador esté funcionando a máxima potencia, en el modo de operación diseñado. Operar un amplificador diseñado para operación individual en modo puente significará que la corriente en los componentes que impulsan la salida podría alcanzar un máximo del doble de lo que fueron diseñados originalmente.

Si los componentes pueden hacer frente a la corriente adicional más allá de la corriente máxima esperada para el funcionamiento en solitario, entonces se podría lograr una mayor entrega de energía. Pero en el caso general, sólo se puede esperar que el amplificador funcione según lo especificado, y operarlo más allá de las especificaciones dará lugar a un mayor riesgo de daño permanente al circuito del amplificador.

Como tal, si un amplificador diseñado para funcionamiento en solitario se va a reutilizar para funcionamiento en modo puente, la impedancia de carga debe duplicarse. Esto debería significar que el consumo de corriente se mantiene dentro de los límites del diseño del amplificador. En este escenario, la potencia entregada por el par de amplificadores en puente será el doble de la potencia entregada por un solo canal de amplificador.

Sin embargo, en algunos escenarios, los amplificadores están diseñados específicamente para funcionar en modo puente. Estos amplificadores están diseñados específicamente para poder suministrar la corriente necesaria. En tales sistemas, el par puenteado podrá entregar cuatro veces más potencia que la que habría podido entregar un solo canal amplificador. La opción del modo puente se utiliza a menudo en sistemas de megafonía y especialmente en aplicaciones de audio de automóviles para alimentar altavoces de graves a alta potencia.

Los amplificadores de audio para automóviles normalmente tienen solo un suministro nominal de 13,8 voltios, lo que normalmente limitaría la oscilación de voltaje disponible en la salida a + y − 6,9 voltios. Si bien sería posible lograr mayores oscilaciones de voltaje mediante la conversión de CC a CC del voltaje de suministro, el uso de un diseño en modo puente permite duplicar la oscilación de voltaje con un diseño más simple y de menor costo. Este diseño también aumenta la eficiencia al evitar las pérdidas de potencia de un convertidor.

Amplificador en paralelo

Una configuración de amplificador en paralelo utiliza múltiples amplificadores en paralelo, es decir, dos o más amplificadores funcionando en fase en una carga común.

En este modo, la corriente de salida disponible se duplica pero el voltaje de salida sigue siendo el mismo. La impedancia de salida del par ahora se reduce a la mitad.

La imagen muestra dos amplificadores idénticos A1 y A2 conectados en configuración en paralelo. Esta configuración se utiliza a menudo cuando un único amplificador no puede funcionar con una carga de baja impedancia o cuando se debe reducir la disipación por amplificador sin aumentar la impedancia de carga o reducir la potencia entregada a la carga. Por ejemplo, si dos amplificadores idénticos (cada uno clasificado para funcionar en 4 ohmios) se conectan en paralelo con una carga de 4 ohmios, cada amplificador ve un equivalente de 8 ohmios ya que la corriente de salida ahora es compartida por ambos amplificadores: cada amplificador suministra la mitad de la corriente de carga. , y la disipación por amplificador se reduce a la mitad. Esta configuración (ideal o teórica) requiere que cada amplificador sea exactamente idéntico a los demás, o aparecerán como cargas entre sí. Prácticamente, cada amplificador debe cumplir lo siguiente:

• Cada amplificador debe tener la menor salida DC offset posible (ideally cero offset) en ninguna señal, de lo contrario el amplificador con el mayor offset tratará de impulsar la corriente en el que con menor offset aumentando así la disipación. Tampoco son aceptables compensaciones iguales, ya que esto causará corrientes no deseadas (y disipación) en la carga. Estos se cuidan añadiendo un circuito de anulación offset a cada amplificador.
• Las ganancias de los amplificadores deben ser tan ajustadas como sea posible para que las salidas no traten de conducir uno al otro cuando la señal está presente. Una solución simple y robusta es utilizar seguidores de voltaje paralelos, que por diseño tienen exactamente ganancia de unidad, impulsado por una etapa de amplificación de tensión común.

Además, se agregan resistencias pequeñas (mucho menores que la impedancia de carga, que no se muestran en el esquema) en serie con la salida de cada amplificador para permitir un intercambio de corriente adecuado entre los amplificadores. Estas resistencias son necesarias porque la impedancia de salida de los dos amplificadores no será perfectamente idéntica, debido a variaciones de fabricación. La introducción de resistencias de salida aísla este desequilibrio y evita interacciones problemáticas entre los dos amplificadores.

Otro método para poner en paralelo amplificadores es utilizar un controlador de corriente. Con este enfoque no se necesitan coincidencias estrechas ni resistencias.

Amplificador de puente paralelo

Una topología de amplificador en puente paralelo es una combinación jerárquica de las topologías de amplificador en puente y en paralelo, con al menos cuatro canales de un solo extremo necesarios para producir un canal en puente paralelo. Las dos topologías se complementan entre sí en el sentido de que el puente permite una salida de voltaje más alto y el paralelo proporciona la capacidad de manejo de corriente necesaria para impulsar impedancias bajas, típicas en aplicaciones de subwoofer. Se utiliza más comúnmente con amplificadores de potencia IC con salidas estéreo que funcionan en modo puente. Se puede ver en las secciones anteriores que una configuración en puente de dos canales de amplificador ofrece cuatro veces la potencia y duplica la disipación. Una configuración en paralelo de dos canales de amplificador ofrece la misma potencia y reduce a la mitad la disipación. Entonces, cuando ambas configuraciones se combinan en un conjunto de cuatro amplificadores de un solo extremo, la potencia de salida aumenta cuatro veces pero la disipación de potencia de cada amplificador constituyente no aumenta y los problemas térmicos son más fáciles de manejar.

Aplicaciones prácticas

Amplificadores estéreo

La mayoría de las veces se encuentran dos amplificadores idénticos en un caso común, con una fuente de alimentación común, y normalmente se considerarían como un amplificador estéreo. Cualquier amplificador estéreo convencional puede funcionar en modo puente o paralelo siempre que los terminales comunes del altavoz (normalmente negros) estén conectados y sean comunes al riel de tierra dentro del amplificador. Esto convertiría el amplificador estéreo en un amplificador mono.

Algunos amplificadores de dos canales, o amplificadores estéreo, tienen la función incorporada de funcionar en modo puente operando un interruptor y observando las conexiones de entrada y salida detalladas en el panel posterior o en el manual. Esta opción se encuentra con mayor frecuencia en equipos de PA de alta potencia o amplificadores diseñados para aplicaciones de audio para automóviles. El funcionamiento en modo paralelo no requiere ninguna instalación especial y se realiza simplemente mediante la conexión externa adecuada.

Los amplificadores de Stereo generalmente tienen un control común para ganar y con frecuencia bajo/treble y cuando se cambian al modo puente automáticamente rastrea cada canal de forma idéntica. Cuando dos amplificadores de canales tienen controles separados, y son conmutables al modo puente, sólo los controles en un canal serán operativos.

Cuando el usuario implementa sus propias conexiones para el modo puente o paralelo, y los amplificadores tienen controles individuales, se debe tener cuidado de que ambos conjuntos de controles se establecen de forma idéntica.