| « Lección anterior | Lección siguiente » |
Los parlantes están cambiando. El parlante analógico de 2 terminales (masa y vivo) está siendo reemplazado por parlantes digitales multifilares de 8 a 16 salidas, una masa y un bobinado de realimentación; los parlantes ya son digitales.Inclusive el ultimo 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.
Un parlante esta compuesto por:
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.
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.
El imán cerámico anular tiene el polo sur en la cara superior y el norte en la inferior o viceversa.
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.
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".
Fig.1 Las diferentes partes de un parlante
Fig.2 Corte de un parlante
Si, se puede hacer fácilmente utilizando el WB Multisim tal como lo indicamos en la figura 4.
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:
Amplificadores con una sola tensión de fuente (por ejemplo 12V). 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.
Amplificadores con tensión positivas y negativas (por ejemplo 24V). la 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.
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 para el caso A) P= (V/2 x1,41)2/ Z en donde V = tensión de fuente y Z = impedancia del parlante En tanto que para el caso B. la formula es la misma pero considerando que V = V1+V2 en donde V1 es la tensión positiva y V2 la tensión negativa.
¿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.
Fig.5 Etapa de excitación de un parlante
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.
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.
Fig.4 Medición de las componentes inductivas y resistivas de un parlante
En lugar de hacer un cálculo aproximado es mejor utilizar el Worbench 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. 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.
En la figura 8 se puede observar nuestro circuito de salida con los agregados de un osciloscopio, un tester y un vatimetro.Primero vamos a analizar los puntos donde se realizan las mediciones.
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.
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.
Fig.7 Respuesta en bajas frecuencias de un parlante excitado a capacitor
Fig.8 Mediciones completas sobre la salida de potencia
En el NCH Tone Generator 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.
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.
.
Fig.9 Generador de funciones por PC
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.
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.
Fig.11 Oscilogramas correspondientes a una salida con doble fuente
| « Lección anterior | Lección siguiente » |