8.4: Altavoces

Una de las cargas más comunes para los amplificadores es un altavoz. Tiene sentido entonces mirar cómo se construyen y anotar cualquier cosa interesante o peculiar en lo que respecta a sus características eléctricas. La forma más común de altavoz es el altavoz dinámico ¹. Todos los altavoces dinámicos comparten ciertos elementos comunes independientemente del tamaño o la capacidad de salida acústica. En la Figura se muestra una vista en corte de un controlador de baja frecuencia\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Altavoz dinámico. A. Marco B. Suspensión C. Cable conductor D. Araña E. Imán F. Diafragma G. Former de bobina de voz H. Bobina de voz I. Tapón antipolvo Imagen cortesía de Audio Tecnología

La idea detrás de su funcionamiento es la repulsión magnética y la atracción. El corazón de la unidad es la bobina de voz (H). Esta es una bobina de alambre magnético enrollada alrededor de un formador (G) que normalmente está hecho de aluminio o algún otro material de alta temperatura. La bobina de voz puede ser una sola capa de alambre de cinta enrollada en el borde o tal vez varias capas de alambre redondo ordinario. Dependiendo del diseño, la bobina de voz puede tener entre una fracción de pulgada y varias pulgadas de diámetro. Los extremos de la bobina están conectados a cables conductores flexibles (C) que terminan en el marco del altavoz (A). En definitiva, a eso se conectará el amplificador.

La bobina está fijada a un diafragma (F) y está suspendida libremente por una suspensión de borde exterior (B) y un elemento interior conocido como araña (D). La bobina de voz se asienta en un fuerte campo magnético que es creado por un potente imán permanente (E) que comúnmente usa cerámica, alnico o construcción de tierras raras. Cuando la corriente del amplificador fluye a través de la bobina, creará su propio campo magnético que o bien auxiliará o se opondrá al campo fijo creado por el imán permanente, dependiendo de la dirección de la corriente. Esto da como resultado una fuerza que hace que la bobina se mueva dentro del campo fijo. A medida que la bobina se mueve, el diafragma se mueve con ella, empujando el aire circundante y creando sonido. Cuanto mayor sea la corriente, más fuerte será el campo recién creado y mayor será la ayuda u oposición resultante, lo que resulta en un mayor movimiento del diafragma y una mayor presión sonora. Este diseño fundamental ha cambiado poco desde su invención en la década de 1920. Los imanes modernos, los materiales de suspensión y diafragma han mejorado considerablemente en los años intermedios pero el principio operativo es prácticamente el mismo.

Es muy difícil crear un controlador que pueda cubrir todo el espectro de audio de 20 Hz a 20 kHz a la vez que logra suficiente volumen de escucha a baja distorsión. En consecuencia, los controladores a menudo están diseñados para cubrir una porción limitada del espectro de audio. Los controladores de baja frecuencia se conocen comúnmente como woofers, mientras que los controladores de alta frecuencia se llaman tweeters. A los conductores que cubren el rango medio de frecuencias se les da el nombre altamente inventivo de rangos medios (aunque alguna vez se les llamó graznidos). Una combinación de estos dispositivos se conectará con otros componentes para crear un sistema completo de altavoces domésticos o automáticos. Aunque se pueden producir sistemas de muy alta calidad, prácticamente todos los sistemas de altavoces dinámicos de radiación directa sufren de baja eficiencia de conversión. Para un sistema de consumo típico, solo alrededor del 1% al 2% de la energía eléctrica aplicada se convierte en potencia de salida acústica útil. La gran mayoría de la potencia aplicada simplemente hace que la bobina de voz se caliente.

8.4.1: Impedancia del altavoz

A los altavoces se les da un valor de impedancia nominal. La impedancia más común para uso doméstico es 8\(\Omega\) mientras que 4\(\Omega\) es común en sistemas automotrices. Es importante recordar que este es un valor nominal y el valor verdadero varía con la frecuencia. Si bien es común probar amplificadores de potencia con grandes resistencias de potencia, son solo una aproximación aproximada de un altavoz real.

Las características eléctricas y mecánicas de un altavoz se combinan para crear un circuito equivalente con elementos resistivos, inductivos y capacitivos. Un típico modelo de circuito eléctrico ² de un solo controlador de altavoz se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). \(R_{VC}\)y\(L_{VC}\) son la resistencia e inductancia de la bobina de voz, respectivamente. Los demás componentes son equivalentes eléctricos de propiedades mecánicas tales como pérdidas de suspensión.

Figura\(\PageIndex{2}\): Modelo eléctrico de altavoz dinámico.

Claramente, esta no es una simple\(\Omega\) resistencia 8. De hecho, vemos una impedancia muy compleja: Los tres elementos paralelos crearán un pico resonante y la inductancia en serie hará que la impedancia aumente con la frecuencia. Típicamente, el pico resonante ocurre en el extremo inferior del espectro y la frecuencia resonante asociada se denota en una hoja de especificaciones como\(f_S\), la resonancia de aire libre. Para un\(\Omega\) woofer nominal 8, la impedancia máxima puede ser superior a 30\(\Omega\). Un ejemplo de una gráfica de impedancia de altavoz se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Gráfica dinámica de impedancia de altavoz. Cortesía de Dayton Audio.

Este altavoz es una\(\Omega\) unidad nominal de 8 sin embargo la impedancia puede ser muchas veces este valor, y en algunas frecuencias, menos de 7\(\Omega\). Esta gráfica también incluye el ángulo de fase del altavoz y podemos ver que puede ser superior a 40\(^{\circ}\) capacitivo o inductivo, dependiendo de la frecuencia. Lo que hace que esto sea más interesante es que un sistema de altavoces de consumo es una combinación de múltiples controladores más otros componentes eléctricos, y esto puede resultar en una gráfica de impedancia aún más compleja.

La pregunta obvia es: “¿Esto tiene algún efecto en el análisis del amplificador de potencia?” La respuesta simple es: “Sí”. Las áreas del espectro donde la magnitud de la impedancia cae por debajo del valor nominal requerirán más corriente para cualquier voltaje de carga dado. Además, el desplazamiento de fase causado por una carga parcialmente reactiva impactará en la disipación de potencia del transistor.

Considere el gráfico de potencia que se muestra en la Figura 8.3.6 para una carga puramente resistiva. Si repetimos la gráfica pero agregamos un cambio de fase notable para simular una carga parcialmente reactiva, sucede algo interesante, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{4}\): Disipación de potencia con carga reactiva.

La traza púrpura representa la disipación de potencia del transistor. El producto de voltaje de corriente pico es el doble del valor visto con una carga puramente resistiva. Esta combinación podría estar fuera del área de operación segura del transistor. En última instancia, las cargas reactivas son algo más “desafiantes” que las cargas resistivas simples. Por lo tanto, los transistores pueden necesitar ser clasificados más altos que los valores calculados para una carga resistiva idealizada.

Otra forma de ver el problema del desplazamiento de fase inducido por altavoces y otras cargas complejas es examinar la línea de carga de CA. Nuestro trabajo previo con líneas de carga siempre asumió que la carga era puramente resistiva. ¿Qué sucede en el caso de impedancia compleja?

Si examinamos una carga compleja genérica a una sola frecuencia, nuestra línea de carga en línea recta anterior se convierte en una elipse, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): Línea de carga AC con carga compleja.

Esta gráfica supone que el circuito tiene un punto Q centrado. La línea de carga resistiva normal se muestra en verde. Podemos visualizar la señal comenzando en amplitud cero, es decir, todo lo que vemos es el punto Q. A medida que la señal se hace cada vez más grande, oscila a lo largo de la línea verde hasta que, finalmente, alcanza el máximo en los dos ejes. En el caso de impedancia compleja, también partimos en el punto Q. A medida que aumenta la señal, traza una elipse alrededor del punto Q. Los aumentos adicionales crearían una elipse más grande, y luego una elipse más grande, y así sucesivamente. Eventualmente, veríamos el swing máximo apenas tocando los ejes. Esto es lo que se traza arriba en rojo, el caso máximo (es decir, en pleno cumplimiento).

Si el ángulo de impedancia cambia, la relación de aspecto de la elipse cambia en reacción a ella. Cuanto mayor es el ángulo, más abierta se vuelve la elipse. Los extremos son 0\(^{\circ}\), el caso puramente resistivo que produce una elipse colapsada o línea recta; y 90\(^{\circ}\), el caso puramente reactivo que produce una elipse completamente abierta, o círculo. Ya hemos visto que el ángulo de fase de un altavoz cambia con la frecuencia, por lo tanto, la línea de carga también cambia con la frecuencia. Al barrer la frecuencia de entrada de baja a alta, podemos imaginar la línea de carga oscilando de un lado a otro entre líneas rectas y varias formas elípticas. Lo importante, sin embargo, es que algunas de estas nuevas regiones operativas (las áreas donde la curva roja está por encima y a la derecha de la línea verde) pueden salir del área de operación segura del transistor.

Referencias

¹ Es un nombre bastante extraño dado que todos los altavoces son dinámicos en algún aspecto. Si no lo fueran, no producirían sonido.

² Adaptado de R. H. Small, “Direct Radiator Loudspeaker System Analysis”, Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio, junio de 1972.