jueves, 21 de mayo de 2015

Impedancia y Resistencia en Altavoces

INTRODUCCIÓN

Esta investigación tiene como fin que cada uno de nosotros tenga claros los conceptos de impedancia y resistencia en equipos de audio, de esa manera podremos conocer la calidad de los equipos de amplificación y/o edición de audio, y asi poder darle un uso adecuado a los mismos. La impedancia es una magnitud que mide la cantidad de oposición de los componentes de un aparato al paso de la corriente alterna, a menor impedancia, mayor corriente entrará y por consiguiente mayor calidad tendrá dicho aparato, en los equipos de audio la impedancia está directamente relacionada con la frecuencia, por lo que es necesario el análisis de frecuencia respecto a la impedancia y para entender este concepto mejor se hace referencia a la ley de Ohm.

Impedancia y Resistencia en Altavoces

La impedancia es la oposición al paso de la corriente alterna. En un altavoz, la impedancia es diferente para cada frecuencia, por lo que los fabricantes publican "curvas de impedancia". Estas curvas nos dan idea de la impedancia nominal del altavoz, su impedancia mínima, así como sus características de resonancia. Por ejemplo, un altavoz de cono al aire mostrará un pico de impedancia en la frecuencia de resonancia.

1.      Diferencia Entre Impedancia y resistencia
Si un altavoz es medido con un multímetro la lectura obtenida será menor, que la impedancia nominal del altavoz.
Ej. Un altavoz de 16 ohmios puede darnos una lectura de 12 ohmios. Esto se debe a que el multímetro mide la resistencia, no la impedancia. La resistencia es la oposición al paso de la corriente continua y tiene un único valor, mientras que la impedancia es la oposición al paso de la corriente alterna, por lo que es función de la frecuencia. Por lo tanto tiene valores diferentes para cada frecuencia.

El multímetro es útil para resistencias que se usan en los circuitos electrónicos, ya que su impedancia no cambia con la frecuencia. Sin embargo, no es útil para un altavoz, puesto que su impedancia varía para cada frecuencia.

Se puede decir que la resistencia es la impedancia solo para 0 Hz, ya que a 0 Hz la corriente es continua.

Se hace necesario entonces una curva de impedancia en el rango de frecuencias que puede producir un altavoz.




La impedancia nominal en este ejemplo estaría entre 4 y 8 Ohmios, pero la curva roja muestra los cambios de impedancia para cada frecuencia y se puede apreciar que aproximadamente en los 60 Hz la impedancia supera los 32 Ohmios por lo que el flujo de corriente será muy bajo y la calidad de sonido en esta frecuencia será deficiente. Por el contrario en las frecuencias en las que la impedancia se reduce aproximándose a los 4 Ohmios el sonido tendrá una calidad óptima.

2.      Medida de la impedancia
Para medir la curva de impedancia es necesario un analizador de laboratorio.
Éstos pueden ser de sinodal barrida (van midiendo la impedancia en todas las frecuencias a medida que aumenta) o bien utilizar señal de ruido (miden la curva en todas las frecuencias de una sola vez).

2.1 Los medidores portátiles de impedancia. Estos incorporan un generador de frecuencias que mide la impedancia comúnmente a 1 KHz, entre otras posibles, Lo ideal sería comparar el valor que obtenemos del medidor con el que nos proporciona el fabricante.

3.      Impedancia nominal
Debido a que las curvas de impedancia no proporcionan datos fijos para trabajar y realizar cálculos, los altavoces comúnmente muestran una impedancia nominal. (2Ω, 4Ω, 8Ω, 16Ω…). Esto no quiere decir que la impedancia nominal sea exacta en estos valores si no que el fabricante debe referenciar y aproximar la impedancia nominal real a cualquiera de los valores mencionados.
4.      La impedancia varía con la temperatura
Algo que debe tenerse en cuenta con respecto a la impedancia es que ésta varía con la temperatura. Eso quiere decir que cuando la bobina de un altavoz se calienta, su impedancia aumenta considerablemente, entre más potencia entregue el amplificador, más se calienta la bobina; Entonces ocurre un fenómeno denominado "compresión de potencia”.


MEDICIÓN DE IMPEDANCIA DE ENTRADA ( Zi).


Para medir la impedancia de entrada de algún instrumento o circuito bajo prueba se utiliza la conexión mostrada en la  siguiente figura:

Habiendo mostrado el diagrama de conexión para medición de impedancia de entrada daremos el procedimiento para su medición.

·         Se regula la fuente de alimentación o generador a un nivel de voltaje y frecuencia adecuados (hay que recordar que el instrumento bajo prueba de medición de su impedancia interna puede cambiar con la frecuencia).
·         Se conecta una resistencia variable en serie con el instrumento al cual se le va a determinar su impedancia interna.
·         Se conecta en paralelo a la resistencia patrón un instrumento medidor de voltaje (osciloscopio o voltímetro).
·         Se enciende la fuente de alimentación y se modifica el valor de la resistencia variable hasta que el voltaje que caiga en ella sea exactamente la mitad del voltaje aplicado (VCH2  = VCH1/2).
·         El valor que haya adquirido la resistencia variable (desconectada y medida con un multímetro) será el valor de la resistencia interna o Zi del instrumento o circuito bajo prueba.

Este método está fundamentado en que cuando dos resistencias son del mismo valor y conectados en serie la caída de voltaje en cada una de ellas es la mitad del voltaje aplicado.
Este método no es aconsejable para cuando se miden resistencias extremadamente altas ya que la misma resistencia interna del instrumento de  medición alteraría los resultados.

Nota: Será de gran importancia la medición de la resistencia interna(ri) de nuestros instrumentos (generador, osciloscopio, etc.) para el buen funcionamiento de algunas de las próximas prácticas a desarrollar.

MEDICIÓN DE IMPEDANCIA DE SALIDA (Zo).

Para medir la impedancia de salida de algún instrumento o circuito bajo prueba se conecta el circuito de la siguiente figura:

Para medir la impedancia de salida de un instrumento o circuito bajo prueba se realiza de la siguiente manera.
·         Se medirá la salida de voltaje del circuito o instrumento bajo prueba con un instrumento medidor de voltaje (osciloscopio) este tendrá que ser de dos maneras que serán las siguientes:

a)    Medir el voltaje (Vs) del instrumento bajo prueba, sin carga, esto significa sin RL   ya que Vs será un dato para determinar Zo.

b)    Después de medir nuestro instrumento sin RL tendremos que conectar una RL conocida por nosotros que tenga un valor comercial no mayor a 1 k en paralelo con nuestro instrumento bajo prueba y con esto determinaremos VL con el  cual obtendremos Zo de la siguiente manera:

Dónde: 
            RL.-Resistencia de carga
            VS.-Voltaje de salida sin carga
            VL.-Voltaje de salida con carga
            Rs.-Resistencia igual a la impedancia de salida

Esta ecuación se obtuvo como sigue:
Tendremos por división de voltaje que



ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIAS (AUDIO)
En los primeros tiempos de los sistemas de música de alta fidelidad, era crucial prestar atención a la adaptación de impedancia de los dispositivos, ya que los altavoces estaban alimentados por transformadores de salida y por otro lado la potencia de entrada desde los micrófonos a los preamplificadores, era algo que tenía que optimizarse. Los circuitos integrados de estado sólido de los amplificadores modernos, han eliminado en gran parte ese problema, por lo que esta sección sólo pretende establecer un poco de perspectiva acerca de cuándo la adaptación de impedancia es una preocupación válida.
Como regla general, la máxima transferencia de potencia desde un dispositivo activo como un amplificador o controlador de antena, a un dispositivo externo, se produce cuando la impedancia del dispositivo externo coincide con el de la fuente. Esa potencia óptima es el 50% de la potencia total, cuando la impedancia del amplificador se corresponde con el del altavoz. Una adaptación de impedancia inadecuada puede conducir a un uso excesivo de potencia, distorsión y problemas de ruido. Los problemas más graves se producen cuando la impedancia de la carga es demasiado baja, lo cual, requiere demasiada potencia desde el dispositivo activo para alimentar la carga a niveles aceptables. Por otro lado, la consideración principal para un circuito de reproducción de audio es la reproducción de alta fidelidad de la señal, y esto no requiere una transferencia de potencia óptima.
En la electrónica moderna, los circuitos integrados de amplificadores tienen a su disposición, cientos de miles de elementos de transistores activos, que con el uso creativo apropiado de la realimentación, pueden hacer que el rendimiento del amplificador sea casi independiente de las impedancias de los dispositivos de entrada y salida, dentro de una gama razonable.
El amplificador se puede fabricar en el lado de la entrada, para tener una impedancia de entrada casi arbitrariamente alta, por lo que en la práctica, un micrófono ve una impedancia considerablemente mayor que su propia impedancia. A pesar de que esto no optimiza la transferencia de potencia desde el micrófono, no es un gran problema, ya que el amplificador puede tomar el voltaje de entrada y convertirlo en un voltaje mayor -el término actualmente usado es el de "puenteo" a una imagen más grande del patrón del voltaje de entrada-.
En el lado de salida, un altavoz puede todavía tener una impedancia nominal de algo así como 8 ohmios, que antes habría requerido tener una etapa de salida del amplificador compatible con la suya de 8 ohmios. Pero ahora con la circuitería de salida activa de los amplificadores de audio, la impedancia de salida eficaz puede ser muy baja. La circuitería activa controla la tensión de salida al altavoz de manera que se entrega la potencia adecuada.

JEMPLOS:
ADAPTACIÓN DEL MICRÓFONO A LA ENTRADA
Aunque la adaptación de la impedancia de un micrófono a un amplificador de audio no es el problema que era en los primeros días de la reproducción del sonido de alta fidelidad, todavía se aplican algunas consideraciones.
En términos prácticos, el micrófono moderno necesita entregar un voltaje óptimo al preamplificador, y no necesariamente la potencia óptima que requeriría una adaptación de impedancias. Considerando al micrófono como una fuente de voltaje, la tensión suministrada a la entrada del preamplificador está dada por...

Donde Vsource es la señal generada por el mecanismo del micrófono, Ri la impedancia del micrófono y RL la impedancia de entrada del preamplificador. La potencia de la señal real entregada al preamplificador puede ser expresada en decibelios de pérdida, en comparación con la señal generada por el micrófono. Suponiendo un circuito resistivo de modo que si la potencia es proporcional al cuadrado del voltaje:

Mientras el micrófono tenga suficiente potencia de señal para proporcionar la entrada mínima de señal a la mezcladora, puede ser una ventaja conectar un micrófono de baja impedancia a una impedancia de entrada moderadamente más alta. Desde este punto de vista, la práctica actual de entradas de "baja impedancia" a mezcladores de audio, suelen ser impedancias desde 1000 a 2000 ohmios, de acuerdo con el sitio web de Shure Pro Audio. Comentan que como regla general es aceptable una pérdida de señal de 6 dB.


ADAPTACIÓN DE AMPLIFICADOR A ALTAVOZ
La máxima transferencia de potencia desde un dispositivo activo como un amplificador a un dispositivo externo como un altavoz, ocurre cuando la impedancia del dispositivo externo coincide con el de la fuente. Esa potencia óptima es el 50% del total de potencia cuando la impedancia del amplificador coincide con la del altavoz.
Pero los amplificadores de audio modernos son dispositivos de control activos, y la adaptación de impedancias del amplificador al altavoz, ya no se considera que sea una buena práctica.
Pero sin embargo pueden ser instructivas como referencia, las implicaciones del modelo simplificado para las salidas de amplificador resistivo. Por ejemplo, supongamos que el máximo voltaje sin distorsión del amplificador es de 40 voltios:

Para subrayar la simplificación involucrada en el modelo de arriba, debe señalarse que el altavoz no es una simple resistencia -contiene una bobina o bobinas con una inductancia significativa, y está compuesto típicamente de dos o tres altavoces con una red de cruce que tiene capacidad e inductancia. De modo que la impedancia del altavoz inevitablemente variará con la frecuencia.
Tenga en cuenta que es más seguro en términos de potencia total ir a altavoces de mayores impedancias (altavoces en serie), pero la práctica más habitual es colocar los altavoces en paralelo, reduciendo la impedancia.

Ejemplo curvas de impedancia
La impedancia mínima es inferior a la impedancia nominal.
La resistencia de CC de un altavoz es mucho menor que la impedancia nominal indicada. Las señales de audio se alternan en su dirección del flujo de corriente (AC). Una medición típica resistencia de CC puede ser un 20% menor que el valor nominal de la impedancia.

POLARIDAD DE ALTAVOCES
La mayoría de fabricantes de altavoces producen los altavoces que se mueven cuando un voltaje de referencia positivo está presente en el terminal rojo. Todos los altavoces responden a una tensión positiva en el terminal rojo moviéndose hacia adelante.
El cableado correcto de los altavoces con respecto a la polaridad correcta se muestra a continuación:

Hay diferentes tipos de impedancia. Las siguientes son algunas definiciones de la impedancia del Diccionario de Términos Científicos y Técnicos por McGraw -Hill:
IMPEDANCIA: (Phys) 1. La relación de una cantidad que varía sinusoidalmente a una segunda cantidad, que mide la respuesta de un sistema físico a la primera, tanto siendo considerados en notación compleja; ejemplos son la impedancia eléctrica, la impedancia acústica y la impedancia mecánica. También conocido como impedancia compleja. El ratio de la mayor magnitud de una segunda cantidad que mide la respuesta de un sistema físico a la primera; igual a la magnitud de la cantidad en la primera definición.
IMPEDANCIA ELECTRÓNICA: También conocida como impedancia. (ELEC) hace referencia la total oposición que presenta un circuito de una corriente alterna, igual a la compleja relación de la tensión de la corriente en notación compleja. También conocida como la impedancia compleja, la relación de la tensión máxima en un circuito de corriente alterna a la corriente máxima.
Impedancia acústica: (ACOUS) Es la relación compleja de la presión acústica sobre una superficie dada para el flujo de sonido a través de esa superficie, expresada en ohmios acústicas.
Impedancia mecánica: (MECH) La relación de complejo de un fasor que representa una fuerza que varía sinusoidalmente aplicada a un sistema fasor que representa la velocidad de un punto en el sistema.
Impedancia de la fuente
La impedancia de carga del altavoz se refiere a menudo a la impedancia de salida del amplificador, sin embargo, es más correcto llamar a esta la impedancia de carga del amplificador. Esto es porque los amplificadores tienen una salida interna o "impedancia de la fuente."
La relación de la impedancia de la fuente a la impedancia de carga es el número calificación Factor de amortiguamiento del amplificador. El número de factor de amortiguación puede obtenerse dividiendo la impedancia de carga del altavoz por la salida o de la fuente de impedancia interna de la etapa de potencia. Una impedancia típica fuente de amplificador de potencia es de 0,02 ohmios. Si tuviera que dividir una carga de altavoz de 8 ohmios por 0,02 ohmios, tendría una serie Factor de Amortiguamiento de 400.
Como se puede ver la impedancia de la carga afecta el factor de amortiguación del amplificador. El mismo amplificador tendría un factor de amortiguación de 200 en una carga de cuatro ohmios (4 / 0,02 = 200).
El factor de amortiguamiento es la capacidad del amplificador para controlar la carga del altavoz. Otra palabra para el control es la regulación. El control de la carga es una función de la capacidad de regulación del amplificador de potencia de la carga. Si usted tiene una escala de milivoltios precisa sobre un voltímetro digital, se puede calcular el porcentaje de regulación mediante la medición de la tensión de salida del amplificador sin carga (circuito abierto), a continuación, colocar el valor de la resistencia de carga en la salida de los amplificadores y medir el voltaje. Se habrá caído una cantidad muy pequeña.
Si a continuación, tomar la tensión sin carga y restar la carga a voltaje pleno de ella, y luego dividir esa cifra por la tensión de carga completa, se ha calculado el porcentaje de ese amplificador de regulación. Si ahora se toma el recíproco de ese porcentaje de la regulación, tendrá el número calificación Factor de Amortiguamiento de ese amplificador en que el valor de la carga.
NLV - FLV / flv =% Reglamento
1 / % Regulación = Factor Damping
o DF = 1 / ( NLV - FLV / FLV )
Nota: No se puede realmente medir Factor Damping a plena potencia, ya que el amplificador no será capaz de mantener su regulación, sino como un ejemplo digamos que usted está midiendo una CS- 800X en una carga de ocho ohmios con 6 dB de espacio para la cabeza. Su circuito abierto (NL) de tensión se mide a 20 voltios, pasa ocho ohmios de carga en el circuito (mejor utilizar una carga ficticia o altavoz será muy fuerte), entonces usted mide una (FL) Tensión de 19,95 voltios, su matemática sería ahora:

20-19,95 = 0,05 / 19,95 = 0,0025
% Del Reglamento sería 0,25 %
El recíproco de 0,0025 = 1 / 0,0025 = 400
DF = 400
Impedancia de la fuente (source Z) entonces calcularse a partir de una inversión de la fórmula anterior para el factor de amortiguamiento (DF = Z Load / Z Fuente) que ahora se convierten en:
Z Load / DF = Z Fuente o
8/400 = 0,02 ohmios Impedancia de la fuente
Esto, es el factor de amortiguamiento. La resistencia de la carga afecta a la capacidad del amplificador para controlar su carga. Todos hemos oído hablar de que el método profesional de las conexiones de cable de altavoz en audio es utilizar a un cable de calibre pesado y el más corto posible recorrido del cable. Las pérdidas en los tendidos de cable de los altavoces son debido a la fricción, o el calor causado por el alto nivel de flujo de corriente de electrones. La mayoría de los fabricantes ofrecen una American Wire Gauge (AWG) # 18 en una longitud de 25 pies como un cable de altavoz estándar. Pero los electrones fluyen hacia atrás y adelante en un circuito de 50 pies. El cable del altavoz en sí se opone el flujo de corriente, ya que tiene un valor de resistencia.





CONCLUISONES


·         La impedancia de entrada varía según la posición de la resistencia, se divide en paralelo, se aumenta en serie.
·         La impedancia se puede medir con un osciloscopio
·         En circuitos DC únicamente se tiene en cuenta la impedancia
·         En circuitos AC se tienen encuentra 2 tipos de impedancia, reactiva y resistiva



REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS


Impedancia en altavoces.
Impedancia Nominal
Prácticas de impedancias entrada – salida.
Adaptación de impedancias.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/audio/imped.html