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
