Unidad Didáctica 4 Electricidad 1. Corriente eléctrica 2. Resistencia y Ley de Ohm 3. Condensadores y bobinas 4. Transformadores 5. Sistema de distribución de altavoces - distribución en alta tensión - distribución de altavoces sin transformación. Combinación de resistencias en paralelo y serie 6. Capacidad de potencia y ganancia de amplificación
ELECTRICIDAD Corriente Eléctrica El mundo del sonido tal y como se conoce y entendemos hoy en día, ha sido desarrollado desde sus orígenes desde el conocimiento de la electricidad y sus aplicaciones. Desde el momento en que decidimos captar un sonido para registrarlo ó transmitirlo, se ha de convertir en señal eléctrica que puede ser manipulada con facilidad para ser almacenada ó transmitida a largas distancias. Finalmente se volverá a convertir en señal acústica para ser escuchada mediante un sistema de altavoces. Es importante recordar los conceptos y propiedades de la señal eléctrica para entender conceptos que analizaremos posteriormente. En primer lugar es importante comprender el concepto de corriente eléctrica como el movimiento ordenado de electrones en un conductor, similar a la corriente de agua que pasa por un tubo. Esta corriente pasa con cierta fuerza ejerciendo mayor ó menor presión sobre el tubo dependiendo de su capacidad para ejercer un trabajo. Este trabajo capaz de desarrollar la corriente de agua es lo que conocemos como tensión,voltaje, o diferencia de potencial entre 2 puntos del circuito,siendo su medida en voltios (V).
Si variamos el caudal del agua, cambiará la cantidad de trabajo capaz de realizar la corriente. La magnitud análoga al caudal de agua se llama corriente y se mide en Amperios. De ambas magnitudes: corriente y diferencia de potencial, depende la cantidad de trabajo(energia ) que esté consumiendo el sistema, y por tanto su potencia. P = I * V Donde P es la potencia en vatios (W) que consume el dispositivo, I es corriente en amperios que lo atraviesa, y V la diferencia de tensiones que existe entre los terminales de entrada y salida. Resistencia y Ley de Ohm Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. La resistencia de cualquier elemento colocado en un circuito provoca una caída de potencial entre sus terminales de entrada y salida de corriente
Desde el punto de vista eléctrico, la resistencia de cualquier elemento colocado en un circuito provoca una caída de potencial entre sus terminales de entrada y salida de corriente. Debido a la existencia de materiales que dificultan más el paso de la corriente eléctrica que otros, cuando el valor de la resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en amperios también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, si la resistencia aumenta, la corriente disminuye y, viceversa, si la resistencia disminuye la corriente aumenta, siempre y cuando, en ambos casos, el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante. V= I * R Si queremos tener una visión más clara de la cantidad de energía que consume un dispositivo conectado a un circuito, podemos emplear la siguiente fórmula que relaciona los conceptos anteriormente expuestos 2 P= V / R
Es importante tener en cuenta que los cables empleados como conductores de la corriente, provocan una caída de potencial a causa de su resistencia. Siempre que la resistencia de los conductores sea menor que la del elemento al que se encuentra conectado, gran parte de la energia se empleará para hacer funcionar el dispositivo. Es lo que llamamos factor amortiguamiento (dumping factor) que tendrá unos valores entre 300 y 600 para garantizar sobre todo la respuesta en baja frecuencia. La resistencia que ofrece un cable dependerá de la resistividad del material, su longuitud(m) y sección(mm). Un cable con sección grande ofrece poca resistencia. A medida que aumentamos la tirada del cable su resistencia es mayor y por tanto menor capacidad para realizar un trabajo. La siguiente gráfica ilustra perfectamente la resistencia del cable con diferentes diámetros
Expresado de otra manera:
Codensadores y bobinas Existen otros componentes diferentes de las resistencias e importantes de mencionar para poder entender determinados elementos de la cadena de audio. Los condensadores son elementos eléctricos formados por 2 placas de un material conductor entre las que se coloca un material aislante, proporcionando un medio de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Esta capacidad para almacenar energía entre sus placas es lo que denominamos capacidad. y su medida se realiza en faradios (F). Las aplicaciones típicas son almacenamiento de energía y circuitos de suavizado en fuentes de alimentación, acoplo de señales alternas entre etapas de amplificación, y desacoplo de alimentaciones, etc Las bobinas son componentes formados por un cable conductor enrollado en forma de espiral..su magnitud característica es la Inductancia y depende en gran medida del nº de espiras, su medida se realiza en Henrios. En el caso de los circuitos de alterna, la corriente variable que circula por la bobina genera un campo magnético capaz de inducir nuevas corrientes en el circuito.
Funcionamiento de transformadores Un transformador es una de las aplicaciones más habituales de una bobina y está formado por un núcleo laminado alrededor del cual están arrollados un bobinado primario y uno secundario. Si una corriente alterna atraviesa el bobinado primario aparece un flujo magnético en el núcleo y una corriente inducida en el bobinado secundario. La tensión en el bobinado secundario con respecto al la del primario es proporcional a la relación entre el nº de espiras de cada bobina. 1 voltio en el bobinado primario supone el mismo voltaje de salida si el bobinado secundario tiene el mismo nº de espiras. Si el voltaje en el secundario es mayor y puesto que el transformador no puede amplificar, la única manera de que la potencia de entrada y salida sea la misma es que la corriente en la salida disminuya en la misma proporción que aumentó la tensión. En audio, los transformadores se emplean para equilibrar las señales ó para aislarlas, siempre imprescindible ofrecer una buena respuesta en todas las frecuencias
Sistema de distribución de altavoces Distribución de altavoces en alta tensión Como ya vimos anteriormente, la sección y longuitud del cable es decisiva para minimizar los efectos provocados por la pérdida de potencia. Aunque usemos cableado de gran grosor necesitamos en muchas ocasiones realizar tiradas de cable largas para determinadas instalaciones de audio ( auditorios,fábricas,supermercados, etc). Para evitar el problema de pérdida de señal se idearon las lineas de 100 voltios. Consiste básicamente en un transformador conectado a la salida del amplificador de potencia que eleva el nivel de tensión a la vez que disminuye el valor de corriente. En el extremo del altavoz, otro transformador restaura el voltaje y corriente que teníamos a la salida del amplificador para restaurar los watios de potencia originales 50w 1:5 5:1 50w 20v 2,5 A 100 v 20v 2,5 A
Distribución de altavoces sin transformación Podemos disponer de un sistema distribuido de altavoces conectándolos entre si y sin necesidad de conectar transformadores, siempre y cuando las tiradas de cable sean pequeñas y los valores de resistencia obtenidos estén dentro de los parámetros deseados. Combinaciones de resistencias en serie Cuando 2 ó más resistencias se conectan en serie, la resistencia efectiva resultante es la suma de las resistencias individuales R= R1 + R2 + R3 + + + + - - - - No es configuración habitual, si un altavoz se rompe el sistema queda inutilizado.por otro lado, al aumentar la impedancia de carga, la corriente se hace más pequeña y la potencia disminuye.
Distribución de altavoces sin transformación Combinaciones de resistencias en paralelo En el caso de los resistores conectados en paralelo, el inverso de la resistencia efectiva de la combinación es igual a la suma de los inversos de las resistencias individuales 1/R= 1/R1 1/R +1/ R2 + 1/R3 + - + - + - Cuando sólo se conectan 2 resistores en paralelo, la fórmula puede quedar de la siguiente manera: R1 X R2 R= R1 + R2
Capacidad de potencia y Ganancia de amplificación. Tenemos un amplificador de audio que entrega 10 voltios en su salida, y a la que tenemos conectado en altavoz con una impedancia de carga de 10 Ohm, cuál será la potencia entregada por el amplificador? Recordemos: 2 P= 10v / 10 = 10W Si conectamos un altavoz en paralelo, cuál es la potencia que entregada? 10v 10 ohm 10 ohm 2 P= 10 / 5 = 20W Hemos aumentado el doble la potencia. Ha sido como subir 3 db el potenciometro del amplificador.
Conocidos los valores de resistencia y capacidad de potencia podemos llegar a los valores de voltaje de salida: En ambos ejemplos el voltaje es 10 v Primer caso: V= 10 x 10 = 10 Segundo casov= 20x5 = 10 V= W x R Conocida la capacidad de potencia y voltaje entregado por el amplificador, podemos llegar al voltaje máximo de entrada Qué voltaje tendrá que recibir la etapa para etapa para reproducir los 20 voltios Dependerá de la ganancia ó de la relación de amplificación.? 80x 20 v Ganancia= voltaje salida voltaje entrada. La ganancia viene en db ó en X. Una ganancia de 80 x significa que por 1 voltio el amplificador entrega 80 v. Del caso anterior, el voltaje máximo de entrada se calcula de la fórmula anterior: Voltaje max entrada: Volt salida / ganancia = 20/80= 0,25V
Si quisieramos trabajar en decibelios, la ganancia de amplificación de 80x se convertiría en ganancia de 38 db, obtenida a partir de la definición de decibelio: 20log 80/1 = 38 db Recordemos que 80x es una relación de voltajes 80:1 Trabajando en decibelios resulta más fácil ajustar la ganancia de varias etapas de potencia para que la relación señal ruido entre mesa y amplificador sea la adecuada. Si bajamos la ganancia de amplificación 6db (bajamos la mitad) y deseamos tener el mismo voltaje a la salida necesitaremos subir al doble el voltaje máximo de entrada. Para ello tendremos que subir el fader de la mesa 6db y mantenemos de esta manera la misma capacidad de potencia Esta operación es muy habitual en audio para poder mejorar la relación señal ruido entre la mesa de audio y el amplificador. Trabajando con el máximo de ganancia podemos introducir ruido de fondo al sistema de amplificación, si bajamos la ganancia del amplificador y levantamos el nivel de voltaje en la misma proporción el voltaje entregado es el mismo y con ello la capacidad de potencia del sistema.