Sistema de altavoces de voltaje constante

Los sistemas de altavoces de voltaje constante se refieren a redes de altavoces que están conectados a un amplificador de audio mediante transformadores elevadores y reductores para simplificar los cálculos de impedancia y minimizar la pérdida de potencia en los cables de los altavoces . Se denominan más apropiadamente sistemas de distribución de audio de alto voltaje . ^[1] El voltaje es constante solo en el sentido de que a plena potencia, el voltaje en el sistema no depende de la cantidad de altavoces activados (siempre que no se exceda la potencia máxima del amplificador). ^[2] Los sistemas de altavoces de voltaje constante también se conocen comúnmente como sistemas de altavoces de 25 , 70 , 70,7 , 100 o 210 voltios ; sistemas de altavoces distribuidos ; o sistemas de altavoces de alta impedancia . En Canadá y los EE. UU., se los conoce más comúnmente como altavoces de 70 voltios . En Europa, el sistema de 100 V es el más extendido, y los productos amplificadores y altavoces se etiquetan simplemente con 100 V.

Los sistemas de altavoces de voltaje constante son análogos a los métodos de transmisión de energía eléctrica que emplean las empresas de servicios eléctricos para transmitir energía eléctrica a largas distancias. Normalmente, una empresa de servicios eléctricos aumentará el voltaje de la energía transmitida, lo que reduce correspondientemente la corriente , reduciendo así la pérdida de energía durante la transmisión. El voltaje se reduce en el destino. De manera similar, en un sistema de altavoces de voltaje constante, el amplificador utiliza un transformador para aumentar el voltaje de la señal de audio para reducir la pérdida de energía a través del cable del altavoz, lo que permite transmitir más energía a través de un diámetro de cable determinado. Cada altavoz del sistema tiene un transformador reductor para reducir el voltaje a un nivel utilizable.

El transformador reductor de cada altavoz puede estar diseñado para un único nivel de potencia o puede tener múltiples tomas, una de las cuales se selecciona para que coincida con el nivel de potencia deseado que se aplicará al altavoz. Los transformadores con varias tomas permiten al instalador ajustar el nivel de presión sonora hacia arriba o hacia abajo en un altavoz individual. Hay modelos diseñados específicamente para este fin que tienen el transformador dentro de la carcasa del altavoz . El primario del transformador reductor del altavoz está conectado en paralelo a la línea de voltaje constante. ^[3]

Las líneas de tensión constante pueden ser accionadas por un amplificador convencional con transformador elevador externo, un amplificador con un transformador elevador interno o un amplificador de alta tensión con salida sin transformador.

Se utiliza un amplificador de uso general con una salida típica de baja impedancia. Su salida está conectada al primario de un transformador elevador externo. Los transformadores de uso especial pueden adaptar el diseño del sistema a los niveles de potencia objetivo del proyecto. Se pueden combinar varios amplificadores mediante transformadores para generar líneas de mayor voltaje y mayor capacidad de corriente. Por ejemplo, se han utilizado tres amplificadores de 70 voltios para crear una línea de 210 voltios conectándolos a un transformador de salida externo de uso especial que tiene tres primarios y un solo secundario. ^{[4] [ verificación fallida ]}

Los amplificadores con transformadores de salida de 70 voltios incorporados están disponibles con conexiones de salida de baja y alta impedancia, estas últimas generalmente etiquetadas como "25 V" y "70 V". Se trata de amplificadores robustos y diseñados especialmente con muchas características de diseño específicas para la aplicación, como protección contra sobrecorriente y filtrado de paso alto agresivo para protección contra voltaje de retorno. Algunos modelos se pueden configurar de modo que un canal controle uno o dos altavoces de 8 ohmios de baja impedancia mientras que el otro controle una cadena de altavoces de voltaje constante. ^[3]

Con los avances en semiconductores de potencia, se hizo posible emitir alto voltaje directamente desde la etapa de salida del amplificador. Por ejemplo, en 1967 Crown International presentó el amplificador DC300, que es capaz de accionar directamente líneas de 70 voltios, así como cargas de altavoces tradicionales, gracias a su potencia total ^[5] de 500 W. ^[6] En 1987, Crown presentó el Macrotech 2400, capaz de accionar líneas de 100 voltios directamente. ^[3] Desde entonces, los desarrollos posteriores en la tecnología de amplificadores de alta potencia han ampliado las opciones. Muchos fabricantes fabrican amplificadores capaces de conectarse directamente a una línea de altavoces de voltaje constante de alta impedancia. Los amplificadores de audio de alto voltaje se han convertido prácticamente en una solución de un solo chip. Por ejemplo, el LME49810 ^[7] de National Semiconductor (y productos similares LME49811 ^[8] y LME49830 ^[9] ) pueden generar señales de pico a pico de 100 V, pero tienen una salida de corriente relativamente baja, por lo que un circuito estándar incluye una etapa de salida discreta Darlington o FET.

Los sistemas de alto voltaje y voltaje constante pueden diseñarse para utilizar líneas de 140, 200 y 210 voltios, según los transformadores seleccionados y la topología de conexión del amplificador. Estos sistemas de alto voltaje se han utilizado en lugares donde ya hay cables de diámetro pequeño, donde hay que tender cables a larga distancia y en instalaciones especialmente ruidosas, como el Daytona International Speedway ^[10] y el Indianapolis Motor Speedway antes de su rediseño en 2003. ^[11] Las consideraciones de seguridad en voltajes tan altos requieren la instalación de líneas de altavoces dentro de conductos en la mayor parte del mundo.

Los transformadores de 600 vatios están ampliamente disponibles para los contratistas que necesitan altavoces de alta potencia en instalaciones de voltaje constante. ^[12] Hay transformadores para propósitos especiales capaces de manejar 1250 vatios a una frecuencia tan baja como 50 Hz. ^[4] Un problema con los transformadores de alta potencia y alta corriente es que se pueden usar menos en una sola línea de voltaje constante. Se recomienda un cable de altavoz de mayor diámetro. Los transformadores más grandes necesarios para el manejo de alta potencia tienen una respuesta de alta frecuencia reducida.

La alternativa tradicional a los sistemas de altavoces de voltaje constante son los sistemas de altavoces de baja impedancia (comúnmente denominados "sistemas de altavoces de 8 ohmios", a pesar de que su impedancia puede no ser de 8 ohmios), en los que el amplificador y el altavoz están acoplados directamente sin el uso de transformadores. Las desventajas con respecto a los sistemas de voltaje constante son que los cables de los altavoces deben ser más cortos o de mayor diámetro y que se necesitan más amplificadores si se desean diferentes niveles de escucha en diferentes ubicaciones.

Otra alternativa son los altavoces autoamplificados con un amplificador integrado en la caja del altavoz. Dado que el amplificador está en la misma ubicación que el altavoz, este último solo necesita una señal de audio de nivel de línea como entrada. Las señales de nivel de línea suelen tener entre 1 y 2 voltios y se pueden transmitir a través de cables mucho más pequeños (normalmente de 20 a 26 AWG). La principal desventaja de los altavoces autoamplificados es que tienen el requisito adicional de necesitar alimentación de CA , mientras que los altavoces pasivos no tienen tal requisito.

Las principales ventajas de utilizar un sistema de altavoces de voltaje constante frente a un sistema de altavoces convencional de baja impedancia son:

• Varios altavoces: muchos altavoces pueden ser controlados por un único amplificador sin necesidad de complejos esquemas de conexión en serie o en paralelo . ^[13]
• Múltiples niveles de potencia: se pueden lograr distintos objetivos de nivel de presión sonora en diferentes áreas de escucha mientras se utiliza un solo amplificador. ^[13]
• Menos costoso: dado que el voltaje de la señal se ha incrementado y la corriente es relativamente baja, se puede utilizar un cable más liviano y menos costoso sin incurrir en una pérdida de potencia adicional. Mientras que un sistema de parlantes típico de 8 ohmios podría requerir un cable de calibre 12 , un sistema de 70 voltios podría utilizar un cable de calibre 18 o más pequeño. ^[13]
• Expansión del sistema: Un sistema de 70 voltios se puede ampliar fácilmente.
• Ajuste fácil del volumen: se puede instalar un control de volumen pasivo para brindar al usuario un control de nivel fácil sobre un solo altavoz o una zona de varios altavoces.

• Respuesta de frecuencia : Los transformadores económicos pueden tener una reproducción deficiente de frecuencias bajas y altas. ^[13]
• Distorsión : los transformadores sobrecargados pueden agregar distorsión de resonancia a la señal de audio. Los transformadores de bajo costo son propensos a la distorsión a niveles de potencia más altos, especialmente con respecto a la respuesta de baja frecuencia. ^[13] Las señales de bajo nivel pueden no energizar un núcleo de transformador mal diseñado lo suficiente como para evitar cantidades más altas de lo normal de distorsión armónica . ^[14]
• Variación: Se pueden observar variaciones de unidad a unidad en transformadores mal fabricados. ^[14]
• Retardo : Los altavoces más distantes en la misma línea de voltaje constante no pueden retrasarse para igualar la velocidad del sonido en el aire para hacer que los impulsos de una cadena de altavoces lleguen al mismo tiempo desde el punto de vista de un oyente distante.
• Pérdida de inserción : Los transformadores mismos reducen comúnmente la potencia total aplicada a los altavoces, lo que requiere que el amplificador sea entre un 10% y un 20% más potente que la potencia total que se pretende aplicar a los altavoces. Las mediciones típicas de pérdida de inserción del transformador se toman a 1000 Hz para optimizar las especificaciones del transformador. ^[4] Usando este método, las pérdidas de inserción típicas son de alrededor de 1 dB, una pérdida de potencia del 20%. La mayor parte de la potencia en los sistemas de audio de aplicaciones de voz está por debajo de los 400 Hz, lo que significa que la pérdida de inserción a frecuencias más bajas sería mayor. Los mejores transformadores reducen las frecuencias de banda media en 0,5 dB (aproximadamente una pérdida de potencia del 10%) o menos, lo que da como resultado que un altavoz de diez vatios extraiga 11,1 vatios del amplificador. ^[13]
• Capacitancia : para lograr niveles de potencia más altos, los transformadores deben ser físicamente más grandes. Los transformadores grandes (de más de 200 vatios) comienzan a sufrir una atenuación de alta frecuencia debido a la autocapacitancia. ^[4]
• Más costoso: si se utilizan altavoces de alta potencia con énfasis en la respuesta de baja frecuencia, los transformadores necesarios serán mucho más grandes y sumarán un costo significativo al proyecto. En algunas áreas, los códigos de construcción y eléctricos requieren que el cableado de 70 voltios se lleve dentro de conductos, lo que aumenta el costo del proyecto. ^[3]
• Más sensibles: dado que los sistemas de voltaje constante funcionan con impedancias relativamente altas, son más sensibles a pequeñas cantidades de corriente de fuga y cortocircuitos parciales. El tendido de líneas de altavoces de 70 voltios en conductos que acumulan agua puede provocar ruidos crepitantes en el sistema. ^[3]

• Sistemas de distribución de audio de voltaje constante