Características eléctricas de los altavoces dinámicos

La característica eléctrica principal del controlador de un altavoz dinámico es su impedancia eléctrica en función de la frecuencia . Se puede visualizar trazándola como un gráfico , llamado curva de impedancia.

El tipo de controlador más común es un transductor electromecánico que utiliza una bobina de voz conectada rígidamente a un diafragma (generalmente un cono ). Otros tipos tienen conexiones similares, aunque difieren en los detalles, entre su entorno acústico y sus propiedades eléctricas.

La bobina móvil de los controladores de bobina móvil está suspendida en un campo magnético proporcionado por la estructura magnética del altavoz . A medida que la corriente eléctrica fluye a través de la bobina móvil (desde un amplificador electrónico ), el campo magnético creado por la bobina reacciona contra el campo fijo del imán y mueve la bobina móvil (y, por lo tanto, el cono). La corriente alterna moverá el cono hacia adelante y hacia atrás.

El sistema móvil del altavoz, que consta del cono, la suspensión del cono, la araña y la bobina móvil, se puede modelar como una masa efectiva (sistema de masa-resorte) , una masa suspendida por un resorte. Este sistema tiene una masa y una rigidez características , y una frecuencia de resonancia a la que el sistema vibrará libremente.

Esta frecuencia se conoce como la "resonancia en el espacio libre" del altavoz y se designa por F _s . En esta frecuencia, la bobina móvil vibra en el campo magnético del altavoz con una amplitud y velocidad pico a pico máximas . La fuerza contraelectromotriz generada por este movimiento también está en su nivel máximo. La impedancia eléctrica del altavoz varía con la fuerza contraelectromotriz y, por lo tanto, con la frecuencia aplicada. La impedancia está en su nivel máximo en F _s , que se muestra como Z _max en el gráfico.

Para frecuencias justo por debajo de la resonancia, la impedancia aumenta rápidamente a medida que la frecuencia aumenta hacia F _s y es de naturaleza inductiva . En resonancia, la impedancia es puramente resistiva . A medida que la frecuencia aumenta por encima de F _s , la impedancia cae; se comporta de manera capacitiva . La impedancia alcanza un valor mínimo, Z _min , en alguna frecuencia donde el comportamiento es bastante resistivo en algún rango. La impedancia nominal o nominal de un altavoz ( Z _nom ) se deriva de este valor Z _min , que se explica a continuación.

Más allá del punto Z _min , la impedancia vuelve a ser en gran medida inductiva y continúa aumentando gradualmente con la frecuencia. La frecuencia F _s y las frecuencias por encima y por debajo de ella donde la impedancia es ⁠1/√ 2⁠ Los valores Z _{max son importantes para determinar los} parámetros T/S del altavoz . Se pueden utilizar, por ejemplo, para diseñar un recinto adecuado para el controlador, especialmente para controladores de baja frecuencia. De hecho, F _s es en sí mismo uno de los parámetros Thiele/Small.

La variación de la impedancia de los altavoces es un factor a tener en cuenta en el diseño de amplificadores de audio . Entre otras cosas, los amplificadores diseñados para hacer frente a dichas variaciones son más fiables. Hay dos factores principales que se deben tener en cuenta a la hora de combinar un altavoz con un amplificador.

Este es el valor mínimo en la relación entre impedancia y frecuencia, que siempre es mayor que la resistencia de CC de la bobina móvil, es decir, medida con un ohmímetro . La impedancia mínima es importante porque cuanto menor sea la impedancia, mayor debe ser la corriente con el mismo voltaje de excitación. Los dispositivos de salida de un amplificador están clasificados para un cierto nivel de corriente máxima y, cuando se excede, los dispositivos a veces fallan más o menos rápidamente.

Debido a la naturaleza reactiva de la impedancia de un altavoz en las frecuencias de la banda de audio, en principio es imposible asignarle a un altavoz un valor único para la clasificación de "impedancia", como se puede deducir de la curva de impedancia en función de la frecuencia que aparece más arriba. La impedancia nominal de un altavoz es una referencia numérica única y conveniente que describe de manera general el valor de impedancia del altavoz en la mayor parte de la banda de audio. La impedancia nominal de un altavoz se define como:

${\displaystyle Z_{\mathrm {nom} }=1,15\cdot Z_{\mathrm {min} }}$

El gráfico muestra la curva de impedancia de un único altavoz al aire libre (sin montar en ningún tipo de caja). Un sistema de altavoces de alta fidelidad doméstico normalmente consta de dos o más altavoces, una red de cruce eléctrica para dividir la señal por banda de frecuencia y dirigirla adecuadamente a los altavoces, y una caja en la que están montados todos estos componentes. La curva de impedancia de un sistema de este tipo puede ser muy compleja y la sencilla fórmula anterior no es tan fácil de aplicar.

La impedancia nominal de los sistemas de altavoces de consumo puede ayudar a elegir el altavoz correcto para un amplificador determinado (o viceversa). Si un amplificador de alta fidelidad doméstico especifica cargas de 8 ohmios o más , se debe tener cuidado de no utilizar altavoces con una impedancia menor , ya que el amplificador podría tener que producir más corriente de la que fue diseñado para soportar. El uso de un sistema de altavoces de 4 ohmios en un amplificador que especifica 8 ohmios o más podría provocar una falla del amplificador.

Las variaciones de impedancia de la carga con la frecuencia se traducen en una variación en la relación de fase entre las salidas de voltaje y corriente del amplificador . Para una carga resistiva, por lo general (pero no siempre) el voltaje a través de los dispositivos de salida del amplificador es máximo cuando la corriente de carga es mínima (y el voltaje es mínimo a través de la carga) y viceversa, y como resultado, la disipación de potencia en esos dispositivos es mínima. Pero debido a la naturaleza compleja y variable de la carga del controlador/filtro de cruce y su efecto en la relación de fase entre el voltaje y la corriente, la corriente no necesariamente estará en su mínimo cuando el voltaje a través de los dispositivos de salida sea máximo; esto da como resultado una mayor disipación de potencia en la etapa de salida del amplificador que se manifiesta como calentamiento en los dispositivos de salida. El ángulo de fase varía más cerca de la resonancia en los altavoces de bobina móvil. Si este punto no se tiene en cuenta durante el diseño del amplificador, este puede sobrecalentarse y hacer que se apague o que falle en los dispositivos de salida. Consulte Factor de potencia para obtener más detalles.

Un altavoz actúa como generador cuando una bobina se mueve en un campo magnético. Cuando la bobina del altavoz se mueve en respuesta a una señal del amplificador, la bobina genera una fuerza contraelectromotriz que resiste la señal del amplificador y actúa como un "freno" para detener el movimiento de la bobina. El efecto de frenado es fundamental para el diseño de altavoces, ya que los diseñadores lo aprovechan para garantizar que el altavoz deje de emitir sonido rápidamente y que la bobina esté en posición de reproducir el siguiente sonido. La señal eléctrica generada por la bobina viaja de vuelta por el cable del altavoz hasta el amplificador. Los amplificadores bien diseñados tienen una impedancia de salida baja, de modo que esta señal generada tiene un efecto mínimo en el amplificador.

Como es habitual, los amplificadores de estado sólido tienen impedancias de salida mucho más bajas que los amplificadores de válvulas . Tanto es así que las diferencias en la práctica entre un controlador de impedancia nominal de 16 ohmios y un controlador de impedancia nominal de 4 ohmios no han sido lo suficientemente importantes como para hacer ajustes. El factor de amortiguamiento del amplificador , que es la relación entre la impedancia de carga nominal (bobina móvil del controlador) y la impedancia de salida del amplificador, es adecuado en ambos casos para amplificadores de estado sólido bien diseñados.

Los amplificadores de válvulas tienen impedancias de salida lo suficientemente altas como para incluir transformadores de salida de múltiples tomas para adaptarse mejor a la impedancia del controlador. Los controladores de dieciséis ohmios (o sistemas de altavoces) se conectarían a la toma de 16 ohmios, los de 8 ohmios a la de 8 ohmios, etc.

Esto es importante ya que la relación entre la impedancia del altavoz y la impedancia del amplificador a una frecuencia particular proporciona amortiguación (es decir, absorción de energía) para la fuerza contraelectromotriz generada por un controlador. En la práctica, esto es importante para evitar el zumbido o voladizo que es, esencialmente, una vibración libre de las estructuras móviles en un controlador cuando se excita (es decir, se impulsa con una señal) a esa frecuencia. Esto se puede ver claramente en los gráficos de medición de cascada . Un factor de amortiguación ajustado correctamente puede controlar esta vibración libre de las estructuras móviles y mejorar el sonido del controlador.

• Parámetros Thiele/Small

• Diseño, construcción y prueba de su propio sistema de altavoces con proyectos de David B. Weems (McGraw-Hill/TAB Electronics, ISBN  0-07-069429-X )
• Altavoces, dinámica, estructuras magnéticas e impedancia según norma EIA RS-299-A

• Artículo sobre el efecto de la impedancia de los altavoces en los amplificadores
• Ensayo sobre variaciones en la impedancia de los altavoces
• Explicación de la impedancia del altavoz