28 de junio de 2008

Diseño de Sistemas de Sonido - Parte III -

Continuamos con el articulo sobre Diseño de Sistemas de Sonido para aquellos que lo estaban esperando. Esta es su tercera y ultima parte que esta dedicada a Redes de Cruce (Crossovers), Factor de Amortiguamiento del parlante (Damping Factor) y un tema importante en parlantes que es la Impedancia Nominal y la Impedancia Variable.

Diseño de Sistemas de Sonido
- Parte III -

Redes de cruce pasivas (Crossovers)

Las redes de cruce pasivas pueden ser armadas sobre placas de circuito impreso perforadas (veroboard). En caso de gabinetes para transportar, es conveniente fijarla rígidamente al mismo y anclar sus componentes. A efectos de su armado y prueba, es útil recordar que se debe prestar
cuidadosa atención al circuito, verificar las conexiones de fase de los altoparlantes y al probarlo, excitar al sistema con muy baja potencia.

La tabla sugiere algunos valores comunes de componentes para sistemas de dos y tres vías, que deberán ser verificados en el diseño y medición del mismo.

Nota 1: El valor de los capacitores está expresado en μF, con una tolerancia del 20%, del tipo no polarizados y una corriente de ripple de por lo menos 1000 mA.

Nota 2: La tensión deberá ser la suficiente para aceptar la potencia del amplificador, tal como se indica en la tabla.

Nota 3: La misma se puede calcular con:

Nota 4: El valor de los inductores se halla expresado en mHy, con tolerancia del 5%, bobinados al aire y con valor de resistencia de CC menor a 0,6 ohms.

Las figuras muestran la forma de conexionado.

Cálculo de redes de cruce pasivas

Las redes de cruce pueden ser calculadas siguiendo los lineamientos generales de las fórmulas que se indican a continuación, teniendo en consideración que:

Un parlante de determinada impedancia nominal, por ejemplo 8 ohms, solo tendrá este valor en su banda de pistón, fuera de la cual será afectada por su resonancia o por la contribución de la reactancia de la bobina movil, por lo que el diseño final deberá ser la resultante del método de "prueba y error".

Las diagramas adjuntos reproducen distintos tipos de redes y sus ecuaciones de cálculo.

Denominamos:
R: Impedancia nominal del altoparlante.
fc: frecuencia de cruce.
Sistemas activos

Los sistemas activos pueden ser divisores de frecuencia que operan al nivel de línea, o procesadores electrónicos de señal que alimentan los amplificadores dedicados a los transductores específicos para cada rango. Estos sistemas, a pesar de ser más caros, ofrecen varias ventajas respecto de los pasivos, entre las que debemos destacar:

Flexibilidad:
En la mayoría de las redes de cruce (crossovers) activas y procesadores modernos, las frecuencias e inclusive las pendientes, pueden modificarse fácilmente. En todos los casos, el divisor siempre maneja el mismo nivel de línea. Por otra parte, la potencia del sistema siempre puede variarse, aumentando o disminuyendo la cantidad de amplificadores y parlantes del mismo.

Control:
Estas redes pueden ser instaladas cerca de otros procesadores y de la consola de mezcla, de manera tal de tener un control completo del sistema, por lo que la frecuencia de cruce y el nivel de cada rango puede ser manejado con comodidad. Por otra parte, la facilidad de acceso a los diferentes rangos de división de frecuencias, permite agregar al sistema otros procesadores tal como compresores, ecualizadores o retardos de tiempo, imposible de realizar con divisores pasivos.

Protección:
Los driver de compresion y los tweeter no deben ser conectados directamente a los amplificadores. Se debe instalar capacitores en serie. Los pulsos de encendido del sistema pueden facilmente dañarlos. Este capacitor agrega 6 dB extra de pendiente en el crossover.

Independencia de la impedancia

Los divisores pasivos se diseñan para ser utilizados con componentes de determinada impedancia. Si el valor de estas impedancias cambian, las frecuencias de cruce y los Q del filtro, es decir su respuesta y amortiguamiento, también lo hacen. Por ejemplo: reemplazar un driver de 8 Ω por otro de 16 Ω degradará la respuesta en frecuencia debido al desplazamiento de la frecuencia de cruce, apareciendo transitorios por sobrepicos.

En un sistema activo, el cambio de impedancia de los reproductores no afectará en lo más mínimo al divisor, dado que no se haya directamenteconectado. La impedancia de un altoparlante varía dentro del rango de frecuencia de uso y los divisores pasivos se diseñan para el valor mínimo que ésta alcanza en ese rango o para su valor de resistencia en continua. Por el contrario, los sistemas activos no se ven afectados por los cambios de impedancia de los transductores, mientras el amplificador tenga un buen amortiguamiento (damping).

Por último, es importante el hecho de que no se introducen componentes pasivos en serie. Esto mejora la calidad del sonido, particularmente en baja frecuencia, dado que no se reduce el factor de amortiguamiento. Los circuitos pasivos incluyen grandes inductores que, en serie con los woofers, disminuyen este factor. Cuanto más baja sea la frecuencia de cruce y mayor la pendiente, más inductancia se necesitará, lo que empeorará la situación. El uso de alambres de mayor sección y núcleos de aire reducen este efecto, pero encarecen el diseño.

Cuanto mas facilmente pueda el amplificador suministrar la corriente variable sin cambios importantes en la tensión aplicada al parlante, mejor éste podrá reproducir lo que el amplificador está intentando pedirle que haga. La razon por la que el parlante requiere mas o menos corriente, función de la tensión aplicada, es que la impedancia del sistema radiador cambia, dependiendo de: la dirección en que se esté moviendo cuando se aplica la tensión, lo rápido que se esté moviendo en esa dirección y donde se encuentraba en primer lugar.

Esto ayuda a visualizar que la aplicación de una tensión al radiador es para colocar el cono en una posición determinada siendo el factor de amortiguamiento el que decide la dificultad en hacerlo. Otra forma de verlo es que cuando el cono se mueve, reproduciendo el programa, su impedancia varía. En un momento puede valer 6 ohms y en el siguiente 40 ohms.


El factor de amortiguamiento es la relación entre la impedancia específica de la carga en uso (del sistema radiador) dividida la impedancia de salida del amplificador (interna). Para explicarlo, evitaremos la idea de impedancia con sus componentes resistivos, inductivos y capacitivos, algunos de los cuales varian con la frecuencia, y usaremos elementos resistivos puros.

Para una impedancia de carga resistiva de 8 ohms y una de salida de 4 ohms (excesivamente alta), ambas perfectas, el factor será:

8 / 4 = 2

Si esta última pasa a valer 0,1 ohms, tendremos:
8 / 0,1 = 80

A medida que esta relación aumenta, la impedancia de salida del amplificador disminuye, lo que es bueno.
Si el amplificador posee un factor bajo, significa que la impedancia interna es alta, lo que reducirá su capacidad de suministrar corriente y su habilidad para controlar el parlante.

Impedancia variable

En realidad, los parlantes no son una carga resistiva pura. Algunas veces la carga es capacitiva, otras inductivas, otras resistivas y otras mixtas. A esto debemos agregar los cables, las conexiones, la red de cruce, las características del gabinete, el tipo de tweeter, etc.

Esto tiene serias consecuencias, dado que a medida que la frecuencia varía, la impedancia del parlante también varía, por lo que un solo número no describe correctamente su comportamiento, por lo que se necesitaría una curva en función de la frecuencia. En realidad, esta curva es absolutamente imprecisa debido a la cantidad de factores que intervienen en su modificación. Un número solo sirve para comparar y eventualmente, cuando este es alto, nos indicará en cuanto afectará a la distorsión del sistema.

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