La principal característica eléctrica 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 móvil conectada rígidamente a un diafragma (generalmente un cono ). Otros tipos tienen conexiones similares, aunque difieren en detalles, entre su entorno acústico y sus propiedades eléctricas.
La bobina móvil en 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 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 resorte-masa) , una masa suspendida por un resorte. Este sistema tiene una masa y rigidez características , y una frecuencia de resonancia a la que el sistema vibrará libremente.
Esta frecuencia se conoce como "resonancia de espacio libre" del altavoz y se designa con Fs . A esta frecuencia, la bobina móvil vibra en el campo magnético del altavoz con una amplitud y velocidad máximas de pico a pico . La fuerza contraelectromotriz generada por este movimiento también está en su máximo. La impedancia eléctrica del altavoz varía con la EMF trasera y, por tanto, con la frecuencia aplicada. La impedancia es máxima en Fs , que se muestra como Zmax en el gráfico.
Para frecuencias justo por debajo de la resonancia, la impedancia aumenta rápidamente a medida que la frecuencia aumenta hacia Fs y es de naturaleza inductiva . En resonancia, la impedancia es puramente resistiva . A medida que la frecuencia aumenta por encima de Fs , la impedancia cae: se comporta capacitivamente . 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 mínimo , que se explica más adelante.
Más allá del punto Z mínimo , 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 es1/√ 2Z max son importantes para determinar los parámetros T/S del altavoz . Estos pueden utilizarse, por ejemplo, para diseñar una carcasa adecuada para el controlador, especialmente para controladores de baja frecuencia. De hecho, F s es en sí mismo uno de los parámetros de Thiele/Small.
La variación en la impedancia de los altavoces es una consideración en el diseño de amplificadores de audio . Entre otras cosas, los amplificadores diseñados para hacer frente a tales variaciones son más fiables. Hay dos factores principales a considerar al combinar un altavoz con un amplificador.
Este es el valor mínimo en la relación impedancia versus frecuencia, que siempre es mayor que la resistencia CC de la bobina móvil, es decir, medida por un óhmetro . La impedancia mínima es importante porque cuanto menor es la impedancia, mayor debe ser la corriente con el mismo voltaje de accionamiento. Los dispositivos de salida de un amplificador están clasificados para un cierto nivel de corriente máximo, y cuando este se excede, los dispositivos a veces fallan, más o menos rápidamente.
Debido a la naturaleza reactiva de la impedancia de un altavoz sobre las frecuencias de la banda de audio, darle a un altavoz un valor único para la calificación de 'impedancia' es en principio imposible, como se puede suponer a partir de la curva de impedancia versus frecuencia anterior. La impedancia nominal de un altavoz es una referencia numérica única y conveniente que describe de manera aproximada el valor de impedancia del altavoz en la mayor parte de la banda de audio. La impedancia nominal de un altavoz se define como:
El gráfico muestra la curva de impedancia de un único altavoz al aire libre (desmontado en cualquier tipo de recinto). Un sistema de altavoces de alta fidelidad doméstico normalmente consta de dos o más controladores, una red de cruce eléctrica para dividir la señal por banda de frecuencia y enrutarla adecuadamente a los controladores, y una carcasa en la que se montan todos estos componentes. La curva de impedancia de dichos controladores un sistema puede ser muy complejo y la fórmula simple anterior no se aplica tan fácilmente.
La clasificación de 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 más baja , no sea que se requiera que el amplificador produzca más corriente de la que fue diseñado para manejar. 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, generalmente (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 lo mínimo. Pero debido a la naturaleza compleja y variable de la carga del controlador/cruzado y su efecto en la relación de fase entre el voltaje y la corriente, la corriente no necesariamente será mínima cuando el voltaje a través de los dispositivos de salida sea máximo; esto resulta en un aumento. 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, el amplificador puede sobrecalentarse y provocar que se apague o provocar fallos 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 un EMF trasero 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 los altavoces, ya que los diseñadores lo aprovechan para garantizar que el altavoz deje de emitir sonido rápidamente y que la bobina esté en posición para reproducir el siguiente sonido. La señal eléctrica generada por la bobina regresa a lo largo del cable del altavoz hasta el amplificador. Los amplificadores bien diseñados tienen una impedancia de salida baja, de modo que la señal generada tiene un efecto mínimo en el amplificador.
Característicamente, los amplificadores de estado sólido han tenido impedancias de salida mucho más bajas que los amplificadores de válvulas . Hasta tal punto que, en la práctica, las diferencias 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 ajustarlas. El factor de amortiguación 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 cualquier caso para amplificadores de estado sólido bien diseñados.
Los amplificadores de válvulas tienen impedancias de salida suficientemente altas como para incluir normalmente transformadores de salida de tomas múltiples para adaptarse mejor a la impedancia del controlador. Se conectarían controladores (o sistemas de altavoces) de dieciséis ohmios al grifo de 16 ohmios, 8 ohmios al grifo 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 EMF trasera generada por un controlador. En la práctica, esto es importante para evitar zumbidos o salientes que son, 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 cascadas . Un factor de amortiguación adecuadamente ajustado puede controlar esta vibración libre de las estructuras en movimiento y mejorar el sonido del conductor.
