Una bobina móvil (que consta de un soporte , un collar y un devanado ) es una bobina de alambre unida al vértice del cono de un altavoz . Proporciona la fuerza motriz al cono mediante la reacción de un campo magnético a la corriente que pasa a través de él.
El término también se utiliza para los motores lineales de bobina móvil, como los que se utilizan para mover los cabezales dentro de las unidades de disco duro , que producen una fuerza mayor y se mueven una distancia mayor, pero funcionan según el mismo principio. En algunas aplicaciones, como el funcionamiento de las servoválvulas o el ajuste electrónico del enfoque en las cámaras digitales, se conocen como motores de bobina móvil (VCM). [1]
Al hacer pasar una corriente a través de la bobina móvil, se produce un campo magnético . Este campo magnético hace que la bobina móvil reaccione al campo magnético de un imán permanente fijado al marco del altavoz, moviendo así el cono del altavoz. Al aplicar una forma de onda de audio a la bobina móvil, el cono reproducirá las ondas de presión sonora correspondientes a la señal de entrada original.
Debido a que las partes móviles del altavoz deben ser de baja masa (para reproducir con precisión los sonidos de alta frecuencia sin amortiguarse demasiado por la inercia ), las bobinas móviles suelen fabricarse lo más livianas posible, lo que las hace delicadas. Pasar demasiada corriente a través de la bobina puede provocar que se sobrecaliente (consulte calentamiento óhmico ). Las bobinas móviles enrolladas con alambre aplanado, llamado alambre de cinta , proporcionan una mayor densidad de empaquetamiento en el espacio magnético que las bobinas con alambre redondo. Algunas bobinas están hechas con materiales de bobina y collar sellados en la superficie para que puedan sumergirse en un ferrofluido que ayuda a enfriar la bobina, al conducir el calor fuera de la bobina y hacia la estructura magnética. Una potencia de entrada excesiva a bajas frecuencias puede hacer que la bobina se mueva más allá de sus límites normales, lo que causa distorsión y posiblemente daño mecánico.
La capacidad de manejo de potencia está relacionada con la resistencia al calor del aislamiento del cable, el adhesivo y el material de la bobina, y puede verse influenciada por la posición de la bobina dentro del espacio magnético. La mayoría de los altavoces utilizan bobinas móviles "en voladizo", con devanados que son más altos que la altura del espacio magnético. En esta topología, una parte de la bobina permanece dentro del espacio en todo momento. La capacidad de manejo de potencia está limitada por la cantidad de calor que se puede tolerar y la cantidad que se puede eliminar de la bobina móvil. Algunos diseños de imanes incluyen anillos disipadores de calor de aluminio por encima y por debajo del espacio magnético, para mejorar el enfriamiento por conducción, lo que mejora significativamente la capacidad de manejo de potencia. Si todas las demás condiciones permanecen constantes , el área de los devanados de la bobina móvil es proporcional a la capacidad de manejo de potencia de la bobina. Por lo tanto, una bobina móvil de 100 mm de diámetro, con una altura de devanado de 12 mm, tiene una capacidad de manejo de potencia similar a una bobina móvil de 50 mm de diámetro con una altura de devanado de 24 mm.
En los diseños de bobinas móviles "suspendidas" (ver a continuación), la bobina es más corta que el espacio magnético, una topología que proporciona una fuerza electromotriz constante en un rango de movimiento limitado, conocido como X máx . Si se sobrecarga la bobina , puede salirse del espacio, lo que genera una distorsión significativa y hace que se pierda el beneficio de disipación de calor del acero, calentándose rápidamente.
Muchos altavoces de alta fidelidad y casi todos los altavoces profesionales de baja frecuencia (woofers) incluyen ventilaciones en el sistema magnético para proporcionar refrigeración por aire forzado a la bobina móvil. La acción de bombeo del cono y la tapa antipolvo aspira aire frío y expulsa aire caliente. Este método de refrigeración se basa en el movimiento del cono, por lo que no es eficaz en frecuencias medias o agudas, aunque la ventilación de los medios y los tweeters proporciona algunas ventajas acústicas.
En los primeros altavoces, las bobinas de voz se enrollaban en carretes de papel, lo que resultaba adecuado para niveles de potencia modestos. A medida que se fueron creando amplificadores más potentes, se empezó a utilizar ampliamente papel de aluminio de aleación 1145 en lugar de carretes de papel, y las bobinas de voz sobrevivieron a un aumento de potencia. Las bobinas de voz de los altavoces de alta fidelidad modernos típicos emplean materiales que pueden soportar temperaturas de funcionamiento de hasta 150 °C o incluso 180 °C. Para los altavoces profesionales, existen materiales compuestos termoendurecibles avanzados para mejorar la supervivencia de las bobinas de voz bajo tensiones térmicas (<300 °C) y mecánicas simultáneas severas.
El aluminio se utilizó ampliamente en la industria de los altavoces debido a su bajo coste, facilidad de unión y resistencia estructural. Cuando surgieron los amplificadores de mayor potencia, especialmente en el sonido profesional, se expusieron las limitaciones del aluminio. Transfiere de forma bastante eficiente pero incómoda el calor de la bobina móvil a las uniones adhesivas del altavoz, degradándolas térmicamente o incluso quemándolas. El movimiento de la bobina de aluminio en el espacio magnético crea corrientes parásitas dentro del material, que aumentan aún más la temperatura, lo que dificulta la supervivencia a largo plazo. En 1955, DuPont desarrolló Kapton, una película de plástico de poliimida que no sufría las deficiencias del aluminio, por lo que Kapton y, más tarde, Kaneka Apical se adoptaron ampliamente para las bobinas móviles. A pesar de lo exitosas que fueron estas películas de plástico marrón oscuro para la mayoría de las bobinas móviles de alta fidelidad, también tenían algunas propiedades menos atractivas, principalmente su coste y una desafortunada tendencia a ablandarse cuando se calentaban. El Hisco P450, desarrollado en 1992 para solucionar el problema del ablandamiento en altavoces profesionales, es un compuesto termoendurecible de tejido fino de fibra de vidrio, impregnado con resina de poliimida, que combina las mejores características de la poliimida con la resistencia a la temperatura y la rigidez de la fibra de vidrio. Soporta tensiones físicas brutales y temperaturas de funcionamiento de hasta 300 °C, mientras que su rigidez ayuda a mantener la respuesta de frecuencia "fría" del altavoz.
El cable que se utiliza para el bobinado de la bobina móvil es casi siempre de cobre, con un revestimiento de aislamiento eléctrico y, en algunos casos, una capa adhesiva. El cable de cobre proporciona una bobina móvil de uso general de fácil fabricación y a un coste razonable. Cuando se requiere una sensibilidad máxima o una respuesta de alta frecuencia extendida de un altavoz, se puede sustituir por cable de aluminio para reducir la masa móvil de la bobina. Aunque es bastante delicado en un entorno de fabricación, el cable de aluminio tiene aproximadamente un tercio de la masa del calibre equivalente del cable de cobre y aproximadamente dos tercios de la conductividad eléctrica. En ocasiones se utiliza cable de aluminio revestido de cobre, lo que permite un bobinado más fácil, junto con una reducción útil de la masa de la bobina en comparación con el cobre.
Se puede utilizar un cable plano de aluminio anodizado , que proporciona una capa de óxido aislante más resistente a la ruptura dieléctrica que los revestimientos de esmalte de otros cables para bobinas móviles. Esto crea bobinas móviles ligeras y de baja inductancia, ideales para su uso en altavoces pequeños de rango extendido. La principal limitación de potencia de estas bobinas es el punto de ablandamiento térmico de los adhesivos que unen el cable a la bobina, o la bobina a la araña y la bobina.
Las bobinas móviles se pueden utilizar para otras aplicaciones además de los altavoces, donde se necesita linealidad de fuerza temporal y recorridos largos. Algunos entornos, como el vacío o el espacio, requieren una atención específica durante la concepción, con el fin de evacuar las pérdidas de las bobinas. Se pueden utilizar varios métodos específicos para facilitar el drenaje térmico.
La imagen de arriba muestra dos formas en las que la bobina móvil se sumerge en el campo magnético. El método más común es el diseño en voladizo , en el que la altura de la bobina móvil es mayor que la altura del espacio magnético. El diseño en voladizo , que se utiliza principalmente en altavoces de alta gama, tiene la altura de la bobina menor que la del espacio. A continuación se enumeran las diferencias, ventajas y desventajas de ambos métodos.
Ambas topologías intentan el mismo objetivo: una fuerza lineal que actúa sobre la bobina, para un controlador que reproduce fielmente la señal aplicada.
El término "bobina móvil" se ha generalizado y se refiere a cualquier mecanismo similar a un galvanómetro que utiliza un solenoide para mover un objeto hacia adelante y hacia atrás dentro de un campo magnético.
En particular, se utiliza comúnmente para referirse a la bobina de alambre que mueve los cabezales de lectura y escritura en una unidad de disco con cabezal móvil . En esta aplicación, una bobina de alambre muy liviana se monta dentro de un campo magnético fuerte producido por imanes permanentes de tierras raras . La bobina móvil es la parte del motor del sistema servo que posiciona los cabezales: una señal de control eléctrico impulsa la bobina móvil y la fuerza resultante posiciona los cabezales de manera rápida y precisa.