La mayor parte de los amplificadores son casi siempre diseñados y probados empleando una carga puramente resistiva a la salida, aunque en realidad vayan a dedicar su tiempo de trabajo a excitar altavoces, los cuales contienen importantes elementos reactivos, además de elementos electromecánicos resonantes. A primera vista, esto parece una situación absurda; sin embargo, las pruebas sobre cargas resistivas no son en modo alguno ni ingenuas ni pretenden evitar la problemática de las cargas reales, de hecho hay pocas alternativas.
Los altavoces varían mucho tanto en su diseño como en su fabricación, lo cual se refleja en las variaciones de la impedancia que refleja el amplificador que se prueba. Sería necesario definir un “altavoz estándar”, para poder comparar los resultados obtenidos con distintos amplificadores. En segundo lugar, los altavoces poseen la notable tendencia de convertir la electricidad en sonido, con lo cual una prueba con un amplificador de mediana potencia, usando una onda senoidal, sería una dura experiencia para todos aquellos que lo tuvieran al alcance del oído; las cámaras insonorizadas no son ni baratas ni fáciles de construir. En tercer lugar, un supuesto altavoz estándar para pruebas, debería tener una enorme capacidad de aguante de potencia, ya que su función sería la de efectuar prolongadas pruebas de alta potencia. Una última objeción, consiste en que los altavoces no son especialmente famosos por su linealidad, especialmente en el extremo de LF (baja frecuencia), y si el amplificador no tiene una impedancia de salida muy baja, entonces la no linealidad del altavoz puede confundir las mediciones de la distorsión. La prueba del amplificador exigiría un altavoz de características totalmente diferentes de las que realmente se utilizan para escuchar música; de manera que el mercado que tendría sería extremadamente reducido, con lo que sería un producto caro.
Así pues, en muchas medidas se hace un modelado de la carga real de un altavoz, la cual puede ser compleja, con múltiples crestas y valles, que no son más que manifestaciones de las diversas características del altavoz. Para la realización de las pruebas experimentales se ha caracterizado como bafle de 1 vía, una pantalla de guitarra 4x12 (4 altavoces de 12 pulgadas). Por otro lado, se ha empleado un modelo eléctrico de un bafle de 2 vías (extraido del artículo Real-Life Measurements de John Atkinson, publicado en Agosto de 1995 en la revista de audio Stereophile). El software empleado en la caracterización de la pantalla ha sido AudioTester.
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| Figura 1: Software de análisis y modelado de audio AudioTester |
La curva impedancia-frecuencia resultante de la caracterización se muestra en la figura 2. A partir de esta curva se ha realizado un modelo eléctrico (figura 3) cuya simulación se muestra en la figura 4.
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| Figura 2: Caracterización de la pantalla 4x12. | | |
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| Figura 3: Modelo eléctrico de la pantalla 4x12. |
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| Figura 4: Simulación del modelo eléctrico de la pantalla. |
Las pruebas experimentales con carga compleja se han efectuado con el modelo eléctrico de la pantalla 4x12, cuya implementación física se muestra en la figura 5.
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| Figura 5: Implementación física del modelo eléctrico. |
El modelo eléctrico del bafle de 2 vías se representa en la figura 6 y su simulación en la figura 7. La implementación física del modelo se muestra en la figura 8.
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| Figura 6: Modelo eléctrico de carga compleja de 8Ohm de 2 vías de Stereophile. |
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| Figura 7: Simulación del modelo de carga compleja de 2 vías. |
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| Figura 8: Implementación física del modelo de carga compleja de 2 vías. |
Tendiendo en cuenta la ESR (resistencia parásita serie) de las bobinas y condensadores, se han reajustado los valores de las cargas complejas construidas para no variar el comportamiento real respecto al simulado.
La conexión de un amplificador a una impedancia típica de altavoz, en lugar de a una resistencia, tiene varias consecuencias:
- La respuesta en frecuencia, medida en términos de tensión en los terminales del altavoz, muestra protuberancias y valles debidos a la impedancia desigual de la carga, que es la combinación en serie de la impedancia de salida del amplificador y de la resistencia de conexión del cable (figura 9).
- Caídas fuertes de la impedancia pueden activar prematuramente los circuitos de protección de sobrecarga. Este fenómeno puede entenderse en términos de probabilidad, ya que una amplitud en una banda de frecuencia estrecha puede ser que no se presente muy a menudo y, si ocurre, la distorsión generada será tan breve que no tendrá efecto perceptible alguno. Las amplitudes son más altas en LF y, por tanto, en esta región las caídas de impedancia son potencialmente más graves.
- Las impedancias variables afectan a los resultados de distorsión, creándose una serie de armónicos en el amplificador. Se han analizado la distorsión armónica (THD) introduciendo un tono de 1KHz (figuras 10 y 11), la distorsión de intermodulación (IMD) introduciendo un tono de 60Hz y otro de 7KHz (figuras 12, 13, 14 y 15) y la IMD introduciendo un tono de 19KHz y otro de 20KHz (figuras 16 y 17).
Figura 9: Efecto de cargas complejas en la respuesta en frecuencia
de un amplificador de transistores.
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| Figura 10: THD con un tono de 1KHz y cargas resisitvas de 4 y 8Ohm. |
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| Figura 11: THD con un tono de 1KHz y cargas complejas de 1 y 2 vías. |
Figura 12: IMD con tonos de 60Hz y 19KHz sobre un amplificador
de transistores con carga resistiva de 4Ohm.
Figura 13: IMD con tonos de 60Hz y 19KHz sobre un amplificador
de transistores con carga resistiva de 8Ohm.
Figura 14: IMD con tonos de 60Hz y 19KHz sobre un amplificador
de transistores con carga compleja de 1 vía.
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Figura 15: IMD con tonos de 60Hz y 19KHz sobre un amplificador
de transistores con carga compleja de 2 vías. |
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Figura 16: IMD con tonos de 19Hz y 20KHz sobre un amplificador
de transistores con cargas resistivas de 4 y 8Ohm.
Figura 17: IMD con tonos de 19Hz y 20KHz sobre un amplificador
de transistores con cargas complejas de 1 y 2 vías.
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