Teoría eléctrica del audio del automóvil:capacitancia e inductancia

A medida que avanzamos hacia el final de nuestra discusión sobre la teoría eléctrica del audio del automóvil, necesitamos hablar sobre la capacitancia y la inductancia y cómo las características de esos fenómenos interactúan con las señales de CA y CC. No hay duda de que estos son conceptos avanzados, pero incluso una comprensión básica de cómo funcionan los capacitores y los inductores es fundamental para una comprensión completa de los sistemas electrónicos móviles.

¿Qué es un condensador?

Un condensador es un componente electrónico de dos terminales que almacena energía. Los capacitores están hechos de dos placas metálicas que están separadas por un aislante eléctrico. Cuando aplicamos un voltaje a una terminal del capacitor, los electrones en una placa impondrán una fuerza en la placa opuesta para crear una carga opuesta. El resultado es que las placas tienen cargas iguales y opuestas y, por lo tanto, mantienen un campo eléctrico. Debido a que las placas de un capacitor están muy juntas, pueden almacenar una gran cantidad de energía para su tamaño total.

Los condensadores se cuantifican en unidades de faradios. Un farad se define como un culombio de carga en cada placa, lo que da como resultado un voltaje de un voltio entre los terminales.

Condensadores en circuitos de CC

Los capacitores son, en su función más básica, un dispositivo que almacena un campo magnético microscópico entre sus placas. Cuando aplicamos un voltaje de CC a un capacitor descargado, aparece como un cortocircuito por un instante a medida que los campos magnéticos y eléctricos comienzan a formarse entre sus placas. A medida que el capacitor comienza a almacenar energía, aumenta su resistencia efectiva y se reduce la cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo. Una vez que el capacitor se ha igualado con el voltaje de suministro, casi no pasa corriente a través del dispositivo.

Cuando eliminamos el voltaje de suministro de un capacitor, intentará mantener el voltaje en los terminales. Es esta característica la que convierte a los condensadores en una solución ideal para reducir las variaciones de tensión. Los condensadores resisten los cambios de voltaje.

Dentro de los amplificadores de nuestros sistemas de audio para automóviles, se utilizan capacitores para almacenar grandes cantidades de energía en el voltaje del riel. Cuando hay una demanda repentina de corriente que excede la capacidad de la fuente de alimentación, los capacitores liberarán energía para mantener su voltaje inicial. Esta característica ayuda a estabilizar el voltaje del amplificador durante transitorios dinámicos. Este mismo concepto se aplica a los "condensadores de refuerzo" utilizados en la alimentación de 12 V de su amplificador. Cuando se implementa con componentes de alta calidad, la adición de un condensador grande puede ayudar a proporcionar corriente transitoria al amplificador.

El condensador en los circuitos de CA

En los circuitos de corriente alterna, los condensadores adoptan un fenómeno interesante de "resistencia virtual". Como sabemos, a los condensadores no les gusta cambiar el voltaje, sin embargo, una señal de CA es una que se define como en constante cambio. Dependiendo de la relación entre el valor del capacitor y la frecuencia de la señal de CA, se permite que una cierta cantidad de corriente pase a través de la tapa.

Si intentamos medir la resistencia de un capacitor con un multímetro convencional, encontraremos que muestra un valor extremadamente alto. Para señales AC, usamos la fórmula Xc =1 / (2 x 3.1416 x F x C) para calcular la resistencia efectiva, donde F es la frecuencia de la señal y C es el valor del capacitor en faradios. Debido a que esta resistencia no está presente en las señales de CC, la llamamos reactancia capacitiva.

Si quisiéramos crear un circuito de filtro simple para limitar la cantidad de señal de baja frecuencia que llega a un altavoz, podríamos conectar un condensador no polarizado en serie con el altavoz. Para calcular la frecuencia a la que la tapa comienza a reducir los graves que van al altavoz, podemos reorganizar la ecuación anterior a F =1 / (2 x 3,1416 x R x C), donde R es el mismo valor que la resistencia del altavoz. Para un altavoz de cuatro ohmios y un condensador con un valor de 200 uF (microfaradios), obtenemos una frecuencia de 198,9 Hz. A esta frecuencia, el capacitor parece tener la misma reactancia que el parlante y la señal que va al parlante se reduce en un 50 por ciento. Debido a que la capacitancia es inversamente proporcional a la frecuencia, la impedancia del capacitor aumenta a medida que disminuye la frecuencia. A 99 Hz, la reactancia es de 8 ohmios, a 50 Hz, es de 16 ohmios, y así sucesivamente. Este fenómeno reduce simultáneamente la corriente suministrada por el amplificador y actúa como un divisor de voltaje entre la tapa y el altavoz.

Un condensador en serie con un altavoz se conoce como filtro de paso alto de primer orden. Reduce la salida del altavoz a una tasa de -6dB por octava a medida que se aleja de la frecuencia de cruce definida anteriormente. Los condensadores son adecuados como filtros para controladores de frecuencias medias y altas en diseños pasivos y como dispositivos de protección para tweeters en diseños activos.

¿Qué es un inductor?

En los términos más simples, un inductor es una bobina de alambre que crea un campo magnético basado en la cantidad de corriente que fluye a traves de. Muchos inductores cuentan con núcleos de hierro para aumentar la intensidad del campo magnético. Donde un capacitor resiste cambios de voltaje, un inductor resiste cambios en el flujo de corriente. Sabemos por nuestro artículo anterior sobre el magnetismo que la corriente que fluye a través de un conductor crea un campo magnético alrededor de ese conductor. Si envolvemos el conductor en un bucle, la proximidad de los bucles entre sí intensifica el campo magnético.

También de nuestro artículo anterior, también sabemos que un campo magnético puede imponer un voltaje en un conductor. Si la corriente en un inductor intenta cambiar, el campo magnético intenta crear un voltaje en el dispositivo para mantener el flujo de corriente.

Una buena analogía para un inductor es un volante en un motor. Una vez que ha establecido una velocidad de rotación específica, se necesita una gran cantidad de trabajo para aumentar o disminuir su velocidad. Los inductores funcionan de la misma manera con la corriente. Resisten cambios en el flujo de corriente. Los inductores se clasifican utilizando la unidad henry (H). Un henry se define como la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un dispositivo que resulta en la aparición de un voltio de fuerza electromotriz entre los terminales.

Inductores en circuitos eléctricos

En la mayoría de las aplicaciones, no queremos inductores en un circuito de 12 V CC porque resisten los cambios en el flujo de corriente. Para una carga variable como un amplificador, una gran cantidad de inductancia en el cableado de suministro daría como resultado un voltaje de suministro inestable a medida que cambian los requisitos de corriente.

Hay algunos casos en los que se utilizan inductores en combinación con un condensador para actuar como filtro de ruido.

En un circuito de CA, los inductores permiten que las señales de baja frecuencia pasen a través del dispositivo con poco o ningún efecto. Si conectamos un inductor en serie con un altavoz, actúa como un filtro de paso alto. A diferencia de un condensador, en un circuito de CC, un inductor aparece como un cortocircuito con muy poca resistencia. Para una señal de CA, podemos calcular la inductancia reactiva de un capacitor usando la ecuación Xl =1 x 3.1416 x F x L, donde F es la frecuencia y L es la inductancia en henrios.

Si queremos usar un inductor como filtro de paso alto, podemos determinar el punto de cruce efectivo cambiando el Xl por la resistencia del altavoz. En este ejemplo, usaremos un inductor con un valor de 6 mH (milihenrios) y un altavoz con una impedancia nominal de 4 ohmios. Allí, el punto de -3dB del circuito del filtro sería F =4 / (2 x 3,1416 x 0,006), o 106,1 Hz. Este valor de inductor sería un buen filtro de paso bajo para un woofer. Al igual que con un condensador en serie con un altavoz, un inductor actúa como un filtro de primer orden y reduce la salida a una tasa de -12 dB por octava a medida que aumenta la frecuencia desde el punto de cruce.

Otros Casos de Inductancia y Capacitancia

Siempre que dos conductores estén paralelos entre sí y muy cerca, habrá algún nivel de capacitancia. Muchos entusiastas demasiado entusiastas hablan de la capacitancia en los cables de interconexión. Si bien este es un factor, los cambios microscópicos (si es que alguno es perceptible) pueden compensarse durante el proceso de ajuste del sistema. Cuando se trata de comprar interconexiones de alta calidad, el rechazo de ruido y la durabilidad general del diseño deben ser sus principales objetivos.

El devanado de la bobina móvil en los altavoces que usamos tiene una cierta cantidad de inductancia. Esta característica reduce la salida de alta frecuencia al reducir el flujo de corriente a altas frecuencias. Debido a que los altavoces son dinámicos, sus parámetros cambian a medida que se mueve el cono del altavoz. De la misma manera que tener un núcleo de hierro en un inductor aumenta la inductancia en comparación con un diseño de núcleo de aire, la inductancia de la bobina de voz de un altavoz aumenta cuando el conjunto de cono se mueve hacia atrás en la canasta. El yugo en T en el centro del altavoz aumenta la fuerza del campo magnético creado por la corriente en la bobina móvil. Asimismo, a medida que el altavoz avanza, la inductancia disminuye. Estas distorsiones de inductancia basadas en la posición pueden causar un efecto de gorjeo de alta frecuencia que puede ser perjudicial para la reproducción de su música. Una solución es implementar un diseño de bobina de voz suspendido donde el espacio es más alto que el devanado de la bobina. El inconveniente de este diseño es que la bobina móvil suele ser pequeña y carece de manejo de potencia. Otra opción es incluir una tapa de pieza polar de cobre para reducir el campo magnético y minimizar la distorsión. Una tapa de cobre es una opción costosa pero ofrece excelentes beneficios de rendimiento.

Teoría eléctrica del audio del automóvil

Por ahora, este es el final de nuestra serie de artículos sobre la teoría eléctrica del audio del automóvil. Esperamos que haya disfrutado aprendiendo sobre la física detrás de cómo funciona el sistema de audio de su automóvil. Nuestro objetivo es educar a los entusiastas para que puedan realizar compras informadas y actualizar su sistema de sonido móvil. Si tiene alguna pregunta, acérquese a su distribuidor local especializado en electrónica móvil. Pueden ayudarlo a diseñar una actualización que realmente transformará su viaje en una experiencia auditiva placentera.