¿Qué hace un capacitor o un inductor en el cruce de un altavoz?
Confundido un poco acerca de qué exactamente Qué hacen los condensadores o inductores en un crossover de altavoces? ¡Has venido al lugar correcto!
En este artículo, está todo junto con diagramas claros y fáciles de entender que hice yo mismo. Me encantaría ayudarlo a aprender más y comprender más sobre estas partes de audio extremadamente útiles. ¡Sigue leyendo y disfruta!
Inductores frente a condensadores:¿en qué se diferencian?
Los inductores y capacitores son los componentes básicos detrás de todo tipo de maravillosos dispositivos electrónicos de audio, incluidos los sistemas de altavoces en el hogar o en el automóvil. Cada uno se considera un componente pasivo tipo de piezas ya que no requieren una fuente de alimentación para funcionar.
Lo que es realmente genial es que son algo así como polos opuestos, pero pueden funcionar juntos en un cruce sin alimentación (cruce pasivo) para mejorar en gran medida la calidad del sonido y aprovechar al máximo los altavoces.
¿Qué hace un inductor?
Un inductor es una bobina de alambre fuertemente enrollada con un número específico de bucles que se utiliza para aprovechar una propiedad llamada inductancia. La inductancia es la tendencia de un conductor (específicamente una bobina de alambre en este caso) a oponerse a un cambio en la corriente eléctrica que fluye a través de él debido a los campos magnéticos que genera.
Se utilizan en motores eléctricos, solenoides, bobinas de bujías y, por supuesto, diseños de cruce de altavoces. Los inductores se comportan de forma opuesta a los condensadores:un inductor se opone a las señales de alta frecuencia, lo que significa que pasa señales de audio de baja frecuencia más fácilmente.
Un comportamiento eléctrico llamado reactanc e es lo que hace esto posible. Cuando la frecuencia cambia, también lo hace la oposición de un inductor o capacitor al flujo de electricidad.
- Reactancia inductiva: Un inductor acumula una mayor resistencia (impedancia) a la corriente a medida que la frecuencia aumenta debido a la inductancia que tiene.
- Reactancia capacitiva: un condensador acumula una mayor resistencia (impedancia) a la corriente a medida que la frecuencia disminuye debido a su capacitancia.
Unidades de medida para inductancia
Para los inductores, la unidad de medida es el Henry. Por convención, los inductores generalmente se venden en unidades de miliHenries (1/1,000th de Henry, o .001 Henries). Un crossover de altavoz típico podría usar un inductor con un valor de 10 mH, por ejemplo.
¿Cómo funciona un condensador?
Los capacitores almacenan una carga eléctrica utilizando conductores eléctricos extremadamente delgados y bien enrollados, separados por un aislante. Esto puede ser un electrolito, mica o varios otros tipos de materiales. Si bien no permiten el paso de una señal de corriente continua (CC), permiten el paso de señales y voltaje de corriente alterna (CA).
Tienen una característica interesante: los condensadores solo dejan pasar altas frecuencias – aumentan su impedancia (resistencia basada en la frecuencia) cuando se aplican frecuencias más bajas.
El punto en el que esto tiene lugar se elige cuidadosamente para que sea la frecuencia de cruce. Hay dos tipos fundamentales de capacitores, uno en particular se usa para audio.
Unidades de medida de capacitancia
Para los capacitores, la unidad de medida es el Faradio. Por convención, los capacitores a menudo se venden en unidades de microFaradios (1/1,000,000 de un Farad, o .000 001 F), a veces escritos con la letra griega mu "µ" para representar "micro". Como ejemplo, cuando compre capacitores para sus propios crossovers, a veces verá los capacitores enumerados en "µF".
Los más pequeños pueden usar picofaradios (pF) o nanofaradios (nF), que son aún más pequeños y se usan en electrónica.
Los capacitores usados en audio casi siempre tienden a estar en el rango de microfaradios. Por ejemplo, un bloqueador de bajos para un tweeter puede usar un capacitor de 47 µF.
Tipos de capacitores comunes que debe conocer
1. Condensador electrolítico
Los condensadores electrolíticos son esencialmente los más comunes y los más asequibles, de ahí su popularidad en todo tipo de aplicaciones electrónicas y de altavoces. Con frecuencia los encontrará en un cruce pasivo o conectados directamente a un tweeter como un cruce de paso alto.
Tienen una carcasa metálica delgada y contienen un electrolito entre las placas conductoras cargadas súper delgadas en el interior.
Un condensador electrolítico no polarizado permite pasar una forma de onda de corriente alterna (CA) como la que se usa para una señal musical. También se les llama condensadores "bipolares". Los tipos de CC, por otro lado, no pueden y solo deben usarse para corriente continua como en una fuente de alimentación.
2. Condensador de película
Un condensador de película utiliza un material de película delgada para separar sus placas cargadas y, por lo general, es un poco más caro. También duran más, tienen un mejor rendimiento (en algunos casos) para el audio y pueden tener límites de temperatura más altos.
Los condensadores de película también se ofrecen en tipos de alto voltaje que son excelentes para diseños de audio de válvulas. También son una buena actualización para condensadores electrolíticos más baratos si eres hábil con un soldador.
3. Condensadores cerámicos
Los condensadores cerámicos no se utilizan normalmente en los cruces porque sus valores de capacitancia suelen ser bastante pequeños (en el rango de picofaradios, por ejemplo), mientras que a menudo necesitamos valores de rango de microfaradios para los altavoces.
Por lo general, se utilizan para otros fines, como un condensador de derivación en una fuente de alimentación para controlar el ruido de la señal eléctrica o en un cruce activo.
¿Cómo funciona un cruce de altavoces?
Un crossover usa un condensador, un inductor o ambos para limitar el rango de frecuencia del audio enviado a uno o más altavoces. Esto es extremadamente útil para evitar que las frecuencias graves lleguen a un tweeter o que las frecuencias medias y agudas con un sonido áspero lleguen a un subwoofer.
El punto de cruce a menudo es recomendado por el fabricante del altavoz o elegido como un buen compromiso entre los límites de la respuesta de frecuencia de cada altavoz utilizado. La frecuencia del filtro (también llamada frecuencia de esquina o Fc a veces) se ve afectada directamente por la impedancia del altavoz.
Pistas de cruce explicadas
Cuando hablamos del “orden” de una red de cruce, nos referimos al número de etapas (secciones). Esto afecta la eficacia de la pendiente (la capacidad de filtrado de audio).
Un diseño de primer orden usa un solo inductor o capacitor mientras que 2 forman un segundo orden, tres un tercer orden y así sucesivamente. Cada etapa (orden) tiene una pendiente de -6dB por octava, siendo -12dB/octava una de las más utilizadas para los cruces de altavoces o amplificadores.
Cruce de primer orden con un condensador (filtro de paso alto)
Un filtro de paso alto funciona pasando frecuencias más altas a un altavoz y oponiéndose a las frecuencias más bajas. A frecuencias más bajas, la impedancia de un capacitor tiene un valor de ohmios muy alto, lo que reduce en gran medida el voltaje de salida al altavoz.
Asimismo, lo contrario es cierto a altas frecuencias. A menudo los encontrará instalados en un tweeter de audio doméstico o de automóvil configurado para bloquear la reproducción de graves distorsionados y potencialmente dañinos.
Cruce de primer orden con un inductor (filtro de paso bajo)
Un filtro de paso bajo funciona bloqueando las frecuencias más altas de un altavoz y permitiendo que pasen las frecuencias más bajas. A frecuencias más altas, la impedancia del inductor significa que tiene un valor de ohmios muy alto, lo que reduce en gran medida la salida a un altavoz.
Este tipo se usa normalmente con un woofer o un altavoz de rango medio para evitar que se reproduzcan los agudos o los "altos" que no pueden producir bien.
Cruce de 2 vías de segundo orden con capacitores e inductores
Cómo funcionan
Una red de cruce de parlantes de segundo orden y 2 vías es esencialmente un filtro de cruce de paso alto y paso bajo combinados en paralelo.
Sin embargo, como agregan una segunda etapa (segundo orden, filtro de -12dB/octava), son mejores que un diseño simple de primer orden. También son el tipo más común, utilizan un woofer y un tweeter para crear un sistema de altavoces de 2 vías para altavoces de audio doméstico o un conjunto de altavoces de componentes para audio de automóvil.
Incluso los conjuntos de componentes económicos de segundo orden y 2 vías pueden sonar excelentes con controladores de altavoces de calidad decente y diseño adecuado.
Debido al punto de superposición en su frecuencia de corte, las cosas pueden complicarse un poco más cuando se trata de cruces de 2 vías, como explicaré más adelante.
Cómo funciona:
- Condensador C1 reduce la salida de voltaje al tweeter por debajo del punto de corte. Inductancia L1 reduce las señales de alta frecuencia que han llegado aún más lejos pasándolas a la ruta de retorno del amplificador de tierra/negativo (-).
- Inductor L2 reduce la salida de voltaje al woofer por encima del punto de corte, pasando señales de baja frecuencia al altavoz.
Condensador C2 pasa señales de alta frecuencia adicionales que lo han alcanzado a la ruta de retorno del amplificador de tierra/negativo (-).
El resultado final son dos etapas de cruce escalonadas en serie, lo que significa que se combinan para una pendiente de cruce que es 2 veces más efectiva que un diseño de una sola etapa (-6dB/octava). Esta es una pendiente de -12dB/octava.
¿Por qué se utilizan cruces de primer orden si los de segundo orden son mejores?
Si bien las redes cruzadas de primer orden son menos comunes ahora, todavía existen. A menudo los encontrará en:
- Sistemas económicos de gabinetes de altavoces de 2 vías
- Diseños en los que la atenuación natural del altavoz (respuesta de frecuencia descendente) se puede utilizar para reducir los componentes necesarios para lograr el mismo efecto.
- Simples cruces de parlantes en línea como bloqueadores de bajos para uso en estéreo de autos y aplicaciones relacionadas donde algo rápido y fácil es ideal.
Sin embargo, en términos generales, los cruces de 12dB/octava son los más populares, ya que son un buen compromiso entre el costo, el número de partes y la complejidad. De hecho, los amplificadores para automóviles y los receptores AV domésticos suelen utilizar un diseño de 12dB/octava (12dB/octava) incluso en sus crossovers activos electrónicos.
Tipos de diseño cruzado
Existe una variedad de posibles diseños de redes cruzadas entre los que un diseñador puede elegir, pero algunos son preferibles a otros:
- Butterworth: En su configuración estándar, el diseño de Butterworth suma +3dB en la superposición de frecuencia de corte. Esto puede ser útil para diversas necesidades de diseño, como tener en cuenta las compensaciones de los diferentes controladores de los altavoces (espaciado entre los altavoces en su punto acústico central).
- Linkwitz-Riley: Este tipo suma una salida plana (0dB) en la superposición de frecuencia de cruce y es uno de los más utilizados. Es una opción ideal en la mayoría de los casos.
- Bessel: Un diseño de Bessel no se considera "todo aprobado" como un Linkwitz-Riley y no suma plano en el punto de frecuencia.
- Chebyshev: No se usa con frecuencia, esto puede ser útil cuando se necesita una salida reforzada en el punto de cruce, ya que Chebyshev proporciona una suma de +6dB.
¿Por qué importa esto? Normalmente, no importa mucho para la persona promedio. Sin embargo, si está interesado en hacer su propio cruce de altavoces, es útil comprender las opciones posibles.
Cada tipo de red de cruce utiliza un conjunto de fórmulas matemáticas ligeramente diferente para calcular los valores de las piezas que necesitará. En todos los casos, un buen libro de diseño de altavoces puede ayudarlo a hacerlo usted mismo si está interesado en obtener el mejor rendimiento o si está interesado en proyectos de altavoces de bricolaje.
¿Quieres aprender habilidades de diseño de altavoces más avanzadas o hacer tus propios crossovers? Recomiendo encarecidamente el libro de recetas de diseño de altavoces de Vance Dickason. ¡Está lleno de información excelente!
Los cruces de altavoces para el hogar o el automóvil del mercado de accesorios generalmente usan un diseño Linkwitz-Riley y suman un nivel de 0dB en su punto de cruce. Una de las razones es que se supone que los altavoces que está utilizando tendrán una salida adecuada cerca de ese punto. Si ese no es el caso, puede investigar diseños más avanzados usted mismo y compensar las debilidades de un altavoz en particular.
Preocupaciones de la fase de cruce
Los cruces tienen otro problema con el que lidiar:cada componente de cruce agrega una fase (desplazamiento) de 90° a la señal enviada al altavoz. Los condensadores y los inductores tienen un "cambio de fase" cuando pasa una señal a través de ellos.
Para los cruces simples de una sola etapa, esto no es realmente una preocupación, ya que no es algo que probablemente notará, aunque es un detalle para los diseños de altavoces más avanzados. Sin embargo, para los diseños de segundo orden, esto significa que hay una diferencia de 180° entre las dos salidas, lo que a menudo genera un sonido "extraño" y también significa que el sonido no llega a los oídos del oyente al mismo tiempo.
Para remediar esto, los cruces de orden par/segundo orden normalmente tienen la salida del tweeter invertida. Esta inversión de la salida de un altavoz significa que ambos altavoces están "en fase" y ya no hay problemas con el retraso del sonido. Si alguna vez ha comprado cruces de parlantes de 2 vías, ¡probablemente ni siquiera sabía que fueron diseñados de esa manera a propósito!
¿Qué es una red Zobel cruzada?
Una red Zobel es una red de ecualización de impedancia que se utiliza para compensar el aumento de la impedancia del altavoz en el rango de frecuencia debido a la inductancia de la bobina móvil. Por ejemplo, muchos altavoces con bobina de voz suelen mostrar un aumento en su impedancia total a medida que aumenta la frecuencia. Puede ver esto en los gráficos de impedancia trazados para los altavoces.
Debido a que el comportamiento de un crossover se ve directamente afectado por la impedancia, este diseño simple puede mejorar el rendimiento del sistema de parlantes al compensar y "aplanar" el aumento normal en la carga de ohmios del parlante que ve el crossover.
La red utiliza una red RC (resistencia-condensador) simple en paralelo con un controlador de altavoz para compensar la impedancia, lo que hace que el cruce vea una impedancia casi plana en el rango de respuesta de frecuencia.
La resistencia garantiza que siempre se cumpla la impedancia total mínima, mientras que el capacitor trabaja para disminuir la carga total de ohmios de cruce a medida que aumenta la frecuencia.
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