Los vatios son vatios, ¿o no? Una explicación detallada para los chicos de Car Audio

Cuando la gente busca comprar un amplificador de audio para auto, la especificación que revisan con más frecuencia es cuánta potencia puede producir. La potencia se califica en vatios, una unidad universal de medida de potencia. En este artículo, explicamos qué es un vatio y cómo se mide, tanto de la forma correcta como incorrecta.

¡Hora del diccionario!

Saquemos primero la definición formal de vatio. Un vatio es una unidad SI (Système International) de medida de potencia. La potencia no tiene que ser eléctrica. De hecho, la unidad vatio fue nombrada en honor a James Watt y creada para cuantificar el trabajo que podía hacer una máquina de vapor. En esa aplicación cinética, un vatio era el trabajo realizado cuando la velocidad de un objeto se movía constantemente a 1 metro por segundo con una fuerza de 1 newton oponiéndose. Al referirnos a un motor eléctrico, 1 caballo de fuerza equivale a 746 vatios.

Por muy divertido que sea hablar de caballos de fuerza, somos entusiastas del audio de auto, así que volvamos al tema con una explicación del vatio eléctrico.

En términos eléctricos, un vatio es una transferencia de 1 joule de energía durante un período de 1 segundo. La siguiente pregunta lógica es: ¿qué es un joule? Un joule es otra unidad SI de medida, y define la cantidad de trabajo requerido para mover una carga de 1 coulomb a través de un potencial eléctrico de 1 volt. Sí, la pregunta ahora pasa al coulomb: ¿qué diablos es eso? Un coulomb es una unidad de carga eléctrica, y es igual a -6.242 x 10^18 electrones.

¿Perdido aún? No se preocupe; solo estamos apaciguando a los nerds de las matemáticas y medidas entre nosotros. Desglosemos esto a lo que importa.

Cuando queremos usar electricidad para hacer trabajo, tenemos que hacer fluir electrones a través de un dispositivo como un filamento, motor o bobina de voz. El resultado será, en el caso de un altavoz, que el campo magnético creado por el flujo de electrones hará que la bobina de voz sea atraída o repelida del imán fijo en nuestro altavoz. Cuando hacemos fluir más electrones, se hace más trabajo, y el altavoz se mueve más hacia o lejos del imán.

Matemáticas de la potencia

Aquí es donde empezamos a hablar de ecuaciones de potencia. Hay tres métodos comunes de calcular la potencia en un circuito, pero necesitamos saber los valores de otras variables como voltaje, resistencia o amperaje. Cualquiera dos de estas variables pueden usarse para calcular la potencia en un circuito. Aquí están las ecuaciones:
Si tenemos un circuito con una resistencia de 4 ohmios y aplicamos un voltaje con un potencial de 10 voltios, entonces tenemos 25 vatios de potencia. Aumentar ese voltaje a 20 voltios significa que la potencia disponible ahora es de 100 vatios. Podemos sustituir y reorganizar las variables en las ecuaciones arriba para averiguar cualquier otra variable; es álgebra simple.

Medición de potencia

Cuando un técnico tiene un amplificador en un banco de pruebas y quiere medir potencia, típicamente conecta el amplificador a un banco de resistencias de carga de alta potencia, luego mide la salida del amplificador cuando la señal ha alcanzado un nivel de distorsión del 1%. La medida tomada es voltaje. A menudo, asumimos que la carga no es variable. Digamos que medimos 44 Voltios RMS de un amplificador y tenemos el amplificador conectado a una carga de 2 ohmios. Eso resulta en 968 vatios. Es muy simple y muy repetible, pero no funciona en el mundo real. Veamos por qué.

Resistencia versus reactancia

Esto se va a poner un poco técnico. Las señales de audio son señales de corriente alterna (CA). Las señales CA son necesarias para hacer que el cono del altavoz se mueva hacia adelante y atrás desde su posición de reposo, pero hacen que la medición de potencia sea mucho más complicada. La forma en que conductores y cargas reaccionan a señales CA es diferente de las señales de corriente continua (CC).

Debido a que las señales CA cambian de dirección, la polaridad de los campos magnéticos que crean también cambia de dirección. Intentar cambiar la polaridad de campos magnéticos causa estragos en el comportamiento del flujo de corriente. Una vez que la corriente fluye y establece un campo magnético, no le gusta detenerse. Imagine un voltaje CC; todos los electrones se mueven en la misma dirección todo el tiempo. Están contentos y no tienen quejas. Cuando se trata de señales CA, sin embargo, ese flujo de electrones tiene que cambiar de dirección. Con una señal de 20 kHz, el cambio de direcciones ocurre 20,000 veces por segundo. Los electrones son perezosos; les gusta seguir haciendo lo que estaban haciendo. Debido a esto, se oponen a un cambio de dirección.

Un inductor no es más que una bobina de cable. Vemos inductores en redes de cruce pasivas y las etapas de filtro de amplificadores Clase D. Cuando los electrones fluyen a través de un inductor, establecen un fuerte campo magnético. Cuando quita la fuente de voltaje, los electrones intentan seguir fluyendo. De hecho, si ha visto un relé con un diodo conectado, ese diodo está ahí para dar a ese flujo de electrones a dónde ir, en lugar de volver al circuito que controlaba la función del relé.

Cuando aplicamos una señal CA a un inductor, cuanto mayor la frecuencia, más difícil es cambiar la dirección del flujo de electrones. La resistencia al flujo de corriente alterna se llama reactancia inductiva. Piénselo como resistencia, pero solo aplicable a señales CA. Los inductores se oponen a un cambio en el flujo de corriente. Si desconectamos nuestra fuente de corriente alterna y medimos la resistencia CC de un inductor con un multímetro, el número que vemos en la pantalla es la resistencia. Para medir la reactancia de un inductor, necesitamos un dispositivo que pueda aplicar una señal CA y medir la caída de voltaje efectiva a través del inductor.

La fórmula para calcular la reactancia inductiva es Xl = 2 x pi x F x L, donde F es la frecuencia de la señal CA aplicada, L es el valor de inductancia del inductor medido en henrios y Xl es la reactancia inductiva en ohmios. Puede ver que la inductancia aumenta con la frecuencia, como mencionamos antes.

La bobina de voz de un altavoz es y actúa como un inductor.

Corriente y voltaje

Tenemos más malas noticias para usted. Debido a que un inductor se opone al cambio en el flujo de corriente, surge un error de temporización. ¿Temporización de qué, pregunta? El tiempo relativo entre el voltaje CA a través del inductor y el valor CA de la corriente que fluye en el inductor. En un inductor perfecto (uno sin resistencia CC), la corriente a través del inductor retrasa el voltaje a través del inductor en 90 grados o ¼ de la frecuencia de la señal que pasa a través.

Deje que eso se asiente un segundo, luego piense en nuestras ecuaciones para potencia. La potencia es voltaje por corriente. Pero ¿qué pasa si el pico de corriente no ocurre al mismo tiempo que el pico de voltaje? No podemos simplemente multiplicar los dos números para obtener la potencia en el circuito. Peor aún, la cantidad de tiempo que la corriente retrasa el voltaje depende de la resistencia CC del inductor y la reactancia inductiva; para la mayoría de altavoces de audio de auto, la resistencia CC suele estar entre 2 y 8 ohmios. La inductancia está entre 0.04 mH para un tweeter de alta calidad a más de 5 mH para un gran subwoofer.

Hay un desafío más: la inductancia cambia dependiendo del nivel de excitación del altavoz y la posición del cono del altavoz.

Estamos seguros de que está de acuerdo: es todo muy complicado, pero no se rinda aún.

¿Cómo medimos la potencia real en un circuito CA? Hay un par de formas. Podemos medir corriente y voltaje instantáneos a una tasa de muestreo muy alta y multiplicarlos. La tasa de muestreo tendría que ser 20 o 30 veces la frecuencia que medimos para ser razonablemente precisos. También podemos usar medidores convencionales para medir la cantidad de corriente y voltaje en el circuito, luego usar un medidor de ángulo de fase para encontrar la relación relativa entre los dos. Prácticamente ninguno de nosotros tiene un medidor de ángulo de fase independiente en nuestras cajas de herramientas. Lo que no podemos hacer es simplemente multiplicar voltaje y corriente entre sí.

Esos chicos de SPL y los vatios

Si está leyendo esto, probablemente navega por Internet con cierta frecuencia. Sin duda ha visto a entusiastas de SPL intentar medir la potencia producida por sus amplificadores "apretando" (clamping). Conectan una pinza amperimétrica a uno de los cables de altavoz que salen del amplificador y ponen un voltímetro a través de los terminales del amplificador.

Esto crea tres problemas:

1. Deberían conectar el voltímetro a los terminales del altavoz. Debido al alto flujo de corriente, la resistencia en el cable de altavoz puede desperdiciar una cantidad medible de potencia.
2. Con un voltímetro y pinza amperimétrica, no sabemos la relación de fase entre la corriente que fluye a través de las bobinas de voz y el voltaje a través de la bobina de voz.
3. Típicamente realizan estas pruebas a niveles de potencia extremadamente altos. Las cantidades masivas de calor calientan las bobinas de voz rápidamente. Este calor también aumenta su resistencia rápidamente. Este aumento de resistencia hará que la corriente que fluye a través del altavoz disminuya. Si la pinza amperimétrica conectada está en modo "retención de pico", almacenará una lectura pico de la corriente inicial que fluye a través de la bobina de voz. La reducción en el flujo de corriente alivia la carga en la fuente de alimentación del amplificador y le permite producir más voltaje. A medida que la corriente disminuye, el voltaje de salida del amplificador puede aumentar, dando una lectura falsa al voltímetro en modo de retención de pico. Este calentamiento y aumento de resistencia puede ocurrir en cuestión de segundos.

Si pensó que nuestra definición de vatio era complicada, entonces explicar cómo calcular la potencia en una carga reactiva lo empujaría al borde, así que no lo explicaremos todo. Ese es un tema guardado para cursos universitarios de potencia CA. Lo que haremos es proporcionar una solución para hacer mediciones de potencia complicadas.

La realidad es que cuando se trata de medir la potencia de un amplificador mientras está conectado a un altavoz, obtener resultados precisos es muy difícil. Unas pocas empresas producen medidores de potencia para audio de auto. La unidad más popular es el D'Amore Engineering AMM-1. El AMM-1 es un medidor portátil que mide simultáneamente corriente y voltaje, y calcula el ángulo de fase entre ellos para proporcionar una medición de potencia precisa. El AMM-1 le mostrará cuánta potencia real su amplificador está produciendo. (Por favor no llore si es menos de lo que pensaba.)

El AMM-1 también puede mostrar volt-amperios. Los volt-amperios se calculan multiplicando corriente por voltaje. También puede ver el ángulo de fase de la carga en otra pantalla. Si está serio sobre medir potencia cuando un amplificador está impulsando una carga reactiva como un altavoz, esta es la herramienta que necesita.

Lo que necesita saber

Cuando está comprando un amplificador, los números que usualmente ve citados son medidos en cargas resistivas. La mayoría de los amplificadores no tienen problema para impulsar cargas reactivas, así que puede confiar en los números publicados, siempre que la especificación de distorsión esté claramente definida.

La especificación CEA-2006A (ahora llamada CTA-2006A) para medición de potencia define la distorsión máxima de señal durante la medición como 1%, y no más de 14.4 voltios pueden alimentar el amplificador. Comparar especificaciones de potencia usando este estándar ha nivelado el campo de juego en la industria del audio de auto.

Veremos otras especificaciones muy importantes de amplificadores en otro artículo. Estas otras especificaciones pueden, de hecho, ser más importantes para elegir el amplificador correcto para su sistema que cuánta potencia produce el amplificador. Hasta entonces, pase por su distribuidor especialista en audio de auto local para enterarse de los últimos amplificadores disponibles para su sistema. Hay algunos amplificadores nuevos increíbles en el mercado con muchas características geniales.

¡Feliz escucha!