Teoría eléctrica del audio del automóvil: capacitancia e inductancia

A medida que nos acercamos al final de nuestra discusión sobre teoría eléctrica de audio para automóvil, necesitamos hablar sobre capacitancia e inductancia y cómo las características de esos fenómenos interactúan con señales de CA y CC. No hay duda de que estos son conceptos avanzados, pero incluso una comprensión básica de cómo funcionan los capacitores e inductores es fundamental para una comprensión completa de los sistemas de electrónica móvil.

¿Qué es un capacitor?

Un capacitor es un componente electrónico de dos terminales que almacena energía. Los capacitores están hechos de dos placas metálicas separadas por un aislante eléctrico. Cuando aplicamos un voltaje a un terminal del capacitor, los electrones en una placa ejercerán 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 en un capacitor están muy cerca, pueden almacenar una gran cantidad de energía para su tamaño total.

Los capacitores se cuantifican en unidades de faradios. Un faradio se define como un culombio de carga en cada placa, resultando en un voltaje de un voltio a través de los terminales.

Capacitores en circuitos de CC

Los capacitores, en su función más básica, son 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 mientras los campos magnético y eléctrico empiezan a formarse entre sus placas. A medida que el capacitor empieza a almacenar energía, aumenta su resistencia efectiva, y la cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo se reduce. Una vez que el capacitor se ha igualado con el voltaje de alimentación, casi no pasa corriente a través del dispositivo.

Cuando quitamos el voltaje de alimentación de un capacitor, intentará mantener el voltaje a través de los terminales. Es esta característica la que hace que los capacitores sean una solución ideal para reducir variaciones de voltaje. Los capacitores resisten cambios en el voltaje.

Dentro de los amplificadores en nuestros sistemas de audio para coche, los capacitores se usan para almacenar grandes cantidades de energía al voltaje de riel. Cuando hay una demanda repentina de corriente que supera 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 "capacitores de refuerzo" usados en la alimentación de 12 V a tu amplificador. Cuando se implementan con componentes de alta calidad, la adición de un capacitor grande puede ayudar a proporcionar corriente transitoria al amplificador.

El capacitor en circuitos de CA

En circuitos de corriente alterna, los capacitores asumen un interesante fenómeno de "resistencia virtual". Como sabemos, a los capacitores no les gusta cambiar el voltaje, pero una señal de CA se define como siempre cambiante. Dependiendo de la relación entre el valor del capacitor y la frecuencia de la señal de CA, se permite que cierta cantidad de corriente pase a través del capacitor.

Si intentamos medir la resistencia de un capacitor con un multímetro convencional, encontraremos que muestra un valor extremadamente alto. Para señales de CA, usamos la fórmula Xc = 1 / (2 × 3,1416 × F × C) para calcular la resistencia efectiva, donde F es la frecuencia de la señal y C es el valor del capacitor en faradios. Como esta resistencia no está presente en 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 va a un altavoz, podríamos cablear un capacitor no polarizado en serie con el altavoz. Para calcular la frecuencia a la que el capacitor empieza a reducir los graves que van al altavoz, podemos reorganizar la ecuación anterior a F = 1 / (2 × 3,1416 × R × C), donde R es el mismo valor que la resistencia del altavoz. Para un altavoz de 4 ohmios y un capacitor con un valor de 200 µF (microfaradios), obtenemos una frecuencia de 198,9 Hz. A esta frecuencia, el capacitor parece tener la misma reactancia que el altavoz, y la señal que va al altavoz se reduce en un 50 por ciento. Como la capacitancia es inversamente proporcional a la frecuencia, la impedancia del capacitor aumenta a medida que la frecuencia disminuye. A 99 Hz, la reactancia es de 8 ohmios, a 50 Hz, son 16 ohmios, y así sucesivamente. Este fenómeno reduce simultáneamente la corriente suministrada por el amplificador y actúa como un divisor de voltaje entre el capacitor y el altavoz.

Un capacitor en serie con un altavoz se conoce como filtro pasa-alto de primer orden. Reduce la salida del altavoz a una tasa de -6 dB por octava a medida que te alejas de la frecuencia de cruce definida arriba. Los capacitores son adecuados como filtros para drivers de medios y agudos 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 través de él. Muchos inductores cuentan con núcleos de hierro para aumentar la intensidad del campo magnético. Donde un capacitor resiste cambios en el voltaje, un inductor resiste cambios en el flujo de corriente. Sabemos de nuestro artículo anterior sobre magnetismo que la corriente que fluye a través de un conductor crea un campo magnético alrededor de ese conductor. Si enrollamos el conductor en un bucle, la proximidad de los bucles entre sí intensifica el campo magnético.

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

Una buena analogía para un inductor es un volante en un motor. Una vez que has 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 califican usando la unidad henrio (H). Un henrio se define como la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un dispositivo que resulta en un voltio de fuerza electromotriz apareciendo a través de los terminales.

Inductores en circuitos eléctricos

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

Hay algunos casos donde los inductores se usan en combinación con un capacitor 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 cableamos un inductor en serie con un altavoz, actúa como filtro pasa-bajas. A diferencia de un capacitor, en un circuito de CC, un inductor aparece como un cortocircuito con muy poca resistencia. Para una señal de CA, podemos calcular la reactancia inductiva usando la ecuación Xl = 2 × 3,1416 × F × L, donde F es la frecuencia y L es la inductancia en henrios.

Si queremos usar un inductor como filtro pasa-bajas, podemos determinar el punto de cruce efectivo intercambiando 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 -3 dB del circuito de filtro sería F = 4 / (2 × 3,1416 × 0,006), o 106,1 Hz. Este valor de inductor haría un buen filtro pasa-bajas para un woofer. Al igual que con un capacitor en serie con un altavoz, un inductor actúa como un filtro de primer orden y reduce la salida a una tasa de -6 dB por octava a medida que la frecuencia aumenta desde el punto de cruce.

Otros casos de inductancia y capacitancia

Cada vez que dos conductores están paralelos entre sí y en proximidad cercana, habrá algún nivel de capacitancia. Muchos entusiastas demasiado entusiastas hablan de capacitancia en cables de interconexión. Aunque esto es un factor, los cambios microscópicos (si es que alguno es perceptible) pueden compensarse durante el proceso de afinación del sistema. Cuando se trata de comprar interconexiones de alta calidad, el rechazo de ruido y la durabilidad general del diseño deberían ser tus principales objetivos.

El devanado de la bobina de voz 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. Como los altavoces son dinámicos, sus parámetros cambian a medida que el cono del altavoz se mueve. De la misma manera que tener un núcleo de hierro en un inductor aumenta la inductancia comparado con un diseño de núcleo de aire, la inductancia de una bobina de voz de altavoz aumenta cuando el conjunto del cono se mueve hacia atrás dentro de la cesta. El T-yoke en el centro del altavoz aumenta la fuerza del campo magnético creado por la corriente en la bobina de voz. Del mismo modo, a medida que el altavoz se mueve hacia adelante, la inductancia disminuye. Estas distorsiones de inductancia basadas en la posición pueden causar un efecto de vibrato en alta frecuencia que puede ser perjudicial para la reproducción de tu música. Una solución es implementar un diseño de bobina de voz under-hung donde el entrehierro es más alto que el devanado de la bobina. El inconveniente de este diseño es que la bobina de voz suele ser pequeña y carece de manejo de potencia. Otra opción es incluir una tapa de polo de cobre para reducir el campo magnético y minimizar la distorsión. Una tapa de cobre es una opción cara pero ofrece excelentes beneficios de rendimiento.

Teoría eléctrica de audio para coche

Por ahora, este es el final de nuestra serie de artículos sobre teoría eléctrica de audio para coche. Esperamos que hayas disfrutado aprendiendo sobre la física detrás de cómo funciona tu sistema de audio para coche. Nuestro objetivo es educar a los entusiastas para que puedan hacer compras y actualizaciones informadas a su sistema de sonido móvil. Si tienes alguna pregunta, pasa por tu especialista local en electrónica móvil. Ellos pueden ayudarte a diseñar una actualización que transformará verdaderamente tu viaje en una experiencia de escucha agradable.