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Como funciona la amplificación de audio (2º Parte) PDF Imprimir E-mail
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Escrito por Helio   
Martes, 14 de Octubre de 2008 12:44

Introducción a las bases teóricas de la electricidad, la corriente alterna y el famoso componente llamado: Transformador.

 Para poder entender como funciona un aparato eléctrico o electrónico, necesitamos antes saber como funciona la electricidad: Básicamente, todos sabemos que los átomos se componen de un núcleo en el cual hay neutrones, protones (carga positiva), etc.. y que al rededor de ellos giran los electrones (carga negativa), tal como lo hacen los planetas al rededor del sol. Ciertos metales o aleaciones tienen tendencia a sujetar muy bien sus electrones, y por ello se les considera aislantes, mientras que otros, tales como el oro, plata, cobre, aluminio, etc.. sienten mucho menos apego a sus electrones. A esos se les llama conductores, ya que permiten con tremenda facilidad que sus electrones salten de un átomo a otro, o incluso a un átomo de otro tipo de material.

A finales del siglo XIX, se empezó a usa la electricidad para alumbrar viviendas, fábricas, calles, etc... En un principio se usaba corriente continua, es decir un flujo de electrones que se iban desplazando creando una corriente que iba en ua sola dirección. Por razones que explicaremos luego, esa corriente era muy práctica pero muy difícil de manipular, modificar y ajustar a las necesidades de la sociedad. Por eso mismo, en 1882, Nikola Tesla descubrió el principio del campo magnético rotatorio, el cual da nacimiento a la llamada corriente alterna.

La corriente alterna se puede mostrar con una sencilla gráfica que todos conocemos: La corriente de electrones parte de cero, sube hasta su límite máximo, baja de nuevo a cero, cambia de dirección, y de nuevo vuelve a subir. Las ventajas de la corriente alterna ante la continua, son enormes: La corriente alterna se puede modificar, alterar, cambiar, ajustar y transportar con un mínimo de pérdidas, cosa que no ocurre con la contínua. De ese principio proviene todo el sistema eléctrico tal como lo conocemos hoy en día. A partir de ahí la corriente puede ser enviada a cualquier parte y manipulada con facilidad, dando pie al desarrollo de lo que después será la electrónica. Antes de seguir hay que aclarar que en Europa, la corriente alterna oscila 50 veces por segundo (es decir a una frecuencia de 50Hz) y que en USA, la oscilación es de 60Hz.

 

Sigamos y para ello, aclaremos rápidamente unos conceptos básicos usando una sencilla analogía como la del agua de un río:

El voltio es la unidad que mide la “tensión” eléctrica entre dos puntos. En el caso del agua, estaría marcada por un desnivel: Por ejemplo, si tenemos un riachuelo pequeño y estrecho que baja de una montaña, la cantidad de agua que pasará por su sección es escasa, sin embargo, su velocidad es grande, ya que el desnivel entre el punto de partida y el de llegada es elevado. Ahí por analogía tendríamos una elevada cantidad de voltios.

El Amperio es la unidad que mide la cantidad de electricidad que circula entre dos puntos: Si seguimos con la analogía del agua, podemos decir que un gran río de elevado caudal, como por ejemplo el Ebro transcurriendo a su paso por Zaragoza, transporta una gran cantidad de agua (Muchos Amperios) a una velocidad lenta, ya que baja al mar por una pendiente suave (Pocos Voltios).

Este último ejemplo del río Ebro, se puede aplicar a otro tipo de electricidad muy habitual: Si abrimos el capó de un coche y observamos la batería del mismo, veremos que de ella salen cables y conectores bastante gruesos: Son mucho más gordos que los que podemos ver en una casa. Esto es debido a la gran potencia que necesita el motor de arranque, y también el alumbrado, y sin embargo se alimentan de una batería de solo 12 Voltios. Como se puede obtener esa potencia de una batería que apenas ofrece 12V de “desnivel” entre sus dos bornes ? La respuesta es sencilla: Porque es capaz de dar muchos Amperios !!! Esa gran cantidad de amperios necesita mucho espacio para desplazarse, y por consiguiente requiere de unos cables muy gruesos, al igual que el Ebro requiere de mucho espacio para desplazar esa enorme cantidad de agua de forma lenta.

Ahora bien, si por ejemplo quisiéramos obtener la misma cantidad de caudal de agua que la que pasa por el Ebro, pero usando un lecho de río mucho más estrecho, bastaría con usar un desnivel muy superior al actual, y nos daríamos cuenta que con ese cambio, en una hora podemos hacer pasar exactamente la misma cantidad de agua que actualmente con un río lento y un amplio lecho. Eso mismo, llevado al campo de la electricidad equivaldría a muchos más voltios y menos Amperios. Es así de sencillo aunque complicado si lo hacemos con el agua. Precisamente en la capacidad de modificación de la corriente alterna, está el secreto para poder hacer con ella, lo que con el agua sería una tremenda y costosa obra de ingeniería. Por otra parte, en el símil del agua hablamos de velocidad, mientras que en electricidad la velocidad es teóricamente constante. Así que aunque el ejemplo sea muy gráfico, es hora de abandonar el símil de agua para volver a lo nuestro.

Para ello basta con conocer la sencilla ley de Ohm: V x A = W (Voltios multiplicado por Amperios = Vatios de consumo (siempre se representan por la letra W).

Si yo necesito 1000W en un punto concreto, los puedo transportar de muy diferentes formas:

a)-1000 Voltios de corriente de 1 Amperio: 1000x1 = 1000Watios.

b)-100 Voltios de corriente de 10 Amperios: 100x10 = 1000Watios.

c)-1 Voltio de corriente de 1000 Amperios: 1x1000 =1000Watios.

Aunque el resultado sea el mismo, los medios usados no son en absoluto los mismos: La sección (grosor) del cable se calcula SIEMPRE en función de los Amperios que tienen que pasar por él. Con estos tres ejemplos que he puesto más arriba: En el caso “a” el cable sería fino, en el caso “b” 10 veces más grueso, y en el caso “c” 1000 veces, es decir: Enormemente grueso.

Las compañías eléctricas usando la posibilidad de transformación de la corriente alterna, utilizan las llamadas Líneas de Alta Tensión (60.000 Voltios) para transportar la corriente de una ciudad a otra, ya que así pasan pocos amperios y por consiguiente, la sección del cable es razonablemente pequeña minimizando las pérdidas. Una vez llegados a la ciudad, en cada gran bloque de viviendas, la corriente es transformada a 220 voltios para que así pueda alimentar los domicilios particulares. Ese proceso se realiza en unos aparatos eléctricos llamados: Trasformadores.

Si esa corriente se transportara a 220V fijos, a la llegada tendríamos muchos menos voltios y habríamos perdido casi el 100% de la energía...

El inventor que acabó por profundizar ya dar forma a la base del transformador fue William Stanley, quien encontró el modo de transferir una corriente entre dos sistemas eléctricamente aislados el uno del otro. Para ello, enrolló un par de bobinas de cables sobre un trozo de hierro normal y corriente, creando así la llamada: Bobina de Inducción. Ese es el ancestro del transformador, tal como hoy lo conocemos (no ha cambiado casi nada). Un transformador es pues un aparato tremendamente sencillo, aunque obedece a leyes bastante complejas de explicar, así que no entraremos en detalles innecesarios para lo que aquí nos interesa. Solo diremos que el trasformador consta como mínimo de 2 bobinas (pueden ser más), una de ellas por donde entrará la corriente alterna inicial se llama “Primario”, y la otra, que es por donde sale, se la llama “Secundario”. En el caso de una corriente contínua sin variaciones, el transformador no sirve de nada ya que no actúa, pues lo que hace que un transformador “trabaje” es el hecho de que se produzcan oscilaciones de corriente en su bobinado primario, ya que estas serán transmitidas fielmente al bobinado secundario.

El porque de este proceso es bastante complicado en teoría, aunque lo podemos abreviar diciendo que cuando una corriente con oscilaciones atraviesa una bobina, esta genera campos magnéticos variables..... y vice versa: Cuando una bobina es sometida a campos magnéticos variables, genera una corriente alterna. Así que en la práctica, las oscilaciones que se generan en la bobina Primaria de un transformador son transmitidas a la bobina secundaria.

¿Como se reduce la corriente de 60.000v a 220v? Pues por una regla de tres muy sencilla: Si por ejemplo (no es un ejemplo real) ponemos 6000 vueltas de cable en la bobina primaria, y 22 en la secundaria, al someter la primaria a 60.000v, en la bobina secundaria saldrán 220v.

En este caso, las 6000 vueltas serán de cable mucho más fino que el las 22 vueltas, ya que la corriente de 220V debería ser capaz de soportar muchos más amperios que la otra (recordemos la ley de Ohm: VxA=W y por consiguente W/V=A)

Por ejemplo, en el estudio tengo un módulo sintetizador Roland comprado en USA, el cual funciona a 110V. Compré un transformador que me permite generar corriente a 110V a partir de 220V, me imagino que cualquier lector habrá visto este tipo de aparatos, y si se ha fijado en ellos, verá que son bi-direccionales. Ese mismo transformador, tiene dos bobinas, de las cuales UNA tiene la mitad de espiras que la otra. Así que si un día me llevo a USA un aparato que funciona a 220V, el mismo transformador me valdría, ya que bastará con introducir una corriente de 110V por el lado por el cual actualmente saco los 110V, para que por el otro lado (el que ahora está conectado a la pared) salgan 220V que irán directos a mi amplificador. Parece un milagro, pero es así de sencillo, siempre y cuando sea corriente alterna.

Evidentemente, esta misma regla de tres, es aplicable a cualquier transformador de alimentación de un amplificador: Si ponemos 500 vueltas en el primario y 1000 vueltas en el secundario: Obtendremos una salida con el doble de voltios (y la mitad de amperios) en el secundario. Si tenemos 220V de entra y necesitamos 880v de salida para alimentar la placa de las válvulas de potencia, será necesario que el secundario tenga 4 veces más espiras (o vueltas) que el primario.

Como es lógico un transformador tiene pérdidas, ya que no se transmite el 100% de su energía de la bobina primaria a la secundaria. Esa es una constante cuando se habla de electricidad: Todo tipo de transferencia supone pérdidas, se asume y se acepta. No obstante, para limitar esas pérdidas los transformadores suelen en todos los casos llevar un núcleo metálico de láminas de material ferroso, el cual incrementa el campo magnético generado por el bobinado primario, optimizando al máximo la transmisión al secundario y mejorando su rendimiento.

La otra cara de la medalla nos dice que si un transformador es sometido a un fuerte trabajo, el cable de sus bobinados debe de ser de una sección adecuada para soportar con creces la carga de trabajo que se le requiere, cosa que no siempre pasa.... Una parte de la energía que pasa por el transformador se convierte en calor, y en algunos casos, es más que necesario refrigerarlo. En el caso concreto de los gigantescos transformadores de estaciones de alimentación eléctrica en las ciudades, se utiliza una refrigeración forzada mediante un circuito cerrado de aceite. Como habremos leído en las noticias, a veces, en verano, se producen graves averías e incendios porque el consumo eléctrico sube mucho debido al uso masivo de aparatos de aire acondicionado y se incendian transformadores. Por otra parte, la construcción de nuevos edificios y la masificación del consumo eléctrico hacen que a veces una instalación otrora óptima, pasa a ser obsoleta y peligrosa.

En los grandes amplificadores de emisoras de radio y TV, los transformadores de alimentación son muy parecidos en su función a los que lleva un amplificador de sonido, evidentemente son mucho más grandes, pues por ellos pasa corriente de varios KW de potencia (Miles de Watios), por eso también son muy a menudo refrigerados debido a esa alta carga de trabajo.

En todo caso, ahora que ya sabemos lo que son Voltios (V), Amperios (A) y Vatios (W), ya que también hemos comprendido cual es el cometido de un transformador, debemos ser conscientes de que en un equipo de Audio que se supone es de calidad, el trasformador de alimentación es una de las partes más importantes del equipo, ya que no solo tiene que proporcionar la corriente que necesitan todos sus diferentes etapas y elementos; Además de eso, dicho transformador debe de ofrecer una absoluta estabilidad en su funcionamiento, y para ello, ni puede ni debe calentarse en exceso por trabajar al límite de su capacidad. Se supone que debe de trabajar siempre sobrado de recursos, pues de no ser así, ni el amplificador sonará bien, ni tendrá la dinámica adecuada cuando sea solicitada una fuerte potencia.

Esto que parece evidente, no lo es en absoluto en la realidad: El transformador de alimentación es uno de los elementos más caros del amplificador. Tiene una construcción costosa, sus materiales son caros, y la mayoría de los fabricantes, en su afán de ahorro, recortan gastos poniendo materiales baratos, y montando transformadores que trabajan muy cerca del límite de su capacidad, lo cual puede no solo degradar el tono del aparato, sino dar paso a eventuales costosas averías.

Otro de los quebraderos de cabeza que tienen los constructores de amplificadores viene dado precisamente por como trabaja un transformador de alimentación: Como ya hemos dicho más arriba, transfiere corriente entre dos o más bobinas mediante la creación de un campo magnético.

Bien pues esa enorme ventaja, tiene a la vez, graves inconvenientes. El dichoso campo magnético no suele limitarse a transferir la corriente sino que alegremente llega mucho más allá de sus propios confines, pasando a crear corrientes indeseadas en la circuitería del amplificador.

No es de extrañar que si un Amplificador es capaz de multiplicar por 50.000 la débil corriente que le entra por el Jack de una guitarra, cualquier influencia eléctrica que llegue a ese circuito de entrada será también multiplicada por 50.000. Así que el famoso “Hum” de 50 o 60Hz que entra al 100% en la banda de sonidos audibles suele muchas veces pasar desde el transformador de alimentación a la etapa de previo o sencillamente colarse en la etapa de potencia. Casi siempre encuentra el camino.... Por desgracia ese molesto ruido de fondo, no solo puede llegar del transformador, también viene de otras partes que ya describiremos posteriormente.

El caso es que un transformador bien diseñado tiene que emitir la mayor cantidad de radiaciones magnéticas en su interior, y la menor hacia su exterior. Algo así como cuadrar el círculo. Para intentar que eso sea así, se suele tapar con materiales conectados directamente al chassis y masa del amplificador. En el diseño, el transformador se tiene que ubicar en el chasis de manera a que su influencia magnética sobre válvulas y demás elementos sea casi nula, etc...

Para finalizar: Si tenemos un transformador de alimentación a mano, podemos ver que su bobinado primario es relativamente grueso: Su sección varía en función de los amperios que pueden pasar por él, y esa variable depende en parte de la potencia final del amplificador, pero sobre todo depende de los Vatios (W) que consume el aparato. No olvidemos que otros elementos del Amplificador consumen corriente y no por ello dan más potencia: Por ejemplo, los filamentos que sirven para calentar las válvulas consumen bastante, pero ese consumo no tiene nada que ver con los Watios de potencia que salen hacia la caja conectada al amplificador.

En el secundario, veremos un fino hilo de cobre, el cual (al igual que el primario) solo tiene como protección una fina capa de barniz aislante de escasas micras de espesor. Si se escatima en la calidad del hilo de cobre, habrán pérdidas, si se escatima en la calidad del aislante, en cualquier momento puede surgir un corto-circuito que no solo destroce el costoso transformador, sino que pueda provocar la avería de otros elementos del amplificador no menos baratos.

Por ejemplo en los transformadores baratos, las láminas ferrosas que componen su núcleo, no suelen ser inmunes al óxido, así que el amplificador suena bien, funciona sin problemas, pero dentro de 3 años, o 5 años, se ha ido degradando su rendimiento, hasta que al final eso no funciona como debería. Ese truco es tan viejo como el comercio: Nos colocan una pieza de baja calidad pero que tarda meses o años en degradarse, así pasa la garantía, y al cabo de un tiempo de uso razonable, tenemos un serio problema que ya no cubre garantía alguna.

Bueno, eso es todo por hoy !!! Laughing

Última actualización el Domingo, 19 de Octubre de 2008 16:33
 

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