MULTIAMPLIFICACIÓN



 

INTRODUCCIÓN

Los altavoces necesitan filtros. Esto es necesario porque los altavoces no pueden reproducir el rango entero de frecuencias. Los que son grandes no pueden reproducir los agudos y los pequeños no pueden reproducir graves. Y los de tamaño medio se quedan cortos por ambos lados.

La función de un filtro es eliminar las frecuencias no deseadas de una señal. Puede ser de paso alto, donde se eliminan las frecuencias bajas (graves) y se dejan pasar las altas (agudos). Los filtros paso banda (para medios) están formados normalmente por una sección paso alto y una sección paso bajo consecutivas.

En la amplificación y reproducción estándar, se coloca un filtro dentro del altavoz, y ahí se mandan los agudos al tweeter, los graves al woofer y si hay altavoz o altavoces de medios, se les manda la banda correspondiente.

Como se ve, es una estructura muy jerárquica. Si se produce un fallo en el inicio de la cadena, afectará a todo el conjunto.

Por ejemplo, si se produce un fallo en la conexión entre el CD y el selector de canal afectará a todo el equipo. En cambio, si se produce un fallo en el filtro paso alto del tweeter, sólo afectará al tweeter.

Es lógico que cualquier ruido o distorsión que se produzca en el inicio de la cadena afectará a toda la cadena al completo, y que si se producen ruidos o distorsiones inebitables, es mejor que estén lo más al final de la cadena posible.

¿QUE ES LA MULTIAMPLIFICACIÓN?

La multiamplificación es una técnica que divide las frecuencias antes de ser amplificadas. De esta manera se requieren varios amplificadores para amplificar la señal que llega a cada altavoz.

Esto para empezar tiene un inconveniente obvio. Se requieren varios amplificadores. Esto es un problema ya que los amplificadores son caros y voluminosos.

Pero las ventajas de esta técnica, aunque no son tan obvias como su único inconveniente, justifican el coste.

Como en todo sistema, habitualmente... gastarse dinero significa aumentar la calidad, y viceversa, aumentar la calidad significa gastárselo.

 

Así la estructura sigue siendo jerárquica, pero hay partes que operan en paralelo, y un fallo en esas partes no afectará a las demás.

Aquí como en el caso anterior, un fallo en el filtro paso alto del tweeter afectará al tweeter exclusivamente (como elemento final), pero un fallo, ruido o distorsión en uno de los tres amplificadores no afectará a los otros dos. En cambio, en la amplificación estándar, un fallo, ruido o distorsión en el amplificador es padecido por toda la cadena.

Por ejemplo, si el amplificador está en recorte porque se le demanda demasiada potencia. En la amplificación estándar los armónicos generados por el recorte afectan al woofer, al medios y al tweeter. En la multiamplificación, los armónicos sólo van al altavoz correspondiente.

Y lo mismo pasa con la distorsión armónica de las frecuecnias bajas..

Ejemplo de onda con un leve recorte.

 

Las ventajas de la multiamplificación se basan en que la amplificación por separado evita que los fallos, ruidos y distorsiones afecten a los demás rangos, y sobre todo, en una mejora abismal de los elementos que realizan el filtrado.

 

Las ventajas no obvias de la multiamplificación son las siguientes:

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Más potencia

La potencia máxima de un amplificador que viene delimitada habitualmente por su voltaje de alimentación., que recorta las ondas cuando el voltaje de salida se aproxima a él.

Al separar las frecuencias, si tenemos dos ondas, una de 100 Hz y 19VRMS, y otra de 8000 Hz y 6VRMS, el voltaje necesario para dar esa señal sin recorte sería de 25VRMS, lo que supone un amplificador de 40WRMS, mientras que por separado se necesitan dos de 22.5W y 2.5W.

Luego con un total de 25W hemos logrado el mismo resultado que con 40W. Un ahorro importante.

 

Dos ondas sumadas y amplificadas. La suma se recorta en ciertos puntos. Las ondas iniciales amplificadas por separado no son recortadas.

El precio de un amplificador es bastante dependiente de los watios, y dada la habitual estructura de la música, con uno de 400 y otro de 100 se puede tener el equivalente a 800W, con más calidad.

La estructura habitual de la música consiste en que no todas las frecuencias tienen la misma potencia. El máximo de potencia suele producirse alrededor de 400Hz.

¿o nunca se habían preguntado porqué los tweeter tienen potencias muy bajas y funcionan con woofers de 100W sin quemarse? Si un altavoz con menos potencia funciona correctamente en un rango determinado, un amplifcador de menos potencia también lo hará en ese mismo rango.

Estructura habitual de la música. Se ve claramente que el contenido de potencia de los agudos es muy inferior al de grave medio, que es quien domina.

 

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Más eficiencia

El SPL (sound pressure level) es una medida de potencia acústica, y no todos los altavoces generan el mismo nivel de potencia acústica ante una misma potencia eléctrica.

Normalmente los tweeter son más eficientes que los woofer, aprovechan mejor los watios que el amplificador les entrega, y por tanto requieren menos watios para dar el mismo SPL que un woofer.

En toda pandalla acústica los drivers tienen que igualar su SPL al del menos eficiente. Y esto se hace atenuando la potencia que llega a los más eficientes hasta que la potencia acústica iguala la de los menos eficientes. No se puede hacer de otra manera porque de un modo pasivo no es posible producir potencia, sólo es posible consumirla, y en las atenuaciones se desperdicia.

Amplificando por separado la señal que le llega a cada uno con la potencia correcta podremos aprovechar al 100% la potencia, sin tener que añadir redes que consumen potencia y desperdician los watios de nuestro amplificador..

Más aún, los componentes pasivos tienen resistencias parásitas. La resistencia de una bobina puede ser alta, 1 Ohm frente a una carga de 4 Ohm puede hacer que se pierda hasta 1dB, y los dBs de un woofer no se deban perder. Esto supone que el tweter se debe atenuar también un 1dB más, y que la carga esperada no son 4 Ohm, son 5 Ohm, y que el filtro debe estar diseñado para una carga de 5 Ohm. Esto es un error muy común y produce variaciones del 20% en la frecuencia de corte.

En el caso de las pantallas de sonorización profesional, con motores de compresión unidos a pabellones con eficiencias del orden de 110dB /1m1W, para ajustarla a un woofer con una eficiencia de 98dB /1m1W, es decir, 12dB menos, hace falta reducir la potencia que le llega.

-3dB es la mitad de potencia, -6 es la cuarta parte, -9 es la octava, y -12dB es la ¡dieciseisava! parte de la potencia. No resulta lógico utilizar entonces un amplificador de 100W para atacarlos si el tweeter sólo va a aprovechar 6.25W.

Los watios son caros, cualquiera que compare un amplificador de la misma serie de 100 y 200W podrá ver que el precio es un 60-80% mayor en el de 200W. Luego si es frustrante necesitar watios, más frustrante será saber que los que hay se están desperdiciando.

En la multiamplificación a cada altavoz le llega la potencia exacta que necesita. Nada se desperdicia.

Y ahora llegamos a un punto importante: La elección de amplificadores más adecuados para cada altavoz. Ya que ahora los altavoces de agudos requieren amplificadores menos potentes para dar el mismo SPL que el woofer, se puede atacar a los altavoces más eficientes con amplificadores menos potentes que puedan dar distorsiones menores.

Ejemplo:

Amplificador PWM de 1000W y amplificador lineal de 60W: Conectados a los altavoces señalados antes, el SPL máximo obtenido con el woofer sería de 128dB, y la bocina de compresión podría dar igualmente 128dB, ... y la calidad obtenida a plena potencia con un PWM de 1000W y uno lineal de 60W dista muchísimo entre si especialmente en alta frecuencia.

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Más precisión

El hecho de que la señal al salir del amplificador tenga gran potencia es determinante. Esto hace que los componentes de un filtro pasivo estén sometidos a grandes voltajes y corrientes, y que deban estar preparados para trabajar con ellos.

No es fácil encontrar condensadores de entre 1 y 20uF con un 1% de precisón, y que resistan 100VDC. Y si se encuentran serán sumamente caros (>100 € la unidad ). En cambio los condensadores de señal de valores de varios nF y del 1% pueden costar 1€.

La impedancia de un altavoz no es constante frente a la frecuencia, y es sumamente sensible al punto de operación (los Watios calientan la bobina y hacen que aumente su RDC). De esta manera obtener una cierta precisión en el filtrado pasivo es una tarea inútil.

Las bobinas, de manera irremediable tienen una tolerancia nominal siempre mayor de 5% y es habitual que sea del 10%. También su RDC y su inductancia es sensible a la temperatura. Las bobinas también tienen resistenca parásita en serie. Con una bobina con RDC de 1 Ohm y un driver de 4 Ohm, la carga esperada no son 4 Ohm, son 5 Ohm, y que el filtro debe estar diseñado para una carga de 5 Ohm. Esto es un error habitual y produce variaciones del 20% en la frecuencia de corte, lo que hace inútil gastar grandes cantidades de dinro en componentes con tolerancias del 1%.

También otro punto muy importante: Se pueden diseñar filtros activos ¡¡¡sin usar bobinas!!! Las caras bobinas quedan desterradas por fin.

Las resistencias de film metálico con una tolerancia del 1% vienen a costar menos de 3 céntimos. Los efectos parásitos de los condensadorres (ESL y ESR se ven minimizados al trabajar con impedancias un orden de mangnitud mayores (si los altavoces son del orden de 4-8 Ohm, las resistnecias en un filtro activo son del orden de 2-20kOhm, lo que minimiza una ESR de 0,1Ohm.

Tenemos ahora tolerancias del 1% frente al 20% habitual. Tenemos que no habrá más efectos de saturación del núcleo en bobinas de ferrita o hierro. Tenemos que la ESR y ESL de los condensadores ya no es un problema.

Pero aún quedan más ventajas. Las variaciones en la impedancia del altavoz pueden hacer que el funcionamiento del filtro ideal (con una R de 8 Ohm) no sea ni pareccido al que tenemos en realidad. Podemos tener picos o valles generados por Le y por la Z a Fs. A la derecha vemos un ejemplo muy común en filtros pasivos, la no inclusión de la red Zobel ajustada produce efectos extraños.

En la gráfica abajo a la derecha tenemos una gráfica de impedancia de un woofer. Tiene dos aspectos a destacar.

  • Primero el pico de resonancia del woofer, a 35 Hz, que alcanza 30 Ohm. Esto sucede de la misma en un tweeter, por lo que conun filtro de 1er orden habrá siempre un pico de respuesta a la Fs del tweeter si no se añade un notch filter.
  • Segundo, el aumento de Z a alta frecuencia debido a la inductancia de la bobina de voz. se corrige con la red Zobel comentada antes.

Comparación entre un filtro ideal y uno pasivo de un altavoz en el que no se ha tenido en cuenta la variación de Z frente a la frecuencia. El resultado es un filtrado menos eficiente, un pico de SPL y un desfase más abrupto.

Los filtros activos no tratan con el altavoz, tratan con una resistencia que es prácticamente un elemento ideal, por lo que las interacciones con las variaciones de Z del driver son NULAS. No más notch filters, no más redes Zobel y no más malabarismos para hacer cuadrar lo imposible.

Gráfica de impedancia de un woofer. No es ni mucho menos constante.

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Más posibilidades.

Existen muchas más posibilidades de operar con los filtros activos. Se pueden hacer filtros de paso banda o banda eliminada de alta Q, y pasar de Q=5 con filtros pasivos es símplemente imposible (siendo que para deterctar FM se requiere Q=5000, es decir, que la tecnología existe desde hace mucho tiempo). En pasivo, ésto último ni las tolerancias, ni las derivas térmicas, ni los efectos parásitos lo permiten.

Existen varias configuraciones de filtros, como los filtros substractivos que son símplemente imposibles de construir con filtros pasivos. También un filtro de alto orden (4º orden por ejemplo) es un completo engorro de construir en pasivo, son 8 componentes que producen grandes pérdidas y tienen muy serias interacciones con la Z del altavoz, que no es nada constante. Esto puede producir varios picos, variaciones en la Q del filtro, y desplazamientos serios del punto de -3dB.

En activo es algo sumamente sencillo, con lo que es fácil obtener tolerancias del 1% que no producen ni picos, ni variaciones en la Q, ni péridas de potencia y tampoco los efectos parásitos de los componentes producen degradaciones ovbias en la señal..

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Menos distorsión

 

A bajas frecuencias de corte, las bobinas alcanzan valores que las hacen irrealizables con núcleos de aire. Se utilizan entonces núcleos de ferrita o acero laminado, que sufren efectos de saturación y que se traducen a distorsión armónica.

A la derecha vemos los efectos de saturación en el núcleo.

Habitualmente en libros de texto de física de nivel bajo se comenta que B=H en el núcleo de una bobina,... aunque aquí se ve que no es así. Eso es debido a la saturación del núcleo. En B, vemos el efecto de saturación, que es semejante a un recorte pero más gradual, generando armónicos de 3er orden. En el caso de H, el campo magnético dentro del núcleo tenemos además un fenómeno de remanencia que hace más caótica su distorsión.

Inducción magnética y campo magnético en el núcleo de la bobina.

Y ahora en el dominio del los voltios y los amperios, vemos el efecto que sufiría nuestro altavoz. La onda azul claro es la que más distorsionada está, como se puede pareciar a simple vista. Sus síntomas son la consecuencia de B. La saturación del núcleo hace que esté "pasando" un pico en la onda que no debería pasar, ya que al estar saturada, la bobina no funciona como tal y permite el paso de alta frecuecnia. Los efectos de la remanencia no son visibles.

En cambio, la otra onda en granate, con una corriente 100 veces menos no llega a saturar el núcleo. Su forma es la de un senoide, con el desfase que produce el filtrado, 30º aproximadamente.

Distorsión creada por una saturación profunda y una leve

Sin embargo, creemos que nos hemos librado de THD, pero no, está ahí, lo que pasa es que en una es visible a simple vista y en la otra no.

Los valores de distorsión indicados por SPICE son de:

21,10% en la saturada. Lógico, parece una onda triangular, cuya THD es del 33%.

1,46% en la que no muestra distorsión visible. Es decir, está ahi y con un valor no tolerable.

Análisis en frecuencia de las ondas. Es muy apreciable la contribución el 3er armónico.

Los filtros activos no usan bobinas, por lo que se evitan todas las distorsiones creadas por los efectos de saturación. También se eliminan los efectos asociados a acoplamientos magnéticos no deseados, muy comunes entre bobinas de núcleo de aire. A veces algo como colocar las bobinas de manera perpendicular tiene efectos sorprendentes.

Lo mismo ocurre con las distorsiones térmicas en resistencias, aunque aquí los valores de distorsión son muy bajos. Pero conviene recordar que ciertos amplificadores utilizan resistencias de varios euros de precio para evitar esto, y no sería correcto dejar este problema sin tratar en donde más problemas térmicos se generan.

 

En la parte de la amplificación, se reduce drásticamente la interomdulación entre frecuencias, ya que la parte de potencia no tiene que trabajar con ramplios rangos de frecuencias, donde los graves modulan el resto de la banda, especialmente bajo grandes demandas de potencia.

La IMD es una distorsión muy disonante, sus efectos son peores que los de una simple distorsión armónica. Si el bicableado marca diferencias apreciables en el sonido al reducir la IMD que se produce dentro del cable, la separación anterior reduce de manera más drástica estos fenómenos. El resultado es que literalmente puede estar sonando cañonazos y los agudos extremos mantienen la claridad de manera sorprendente.

 

Un tipo especial de distorsión, la distorsión inducida por slew-rate también se beneficia de la multiamplificación. Esto es equivalente a un multiplicar el slew-rate del amplificador, lo que tiene unas consecuencias críticas en el dinamismo del sonido y en la reproduciión a alto volumen.

 

También un simple clipping puede incluso pasar desapercibido. Cuando un grave se recorta se generan armónicos de orden impar que se extienden en un muy amplio rango de frecuencias. En la amplificación estándar, estos armónicos acaban siendo reproducidos por el tweeter y por el altavoz de medios si existe. a la derecha se ve una ejemplo de una onda con un leve recorte.

A la derecha se vé el análisis de frecuecnias de ésta onda. Se ve la gran cantidad de armónicos. Al multiamplificar, los armónicos no son reproducidos por el tweeter, ya que la separación hace que no le lleguen ni le afecten. Además cuando esos armónicos llegan al tweeter pueden dañarlo de una manera muy fácil.

El woofer no llega a reproducir gran parte de esa distorsión por su limitado ancho de banda.

A su vez, la información sonora que va sumanda a la onda del grave no se pierde, los platillos pueden seguir sonando con perfecta claridad mientras el grave se halla en recorte.

Análisis en frecuencias de un recorte leve. Los armónicos se extienden en frecuencia y habitualmente llegan al tweeter. Con multiamplificación no.

 

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Más damping factor.

El damping factor de un amplificador se ha estimado desde siempre como un factor que influye en la calidad de los graves, su su impacto y dinamismo. Esto no tiene ni la menor consistencia. Existen amplificadores sin grandes damping factor que los dan mejor que otros con gran DF. Las investigaciones de Otala entre otros señalan que es de suma importancia la impedancia en lazo abierto más que en lazo cerrado.

En sí resulta incongruente gastarse grandes cantidades de dinero en un buen cable, lo que es una mejora en el sonido, si al llegar al altavoz esa señal eléctrica va a pasar a través de una bobina que son símplemente muchos metros de cable enrollados.

Por otra parte, el parámetro QES, que es dominante dentro de QTS en un woofer define la respuesta de la caja y la extensión en frecuencias graves. Resulta se que es linealmente dependiente de la RE del driver. Cualquier elemento con RDC parásita en serie con el altavoz y el amplificador reduce el damping factor de manera drástica.

No tiene lógica utilizar un amplificador con damping factor =400 si usamos una bobina de RDC=0.5 Ohm (MUY común), que reduce el damping factor a !! 8 !! en un driver de 4 Ohm y a 16 en un driver de 8 Ohm.

 

Por otra parte está el hecho de cargar con un cable desde una impedancia relativamente grande. Un damping factor de 200 a 8 Ohm implica una Rout del amplificador de 0.04 Ohm. Normalmente el damping factor se reduce con la frecuencia por las inductáncias parásitas y por la compensación en frecuencia del amplificador. Esto hace que cargar con el cable sea más dificil, y las pérdidas que producirá serán mayores. Pero ahora llega un momento en el que se colocan elementos con R = 0,1 Ohm (condensadores), y otras como 1 Ohm (bobinas, y otras como 4-10 Ohm (resistencias). No hace falta explicar que producen serias pérdidas en conjunto con el cable.

 

Volviendo al amortiguamiento eléctrico, muchos drivers se basan en una gran amortiguación eléctrica (QES bajo) para reducir las resonancias producidas, especialmente a Fs. Esto se logra con anillos de cobre, ferrofluído o un motor eléctrico de gran factor de fuerza (BL). Cualquier interacción de la RDC parásita con QES reduce esta capacidad para amortiguan las resonancias.

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Eliminación de la microfonía.

La microfonía es nu factor que produce en general efectos numéricamente bajos en el total, pero hay ciertos casos como los condensadores eletrolíticos que pueden ser apreciables de manera obvia en casos de mal diseño.

Los condensadores están formados por capas de metal sobre capas del dieléctrico. Éste dieléctrico es deformable, especialmente en el caso de un electrolítico donde entre las capas de metal hay capas de papel impregnado del electrolito, que es un líquido. Cualquier variación en la distancia entre las capas metálicas produce un cambio en la capacidad. Y este cambio en la capacidad produce corrientes. Esta es la forma en la que trabaja un micrófono de condensador.

Estructura interna de un condensador electrolítico

...Y por supuesto esas corrientes generadas van a parar al altavoz. Las variaciones en la distancia las pueden producir por ejemplo las vibraciones a las que está sometido un condensador sujeto a la caja.

Por otro lado, en un filtro activo, el filtro está lejos de la caja acústica, los condensadores no son electrolíticos sino MKP o MKT, que van sumergidos en resina y el dieléctrico es sólido.

Las bobinas varián su inductancia si se mueven las espiras, y esa variación produce corrientes. Y por supuesto esas corrientes también van a los altavoces. Esto es parecido al funcionamiento del micrófono de bobina móvil, aunque aqui nos falta un imán.También es parecido a la cápsula de bobina móvil de un giradiscos. Por si esto es poco, las bobinas también pueden llegar a pitar. Alguna vez habremos oído el ruido que gener un transformador de un despertados o un cargador, o de los halógenos del techo. Eso es porque las espiras que forman los bobinados del transformador no están suficiéntemente apretadas, y vibran de la misma manera que funciona un motor eléctrico. En una bobina recorrida por algún Amperio esto puede pasar fácilmente.

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Conclusiones.

Todos son ventajas se mire por donde se mire, a excepción del coste de los amplificadores adicionales.

Pero por otra parte, en un diseño con filtros muy complejos (4º orden) y que requieran una gran calidad, a pesar del coste de la amplificación y la electrónica del filtro, puede resultar rentable. Hay que pensar que con condensadores MKP de 30 céntimos se pueden obtener mejores resultados que con condensadores Solen fast y Hovland.

En un filtro de 4º orden con condensadores Hovland podemos reinvertir los 160 euros en lo que podría costar en un filtro activo con la más alta calidad, contando la fuente de alimentación y con resultados mejores. Luego quedan las bobinas, pueden suponer una parte importante del precio de un segundo amplificador requerido.

Y si esto es tan bueno... ¿porqué no se emplea comercialmente? Si se emplea, en instalaciones profesionales donde se usa buena tecnología y de donde provienen el 95% de los avances en HI-FI. Instalaciones como cines, salas, conciertos, donde los niveles de potencia requeridos hacían imposible una buena reproducción la usan.

Y en el campo del consumidor medio, no se hace porque hay demasiados dinosaurios instalados en el mercado. Principalmente la necesidad de tener varios amplificadores es lo que imposibilita la venta.

La idea de que comprar unas pantallas obliguen al comprador a adquirir un nuevo amplificador, un preamplificador y un filtro activo es una desventaja que hecha atrás a todo comprador, que a pesar de que siempre persigue la máxima calidad. Las empresas lo saben y no se arriesgan. No concuerda con la propaganda que se hacen de "todo para conseguir una perfecta reproducción". No se dejen engañar, un altavoz con filtro pasivo no tiene todo para obtener esa perfecta reproducción.

Desgraciadamente el marketing y los precios tienen la culpa..

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Multiamplificación - PCPfiles en www.pcpaudio.com