POTENCIA.


 

Introducción

Es habitual que surja la controversia acerca de la potencia que deben suministrar las etapas a los altavoces.

Se admite la potencia como un equivalente a la calidad, cuando tiene la misma relación que podría tener la potencia en un coche con el número de ruedas. Una vez más: craso error, la potencia no es en absoluto un indicador de la calidad, es más, a partir de una cierta cifra de potencia es más complicado hacer etapas de potencia con calidad en todos los casos conocidos :

En los transistores el mero hecho de soportar más voltaje y corriente va completamente en contra de sus prestaciones: En los transistores bipolares y FETs el mayor aguante de voltaje reduce la ganancia del transistor y muy habitualmente su ancho de banda: se requere mayor anchura en las capas de deplexión y esto resta eficiencia a la inyección de portadores de las partes P a las partes N. En los bipolares la mayor corriente también va en contra de su ganancia (beta en los de 180W no supera 100) y aumenta la capacidad parásita. En los mosfet una mayor capacidad de entregar corriente si que mejora sus prestaciones en cuanto a ganancia y potencia pero degrada las de velocidad: se obtienen capacidades de entrada muy altas, pueden llegar a 10nF

En las etapas push-pull, desde la clase A a la clase B se requieren transistores con un mayor aguante de potencia y eso va en contra de parámetros como la precisión, linealidad, y facilidad de control. Se requieren esquemas de drivers más complejos y el ancho de banda se ve seriamente afectado.

En válvulas no hay grandes problemas en cuanto al voltaje, pero si ante la corriente y la potencia. Ahí puede ser simplemente inviable: los transformadores tendrían tamaños exagerados para no sufrir modulaciones térmicas o saturación, aparte de que habitualmente se invierte el 10% de la potencia total símplemente en alimentar los filamentos de caldeo.

En determiandos esquemas de salida lineales como las clases G y H, con eficiencias muy altas a grandes potencias se debe conmutar entre varias tensiones de alimentación, lo que puede inducir ruidos en la señal de salida.

Incluso en los amplificadores PWM conmutar entre grandes tensiones de alimentación supone una degradación de las prestaciones, de ahí que surjan variantes como la clase T que conmuta entre varias tensiones de alimentción, haciendo más complejo el circuito.

Un DAC sigma-delta monobit funciona como un amplificador PWM, y degrada sus prestaciones de manera inversamente proporcional a los dBFs, los nuevos DAC sigma-delta multilevel ya lo han corregido y las prestaciones son las mismas a -10dBFs que a -50dBFs.

THD+N del AD1853 vs. dBFs

La prueba más evidente son las etapas a válvulas: sus potencias son modestas (entre 5 y 50W por canal, siendo 15 y 25 lo más habitual) y su calidad es alta por la especialización del mercado. Sus propietarios no se quejan de falta de potencia y surge la duda de porqué los propietarios de etapas "normalitas" de 50 W se quejan de que se les quedan cortos. Existen varios factores que responden a esta pregunta.

Lo primero es que habitualmente no faltan watios sino dinámica, capacidad de impactarnos emocionalmente. Hay estudios psicoacústicos que demuestran que los primeros milisegundos de un sonido son responsables en mayor medida de la respuesta emocional de nuestro cerebro. Si no se puede atender correctamente a una demanda de potencia lo notaremos.

Lo segundo es que la potencia requerida en una audición doméstica suele tener unos 4 (sí, cuatro) watios de media, con picos de 10, a veces 15 watios. ¿No se lo cree? La presión sonora habitual en una audición está en torno a 96dB a 1 metro. Con unas pantallas de eficiencia media (90dBs/1W1m) se requieren 4 watios para producir los 96dBs requeridos.

Lo tercero es que esas etapas de válvulas proporcionan los mismos watios pero más amperios que los que puede suministrar una etapa mediocre de transistores y ser menos afectada por ese sobreesfuerzo. Aunque una buena etapa de transistores también proporciona más amperios que una etapa mediocre de válvulas, que por supuesto también las hay.

Es más importante dimensionar bien la potencia de una etapa y aprovecharla correctamente, unido a que esos watios deben ser "de calidad". La clave no son las válvulas o los transistores sino la entrega de corriente y la dinámica. En el resto del artículo veremos las claves de esta afirmación.


Conversión de watios eléctricos a watios de sonido.

Un poco de física.

Debemos hablar de conceptos físicos, principalmente de eficiencia, unido inevitablemente a la potencia y a la energía. Habrá oído eso de que "la energía no se pierde, sólo se transforma", y es cierto *, es la ley de la conservación de la energía, pero hay cosas que seguramente no le habrán contado. Se trata de la entropía, un concepto físico abstracto que indica que en cada transformación la energía se conserva pero la "ordenación" de esa energía empeora, es decir: será más difícil volver a reunir esa energía para volver a utilizarla: Se quema gas natural, pero luego será muy difícil reordenar los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno para volver a formar gas natural y oxígeno separados. Se tendría que invertir más energía de la que se obtiene de su combustión.

En un aspecto más particular el principio de la entropía viene a decir que en toda transformación energética hay transformaciones no deseadas, que se suelen llamar "pérdidas". Por ejemplo el gas se quema y produce calor, que es lo que queremos para cocinar, pero también se produce luz. Y viceversa, cuando se usaba gas para alumbrar el efecto no deseado era el calor. Esto es por los propios mecanismos físicos, pero además hay deficiencias en el aprovechamiento por motivos humanos, si ponemos la mano un metro por encima de la sartén sentiremos calor, es decir: no estamos aprovechando todo el calor generado.

La eficiencia es la habilidad de convertir de un tipo de energía a otro tipo concreto y diferente.

Ya que los intervalos de tiempo son iguales, se puede hablar de forma equivalente de potencia (la potencia es la energía empleada en un cierto tiempo). Se mide habitualmente en tanto por ciento y es el cociente entre la energía inicial invertida y la energía útil final obtenida.

* Sólo en física clásica.


Un poco de física orientada al audio: Cómo se mide el sonido.

En el caso del audio, se trata de convertir energía eléctrica en energía sonora, es decir: variación armónica de la presión del aire. En el sistema internacional se mide en watios dividido por metro cuadrado. Pero habitualmente esto se mide en Bells (B), en honor a Alexander Graham Bell, y más habitualmente se mide en decibelios (dB), la décima parte de un Bell.

Se eligieron los decibelios porque son más próximos a la audición humana, se considera que 1dB es la mínima cantidad de sonido audible por una persona media con un tono puro de 1kHz y responden a la misma escala de crecimiento: los decibelios son logarítmicos y nuestro oído también es logarítmico: No se responde proporcionalmente a una potencia sonora de 1W/m^2 frente a 2W/m^2, 2W sonarán "un poquito más fuerte", mientras que para que nuestro oído interprete que suena el doble de fuerte habría que invertir 10W/m^2. Esto equivale a diferencias de sonido de 10dBs. 40 dB suenan el doble de fuerte para nuestro oído que 30dB.

La eficiencia en un altavoz se mide en dB@ 1W1m, es el nivel de decibelios que puede generar un altavoz cuando se le inyecta una señal de 1W eléctrico, medido a un metro de distancia. Se mide asi porque la presión sonora se dispersa con la distancia, y porque cuantos más watios se inviertan en hacer sonar el altavoz más dBs de sonido producirá, por eso se toma 1 watio y una distancia de un metro como norma.


Los ingenieros suelen decir que los amplificadores de audio son máquinas de tirar watios. Es cierto, pero hay problemas mucho más serios que la ineficiencia de una etapa. Es una pena que no se estudien más en profundidad los los altavoces en ingenierías, porque en comparación es meramente anecdótico:

Un altavoz de eficiencia 88dB/1W1m tiene un 0.5% de eficiencia.
Un altavoz de eficiencia 94dB/1W1m tiene un 2% de eficiencia.
Un amplificador clase AB tiene un 65% de eficiencia.

Es obvio cual es el peor elemento de la cadena, y también es obvio qué mejorar si se quiere producir más sonido. Aún así, cuando nuestro equipo sea supereficiente, habrá que ver cómo de coherentes somos con nosotros mismos, porque una bombilla de incandescencia tiene un 4-5% de eficiencia y no solemos escuchar música a oscuras. Seguramente sería mejor que nos concentrásemos en obtener niveles razonables de SPL de la forma más adecuada posible.

Hay dos parámetros externos a tener en cuenta cuando se habla de la potencia de un amplificador: eficiencia e impedancia.

Eficiencia: es la habilidad del altavoz de convertir watios en decibelios, no todos los altavoces generan lo mismos decibelios con los mismos watios. La eficiencia habitual en unas pantallas acústicas es de 88 dB con una señal de un watio a un metro, esto supone que una etapa de 25W sería capaz de generar nivel sonoro máximo de 102dB y una etapa de 50W 105dB. ¿Porqué esta mínima diferencia de sonido si se invierte el doble de potencia? Porque captamos el sonido de forma logarítmica, no lineal.

Impedancia: Es la resistencia que ofrece el altavoz al paso de la corriente en cada frecuencia: cuanta menos impedancia, más potencia admite de una misma etapa, aunque para las etapas lo ideal es que se les exija la menor cantidad de corriente y voltaje posibles. Esto es así porque los amplificadores son por lo general fuentes de voltaje: proporcionan un voltaje a la salida y entregan corriente en función de la carga existente.


Por ejemplo, una etapa de 25W entrega esos 25W con altavoces de 8 Ohm, y 50W con altavoces de 4 Ohm; con una de 50W, entrega 50W a 8 Ohm y 100W a 4 Ohm. Con altavoces de 4 Ohm y 88dB/1W1m la presión sonora máxima sería de 105dB para la etapa de 25W y de 108 para la etapa de 50W.


Debo hacer un inciso para explicar una fuente muy común de error: ¿Suena más alto un altavoz que aguante más potencia? La potencia no está relacionada linealmente con el SPL, por lo que matemáticamente se debe decir que no, pero hay casos en lo que "si" y en los que "no". Se debe examinar cada caso particular.

Tenemos un Supravox 165, 95dB de eficiencia y 30W RMS, y lo comparamos con un tweeter de 90dB@1w1m y 25W. Tiene más potencia y más eficicencia el Supravox, el SPL ante una misma señal de entrada será mayor en el Supravox y el SPL máximo también será mayor en el Supravox, 110dB frente a 104dB del tweeter. Es el caso en el que "si".

Ahora vamos a compararlo con el AT SK-170-308, 90dB de eficiencia y 200W RMS. Ante la misma señal produce más SPL el Supravox, pero el SPL máximo el mayor en el AudioTechnology, que genera 113dB @1w1m frente a los 110 del Supravox. Ambas son cantidades respetables, pero la diferencia es de 3dB, uno lo hace con 200W y el otro con 30W. Este es el caso en el que "depende".

Para terminar este inciso, el Supravox frente al Scan-Speak 18W8535, 86dB de eficiencia y 70W RMS. Tiene más potencia que el Supravox. Ante la misma señal de entrada dará más SPL el Supravox, y en términos máximos el Scan-Speak genera un SPL máximo de 104dB frente a los 110 del Supravox. Es el caso en el que "no".


Volviendo a la realación entre potencia y eficiencia podemos establecer la siguiente tabla:

Potencia a
8 Ohm

SPL
8 Ohm

Potencia a
4 Ohm

SPL
4 Ohm

Potencia a
2 Ohm

SPL
2 Ohm

1

90

2

93

4

96

2

93

4

96

8

99

4

96

8

99

16

102

8

99

16

102

32

105

16

102

32

105

64

108

32

105

64

108

128

111

64

108

128

111

256

114

128

111

256

114

512

117

256

114

512

117

1024

120

512

117

1024

120

2048

123

1024

120

2048

123

4096

126

De ella podemos comentar lo siguiente: pasar de 100W a 1000W supone unos 10dBs, mientras que el precio de la etapa no responde al aumento de SPL exigido. Peor es la comparación entre 123 y 126dBs, ahí hay que invertir 2048 watios para producir un simple aumento de 3dBs, es obvio que utilizar un altavoz más eficiente o símplemente usar un altavoz suplementario es una solución más eficaz.

También vemos que 100W son capaces de dar un nivel sonoro más que realista, recuerdo que 120dBs no son el máximo, no hay máximo. 120dB SON EL HUMBRAL DEL DOLOR. A partir de esa cifra se pueden producir daños permanentes en el oído, y sinceramente: hay que ser estúpido para mutilarse voluntariamente de esta manera.

La conclusión de este apartado es que hay muchas maneras de generar niveles altos de SPL con nuestro equipo, que aumentar la potencia es sólo una de ellas y habitualmente es la menos aconsejable. Es obvio que con bajas potencias, del orden de 8-16W se pueden producir aumentos significativos con un coste moderado, y también es obvio que a partir de un cierto nivel de potencia ya no merece la pena invertir el dinero en watios, sino en la eficiencia del altavoz, o en el número de altavoces, que aumenta la eficiencia a la vez que disminuye la impedancia.


 

DISTRIBUCIÓN DE LA POTENCIA EN UN SISTEMA.

¿Se han preguntado porqué un tweeter de 25W puede funcionar junto a un woofer de 100W? Lo lógico es que se queme... pero no se quema.

Aparte de que no es frecuente llegar a 25W, es porque la distribución de la potencia en la música no es constante en todas las bandas: por ejemplo, el contenido musical entre 20 y 40 Hz, y entre 10.000 y 20.000 Hz es sumamente bajo, ráramente llega al 10% del contenido entre 200 Hz y 400 Hz.

Si examinamos el espectro de diferentes tipos de música podremos ver que casi siempre se responde a un mismo patrón: se distribuye como una campana asimétrica centrada entre 100 y 400 Hz. Lo que modifica esta distribución es la presencia de instrumentos que destacan.

Examinamos música clásica: "Danza infernal" de "El pájaro de fuego" de Igor Stravinsky, grabación de Telarc. A la izquierda, 0'11", compases iniciales; centro 1'18" orquesta de fondo y, trompetas: armónico muy definidos; derecha 2'15": la orquesta se anima con graves. Derecha abajo 3'20" se intuye el final: apoteosis orquestal y grandes percusiones de bombo. La firma de una buena grabación, hay un gran contenido por debajo de 40 Hz.


"Natural Blues" del disco "Play" de Moby. Se nota que abusa de los graves, lo que desplaza la campana a la izquierda. A la izquierda, 0'33", sólo voz, a la derecha,1'49" cuenta con todos los instrumentos, destacando bajo y percusión.

Y los subgraves recortados. En muchos casos lo que marca el análisis del espectro es ruido de la grabación, existe un tipo de ruido creado por la analógica (vamos a suponer que siempre se usa un buen filtro anti-aliasing) que se manifiesta a baja frecuencia que potencia estos niveles de ruido aunque en agudos esté por debajo de lo que permite el CD.

"Dig your own hole" del disco del mismo nombre, Chemical Brothers, una anomalía dentro de la música electrónica y no sólo por su calidad sino por la presencia de subgraves importantes. Y un silbato a 800 Hz+armónicos.

Es mucho más habitual en la música electrónica más comercial que se corte todo lo que está por debajo de 50 Hz, aunque se prime la presencia de graves como se puede ver por la distribución. Los altavoces que "decoran" los bares no suelen estar preparados para dar menos, suelen tener frecuencias de resonancia altas (~40 Hz) y Qes muy bajos, marca de un motor con gran fuerza, necesario para dar eficiencia


Cuanto más estándar es la música más se aproxima su espectro a la campana. Pop: a la derecha, "Te necesito" del disco "Estrella de Mar" de Amaral, con el pico de valor máximo en 250 Hz y gran presencia de la percusión, pero con muy pocos subgraves.

Más pop: "Eye in the sky" de Alan Parson`s Project. Más de lo mismo. En este punto podemos ver que cuanto más compleja es la música más denso es su espectro, se ven menos "huecos". En la "Danza infernal", cuanto más nos acercamos al final más instrumentos se suman. Comparando Amaral con Alan Parson's Project podemos verlo.

"Under the Bridge" del disco "Blood Sugar Sex Magic" de Red Hot Chili Peppers. Prácticamente sólo es voz y guitarra, y se puede ver en el espectro. Se puede comprobar lo afirmado anteriormente. Nada de subgraves.

La presencia de grave depende mucho de la música y también la presencia de subgrave, pero ésta depende sobre todo de la calidad de la grabación, no se ponen subgraves si se prevee un público muy amplio que lo va a escuchar en minicadenas, el coche, radiocasettes,.... En cambio los agudos por encima de 4000 Hz si que siguen la distribución de una forma más fiel, muy raras veces están a menos de -20dB (10%) de la potencia que hay entre 100 y 400Hz, llegando a -40dB.

En base a la estadística se puede establecer la siguiente distribución de las potencias.

Frecuencia de corte (Hz)

Potencia banda grave  (%)

Potencia banda aguda (%)

250

40

60

350

50

50

500

60

40

1200

65

35

3000

85

15

4000

87.5

12.5

5000

90

10

Si se desea calcular la distribución para otras frecuencias se puede operar con la media geométrica (sqrt(a·b)) dando resultados correctos.

Esta distribución es para potencia RMS, pero como veremos en la sección de "Los watios de calidad" existen motivos para aumentar la entrega de corriente de la etapa (aunque esto no aumente necesariamente la potencia RMS sobre 8 Ohm) en graves.


POTENCIA EN SISTEMAS MULTIAMPLIFICADOS

En un sistema multiamplificado la potencia equivalente es mayor que la suma de las potencias individuales de cada amplificador.

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; uno de 22.5W y otro de 2.5W.

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

La potencia equivalente es mayor que la suma de las partes porque la potencia depende del cuadrado del voltaje, la potencia entregada sobre 8 Ohm es P=(V^2)/8. Una suma eléctrica de dos ondas de 10 Voltios de pico (Vp) dan una onda con valores de pico de 20V; para generar cada onda de 10Vp en una carga de 8 Ohm se requieren 12,5Wp, pero para generar ondas de 20Vp sobre 8 Ohm se requieren 50Wp. El truco consiste únicamente en separarlas antes de amplificarlas.


Mayor eficiencia multiamplificando.

Partimos de una premisa bastante lógica: Hay que aprovechar al máximo los watios que entregue una etapa.

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. Esto es una ventaja, ya que como hemos visto en la introducción un amplificador de pocos watios tiene más facilidad para dar calidad y velocidad, es más adecuado para un tweeter.

En toda pantalla acústica pasiva 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, pero en multiamplificación es posible enviar la potencia exacta.

Pongamos por caso un motor de compresión de 112dB@1W1m, que se tiene que adaptar a un woofer de 97dB; Se pierden 15dB, es decir: la potencia que le llega al motor de compresión es el 3,12% de la potencia generada. Supongamos que manejamos una etapa de 500W, que tiene un voltaje de pico de 63V; el máximo voltaje que llegará a la unidad de compresión son 2 voltios de pico. Esos míseros 2 voltios suponen medio watio, pero sumados al voltaje de alimentación de 63V suponen añadir 30W a la etapa. En cifras de eficiencia esto es, según la distribución habitual de la música y contando con el corte a 3kHz:

pasivo: 4%
activo: 4.5%

Es un aumento del 12.5%. Aunque parezca una cifra baja, ¿conoce usted alguna manera de aumentar un 12.5% la potencia de una etapa? El resultado sería el mismo.

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 50 se puede tener el equivalente a 800W, con más calidad. En esos niveles de potencia ya empieza a ser más rentable dos etapas de menor potencia que una de mucha.

Si un altavoz con menos potencia funciona sin insuficiencias en un rango determinado, un amplifcador de menos potencia también lo hará correctamente en ese mismo rango.

 


 

TIPOS DE WATIOS

Desde el punto de vista de la física sólo existen unos watios, los que se derivan de emplear ciertos Julios por segundo, pero desde el punto de vista de la electrónica se han desarrollado varios tipos de medida que caracterizan mejor ciertos sistemas, sin hablar de potencias reactivas, sólo activas; es la potencia activa es la que produce trabajo, la que "calienta" por decirlo de alguna manera.

VA. Voltamperios.

Es una medida de potencia real usada extensivamente en electricidad, en electrónica sólo se usa de forma extendida para los transformadores, pero señalaremos brevemente su uso. La potencia es el producto entre corriente, que se mide en Amperios, y voltaje, que se mide en Voltios. En alusión a la potencia activa y reactiva, puede suceder que en una señal cíclica los máximos y mínimos de la corriente no coincidan en el tiempo con los del voltaje. Los voltamperios miden la potencia real que se consume.

 

Watios RMS (root mean square).

En realidad los watios RMS no existen, existen los Amperios RMS y los Voltios RMS, lo que se suele conocer como watios RMS es el producto entre Amperios RMS y Voltios RMS. Son una media de la potencia real frente al tiempo, caracteriza una potencia entregada de forma continua o en su defecto periódica.

Watios de pico.

No todas las ondas son iguales. Podemos suministrar varios Watios intercalados por estados de reposo, y su medida RMS sería diferente del estado activo al estado de reposo, acotando el intervalo. Para caracterizar éste comportamiento se emplean los watios de pico, que indican la potencia máxima entregada en un momento.

Watios de pico a pico.

Al igual que en los watios de pico, se pueden producir entregas periódicas que no están caracterizadas por la potencia RMS. Esto es lo mismo que lo anterior, pero se emplea con señales cíclicas, y el sonido es una suma muy compleja de oscilaciones cíclicas. Esta medida se refiere a la potencia máxima entre dos ciclos, tanto entregando como absorbiendo corriente.

Watios DIN.

Una medida que empieza a tener menos relación con la potencia real que entrega una etapa. Viene a ser raíz cuadrada de dos por la potencia RMS.

Watios frente a THD.

Un amplificador de 100W RMS por canal bien diseñado podría suministrar hasta 140W por canal en la misma carga entregando una onda cuadrada en vez de una onda senoidal. Pero una onda cuadrada no nos es útil en absoluto, la música no es así. El grado de inutilidad de esa señal se puede medir mediante la distorsión armónica.

A la derecha, una onda con un leve recorte; abajo, las componentes armónicas creadas.

Una onda cuadrada es una suma de muchas ondas senoidales cada una con una frecuencia y amplitud concretas, y la distorsión armónica lo que mide es exactamente eso, la amplitud de las ondas que no deberían estar. Y ahora ¿qué nivel de THD es admisible?

Es decir, ¿cuántos armónicos no deseados hay y cómo de grandes? La potencia habitual medida por fabricantes se hace con el 10% THD, pero a efectos auditivos es sumamente desagradable. Considero un 1% más adecuado para ver en qué momento se agota la potencia útil y cuando empieza el recorte.

Watios PMPO.(Peak maximun power output).

Esta escala de medida es la más engañosa e irreal con diferencia. Y es la más empleada por los fabricantes, porque es la que más "watios" parece dar. Los watios PMPO son los watios que aguantaría un cierto componente sin quemarse durante un intervalo de tiempo no definido (puede ser un nanosegundo si al fabricante le apetece), por lo que es todavía más inútil e irreal si la medida de los watios no es igual para todos los productos.

Estos son los watios que se utilizan para medir altavoces multimedia, minicadenas baratas, etc... aprovechándose de la ignorancia de los compradores y del tirón de los watios. Pero contra eso se puede luchar, y ni siquiera hay que ser un erudito de la electrónica, basta con saber leer, y saber qué leer. Los aparatos eléctricos suelen llevar una inscripción con el consumo máximo y el voltaje nominal, y es donde se ven los trucos. En altavoces multimedia de 2000W pmpo se puede leer que el consumo es de entre 15 y 25 VA y faltan entre 1975 y 1985 W. ¿de dónde salen? ¿Del aire? ¿De la energía solar?... De ninguna parte, porque simplemente no se producen, no es una medida de la potencia entregada y por lo tanto no tiene ni la más mínima validez.

En este caso desde la industria han demostrado lo "listos" que son, o viéndolo de otra manera el consumidor ha demostrado no serlo. Han aprovechado un hecho: que con bajas potencias se pueden producir niveles de SPL más que suficientes, eso reduce enormemente los costes ya que la potencia es cara. Exactamente lo que recomiendo, no usar potencias exageradas.

Pero para venderlos hay que poner muchos watios en la caja, y ahí es donde han utilizado una medida completamente irreal pero no ilegal que marca muchos watios. Desgraciadamente los vendedores no le van a advertir de esto, principalmente porque en la gran mayoría de los establecimientos de consumo ni siquiera están al corriente.

 

Resumiendo, no se dejen engañar, los medios para no ser engañado están en su mano, y ahora además ya los conoce.


LOS WATIOS DE CALIDAD

Hemos comentado en la introducción que algunos amplificadores con menos potencia parecen dar más sonido incluso teniendo menos potencia. Hemos hablado de la calidad de los watios.

Esto físicamente no tiene ni el más mínimo sentido por sí mismo, un watio es un watio y punto.

Pero un altavoz es de todo menos una carga resistiva y es ahí donde cobra sentido la "calidad" de los watios: Las insuficiencias de carga generan distorsión armónica y compersión a niveles audibles que se puede medir, y mejor aún: calcular.

Lo habitual es dimensionar la corriente que entrega una etapa para que pueda dar los watios especificados en una resistencia. Pero encima ni algo tan sencillo se hace bien... porque se calculan los Amperios RMS, no los amperios de pico, ya que un amplificador va a trabajar con una suma de señales senoidales. Para dar 100W en una carga de 8 Ohm son necesarios 28 Voltios RMS y 3.5 Amperios RMS, pero esta onda senoidal van a necesitarse picos de 40 voltios y 5 Amperios.

Resultado, a nuestro oído esos 100W no le van a sonar a 100W porque se producirá una compresión de la señal, se generarán armónicos de orden impar en fase con el armónico fundamental, principalmente 3º, que restarán potencia eficaz a la onda entregada y con más efectos perniciosos a nivel psicoacústico: los armónicos de orden impar hacen suave al sonido. Comparen el sonido de una trompeta (pares e impares) con el de un flautín (impares), también, se puede comprobar fácilmente con configuraciones push-pull de altavoces, bien en cámaras isobáricas o en baffles W o H. Y se puede comprobar que 5 A de pico son 3.5 RMS con onda senoidal, pero hay que estar preparado para dar ese pico porque ese pico tiene información valiosa para nuestro cerebro.

Acabamos de ver un incorrecto dimensionado para una resistencia, pero también hemos dicho que un altavoz es muy diferente a una resistencia. Un altavoz es un dispositivo que funciona con campos magnéticos. Está la resistencia DC por un lado, pero hay una componente serie reactiva, como en los motores. Arrancar un motor supone una cantidad de corriente exagerada, luego en régimen permanente consumen muchísimo menos. Es algo parecido a lo que pasa en un motor de un altavoz, la bobina demanda y entrega cantidades de corriente que no son constantes ni siquiera en un mismo ciclo, y esas corrientes se invierten en variar el campo magnético, y viceversa (para AC), esa variación del campo crea corrientes. Si demanda corriente, Z baja en ese instante, si la cede, aumenta. Lo mismo que en un motor. Y como es de suponer, estas corrientes se invierten en variar la posición del altavoz, en acelerarlo y frenarlo.

¿cuánto afecta la carga?

La explicación al concepto de "watios de calidad" es que los altavoces no sólo necesitan watios, necesitan amperios (corriente) porque de esta manera se controla el movimiento del cono, sus aceleraciones y deceleraciones. Esto se deduce de una sencilla ecuación:

, la 1ª ley de Newton

es la fuerza.
es la aceleración lineal.
es la masa móvil del altavoz, .


A continuación explicamos qué otros parámetros usaremos.

=corriente
= producto de fuerza del motor magnético del altavoz
es la derivada segunda de f(t) respecto del tiempo.
= velocidad angular =
=desplazamiento lineal

y los picos de corriente se calculan según:

 

como es una función acotada entre 1 y -1, se alcanza el máximo valor en:

Por lo que

 

 

Con esto se deduce que para obtener un correcto movimiento del cono se requieren, por ejemplo un altavoz de 10" de 8 Ohm con BL=8.8 N/A y Mms= 55g para dar 111dB requiere picos de 9.9 Amperios. Según los cálculos habituales éstos picos de corriente corresponden a etapas de 790 W, cuando los cálculos de potencia y eficiencia habituales indican que se requerirían 203W con una eficiencia de 88dB/1W.

En una etapa de 25W que es capaz de entregar corrientes de pico repetitivas de 7 Amperios podemos emplear toda su potencia sin compresión. El dimensionado habitual de una etapa de 100W está en 3.5A por canal y 7A corresponderían a 350W. Por eso, a pesar de tener 25W, puede mover los altavoces con "alegría".


 

LOS ALTAVOCES TAMBIÉN CUENTAN

Hemos visto antes que un altavoz normal tiene unos 88dBs de eficiencia, lo que es un 0,5% de eficiencia energética, es decir: si se le suministran 100W, 0,5 se invertirán en producir sonido y 99,5 en producir calor. Por lo tanto un exceso de potencia lo puede quemar.

Para los altavoces también se emplean medidas irreales, pero más acordes con la realidad. Por ejemplo como potencia nominal se emplea la potencia DIN, muy diferente de la potencia RMS. Es admisible desde el momento que la música es una señal cambiante y puede tener picos iguales o levemente mayores que la potencia nominal pero estos picos no se repiten cíclicamente, lo que haría que el calentamiento destruyese el altavoz. Para que el altavoz se queme hace falta tiempo y esto es lo que lo salva.

Pero el problema es que tienen limitaciones en la potencia admitida por otros fenómenos completamente independientes de la etapa y de "freírse".

1: Limitación de la potencia admisible por excursión máxima.

Un altavoz tiene que moverse para crear sonido. Cuanto más grave sea ese sonido, más tendrá que moverse. Concretamente el desplazamiento aumenta de forma inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia, y es obvio que el cono no puede entrar y salir de forma indefinida, está limitado por un parámetro llamado Xmax.

En el gráfico de la derecha podemos ver cuánto se tiene que desplazar un altavoz en cada frecuencia frente a una entrada constante. Se trata del 1500GTi de JBL, con una potencia máxima de 600W RMS, ante una señal de 150W RMS, y vemos que todo lo que queda por encima de la línea roja no es útil, como por mucho que tenga 600W en este tipo de caja y cómo por debajo de 65 Hz ya no se le pueden meter más de 150W.

Xmax viene a decir cuanto se puede desplazar el cono sin que la bobina se salga del campo magnético, lo que nos daría una idea del rango útil, ya que cuando la bobina se sale del entrehierro, donde está concentrado el campo magnético, ya no se produce fuerza, se produce compresión del sonido y unos niveles de distorsión armónica inaceptables.

Existe otro parámetro menos estandarizado llamado Xdam, que indica el desplazamiento máximo que garantiza la integridad del altavoz; aunque fuera del entrehierro no se pueda acelerar tanto el cono por simple inercia se puede alcanzar fácilmente.

Esta es la limitación externa más importante a la potencia.

Vemos en la siguiente tabla la potencia máxima admisible para un altavoz de 12" en una caja cerrada, Qb=0.5, con una potencia nominal de 200W RMS y un Xmax de 5mm y 90dBs de eficiencia:

Frecuencia (Hz)

Potencia máxima admisible

SPL obtenido

200

200

112.9

150

200

112.9

100

200

112.9

80

190

112.7

70

140

111.4

65

120

110.7

60

90

109.5

55

70

108.4

50

55

107.3

40

35

105.9

30

20

104.7

20

11

102.9

Vemos que hay una diferencia de 10dBs entre 20 Hz y 200 Hz, y que la diferencia de potencia máxima admisible es de 18 veces entre el máximo y el mínimo.

Hay dos limitaciones, una es mantener la calidad del sonido, éste precepto debería ser inevitable pero el mundo real nos enseña que muchos diseñadores mediocres prefieren anteponer la rentabilidad a un mínimo de calidad. Por eso son mediocres. Y la otra es de vital importancia: Mantener la integridad del altavoz.

 

2: Compresión de potencia.

Cuando se entrega mucha potencia a un altavoz, éste se calienta. La temperatura es un enemigo del magnetismo y de la electricidad. Cuando la bobina de voz se calienta aumenta su resistencia DC y admite menos potencia, como hemos visto en las tablas. También los fenómenos magnéticos pierden eficiencia, y el resultado es que un altavoz puede producir el mismo SPL con 500 W que con 1000, incluso puede ser menor.

Veamos lo siguiente, son datos obtenidos de la hoja de caracterísitcas del 2020H de JBL, un midwoofer de PA de 12":

Power Compression:

at -10 dB power (30 W): 0.5 dB
at -3 dB power (150 W): 1.7 dB
at rated power (300 W): 2.8 dB

Es decir, a 300W RMS se está produciendo el mismo SPL que se produciría a 150W en frío.

Esto ha llevado a los fabricantes a desarrollar mejores ventilaciones para los motores magnéticos, para que puedan evacuar el calor generado y la temperatura se mantenga en límites admisibles que no afecten al funcionamiento. Los altavoces de alta potencia requieren estas técnicas de manera inevitable porque se pueden producir compresiones térmicas de hasta 10dB. Recordamos que esto es lo que supone pasar de 100W a 1000W.

 

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