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

Cuando las personas buscan comprar un amplificador de audio para automóvil, la especificación que verifican con más frecuencia es cuánta energía puede producir. La potencia se mide 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 de la incorrecta.

¡Hora del diccionario!

Primero, eliminemos la definición formal de vatio. Un vatio es una unidad SI (Systéme International) de medida de potencia. La energía no tiene que ser eléctrica. De hecho, la unidad de vatio recibió su nombre de James Watt y se creó 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 opuesta. Al referirse a un motor eléctrico, 1 caballo de fuerza equivale a 746 vatios.

Tan divertido como es hablar de caballos de fuerza, somos entusiastas del audio del automóvil, así que volvamos al tema con una explicación de los vatios eléctricos.

En términos eléctricos, un vatio es una transferencia de 1 julio de energía durante un período de 1 segundo. La siguiente pregunta lógica es ¿qué es un julio? Un joule es otra unidad de medida del SI y define la cantidad de trabajo necesario para mover una carga de 1 culombio a través de un potencial eléctrico de 1 voltio. Sí, la pregunta ahora se traslada al culombio:¿qué demonios es eso? Un culombio es una unidad de carga eléctrica y equivale a -6,242 x 10^18 electrones.

¿Perdido todavía? No te preocupes; solo estamos apaciguando a los nerds de las matemáticas y las medidas entre nosotros. Analicemos esto en lo que importa.

Cuando queremos usar electricidad para hacer trabajo, tenemos que hacer fluir electrones a través de un dispositivo como un filamento, un motor o una 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 móvil sea atraída o repelida por el imán fijo de nuestro altavoz. Cuando hacemos fluir más electrones, se realiza más trabajo y el altavoz se mueve más hacia o desde el imán.

Matemáticas poderosas

Aquí es donde empezamos a hablar de ecuaciones de potencia. Existen tres métodos comunes para calcular la potencia en un circuito, pero necesitamos conocer los valores de otras variables como el voltaje, la resistencia o el amperaje. Cualquiera de estas dos variables se puede usar para calcular la potencia realizada en un circuito. Estas son las ecuaciones:
Si tenemos un circuito con una resistencia de 4 ohmios y le aplicamos un voltaje con un potencial de 10 voltios, entonces tenemos 25 watts 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 anteriores 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 la potencia, el técnico generalmente conecta el amplificador a un banco de resistencias de carga de alta potencia y luego mide la salida del amplificador cuando la señal ha alcanzado un nivel de distorsión del 1%. . La medida que se toma es el voltaje. La mayoría de las veces, 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 da como resultado 968 vatios. Es muy simple y muy repetible, pero no funciona en el mundo real. Veamos por qué.

Resistencia frente a reactancia

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

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

Un inductor no es más que una bobina de alambre. Vemos inductores en redes cruzadas pasivas y las etapas de filtro de amplificadores de Clase D. Cuando los electrones fluyen a través de un inductor, crean un fuerte campo magnético. Cuando quitas 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 ese flujo de electrones a un lugar al que ir, que no sea de vuelta al circuito que controlaba la función del relé.

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

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

Corriente y Voltaje

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

Deje que eso se hunda por un segundo, luego vuelva a pensar en nuestras ecuaciones de poder. La potencia es voltaje por corriente. Pero, ¿y 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 de CC del inductor y la reactancia inductiva:para la mayoría de los altavoces de audio para automóviles, la resistencia de CC suele estar entre 2 y 8 ohmios. La inductancia oscila entre 0,04 mH para un tweeter de alta calidad y más de 5 mH para un subwoofer grande.

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

Estamos seguros de que estás de acuerdo:todo es muy complicado, pero no te rindas todavía.

¿Cómo medimos la potencia real en un circuito de CA? Hay un par de maneras. Podemos medir la corriente y el voltaje instantáneos a una tasa de muestreo muy alta y multiplicarlos juntos. La tasa de muestreo tendría que ser 20 o 30 veces la frecuencia que medimos para ser razonablemente precisa. 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 el voltaje y la corriente entre sí.

Esos chicos y Watts SPL

Si está leyendo esto, es probable que navegue por Internet con cierta frecuencia. Sin duda, ha visto a los entusiastas de SPL intentar medir la potencia producida por sus amplificadores "sujetándolos". Conectan una pinza amperimétrica a uno de los cables de los altavoces que salen del amplificador y colocan un voltímetro entre los terminales del amplificador.

Esto crea tres problemas:

1. Deben conectar el voltímetro a los terminales de los altavoces. Debido al alto flujo de corriente, la resistencia en el cable del altavoz puede desperdiciar una cantidad apreciable de energía.
2. Con un voltímetro y una pinza amperimétrica, no conocemos 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. Por lo general, realizan estas pruebas a niveles de potencia extremadamente altos. Las enormes cantidades de energía calientan las bobinas de voz rápidamente. Este calor también aumenta rápidamente su resistencia. Este aumento en la resistencia hará que disminuya la corriente que fluye a través del altavoz. Si la pinza amperimétrica conectada está en modo de "retención de picos", almacenará una lectura máxima de la corriente inicial que fluye a través de la bobina móvil. 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 disminuye la corriente, el voltaje que sale del amplificador puede aumentar, dando una lectura falsa al voltímetro en el modo de retención de picos. Este aumento de calentamiento y resistencia puede ocurrir en cuestión de segundos.

Si pensaba que nuestra definición de vatio era complicada, explicar cómo calcular la potencia en una carga reactiva lo llevaría al límite, por lo que no lo explicaremos todo. Ese es un tema guardado para cursos universitarios sobre alimentación de CA. Lo que haremos hacer es proporcionar una solución para realizar mediciones de potencia complicadas.

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

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

Lo que necesita saber

Cuando compra un amplificador, los números que generalmente ve cotizados se miden en cargas resistivas. La mayoría de los amplificadores no tienen problemas para impulsar cargas reactivas, por lo 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 la medición de potencia define la distorsión máxima de la señal durante la medición como 1 %, y no más de 14,4 voltios pueden suministrar el amplificador. Comparar las especificaciones de potencia con este estándar ha nivelado el campo de juego en la industria del audio para automóviles.

Veremos algunas otras especificaciones de amplificadores muy importantes en otro artículo. Estas otras especificaciones pueden, de hecho, ser más importantes para elegir el amplificador adecuado para su sistema que la potencia que produce el amplificador. Hasta entonces, acérquese a su distribuidor local especializado en audio para automóviles para conocer los últimos amplificadores disponibles para su sistema. Hay algunos amplificadores nuevos increíbles en el mercado con muchas características geniales.

¡Feliz escucha!