AMPLIFICACIÓN Y LIMITACIÓN DE...

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AMPLIFICACIÓN Y LIMITACIÓN DE ALTAVOCES Pepe Ferrer [email protected] 1

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AMPLIFICACIÓN Y LIMITACIÓN DE ALTAVOCES

Pepe [email protected]

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EL OHMIO (TAMBIÉN OHM) ES LA UNIDAD DE MEDIDA DE LA RESISTENCIA QUE OPONEN LOS MATERIALES AL PASO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Y SE REPRESENTA CON LA LETRA GRIEGA Ω (OMEGA).

EL OHMIO SE DEFINE COMO LA RESISTENCIA QUE OFRECE AL PASO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA UNA COLUMNA DE MERCURIO (HG) DE 106,3 CM DE ALTO, CON UNA SECCIÓN TRANSVERSAL DE 1 mm2, A UNA TEMPERATURA DE 0º CELSIUS.

ESTA LEY RELACIONA LOS TRES COMPONENTES QUE INFLUYEN EN UNA CORRIENTE ELÉCTRICA, COMO SON LA INTENSIDAD (I), LA DIFERENCIA DE POTENCIAL O TENSIÓN (V) Y LA RESISTENCIA (R) QUE OFRECEN LOS MATERIALES O CONDUCTORES.

LA LEY DE OHM SE PUEDE EXPRESAR MATEMÁTICAMENTE A PARTIR DE LA SIGUIENTE FÓRMULA O ECUACIÓN:

I= V / R / V=I R / R= V / I

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LEY DE OHM

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PARA CALCULAR LA POTENCIA QUE CONSUME UN DISPOSITIVO CONECTADO A UN CIRCUITO ELÉCTRICO SE MULTIPLICA EL VALOR DE LA TENSIÓN, EN VOLT (V), POR EL VALOR DE LA INTENSIDAD (I) DE LA CORRIENTE QUE LO RECORRE EXPRESADA EN AMPERIOS (A).

LA ECUACIÓN QUE LA DEFINE ES LA SIGUIENTE:

P = V I LA POTENCIA ENTREGADA POR UN DISPOSITIVO ES EL PRODUCTO DEL VOLTAJE Y LA CORRIENTE.

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POTENCIA

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EL VOLTAJE Y LA INTENSIDAD DE CORRIENTE QUE FLUYE POR UN CIRCUITO ELÉCTRICO SON DIRECTAMENTE PROPORCIONALES A LA POTENCIA. ES DECIR, SI UNO DE ELLOS AUMENTA O DISMINUYE SU VALOR, LA POTENCIA TAMBIÉN AUMENTA O DISMINUYE DE FORMA PROPORCIONAL.

V = W / I / I = W / V

ENTONCES PODEMOS DEDUCIR QUE, 1 WATT (W) ES IGUAL A 1 AMPERE DE CORRIENTE ( I ) QUE FLUYE POR UN CIRCUITO, MULTIPLICADO POR 1 VOLT (V) DE TENSIÓN O VOLTAJE APLICADO.

TAMBIÉN PODEMOS CALCULAR LA POTENCIA COMO:

W= I² R / W = V² / R

EL VOLTAJE COMO: V =√ W R Y LA INTENSIDAD COMO : I =√ W/R

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POTENCIA

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EL COCIENTE ENTRE EL VALOR PICO Y EL VALOR PROMEDIO DE UNA SEÑAL SE DENOMINA FACTOR DE CRESTA

EL FACTOR DE CRESTA DE UNA ONDA SENOIDAL ES 3dB

EL FACTOR DE CRESTA NOS INDICA LA CAPACIDAD MEDIA DE POTENCIA EN LOS AMPLIFICADORES Y, POR LO TANTO, ES UN VALOR DECISIVO EN EL CÁLCULO DE CONSUMO ELÉCTRICO.

+Pk

-Pk

VALOR PICO 1

VALOR RMS 0,707

FACTOR DE CRESTA = 3 dB (1,414:1)

+Pk

-Pk

VALOR RMS 0,25

VALOR PICO 1

FACTOR DE CRESTA = 12 dB (4:1)

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FACTOR DE CRESTA

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EL VALOR EFICAZ (RMS) DE UN ONDA SENOIDAL ES: Ao / √2

EL VALOR RMS PRODUCE EL MISMO EFECTO CALORÍFICO QUE SU EQUIVALENTE EN CORRIENTE CONTINUA.

EL VALOR EFICAZ (RMS) DE UNA MAGNITUD VARIABLE EN EL TIEMPO, SE DEFINE COMO LA RAIZ CUADRADA, DE LA MEDIA DE LOS CUADRADOS DE LOS VALORES INSTANTÁNEOS

EJEMPLO: SI LA TENSIÓN ES 230V AC (VALOR EFICAZ) ESTA PRODUCE LA MISMA TENSIÓN QUE 230V CC, Y SU TENSIÓN PICO SE EXPRESA COMO EL VALOR RMS x √2. ES DECIR: 325V AC

PODEMOS CUANTIFICAR EL NIVEL DE LA TENSIÓN EN UN MOMENTO DADO, A PARTIR DE LA ECUACIÓN:

Vt = Vo . Sin (2Π@)

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FACTOR DE CRESTA

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• ONDA SENOIDAL (FTC / EIA) : EN AMBOS CASOS SU FACTOR DE CRESTA ES 3dB, ES DECIR, TIENEN UNA RELACIÓN 1,414: 1 EN VOLTAJE Y UNA RELACIÓN 2:1 EN POTENCIA. SON LOS ESTANDARES HABITUALES QUE UTILIZA LA INDUSTRIA PARA EL CÁLCULO DE POTENCIA DE LOS AMPLIFICADORES.

• RUIDO ROSA (AES2-1984): RUIDO ROSA MODIFICADO, QUE LA INDUSTRIA UTILIZA PARA LOS CÁLCULOS DE POTENCIA DE LOS ALTAVOCES, SU FACTOR DE CRESTA ES DE 6dB, ES DECIR TIENE UNA RELACIÓN 2:1 EN VOLTAJE Y UNA RELACIÓN 4:1 EN POTENCIA.

• RUIDO ROSA: SEÑAL DE TEST QUE REPRODUCE TODAS LAS FRECUENCIAS AUDIBLES (20Hz A 20KHz), CON IGUAL ENERGÍA POR OCTAVA. SU FACTOR DE CRESTA ES 12dB, ES DECIR TIENE UNA RELACIÓN 4:1 EN VOLTAJE Y UNA RELACIÓN 16:1 EN POTENCIA.

• MÚSICA: AFORTUNADAMENTE NUESTRO TRABAJO CONSISTE EN REPRODUCIR MÚSICA, Y NO ONDAS SENOIDALES O RUIDO ROSA, SU FACTOR DE CRESTA OSCILA ENTRE 16dB/20dB, ES DECIR, TIENE UNA RELACIÓN 6.3 / 10 : 1 EN VOLTAJE Y UNA RELACIÓN EN POTENCIA DE 40 / 100 : 1.

SEÑALES DE TEST

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EL NIVEL O AMPLITUD DE LA TRANSMISIÓN, SE EXPRESA COMUNMENTE EN DECIBELIOS

EL DECIBELIO ES UN SISTEMA DE ESCALA LOGARITMICA

PARA RELACIONAR POTENCIA SE USA:

NIVEL RELATIVO(dB)= 10 LOG POTENCIA 1/POTENCIA 2

PARA RELACIONAR VOLTAJE O PRESION SONORA:

NIVEL RELATIVO(dB)= 20 LOG NIVEL 1 / NIVEL 2

TAMBIEN PODEMOS RELACIONAR EL DECIBELIO CON UN ESTANDAR PREVIAMENTE DEFINIDO

CUALQUIER NIVEL QUE SE ENCUENTRE POR ENCIMA DEL VALOR DE REFERENCIA TENDRÁ VALOR POSITIVO (+dB) Y POR DEBAJO NEGATIVO (-dB)

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DECIBELIO

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DECIBELIO

EL DECIBELIO ES UNA MEDIDA DE POTENCIA RESPECTO A UNA POTENCIA ESPECIFICADA. ES UNA MEDICIÓN RELATIVA SOBRE UN VALOR DE REFERENCIA Y POR LO TANTO ES ADIMENSIONAL.

EL VOLTAJE O LA PRESIÓN ACÚSTICA SE RELACIONAN MEDIANTE 20 VECES EL LOGARITMO EN BASE 10

dBm: dBs DE POTENCIA SOBRE UN VALOR DE REFERENCIA DE 1 mW

dBu: dBs DE TENSIÓN SOBRE UN VALOR DE REFERENCIA DE 0.775 V

dBfs: dBs DE TENSIÓN REFERIDOS AL VALOR NUMÉRICO QUE PUEDE ACEPTAR UN EQUIPAMIENTO DIGITAL DE AUDIO ( DEPENDE DE LOS BITS X MUESTRA)

dBSPL: dBs DE PRESIÓN SONORA REFERENCIADOS SOBRE EL UMBRAL DE AUDICIÓN HUMANA (20 µPa)

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TABLA DE RELACIONES

VOLTAJE / PRESION DECIBELIO POTENCIA

16 : 1 24 dB 256 : 110 : 1 20 dB 100 : 18 : 1 18 dB 64 : 14 : 1 12 dB 16 : 12 : 1 6 dB 4 : 1

√2 : 1 3 dB 2 : 11 : 1 0 dB 1 : 1

1 : √2 -3 dB 1 : 2 1 : 2 -6 dB 1 : 41 : 4 -12 dB 1 : 161 : 8 -18 dB 1 : 64

1 : 10 -20 dB 1 : 1001 : 16 -24 dB 1 : 256

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EL AMPLIFICADOR SUMINISTRA LA CORRIENTE DICTADA POR EL VOLTAJE DE SALIDA Y POR LA IMPEDANCIA DE LA BOBINA Y PONE EL ALTAVOZ EN MOVIMIENTO.

EL AMPLIFICADOR AMPLIFICA EL VOLTAJE DE ENTRADA Y LA IMPEDANCIA QUE EJERCE EL ALTAVOZ GENERA LA POTENCIA

LOS AMPLIFICADORES TOMAN SEÑALES BALANCEADAS DE NIVEL DE LINEA Y SACAN SEÑALES NO BALANCEADAS DE NIVEL DE ALTAVOZ

LA IMPEDANCIA MÍNIMA DETERMINA EL NUMERO DE ALTAVOCES QUE PUEDEN CARGARSE EN LOS TERMINALES DE SALIDA

LA GANANCIA DE VOLTAJE ES UNA MEDICIÓN DEL VOLTAJE DE SALIDA EN RELACIÓN AL VOLTAJE DE ENTRADA

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AMPLIFICADORES

VIN VOUT

X

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IMPEDANCE BRIDGING

IMPEDANCE BRIDGING O ACOPLAMIENTO POR TENSIÓN

ZIN >> ZOUT

MÍNIMA CIRCULACIÓN DE CORRIENTE

REDUCCIÓN DE LA POTENCIA DISIPADA

MÁXIMA TRANSMISIÓN DE VOLTAJE A LA CARGA

10 kΩ

10 kΩ

0.775 V

50 Ω

Vout RL

RL = 5 kΩ

Vout = 0.775 ( RL / RL+ Rs )

Vout = 0.775 ( 5000 / 5000 + 50 )

Vout = 0.767 V

0.767 V = -0.09 dBu

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VENTAJAS

SE EVITA LA COLORACIÓN POR VARIACIONES EN FRECUENCIA

FACILITA LA CONEXIÓN DE EQUIPOS EN PARALELO SIN LA NECESIDAD DE AMPLIFICADORES DE DISTRIBUCIÓN

REDUCCIÓN DEL RUIDO TÉRMICO POR REDUCCIÓN DE LA IMPEDANCIA DE FUENTE (SNR 14 DB)

MAYOR FIABILIDAD POR REDUCCIÓN DE LA DISIPACIÓN DE POTENCIA

REDUCCIÓN DE LA DIAFONÍA

REDUCCIÓN DE LA INTERFERENCIA DE TIPO INDUCTIVO

APLICACIÓN EN AUDIO PROFESIONAL MODERNO

CUANTO MÁS BAJA ES LA IMPEDANCIA DE SALIDA Y MÁS ALTA LA IMPEDANCIA DE ENTRADA MEJOR RESPUESTA EN FRECUENCIAS MEDIAS Y AGUDAS

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IMPEDANCIA: ES LA RESISTENCIA (OPOSICIÓN) QUE PRESENTA CUALQUIER DISPOSITIVO AL PASO DE UNA CORRIENTE ALTERNA.

LA IMPEDANCIA ES UNA RESISTENCIA COMPLEJA (R + jX) Y DEPENDE DE LA FRECUENCIA

LA REACTANCIA ES LA OPOSICIÓN AL PASO DE LA CORRIENTE EN LOS CAPACITORES E INDUCTORES

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CARACTERÍSTICAS

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CARACTERÍSTICAS

FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO: INDICA LA RELACIÓN ENTRE LA IMPEDANCIANOMINAL DEL ALTAVOZ Y LA IMPEDANCIA DE SALIDA DEL AMPLIFICADOR

Fa = Zin / Zout

POTENCIA DE SALIDA: MÁXIMA CAPACIDAD DE POTENCIA QUE SE PUEDE TRANSFERIR A LA CARGA

EL LIMITE DE POTENCIA QUE PUEDE PROPORCIONAR UNA ETAPA DE SALIDA VIENE DETERMINADO POR EL LIMTE DE TEMPERATURA QUE SE PUEDE ALCANZAR

POTENCIA MÁXIMA: POTENCIA MÁXIMA EFICAZ, O POTENCIA MEDIA A RÉGIMEN CONTINUO ES LA POTENCIA ELÉCTRICA REAL, VERIFICABLE CON INSTRUMENTOS QUE PUEDE PROPORCIONAR LA ETAPA DE SALIDA DURANTE UN MINUTO A UNA FRECUENCIA DE 1 KHZ SOBRE LA IMPEDANCIA NOMINAL ESPECIFICADA POR EL FABRICANTE Y VIENE DADA POR LA EXPRESIÓN :

PO= VO (RMS)²/ZO.

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POTENCIA MÁXIMA ÚTIL: LA POTENCIA EFICAZ ESTA LIMITADA POR LA DISTORSIÓN DEL EQUIPO, YA QUE ESTA CRECE CON LA POTENCIA, DE MODO QUE SE ESPECIFICA LA POTENCIA ÚTIL A UN NIVEL DE DISTORSIÓN NOMINAL.

POTENCIA DE PICO: POTENCIA MÁXIMA IMPULSIVA (UN PICO DE SEÑAL), QUE PUEDE SOPORTAR CADA CIERTO TIEMPO EL AMPLIFICADOR ANTES DE DETERIORARSE. LA POTENCIA DE PICO DE UN AMPLIFICADOR ES 1,4142 VECES EL VALOR NOMINAL (FACTOR DE CRESTA 3dB) ESTO ES DEBIDO A QUE LOS FABRICANTES DE AMPLIFICADORES USAN UNA ONDA O UN BARRIDO DE ONDAS SENOIDALES

ES IMPORTANTE TENER EN CUENTA QUE UN AMPLIFICADOR NO TIENE FACTOR DE CRESTA, SI NO QUE ES EL FACTOR DE CRESTA DE LA SEÑAL INTRODUCIDA LA QUE DETERMINARA SU POTENCIA EFICAZ.

ASUMIMOS QUE UN AMPLIFICADOR TIENE 3dB DE VALOR DE PICO, PERO COMO VEMOS, SE DEBE AL USO DE SEÑALES SENOIDALES COMO SEÑAL DE PRUEBA.

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CARACTERÍSTICAS

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SI TOMAMOS COMO EJEMPLO UN AMPLIFICADOR DE 1000 W @ 8 Ω , SEGUN LAS ESPECIFICACIONES DE UN FABRICANTE, SABEMOS QUE SU VALOR PICO SERÁ 2000W, PUES SE USA UNA SEÑAL DE PRUEBA CON UN FACTOR DE CRESTA DE 3dB.

PERO SI USAMOS RUIDO ROSA AES2-1984 CUYO FACTOR DE CRESTA ES 6dB SU VALOR PICO SERÁ 2000W, PERO SU POTENCIA EFICAZ SERÁ:

2000W / 4 = 500W

CON RUIDO ROSA, FACTOR DE CRESTA 12dB, SU VALOR PICO SEGUIRÁ SIENDO 2000W, PERO AHORA SU POTENCIA EFICAZ SERÁ:

2000W / 16 = 125W

CON MÚSICA CON UN FACTOR DE CRESTA DE 20dB, SU POTENCIA EFICAZ SE REDUCE A:

2000W / 100 = 20W

EJEMPLO

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RELACION SEÑAL RUIDO: HACE REFERENCIA AL VOLTAJE DE RUIDO RESIDUAL A LA SALIDA Y SE EXPRESA EN dB

ACOPLAMIENTO: INDICA LA FORMA EN QUE EL AMPLIFICADOR ESTA CONECTADO AL ALTAVOZ

RESPUESTA EN FRECUENCIA: CALCULA EL LÍMITE DENTRO DEL CUAL EL AMPLIFICADOR RESPONDE DE IGUAL FORMA (RESPUESTA PLANA) A LAS FRECUENCIAS (20 A 20.000 HZ) CON UNA POTENCIA MUY BAJA. 1W @ 1 Ω

RESPUESTA DE FASE: INDICA LA RELACIÓN DE FASE ENTRE LAS FRECUENCIAS M E D I A S C O N R E S P E C T O A L A S A L T A S O L A S B A J A S . E S T E D E S F A S E ( A D E L A N T A M I E N T O O R E T R A S O ) E N E L E S P E C T R O D E AUDIOFRECUENCIAS (20 – 20.000 HZ) NO DEBERÍA SER SUPERIOR A LOS 15º, PARA QUE NO SE PRODUZCA DISTORSIÓN O CANCELAMIENTOS DE LA SEÑAL.

GANANCIA: ES LA RELACIÓN ENTRE LA POTENCIA DE SALIDA Y LA POTENCIA DE ENTRADA

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CARACTERÍSTICAS

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GANANCIA DE VOLTAJE

LA GANANCIA DE VOLTAJE DETERMINA CUANTAS VECES SE AMPLIFICA EL VOLTAJE DE ENTRADA, NORMALMENTE EXPRESADO EN dB O COMO FACTOR DE MULTIPLICACIÓN

LA GANANCIA DE VOLTAJE SE OBTIENE COMO EL COCIENTE ENTRE EL VOLTAJE DE SALIDA RESPECTO DEL VOLTAJE DE ENTRADA

∆V = VOUT / VIN

LA GANANCIA DE VOLTAJE TIENE UN EFECTO DECISIVO EN LOS CALCULOS DE LIMITACIÓN DE UN ALTAVOZ

1 V 40 V40X

20 log10 (40) ≃ 32 dB

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LA SENSIBILIDAD INDICA EL NIVEL DE TENSIÓN RMS A LA ENTRADA DEL AMPLIFICADOR QUE ENTREGA UNA POTENCIA CONTINUA MÁXIMA

LA TENSIÓN DE SATURACIÓN DE ENTRADA ES UNA MEDICIÓN ALTERNATIVA DE LA SENSIBILIDAD, DONDE SE INDICA LA TENSIÓN PICO MÁXIMA A LA ENTRADA QUE PRODUCIRÁ SATURACIÓN (CLIPPING) EN LA SALIDA

LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR SUELE VENIR EXPRESADO EN VRMS O dBu

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SENSIBILIDAD

1.2 V 300 W?

Vout = √ (300 x 8) ≃ 49 V

∆V = 49 V / 1.2 V = 40.83 V -> 20 log10(40.83) ≃ 32dB

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DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)

LA DISTORSIÓN ARMONICA DESCRIBE LA VARIACIÓN DE LA FORMA DE ONDA A LA SALIDA DEL DISPOSITIVO

ES LA PRESENCIA DE MULTIPLOS ENTEROS DE LA FRECUENCIA DE ENTRADA (ARMÓNICOS) A LA SALIDA. SE PRODUCE POR LA NO LINEALIDAD DEL AMPLIFICADOR

SE ESPECIFICA COMO LA RELACIÓN ENTRE EL NIVEL DE LOS ARMÓNICOS I EL NIVEL DE LA SEÑAL DE ENTRADA, EXPRESADO EN PORCENTAJE O dB

SE MIDE PARA TODA LA BANDA DE FRECUENCIA A POTENCIA NOMINAL

- EQUIPOS PROFESIONALES: THD < 0.1%

- NORMA DIN: THD < 1%

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DISTORSIÓN DE INTERMODULACIÓNCUANDO DOS SEÑALES SE APLICAN SIMULTANEAMENTE A UN DISPOSITIVO NO LINEAL PUEDEN DAR LUGAR A UNA DISTORSIÓN POR INTERMODULACIÓN (IMD)

APARECEN NUEVAS COMPONENTES, DONDE LA FRECUENCIA ES IGUAL A LA SUMA Y DIFERENCIA DE MÚLTIPLES DE LOS COMPONENTES DE ENTRADA.

SE ESPECIFICAN DEL MISMO MODO QUE LA DISTORSIÓN ARMONICA

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SLEW RATE

MIDE LA CAPACIDAD DEL AMPLIFICADOR PARA RESPONDER CORRECTAMENTE A LOS TRANSITORIOS (HF) DE ALTO NIVEL. SE MIDE EN V/µs

CUANTO MÁS ALTA ES LA GANANCIA DEL AMPLIFICADOR, MAYOR DEBE SER SU SLEW-RATE.

EJEMPLO:

AMPLIFICADOR 200 W @ 8ΩOUTPUT: 40V x 1.414 = 56.57 Vpeak

FRECUENCIA: 20 kHz; T: 50µs

SR = ( Vpeak / (T/4) ) = 56.57V / 12.5µs

SR = 4.52 V/µs

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LA CAPACIDAD DE POTENCIA DEL AMPLIFICADOR SERA MAYOR SI LA DURACION DE LA SEÑAL DE ENTRADA ES 1ms, EN LUGAR DE 1 HORA (OBVIAMENTE LO QUE NOSOTROS QUEREMOS REPRODUCIR NO DURA 1ms).

LA CAPACIDAD DE POTENCIA DEL AMPLIFICADOR SERA MAYOR SI LA SEÑAL DE ENTRADA SOLAMENTE COMPRENDE 1 kHz (ONDA SINUSOIDAL PURA), EN LUGAR DE "PINK NOISE" O MUSICA/VOZ

LA CAPACIDAD DE POTENCIA DEL AMPLIFICADOR SERA MAYOR SI EL VALOR DE IMPEDANCIA DE ENTRADA DEL TRANSDUCTOR (IMPEDANCIA DE CARGA) ES 1 Ω EN LUGAR DE 8 Ω.

LA CAPACIDAD DE POTENCIA DEL AMPLIFICADOR SERA MAYOR SI EL NIVEL DE DISTORSION ARMONICA ACEPTADO ES 1% EN LUGAR DE 0.1% (Y COMO YA SABEMOS, LA DISTORSION ES AUDIBLE DESDE APROXIMADAMENTE 1%).

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CAPACIDAD DE POTENCIA

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PARA ESTANDARIZAR LA MANERA DE REALIZAR LAS MEDICIONES DE CAPACIDAD DE POTENCIA DE LOS AMPLIFICADORES LA FEDERAL TRADE COMISSION (FTC) ESTABLECIÓ QUE LOS AMPLIFICADORES DEBEN MEDIRSE UTILIZANDO COMO SEÑAL DE TEST UN BARRIDO SINUSOIDAL (20 Hz - 20 kHz), DURANTE UN PERIODO DE TIEMPO PROLONGADO, Y SU DISTORSION DEBE SER MENOR A 1%.

LA ILUSTRACION MUESTRA UNA TABLA DE CAPACIDAD DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR PROFESIONAL.

MODELO: LAB GRUPPEN FP 13000

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CAPACIDAD DE POTENCIA

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NUMBER OF CHANNELS: 2PEAK TOTAL OUTPUT BOTH CHANNELS DRIVEN : 13000 WPEAK OUTPUT VOLTAGE PER CHANNEL: 195 VMAX. OUTPUT CURRENT PER CHANNEL: 58 ARMSMAX. OUTPUT POWER

2 Ω 6500 W 4 Ω 4400 W 8 Ω 2350 W 16 Ω 1200 W

PERFORMANCE WITH GAIN: 35 dB AND VPL: 195 VTHD 20 HZ - 20 KHZ FOR 1 W < 0.1%THD AT 1 KHZ AND 1 dB BELOW CLIPPING <0.05%SIGNAL TO NOISE RATIO >112 dBACHANNEL SEPARATION (CROSSTALK) AT 1 KHZ >70 dBFREQUENCY RESPONSE (1 W INTO 8 Ω) +0/-3 dB 6.8 HZ - 34 KHZINPUT IMPEDANCE 20 KΩINPUT COMMON MODE REJECTION, CMR 54 dBOUTPUT IMPEDANCE @ 100 HZ 19 mΩOUTPUT SLEW RATE INTO 8 OHMS 20 V/µs

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CAPACIDAD DE POTENCIA

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EN LA INDUSTRIA SE HA OPTADO POR BAUTIZAR DE DIVERSAS FORMAS LOS ASPECTOS RELACIONADOS CON LA DURACION DE LA SEÑAL DE PRUEBA.

POTENCIA CONTINUA, (LONG TERM, RMS) : SEÑAL DE PRUEBA DE LARGA DURACION (> 1h). ESTA MEDICIÓN PROPORCIONA EL VALOR DE POTENCIA MAS BAJO.

POTENCIA PROGRAMA: SEÑAL DE PRUEBA CON CARACTERISTICAS MUSICALES, ESTA MEDICION PROPORCIONA UN VALOR DE POTENCIA 3 dB MAYOR QUE LA MEDICION DE POTENCIA CONTINUA.

POTENCIA PICO (PEAK,SHORT TERM): SEÑAL DE PRUEBA DE CORTA DURACION (< 100ms). ESTA MEDICION PROPORCIONA EL VALOR DE POTENCIA MAS ALTO 6 dB MAYOR QUE LA MEDICION DE POTENCIA CONTINUA.

LA AUDIO ENGINEERING SOCIETY (AES) RECOMIENDA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE POTENCIA DE LOS COMPONENTES DE UN ALTAVOZ, EL USO DE RUIDO ROSA MODIFICADO (AES2-1984), CON UN FACTOR DE CRESTA DE 6dB

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CAPACIDAD DE POTENCIA (ALTAVOZ)

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COMO EN EL CASO DE LOS AMPLIFICADORES, LOS ALTAVOCES NO TIENEN FACTOR DE CRESTA, ES LA SEÑAL DE PRUEBA LA QUE DETERMINA EL VALOR PICO Y EL VALOR EFICAZ.

AL USAR UNA SEÑAL DE TEST DE 6dB DE FACTOR DE CRESTA, LA RELACIÓN ENTRE LA POTENCIA CONTINUA Y LA POTENCIA PICO ES DE 4:1

UN ALTAVOZ CUYA POTENCIA PICO ES 2000W, TIENE UNA POTENCIA CONTINUA DE:

2000W / 4 = 500W

CON RUIDO ROSA (FC: 12dB), SU VALOR PICO SEGUIRÁ SIENDO 2000W, PERO AHORA SU POTENCIA EFICAZ SERÁ:

2000W / 16 = 125W

CON MÚSICA (FC: 20dB), SU POTENCIA EFICAZ SE REDUCE A:

2000W / 100 = 20W

CAPACIDAD DE POTENCIA (ALTAVOZ)

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ES LA MEDICION DEL NIVEL SONORO (dB SPL) QUE PUEDE PRODUCIR UN ALTAVOZ A CIERTA DISTANCIA AL OPERAR A DETERMINADA POTENCIA.

LA SENSIBILIDAD GENERALMENTE SE MIDE A UNA DISTANCIA DE UN METRO Y CON UNA POTENCIA DE 1 WATT (2.82 V @ 8 Ω ; 2 V @ 4 Ω).

CADA VEZ QUE SE DUPLICA LA POTENCIA LA PRESIÓN SONORA (SPL) AUMENTA 3 dB

EJEMPLO:

UN ALTAVOZ DE SENSIBILIDAD 1W @ 1m DE 100 dB Y UNA POTENCIA CONTINUA DE 500W OBTIENE UNA PRESIÓN SONORA DE:

RMS: 10 log10(500) + 100 = 127 dBspl.

PEAK: 10 log10(2000) + 100 = 133 dBspl

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SENSIBILIDAD

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EL AJUSTE DE LOS LIMITACIÓN ES COMPLEJO. INVOLUCRA FACTORES RELACIONADOS CON LA POTENCIA COMO LA GANANCIA DE VOLTAJE, LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA Y FACTORES RELACIONADOS CON EL CONTROL DE LA DINÁMICA (THRESHOLD, RATIO, ATTACK Y RELEASE)

CONVERSION DE MAXIMA CAPACIDAD DE POTENCIA EN MAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE:

POTENCIA = (VOLTAJE)² / IMPEDANCIA

VOLTAJE = √ POTENCIA x IMPEDANCIA

SENSIBILIDAD DE ENTRADA: DETERMINA EL MÁXIMO VOLTAJE QUE PUEDE ASUMIR UN AMPLIFICADOR A SU ENTRADA SIN PRODUCIR DISTORSIÓN NOTORIA

LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA SE CALCULA COMO EL COCIENTE ENTRE LA MAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE Y LA GANANCIA DE VOLTAJE (EN FACTOR DE MULTIPLICACIÓN)

SENSIBILIDAD = MAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE / GANANCIA DE VOLTAJE24

AJUSTE DE LIMITACIÓN

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CALCULAR LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR DE 1000W (POTENCIA CONTINUA) A UNA IMPEDANCIA DE 8Ω CON UNA GANANCIA DE VOLTAJE DE 32 dB.

CONVERSION DE MAXIMA CAPACIDAD DE POTENCIA EN MAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE: Vmax = √1000W x 8Ω = 89.44 V CALCULO DE LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DEL AMPLIFICADOR SENSIBILIDAD= Vmax / FACTOR DE MULTIPLICACIÓN

PUESTO QUE LA GANANCIA DE VOLTAJE VIENE DADO EN dB, DEBEMOS CALCULAR EL FACTOR DE MULTIPLICACIÓN: (32/20) 32 dB = 20 log10 (X) -> X = 10 = 40

SENSIBILIDAD = 89.44V/ 40 = 2.23V

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EJEMPLO

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CUANDO EL AMPLIFICADOR RECIBE UNA SEÑAL DE 2.23V, EL VOLTAJE DE SALIDA CORRESPONDERÁ A 89.44V QUE CON UNA IMPEDANCIA DE 8Ω EQUIVALDRA A UNA POTENCIA DE 1000W

ESTO SIGNIFICA QUE PARA NO EXCEDER LA CAPACIDAD DE POTENCIA DEL AMPLIFICADOR DEBEMOS LIMITAR LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DEL AMPLIFICADOR EN 2.23V.

O LO QUE ES LO MISMO DEBEMOS COLOCAR EL UMBRAL DE LIMITACIÓN DE NUESTRO PROCESADOR EN:

dBu= 20 log10 (2.23V / 0.775V) = 9.18 dBu

EN CASO DE QUE SE ENVIE MAS VOLTAJE AL AMPLIFICADOR ESTE PRODUCIRÁ DISTORSIÓN Y ASI MISMO MAS VOLTAJE DE SALIDA, QUE A SU VEZ SE PRODUCIRÁ EN MAYOR POTENCIA Y MAYOR TEMPERATURA ( LO QUE PUEDE COMPORTAR LA ROTURA DEL ALTAVOZ).

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EJEMPLO

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A ESTE AMPLIFICADOR SE LE CONECTA UN ALTAVOZ DE:

POTENCIA CONTINUA: 500W IMPEDANCIA: 8Ω:

CAPACIDAD DE VOLTAJE:

√ 500W x 8Ω: 63.34V

SENSIBILIDAD DE ENTRADA:

SENSIBILIDAD = 63.34V / 40x = 1.58V

UMBRAL DE LIMITACIÓN:

dBu= 20 log10 (1.58V / 0.775V) = 6.18 dBu

ES DECIR, NECESITAMOS LIMITAR LA SALIDA DE NUESTRO PROCESADOR PARA QUE EL AMPLIFICADOR NO RECIBA MAS DE 1.58V A SU ENTRADA.

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EJEMPLO

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ACOPLAR LA CAPACIDAD DE POTENCIA

UN ALTAVOZ PUEDE SOPORTAR PICOS DE CORTA DURACION (6 dB MAYORES A LA CAPACIDAD DE POTENCIA CONTINUA), ES DECIR, CUATRO VECES SU CAPACIDAD DE POTENCIA (SEÑAL TEST: RUIDO ROSA AES2-1984, FACTOR DE CRESTA 6dB.)

10 log10 (4) = 6dB

UN AMPLIFICADOR PUEDE SOPORTAR PICOS DE DOS VECES SU POTENCIA CONTINUA (SEÑAL DE TEST: BARRIDO DE ONDA SINUSOIDALES, FACTOR DE CRESTA 3 dB)

10 log10 (2) = 3dB

ESTO SIGNIFICA QUE PARA QUE UN AMPLIFICADOR PUEDA DESARROLLAR LA POTENCIA PICO DE UN ALTAVOZ, LA CAPACIDAD DE POTENCIA CONTINUA FTC DEL AMPLIFICADOR DEBE SER EL DOBLE DE LA POTENCIA CONTINUA DEL ALTAVOZ

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EJEMPLO

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THRESHOLD: DETERMINA EL UMBRAL MINIMO NECESARIO PARA REALIZAR LA COMPRESIÓN, NORMALMENTE INDICADO EN dBu.

RATIO: DETERMINA EL NIVEL DE COMPRESIÓN QUE SE REALIZARÁ UNA VEZ SOBREPASADO EL UMBRAL DE COMPRESIÓN. NORMALMENTE INDICADO COMO UNA RELACIÓN NUMERICA 2:1, 4:1, 10:1 O INF.

ATTACK: DETERMINA EL MOMENTO EN QUE UNA VEZ SUPERADO EL UMBRAL DE LIMITACIÓN ESTE EMPEZARÁ A ACTUAR, NORMALMENTE EXPRESADO EN ms.

RELEASE: DETERMINA EL TIEMPO EN QUE DEBE DEJARSE DE PRODUCIR LA COMPRESIÓN, UNA VEZ ESTA A DEJADO DE SUPERAR EL UMBRAL, NORMALMENTE INDICADO EN SEGUNDOS.

ES RECOMENDABLE, PARA PROTEGER AL ALTAVOZ, USAR RATIOS DE RELEASE DE ENTRE 10 Y 20 VECES EL TIEMPO DEL ATAQUE

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CONTROL DE DINÁMICA

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SIGUIENDO CON EL EJEMPLO ANTERIOR:

POTENCIA FTC DEL AMPLIFICADOR: 1000W @ 8ΩPOTENCIA PICO DEL AMPLIFICADOR: 2000W @ 8ΩGANANCIA DE VOLTAJE: 32dB (40X)MAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE: 89.44VSENSIBILIDAD DE ENTRADA: 2.23V (9.18 dBu)

POTENCIA CONTINUA DEL ALTAVOZ: 500W @ 8ΩPOTENCIA DE PICO: 2000W @ 8ΩMAXIMA CAPACIDAD DE VOLTAJE: 63.24VSENSIBILIDAD DE ENTRADA: 1.58V (6.19 dBu)

SI TOMAMOS COMO REFERENCIA PARA EL CALCULO DE LA LIMITACIÓN LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DEL ALTAVOZ 1.58 V, ESTE NUNCA SOBREPASARÁ LA POTENCIA DE 500W POR LO QUE PERDEREMOS 6 dB DE DINAMICA.

SI TOMAMOS COMO REFERENCIA LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA DEL AMPLIFICADOR (2.23V), ESTE SUPERARÁ DURANTE PERIODOS LARGOS LOS 500W QUE SON LA POTENCIA CONTINUA DEL ALTAVOZ, Y PUEDE PRODUCIR LA ROTURA DEL MISMO.

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EJEMPLO

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NUESTRA MEJOR ELECCIÓN ES TOMAR EL VALOR DE REFERENCIA DE LA SENSIB ILIDAD DE ENTRADA DEL ALTAVOZ. (6dB MENOS DE DINÁMICA)

EL ATTACK RESUELVE EL PROBLEMA, PUES ESTE DETERMINARÁ EL TIEMPO EN QUE EL COMPRESOR VA EMPEZAR A ACTUAR.

ES DECIR, SI EL VALOR DE ATTACK ES 0 ms, LA POTENCIA NUNCA EXCEDERÁ DE 500W, PERO SI POR MODIFICAMOS EL VALOR (EJ. 100ms), ESTE PERMITIRÁ QUE DURANTE ESE PERIODO DE TIEMPO (100ms) EL LIMITADOR NO ACTUE Y EL AMPLIFICADOR PUEDA LLEGAR A PICOS DE 2000W.

EL ATAQUE NOS PERMITE MANTENER UNA DINAMICA DE 6 dB, A LA VEZ QUE PERMITE QUE LA MAYORIA DEL TIEMPO LA POTENCIA NO EXCEDA DE 500W, MANTENIENDO A SALVO NUESTRO ALTAVOZ.

THRESHOLD: 6.18 dBuRATIO: ∞ : 1

ATACK: 1 periodo de la mínima frecuencia reproducidaRELEASE: Entre 10-20 veces el vempo del ataque

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EJEMPLO

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MUNDO REAL

EL ANTERIOR EJEMPLO NOS MUESTRA LA CONDICIÓN IDEAL, QUE EL AMPLIFICADOR SEA CAPAZ DE LLEVAR AL ALTAVOZ A SU POTENCIA PICO SIN DISTORSIÓN

LA REALIDAD NOS MUESTRA QUE HABITUALMENTE LOS AMPLIFICADORES NO CUMPLEN ESTA CONDICIÓN, SOBRE TODO PARA LAS BAJAS FRECUENCIAS

ES COMÚN ENCONTRARSE AMPLIFICADORES CON UNA RELACIÓN DE POTENCIA RESPECTO DE LOS ALTAVOCES DE 1 : 1 - 1.5 : 1

EN ESTOS CASOS, DEBEMOS ASUMIR QUE EL ELEMENTO MÁS DÉBIL DE LA CADENA DE TRANSMISIÓN ES EL AMPLIFICADOR

EL AMPLIFICADOR NO SERÁ CAPAZ DE LLEGAR A LA CAPACIDAD DE POTENCIA PICO DEL ALTAVOZ

LOS CÁLCULOS DE LIMITACIÓN, SE REALIZAN DE MANERA SIMILAR, PERO TENIENDO EN CUENTA ESTE NUEVO CONDICIONANTE

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MUNDO REAL

EJEMPLO: ALTAVOZ: 500W @ 8Ω ; AMPLIFICADOR: 750W @ 8Ω ; GANANCIA DE VOLTAJE: 32 dB

EL ELEMENTO MÁS DÉBIL DE LA CADENA ES EL AMPLIFICADOR. CALCULAMOS CUAL SERÁ EL MAXIMO VALOR DE VOLTAJE DE SALIDA QUE SE PUEDE ENTREGAR AL ALTAVOZ SIN DISTORSIÓN NOTORIA.

CONOCEMOS QUE LOS AMPLIFICADORES SE PRUEBAN CON UNA SEÑAL DE TEST DE 3dB DE FACTOR DE CRESTA, POR LO TANTO SU VOLTAJE PICO SERÁ:

VPEAK = √1500W x 8Ω = 109.54 V

TAMBIÉN CONOCEMOS QUE LOS ALTAVOCES SE PRUEBAN USANDO RUIDO ROSA MODIFICADO CON UN FACTOR DE CRESTA DE 6dB. ES DECIR, CON UNA RELACIÓN 2 : 1 ENTRE SU VALOR PICO Y VALOR PROMEDIO. POR LO TANTO:

VRMS = 109.54 V / 2 = 54.77 V

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MUNDO REAL

CALCULAMOS LA SENSIBILIDAD DE ENTRADA:

VIN = 54.77 V / 40 = 1.37 V -> 20 log10 (1.37 / 0.775) ≃ 5 dBu

COMO EN ESTE CASO EL AMPLIFICADOR NO ES CAPAZ DE ENTREGAR EL VALOR DE POTENCIA PICO DEL AMPLIFICADOR, SE PUEDE RELAJAR LIGERAMENTE EL VALOR DEL RATIO DEL LIMITADOR

THRESHOLD: 5 dBuRATIO: 10 : 1

ATACK: 1 periodo de la mínima frecuencia reproducidaRELEASE: Entre 10-20 veces el iempo del ataque

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MUNDO REAL

EJEMPLO: ALTAVOZ: 500W @ 8Ω ; AMPLIFICADOR: 500W @ 8Ω ; GANANCIA DE VOLTAJE: 32 dB

VPEAK = √1000W x 8Ω = 89.44 V

VOLTAJE DE SALIDA

VRMS = 89.44 V / 2 = 44.72 V

SENSIBILIDAD DE ENTRADA:

VIN = 44.72 V / 40 = 1.12 V -> 20 log10 (1.12 / 0.775) ≃ 3.2 dBu

THRESHOLD: 3.2 dBuRATIO: 6 : 1

ATACK: 1 periodo de la mínima frecuencia reproducidaRELEASE: Entre 10-20 veces el iempo del ataque

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MUNDO REAL

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PREVENIR EL FRACASO DE UN ALTAVOZ, NO ES UNA FUNCIÓN DEL TAMAÑO DE AMPLIFICADOR NI DE LA POTENCIA NOMINAL DEL MISMO.

PREVENIR EL FALLO DEPENDE DE OPERAR UN SISTEMA DE AUDIO PARA NO LLEVAR EL ALTAVOZ MÁS ALLÁ DE SUS LÍMITES.

SI UN SISTEMA DE AUDIO SE OPERA INCORRECTAMENTE, EL FRACASO DE UN ALTAVOZ PUEDE OCURRIR INCLUSO CON UN AMPLIFICADOR DE TAMAÑO MUY POR DEBAJO DE LA TASA DE ENERGÍA DEL ALTAVOZ.

POR EL CONTRARIO, SI UN SISTEMA DE AUDIO SE EJECUTA CORRECTAMENTE, EL FRACASO DE UN ALTAVOZ PUEDE EVITARSE INCLUSO CON UN AMPLIFICADOR DE TAMAÑO MUCHO MAYOR DE LA POTENCIA CONTINUA DEL ALTAVOZ

PARA UN CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA AUDIO SE DEBE SER CONSCIENTE DE LOS TIPOS DE SEÑALES DE AUDIO QUE SE REPRODUCE, CONTROLAR LOS NIVELES DE SALIDA Y OPERAR TODOS LOS EQUIPOS ELECTRÓNICOS PARA QUE NINGÚN RECORTE ELECTRÓNICO SE PRODUZCA DENTRO DE LA CADENA DE LA SEÑAL.

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CONCLUSIONES

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EJEMPLOS DE FUNCIONAMIENTO INCORRECTO:

- REALIMENTACIÓN SOSTENIDA DE LOS MICRÓFONOS

- EXCESO DE ECUALIZACIÓN MÁS ALLÁ DEL RANGO OPERACIONAL DEL ALTAVOZ

-PERMITIR EL RECORTE ELECTRÓNICO EN CUALQUIER PARTE DE LA CADENA DE TRANSMISIÓN

- FORZAR EL ALTAVOZ A UN PUNTO DE DISTORSIÓN EVIDENTE.

CADA UNO DE LOS EJEMPLOS ANTERIORES, PUEDEN OCASIONAR DAÑOS O EL FRACASO DE UN ALTAVOZ, INDEPENDIENTEMENTE DE LA POTENCIA NOMINAL DEL ALTAVOZ O DEL TAMAÑO DE LA AMPLIFICADOR UTILIZADO.

ES RESPONSABILIDAD DEL OPERADOR DEL SISTEMA GARANTIZAR QUE TODOS LOS ELEMENTOS DE LA CADENA DE AUDIO SON OPERADOS DENTRO DE SUS CAPACIDADES. ESTA ES LA ÚNICA MANERA DE GARANTIZAR QUE LOS ALTAVOCES NO TRASPASEN SUS LÍMITES.

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CONCLUSIONES

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BIBLIOGRAFÍARane Pro Audio Reference. hyp://www.rane.com/

Design of High-Performance Balanced Audio Interfaces - hyp://sound.westhost.com/arvcles/balanced-interfaces.pdf

Sound On Sound Undesrtanding Impedance - hyp://www.soundonsound.com/sos/jan03/arvcles/impedanceworkshop.asp

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Power transfer to a resisvve load - hyp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/powtran.html#c1S

Power Amplifiers: how fast are they really? - hyp://www.falco-systems.com/high_voltage_amplifiers.html

Amplifier Power Required - hyp://www.crownaudio.com/elect-pwr-req.htm

Speaker Power Requirements - hyp://www.jblpro.com/pub/technote/spkpwfaq.pdf