Electrónica para bajistas (III) – Impedancia y altavoces

En la primera parte de esta serie de artículos centrados en la electrónica definíamos las magnitudes básicas (Voltaje, Intensidad y Resistencia) y mencionábamos de paso que había dos tipos de corriente: continua y alterna. Vamos a extender este concepto.

Como decíamos, la corriente eléctrica no es más que el movimiento de los electrones en un conductor. Si los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, hablamos de corriente continua. Cuando el movimiento es alternado, hablamos de corriente alterna.

Cuando los electrones circulan en un sentido se le asigna un valor positivo a dicha corriente, cuando circulan en sentido contrario, se asigna un valor negativo.

¿Qué importancia tiene la corriente alterna en aplicaciones musicales?

La corriente alterna puede transmitir información que representa una onda sonora. Al cambiar de sentido de forma regular puede representar o transmitir información relativa a la frecuencia, las variaciones en la amplitud o voltaje pueden transmitir información sobre la intensidad de un fenómeno y la forma de la onda puede representar información de tipo armónico.

Supongamos una onda sonora sinusoidal (la típica de un diapasón). Si somos capaces de representarla mediante una corriente eléctrica tendremos algo así:

fundamental waveform
Corriente sinusoidal.
Fuente: https://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/harmonics.html

Los instrumentos musicales no producen tonos puros como el anterior, generalmente se componen de muchos armónicos superpuestos. Esta complejidad en el audio puede ser representada también por una corriente eléctrica alterna.

harmonics and harmonic waveforms
Una corriente eléctrica representando una señal de audio con varios armónicos superpuestos

Por esta razón la electricidad (en corriente alterna) es especialmente apropiada para representar y describir el sonido. El dispositivo que transforma una señal sonora en una eléctrica (o viceversa) se denomina transductor:

  • Señal sonora a eléctrica: micrófonos, pastillas de instrumentos
  • Señal eléctrica a sonora: altavoces

Resistencia e impedancia

Cuando circula en un circuito corriente alterna, el fenómeno de la resistencia también se presenta. Sin embargo, aparecen otros fenómenos que en corriente continua no se presentan normalmente:

  • Inductancia: cuando circula una corriente eléctrica alterna por una espira, en la espira se induce una corriente eléctrica de sentido contrario, que se opone en cierta forma al paso de la corriente.
  • Capacitancia: la corriente eléctrica alterna tiene una cierta tendencia a quedarse "retenida" (quizás no es muy apropiado el término). Es como si el conductor se comportase en cierta forma un poco como un condensador.

Estos dos fenómenos, junto con la resistencia, limitan la corriente que circula por un circuito. La magnitud que da cuenta de los tres fenómenos (resistencia, inductancia y capacitancia) en un circuito se llama impedancia., se suele representar con la letra Z y al igual que la resistencia, se mide en Ohmnios (Ω).

El cálculo de la misma suele ser complejo y no vamos a entrar en ello, nos quedamos con dos ideas:

  • En corriente alterna, la magnitud análoga a la resistencia es la impedancia.
  • La impedancia depende de la resistencia y otros dos fenómenos (inductancia y capacitancia)

La ley de Ohm en un circuito de corriente alterna se sigue cumpliendo, aunque ahora se formula con Z en vez de R:

V = I · Z

Ley de Ohm para corriente alterna

Asociación de resistencias e impedancias

Cuando se conectan varios dispositivos eléctricos se pueden disponer de dos formas básicas: en serie y en paralelo.

En serie, el extremo de un dispositivo se conecta al otro extremo del siguiente dispositivo. En paralelo, como su nombre indica, los extremos equivalentes se unen. Es más fácil verlo que escribirlo, por ejemplo, conectando dos baterías (fuente: bateriasyamperios.com)

Resistencias

Pastillas

Altavoces

Fuente: amplifiedparts.com

En todas estas disposiciones se cumple una regla respecto a la resistencia (en corriente continua) y la impedancia (corriente alterna): al asociar dos elementos en serie, la resistencia o impedancia resultante es la suma. Al conectarlos en paralelo, la resistencia o impedancia resultante o equivalente es menor y se calcula de otra forma (sumando las inversas).

ZtotalSerie = Z1 + Z2

1/ZtotalParalelo = 1/Z1 + 1/Z2

Por poner números a estas fórmulas, supongamos que asociamos dos altavoces de 8Ω. Si los asociamos en serie, la impedancia equivalente es de 16Ω. Si los asociamos en paralelo, la impedancia resultante es de 4Ω.

La potencia admisible del conjunto sí que resulta de la suma de las potencias admisibles de cada una de las cajas. Ejemplo, asociando dos altavoces de 8Ω y 250W de potencia máxima cada uno:

  • En serie => impedancia: 16Ω, potencia máxima: 500W
  • En paralelo => impedancia: 4Ω, potencia máxima: 500W

Importancia de la impedancia en la conexión de altavoces a un amplificador

Los amplificadores de bajo, por lo general, pueden trabajar con diferentes cargas o impedancias en el conjunto de altavoces que se le conectan. Son típicas las impedancias de carga de 4Ω y 8Ω. Algunos amplificadores pueden llegar a trabajar a 2Ω, pero no son habituales.

Ejemplo de ficha técnica de un cabezal Markbass
Panel trasero de un cabezal Gallien-Krueger Legacy 800

Como vemos, el mismo amplificador entrega más potencia a menores impedancias. Podemos hacer una aproximación burda imaginando que una impedancia más baja en el conjunto de cajas que conectamos al cabezal es como si fuese "menos trabajo" para el amplificador, con lo cual, éste rinde más.

Las cajas de altavoces vienen siempre etiquetadas con la máxima potencia que admiten y la impedancia a la que trabajan. Muchas tienen dos conexiones para poder conectar varias cajas entre sí. Esta conexión adicional (muchas veces rotulada como "link") es, por lo general, una conexión en paralelo, por lo que al conectar dos cajas en paralelo, la impedancia de carga del conjunto será más baja que la impedancia de las dos cajas por separado. Dos cajas de 8Ω asociadas en paralelo proporcionan una impedancia total de 4Ω.

Panel trasero de una caja TC Electronic

¿Cómo se conectan varias cajas de altavoces a un cabezal?

Hay que tener en cuenta la potencia que entrega el cabezal, a qué impedancias trabaja y por otra parte, la impedancia y potencia máxima admisible de nuestras cajas.

Por seguridad y para una mejor calidad del sonido, siempre conviene que los altavoces no trabajen al límite, esto es, que la potencia máxima admisible del conjunto sea mayor a la que pueda entregar el amplificador.

Supongamos el siguiente caso: tenemos un cabezal que entrega 150W a 8Ω y 250W a 8Ω. Si tenemos una caja de 8Ω y potencia máxima admisible de 200W estamos en la siguiente situación:

a) El amplificador sólo puede entregar 150W de potencia máxima.
b) La caja va un poco justa en potencia admisible (200W).

Como el amplificador está entregando poca potencia, lo más probable es que se trabaje con el volumen del amplificador más bien alto, entregando la máxima potencia a una caja con poco margen de seguridad. Es probable que la caja aguante esta potencia, pero el sonido no va a ser muy bueno al trabajar un poco forzada.

Si añadimos otra caja con las mismas características, pasamos a la siguiente situación:

  • Conjunto de cajas con 4Ω de impedancia y potencia máxima admisible de 400W.
  • Amplificador entregando 250W a 4Ω.
Un "stack" clásico: 1x15'' + 4x10''
Fuente: guitarbroker.com

La configuración ahora es mucho más potente y segura. El amplificador está entregando toda la potencia posible a un conjunto de cajas con una potencia máxima admisible con bastante margen. Además, esta configuración es mucho más flexible, puesto que podemos tener dos cajas con diferentes características, por ejemplo, un 15'' para tener un buen extremo grave y 4x10'' para una mejor respuesta en agudos.

En todo caso, siempre es imprescindible leer el manual del amplificador y de las cajas para asegurarse que lo estamos haciendo bien.

No se debe utilizar nunca cable de instrumentos para conectar los altavoces al amplificador. El cable de instrumentos es coaxial y está pensado para trabajar con niveles de voltaje muy bajos, del orden de 1 voltio. El cable para alimentar un altavoz debe ser cable paralelo (sin que circule corriente por el apantallado) y de una sección bastante más gruesa que el cable de instrumentos o señal de línea.

Un último apunte... ¡el cableado!

Algunos fabricantes ofrecen una serie de combinaciones de amplificadores y cajas para que el músico tenga distintas posibilidades y configuraciones que se puedan adaptar a cada situación (ensayo, grabación, concierto en salas de diferente tamaño, con o sin PA...)

Tabla de recomendaciones del fabricante TC Electronic

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