6. Tecnicismos para profesionales

Distorsión armónica total (THD)

Siempre que hablamos de un factor en matemáticas, nos referimos a un cociente sin unidad que, o bien se indica en un valor decimal, o en un porcentaje. Además naturalmente necesitaremos dos valores de una medida física, de los cuales precisamente saldrá el cociente.

Un ejemplo:

El día tiene 24 horas. Nuestro horario de trabajo debe tener 8 horas. (¿Alguna queja?). Si extraemos de aquí un cociente, obtendremos un factor de trabajo, en relación con las 24 horas, de exactamente 1/3 o un 33,3... %.

En la distorsión armónica o THD (en inglés Total Harmonic Distortion) tratamos acerca de distorsiones que influyen en la forma de onda senoidal original de la señal. Debido al comportamiento no lineal de los diferentes componentes técnicos del amplificador (transistores, diodos, transformadores, etc), se almacenan armónicos en la oscilación original base, que producen esas llamadas distorsiones no lineales, y que se perciben como desagradables ruidos de frecuencias de agudos. En la construcción de etapas de amplificación se debe encontrar un compromiso ente el factor de distorsión armónica y el circuito de señal. El oído humano percibe las saturaciones en el rango de graves con un factor de distorsión armónica de 5% como no molestas, mientras que en el rango de agudos ya un porcentaje de 0,5% se aprecian claramente.

Estos componentes podrían por ejemplo estar involucrados:

  • Transistores
  • Válvulas (¡lamentablemente!)
  • Bobinas y transformadores
  • Diodos
  • Condensadores, etc

Estos componentes tienen un curso no lineal en la curva característica, y de ahí resultan automáticamente las distorsiones mencionadas arriba. Y estas a su vez provocan el que se produzcan armónicos en una cierta proporción sobre la oscilación original base.

Podemos acercarnos matemáticamente a ese factor de distorsión armónica total con esta fórmula:

Aquí se calculan los valores efectivos de los armónicos en relación con el valor efectivo total incluyendo el del componente de oscilación original (señal armónica). Esto es un proceso realmente complicado y no tiene que ser precisamente interesante, es simplemente así y lo aceptamos.

Lo realmente importante es simplemente que el factor de distorsión armónica es siempre menor o igual que uno, y puede expresarse también como factor de amortiguamiento en decibelios:

Para hacernos algo más manejable el valor en decibelios, podemos aferrarnos a lo siguiente:

  • Un valor de -40 dB equivale a un factor de 1%
  • Un valor de -60 dB equivale a un factor de 0,1 %

Y con eso ya estábamos en valores buenos, cuando no casi inalcanzables. Nuestro oído, incluso estando bien entrenado, difícilmente puede percibir un factor de distorsión armónica por debajo de uno por ciento, y eso cuando la naturaleza de la señal es muy baja en armónicos y muy rica en presencia (p.ej. flautas).

Totalmente en el límite entre la percepción y los logros técnicos (calidad de los componentes y circuitos), estaríamos en un 0,1 %. Una etapa de amplificación con la eficacia para alcanzar este valor sería clasificada como excepcional.

Factor de amortiguamiento

Podemos decir simplificando que con el factor de amortiguamiento obtenemos una proporción, cuyo valor describe la relación entre la impedancia de entrada y la impedancia de salida de un segundo amplificador. Para nosotros esto significa la que la impedancia del altavoz (= resistencia de entrada), está en relación con la impedancia de salida del amplificador (= resistencia de salida):

Si lo analizamos más detenidamente, el factor de amortiguamiento establece el comportamiento del amplificador para controlar la bobina del altavoz. Aquí no solo entra en juego la resistencia del cable de altavoz y la resistencia interna del eventual filtro de frecuencias, sino también las resistencias transitorias indeseadas de los conectores. Con todo ello, a la en comparación muy reducida resistencia de salida de la etapa en términos de mili ohmios (por ejemplo 0,04 Ohm o 40 mOhm), rápidamente se suman un par de mili ohmios más, ¡empeorando nuestro factor de amortiguamiento!

Si aplicamos una relación entre el valor nombrado arriba de 0,04 Ohm de impedancia de salida y una impedancia de altavoz de 4 Ohm, obtendremos un factor 100. Este resulta en una necesidad absoluta si la etapa se aprecia como amplificador de PA. Porque si no, tratado de otra forma, la capacidad de carga de tensión del amplificador sería muy pequeña, y un porcentaje de la potencia de salida generada se convertiría en calor. ¡Y esto naturalmente no es deseable! Las etapas de amplificación profesionales engatusan aquí y allá a los usuarios con factores de dimensiones de hasta 3000. Pero debido a los motivos aclarados arriba (cables, transitorios, etc…), estos valores son más bien de naturaleza teórica.

De modo que: Cuanto mayor sea el factor de amortiguamiento, mejor será la entrega de potencia.

Factor cresta (Crest-Factor)

¿Qué demonios tendrán que ver los gallos con todo esto? La analogía viene sencillamente de que la cresta es el punto más alto de este orgulloso animal, y de la misma forma podría ser para nuestro amplificador, desde el punto de vista electrónico, por ejemplo el máximo valor de entrega de corriente.

Este valor, no obstante, queda también claramente más alto que el valor medido de potencia efectiva o útil. De la relación de estos valores resulta el factor cresta, que también se puede calcular para la corriente alterna. Para nuestro ejemplo la tensión de red se calcularía así:

Crest-Faktor

En una tensión senoidal pura este valor sería igual a la raíz cuadrada de 2 = 1,41. Esto significa: ¡Nuestra tensión de red de 230 V tiene con ello un valor de pico de 325 V! Todos los componentes electrónicos que trabajan con la tensión de red deben por tanto poder resistir por un corto periodo de tiempo este valor.

Sería realmente óptimo si no se variara nada del valor nombrado arriba de 1,41. Pero lamentablemente precisamente los transformadores y otros aparatos como Dimmers, o tiristores en funcionamiento a carga parcial tienen un valor superior, ¡que puede elevarse hasta 10 y más con tomas de corriente en forma de impulsos!

Un factor de cresta más alto causa distorsión de energía reactiva (pérdida innecesaria de energía), y con ello sobreoscilaciones en la corriente de red. Se adivina que esto no es bueno, y realmente es absolutamente indeseado. De modo que básicamente: Cuanto más pequeño es el factor de cresta, menor será la influencia en la tensión de red.

Slew-Rate

El Slew-Rate define la máxima tasa de cambio en relación con el voltaje de entrada y de salida, y también aquí nos encontramos con un porcentaje al igual que con el factor de cresta.

Este define la pendiente de una curva de señal que se da en un momento determinado de tiempo (también de frecuencia) durante una subida de tensión (voltaje). La señal hace un recorrido concreto (curva de tensión) en un momento de tiempo concreto. ¿Cómo era eso? Espacio por tiempo es… ¡eso es!, ¡velocidad! Con el Slew-Rate obtenemos la máxima velocidad de subida o de bajada de la tensión de salida en un circuito de amplificación.

No es sencillo, pero es correcto el describirlo así. Observemos con ello un gráfico extraído con un programa de osciloscopio:

Se aprecian claramente los dos cruces con las líneas verticales, que limitan con exactitud los flancos de subida de la señal medida. Obtenemos aquí una diferencia entre tensión y tiempo, y con ello la pendiente de curva.

En las hojas de especificaciones de los amplificadores el Slew-Rate se indica en voltios por micro segundos. Serían en este caso realistas valores entre 5-300V/µs. Generalmente para amplificadores Hifi se indican valores entre 1 80V/µs, y para aplicaciones de vídeo incluso valores extremos de hasta 6000V/µs.

Naturalmente esto tiene un final o límite, y también un amplificador así de bueno en algún momento podrá no entregar una pendiente de señal tan correcta, esto quiere decir que aquí podemos extraer todavía otro valor: El valor de frecuencia límite. Aquí, al igual que con el Slew-Rate, podemos decir: Cuanto más alto mejor. Un buen valor sería amplio en rango de megahercios. En las especificaciones de los amplificadores pueden figurar ambos datos.

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