Transformadores de adaptación de línea para sistemas de altavoces de tensión constante

El término transformador de audio se utiliza mucho y puede tener distintos significados en diferentes contextos. Puede referirse a un transformador utilizado en cualquier parte de un equipo de audio, desde un transformador de red utilizado en una fuente de alimentación lineal hasta un transformador de micrófono, pasando por un transformador de adaptación de línea para sistemas de audio distribuidos.

En este debate en dos partes, nos centraremos en transformadores de adaptación de línea y cómo permiten una distribución eficaz del audio en grandes áreas con varios altavoces.

Empezaremos repasando una de las principales aplicaciones de los transformadores de adaptación de línea: los sistemas de altavoces de tensión constante.

Altavoces de tensión constante

El uso más común de un transformador de adaptación de línea es en los sistemas de megafonía que suelen utilizarse en grandes edificios, como centros comerciales, hoteles y grandes almacenes, para hacer anuncios o reproducir música de fondo.

En esta aplicación, la misma pieza musical o el mismo anuncio deben distribuirse desde una fuente a muchos altavoces y no es necesario que sean de muy alta calidad.

Un sistema muy habitual para este tipo de aplicaciones es el conocido como sistema de altavoces de tensión constante.

Antes de profundizar en estos sistemas, es importante comprender los fundamentos de los sistemas de altavoces estándar de 8 ohmios, también conocidos como sistemas de baja impedancia. La impedancia de los altavoces conectados a un amplificador debe ser como mínimo la impedancia de salida nominal del amplificador. Por ejemplo, para un amplificador con una salida de 8 Ω, la impedancia de los altavoces debe ser al menos de 8 Ω (también puede ser mayor, como 16 Ω). Sin embargo, no sería seguro utilizar un altavoz de 4 Ω. Esta sobrecarga del amplificador puede causar distorsión del sonido, dañar el amplificador y hacer que se fundan los fusibles o salten los disyuntores. 8 Ω y 4 Ω son las impedancias comunes de los altavoces.

Imagina un sistema con varios altavoces conectados al mismo amplificador. Si ponemos los altavoces en serie, debemos sumar las impedancias.

En este ejemplo, tenemos 4 altavoces de 8 Ω cada uno. La impedancia total es simplemente la suma de todas las impedancias individuales: (8+8+8+8) = 32 Ω.

Si tomamos los mismos altavoces y los conectamos todos en paralelo, obtenemos 8/4 = 2 Ω.

Si la impedancia total de los altavoces coincide con la impedancia nominal del amplificador, los altavoces recibirán toda la potencia de salida nominal del amplificador. Sin embargo, si un amplificador de 8 Ω alimenta un conjunto de altavoces de 32 Ω, como se muestra en el ejemplo anterior conectado en serie, entonces el amplificador no puede entregar toda su potencia de salida a la impedancia mucho mayor de 32 Ω frente a la nominal de 8 Ω.

Naturalmente, es posible utilizar muchas combinaciones de altavoces en serie y en paralelo para igualar la impedancia nominal del amplificador, pero imagina un gran centro comercial, con unos cientos de altavoces para el sistema de megafonía. Es casi imposible cablear todos esos altavoces de forma que el amplificador vea la impedancia nominal correcta y pueda entregar su salida nominal.

Un método obvio para simplificar el sistema sería conectar todos los altavoces en paralelo, independientemente del número de altavoces. Aquí es donde entran en juego los sistemas de altavoces de tensión constante.

Los voltajes normalizados que se utilizan habitualmente son 25 V, 70 V y 100 V. 70 V se refiere en realidad a 70,7 V, pero en el sector se conoce comúnmente como 70 V. Aunque 100 V es común en toda Europa, no lo es tanto en EE.UU. porque si se instala un sistema de altavoces de 100 V en un edificio comercial de EE.UU., el cableado de los altavoces debe ser de Clase 1 y también debe instalarse dentro de un conducto. Obviamente, esto supondría un gasto adicional considerable. Aunque es raro, los sistemas de 100 V se encuentran a veces en los EE.UU. donde se necesitan altavoces de alta potencia y un cableado muy largo.

El término “línea de 100 V” se utiliza porque la línea o cable que conecta la fuente a los altavoces utiliza 100 voltios. Esto implica un transformador en la fuente para elevar o match la impedancia del amplificador a la línea de 100 V, y luego un transformador en cada altavoz para reducir o match la línea de 100 V a la impedancia del altavoz. Estos transformadores se denominan transformadores de adaptación de línea.

Ventajas

• Conecta muchos altavoces a un amplificador
• Se pueden añadir o quitar altavoces según las necesidades
• Cálculo sencillo de la carga: Suma la potencia de cada altavoz
• Las “derivaciones” individuales de los transformadores permiten adaptar el volumen de cada altavoz
• Adecuado para tiradas largas de cableado de pequeño tamaño y bajo coste

Desventajas

• Calidad de sonido: la mayoría de los altavoces de línea de 100 V no son muy buenos en frecuencias bajas, pero para anuncios en general, la calidad es aceptable.
• Cada altavoz necesita un transformador

¿Por qué utilizar 100 V, o 70,7 V o 25 V?

La electricidad básica nos dice que la potencia es el producto de la tensión y la corriente, de modo que para la misma cantidad de energía/potencia, la corriente es inversamente proporcional a la tensión.

Por ejemplo, supongamos que queremos suministrar 200 vatios de potencia desde el amplificador a un altavoz de 8 ohmios.

Si suministramos los mismos 200 vatios a una línea de 100 V, la corriente pasa a ser:

Consideremos ahora el cable que conecta el amplificador a los altavoces: Las pérdidas dependen de la resistencia del cable, R_c: Pérdidas = I²R_c

Para la conexión directa, teníamos una corriente de 5 A, por lo que las pérdidas = 25.R_c

Para el método de la línea de 100 V, teníamos una corriente de 2 A, por lo que las pérdidas = 4.R_c

Por lo tanto, para cables de igual resistencia, las pérdidas por conexión directa serían más de 6 veces superiores a las pérdidas utilizando un sistema de distribución de línea de 100 V.

La misma lógica sugeriría que conseguiríamos pérdidas aún menores utilizando una tensión más alta y una corriente más baja, pero históricamente se aceptaba que 100 V era un compromiso razonable entre seguridad y rendimiento. Una tensión más alta sería más peligrosa.

Conclusión

Los sistemas de altavoces de tensión constante permiten distribuir ampliamente las señales de audio sin las pérdidas asociadas a la conexión directa. Los transformadores de adaptación de línea son un componente clave de estos sistemas, y cubriremos importantes consideraciones sobre el diseño del transformador en la segunda parte de este debate.