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Fundamentos Físicos de la Reproducción del SonidoFundamentos Físicos de la Reproducción del Sonido

EnciclopediaEnciclopediaVVisualisualde lade laElectrónicaElectrónica

INDICE DEL

CAPITULO 6

LAS ONDAS ELECTROMAGNETICASLa naturaleza de las ondas electromagnéticas .......................................83Polarización.....................................................84Frecuencia y longitud de onda...................84El espectro electromagnético y las ondas de radio...............................................85Espectro electromagnético..........................85

EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADORAMPLIFICADORES CON TRANSISTORESConfiguraciones circuitales básicas............87El amplificador base común ........................87El amplificador emisor común......................87El amplificador colector común ..................90Recta estática de carga ..............................91Recta dinámica de carga ...........................92Cálculo de los capacitores de paso ..........92Acoplamientos interetapas ..........................93

a) Acoplamiento RC..................................93b) Acoplamiento a transformador...........93c) Acoplamiento directo...........................94

FUNDAMENTOS FISICOS DE LA REPRODUCCION DEL SONIDOPropagación de las vibraciones u ondas ......................................94La onda de sonido ........................................95Características físicas ....................................95

Frecuencia o tono......................................95Amplitud ......................................................95Intensidad....................................................95Timbre...........................................................95

Velocidad del sonido ...................................96Reproducción del sonido .............................96Tipos de reproductores acústicos ...............96

Las ondas electromagnéti-cas fueron previstas antesde ser descubiertas. En

verdad, las ecuaciones deMaxwell que describían loscampos magnéticos pre-veían también la existenciade radiaciones, de la mismanaturaleza que la luz, y que sepropagaban en el espaciocon una velocidad de300.000 kilómetros por segun-do.

Las ecuaciones de Max-well fueron presentadas en1865, pero solamente en 1887Hertz consiguió comprobar laexistencia de "ondas electro-magnéticas" según las ya pre-vistas y las produjo en su labo-ratorio.

No nos preocuparemos tanto delaspecto histórico del descubrimien-to, como del estudio de su naturale-za, pero también añadiremos algu-nos datos importantes del pasadorelacionados con la investigación ysu utilización.

LA NATURALEZA DE LAS

ONDAS ELECTROMAGN TICAS

Una carga eléctrica, o un cuer-po cargado, es responsable por unaperturbación en el espacio que lorodea y que denominamos "campoel ctrico", como muestra la figura 1.

Vimos que podríamos represen-tar esta "influencia; por medio de lí-neas imaginarias, denominadas lí-neas de fuerza. (El uso de las líneasde fuerza fue propuesto por Fara-day).

Las líneas de fuerza realmente noexisten, pero pueden ayudar a eva-luar el comportamiento de la "in-fluencia" de la carga en el espacio.La influencia es mayor en los puntosen que las líneas son más concentra-das.

Del mismo modo, estudiamosotro tipo de influencia causado porcargas en movimiento, o sea, por lascorrientes eléctricas, que difería mu-cho del campo eléctrico, y que fuedenominado "campo magn tico".

También representábamos elcampo magnético por medio de lí-neas de fuerza pero de una formabien diferente: las líneas eran con-céntricas, envolviendo la trayectoriade las cargas (figura 2).

El tipo de influencia para los doscampos también se diferencia: elcampo eléctrico actúa sobre cual-quier cuerpo cargado, atraen o re-pelen conforme a la polaridad,mientras que el campo magnéticoactúa sobre determinados materia-les, independientemente de su car-ga, atraen (materiales ferrosos) o re-pelen (materiales diamagnéticos).

¿Qué ocurriría con una cargaeléctrica que, al mismo tiempo, pu-diera producir un campo eléctrico yun campo magnético?

Para explicar este fenómeno im-portante, vamos a imaginar unacarga eléctrica que pueda entraren vibración alrededor de un punto,o sea que pueda "oscilar" como

muestra la figura 3.Partiendo entonces

de una posición inicialen que la misma se en-cuentre detenida, sóloexiste campo eléctrico asu alrededor, comomuestra la figura 4.

El campo magnéticoes nulo, pues la carga seencuentra en reposo. Elcampo eléctrico, a suvez, es máximo.

A medida que la car-ga se desplaza hacia laposición central, el cam-po eléctrico se reduce,mientras que el campomagnético aumenta. Enel medio de la trayecto-

ria, cuando la velocidad es máxima,el campo magnético también esmáximo, mientras que el campoeléctrico se reduce a cero (mínimo,figura 5).

En dirección al otro extremo dela trayectoria, la velocidad se redu-ce gradualmente, con lo que se re-duce también el campo magnéti-co. El campo eléctrico vuelve a au-mentar de intensidad (figura 6).

Capítulo 6

83

Capítulo 6

Las Ondas Electromagnéticas

Fig. 1

Fig. 4

Fig. 2

Fig. 3

Cuando la carga llega al extre-mo de la trayectoria, por algunosinstantes se detiene para invertir elmovimiento. En este instante, elcampo eléctrico nuevamente esmáximo y el campo magnético sereduce a cero (figura 7).

En la inversión del movimiento,tenemos nuevamente el crecimien-to de la intensidad del campo mag-nético hasta el medio de la trayec-toria y la reducción al mínimo delcampo eléctrico y después, hasta elextremo, el aumento del campoeléctrico y la disminución del cam-po magnético. Vea entonces que,en esta "oscilaci n", el campo mag-nético y el eléctrico se alternan (fi-gura 8).

Hay un desfasaje de 90 gradosentre los dos campos.

El resulta-do de estefenómeno esla produc-ción de unaperturbaciónúnica que sepropaga porel espaciocon veloci-dad finita.

Vea queexiste un tiempo determinado decontracción de las líneas de fuerzatanto del campo eléctrico como delmagnético, así como para la expan-sión.

Así, independientemente de lavelocidad con que la carga oscile,o sea, de su frecuencia, la veloci-dad con que la perturbación se pro-paga es bien definida y constante.

Se puede demostrar que estaperturbación se propaga en el va-cío a una velocidad de 2,997793 x1010 centímetros por segundo, o, re-dondeando hacia arriba, ¡300.000 ki-lómetros por segundo!

Esta perturbaci n da origen a loque denominamos "onda electro-magn tica".

Polarizaci n

Para representar una onda elec-tromagnética precisamos tener encuenta tanto su componente eléc-trica como magnética, pues, comovimos, la misma corresponde a una"alternancia" entre los dos campos.

Para esta finalidad, hacemos usode la representación mostrada en lafigura 9. El campo eléctrico varía se-gún el eje E con semiciclos tanto po-sitivos como negativos, mientras que

el campo magnético varía según eleje H, también como semiciclos po-sitivos y negativos.

Cuando deseamos recibir unaonda electromagnética, lo que te-nemos que hacer es interceptarlade modo de tener una corriente enun conductor que pueda ser ampli-ficada y trabajada por circuitos es-peciales. Esto se hace, por ejemplo,mediante una antena que no esmás que un alambre conductor co-locado en el camino de la onda (fi-gura 10).

Para que ocurra la inducción deuna corriente en esta antena, la mis-ma debe ser colocada de determi-nada forma. Si los lectores observa-ran las antenas de televisión de sulocalidad, podrán tener una idea dela necesidad de esta colocación.

¿Por qué las antenas no se po-nen en posición tal que las varillasestén en forma vertical como mues-tra la figura (B) 11, y sí como en (A) fi-gura 11?

¡Esto ocurre porque la polariza-ción de las ondas se hace horizon-talmente, no verticalmente!

FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA

Para una corriente alterna, la fre-cuencia se define como el número

Las Ondas Electromagnéticas

84

Fig. 5

Fig. 9

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 10

de veces en que ocurre la inversiónde su sentido de circulación. La fre-cuencia es numéricamente igual aeste valor y es dada en hertz, cuyaabreviatura es Hz. En el caso de unaonda electromagnética, su frecuen-cia es dada por el número de vibra-ciones por segundo de la carga (ocargas) que la producen, siendo nu-méricamente igual a este valor ytambién medida en hertz.

Si una onda electromagnéticafuera producida por una carga quevibra a razón de 1.000.000 de vecespor segundo, la frecuencia de estaradiación será de 1MHz.

El espectro electromagnético esel conjunto de frecuencias en quepuede haber radiaciones electro-magnéticas y es muy extenso, seanalizará más adelante. Para unadeterminada radiación electromag-nética, además de la frecuencia,podemos definir otra magnitud, quees la longitud de onda.

Tomemos como ejemplo una ra-diación electromagnética cuya fre-cuencia sea de 1MHz, o sea,1.000.000Hz.

En un segundo, partiendo de lafuente emisora, o sea, las cargasque oscilan, las ondas recorren unespacio de 300.000 kilómetros, puesésta es su velocidad, como muestrala figura 12. Podemos percibir enton-ces que las ondas individualmente,o cada oscilación divide el “espa-cio” de 300.000 kilómetros o300.000.000 metros. Cada onda, en-tonces, "se quedará" con un espaciode 300 metros, o sea, tendrá una"longitud" que equivale a 300 metros(figura 13).

Para las ondas electromagnéti-cas es común expresar su naturalezatanto por la frecuencia como por sulongitud de onda. Hablar de una ra-diación de 1 MHz es, pues, lo mismoque hablar de una radiación de 300metros. Podemos fácilmente calcu-lar la longitud de onda de cualquierradiación, conocida su frecuenciapor la fórmula:

v = L x f (2)

Donde: v es la velocidad de pro-pagación (300.000.000 m/s); L es lalongitud de onda en metros; f es lafrecuencia en Hertz.

EL ESPECTRO ELECTROMAGN TICO

Y LAS ONDAS DE RADIO

¿Cuáles son las frecuencias quedan origen a las ondas electromag-néticas?

¿Qué tipo de naturaleza tienecada radiación en función de su fre-cuencia?

Si distribuimos las ondas electro-magnéticas de acuerdo con su fre-cuencia o longitud de onda, vere-mos que, para cada sector de estadistribución, tendremos comporta-mientos diferentes. Las radiacionesde longitudes de ondas menores tie-nen comportamientos bien diferen-tes de las de mayores longitudes. Supropia utilización es distinta.

Llamamos espectro a la distribu-ción de las diversas frecuencias deradiaciones electromagnéticas, y enel caso es un espectro continuo,pues no existen saltos entre los valo-res que las mismas pueden asumir.

El espectro de las radiacioneselectromagnéticas, en verdad, seextiende de 0 a infinito, ¡ya que seconocen fuentes que emiten "seña-les" de frecuencias tan elevadas co-mo 1023Hertz, o sea 1 seguido de 23ceros!

Vamos al análisis del espectro:

Espectro electromagn tico

Frecuencia: 0 a 20kHzDenominación: ondas eléctricas

acústicasLa longitud de onda varía entre el

infinito y 15.000 metros. En verdad, estasondas no tienen mucha "penetración"en el espacio, siendo usadas para latransmisión de energía por cable, o enla producción de sonidos.

Frecuencia: 20kHz a 30kHzDenominación: VLF (Very Low Fre-

quency = frecuencia muy baja)Las ondas electromagnéticas de es-

ta banda, de 15.000 a 10.000 metros,pueden ser usadas en los servicios detelecomunicaciones a larga distancia,pues siendo muy estables, no están in-fluenciadas por la hora del día ni por lasestaciones del año.

Vea el lector que el Sol es un "ene-migo" de las ondas electromagnéticas,pues la radiación que él emite tambiénpuede influenciar su propagación y difi-cultar el uso de determinados tipos deondas de radio, como ésta, en mayor omenor intensidad.

Capítulo 6

85

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

Frecuencia: 30kHz a 300kHzDenominación: LF (Low Frequency =

baja frecuencia)Pueden ser usadas en servicios de

radiocomunicaciones de larga distan-cia, como por ejemplo en comunica-ción naval, o incluso para ayudar ennavegación al orientar naves y aviones.Estas ondas ya son más afectadas en supropagación que las de la banda ante-rior, pues, según la hora del día y la es-tación del año, pueden ocurrir peque-ñas atenuaciones.

Frecuencia: 300kHz a 3.000kHzDenominación: MF (Medium Fre-

quency = frecuencia media)Las ondas de esta banda, que son

ondas de radio, tienen longitudes entre1.000 y 100 metros, pudiendo ser usadasen diversos tipos de servicios de comuni-cación, como por ejemplo, la propia ra-diodifusión (AM), comunicaciones entreaeronaves, barcos, policía, etc. Estas ra-diaciones son influenciadas por la horadel día: su alcance es mayor durante lanoche y menor durante el día. Igual-mente, en invierno la atenuación es me-nor que en verano.

Frecuencia: 3.000 kHz a 30 MHzDenominación: HF (High Frequency

= alta frecuencia)También tenemos aquí ondas de ra-

dio cuya longitud de onda estará entre100 metros y 10 metros. Estas ondaspueden usarse en comunicaciones delarga distancia, en determinados hora-rios del día y en dependencia de las es-taciones del año.

Lo que ocurre es que estas ondaspueden ser reflejadas por las capas al-tas de la atmósfera (la ionosfera), asívencen el problema de la curvatura dela Tierra. Las ondas de esta banda sonutilizadas por las estaciones de radiodi-fusión, radioaficionados, y servicios di-versos de comunicación a distanciaslargas y medianas.

Frecuencia: 30MHz a 300MHzDenominación: VHF (Very High Fre-

quency = frecuencia muy alta)Son también ondas de radio cuya

longitud de onda estará entre 10 metrosy 1 metro. Estas ondas se propagan enlínea recta, como las demás, pero soninfluenciadas fuertemente por la pre-sencia de obstáculos. Así, no podemosusarlas en servicios que sobrepasen la lí-nea visual o línea del horizonte. Las on-das de esta banda son usadas en servi-cios de radiodifusión (FM), televisión,comunicaciones a distancias cortas ymedianas como por ejemplo policía,aviación, etc.

Frecuencia: 300MHz a 3.000MHzDenominación: UHF (Ultra High Fre-

quency = frecuencia ultra alta)Estas ondas de radio tienen longitu-

des de onda entre 1 metro y 10 centí-metros. Son pues ondas muy cortas decomportamiento semejante al VHF, conla diferencia que son mucho más afec-tadas por obstáculos. Estas ondas sonusadas en TV, radar, comunicaciones adistancia corta y mediana.

Frecuencia: 3GHz a 30.000MHzDenominación: SHF (Super High Fre-

quency = frecuencia super alta)Estas ondas tienen longitud de on-

da entre la banda de 10 centímetros a1 centímetro. Estamos en el dominio delas llamadas microondas, usadas en ser-vicios de comunicaciones en línea vi-sual, radar, etc.

Las mismas no pueden sobrepasarobstáculos, incluso de pequeño tama-ño, son pues usadas en las comunica-ciones visuales, o sea, en aquéllas enque el transmisor prácticamente "ve" elreceptor.

Frecuencia: 30GHz a 300GHzDenominación: MicroondasNo hay realmente una sigla para las

ondas de radio en esta banda. Su longi-tud está entre 1 mm y 10 mm y aquí elcomportamiento de las radiaciones co-mienza a sufrir una transición. Podemosagrupar las radiaciones de esta bandaen ondas centimétricas, milimétricas, eincluso submilimétricas. Su uso es el ra-dar; las comunicaciones por microon-das también son producidas por cuer-pos calentados como las lámparas devapor de mercurio. Se trata pues de ra-diación cuya naturaleza comienza aestar próxima a la de la luz.

Frecuencia: 300GHz (3 x 1011) a 3 x1014Hz

Denominación: Radiación infrarrojao simplemente infrarrojo. Ya tenemosaquí un tipo de radiación de comporta-miento bastante semejante al de la luzvisible. La radiación infrarroja es produ-cida por cuerpos calientes. Cuandoacercamos la mano a un hierro calien-te, "sentimos" esta radiación a la distan-cia en forma de calor. Las longitudes deonda son medidas en esta banda enmicrones (µ), o millonésimas de metro, obien en otra unidad que es el Angston(Å) que equivale a 10-8 metros o a la mi-llonésima parte del milímetro.

Frecuencia: 3 x 1014 Hz.Denominación: Luz visibleEn este punto del espectro electro-

magnético tenemos una forma de ra-

diación muy importante para nosotrosque es la luz que podemos ver, o luz vi-sible. Su longitud de onda está entre4.000 Angstrons y 7.000 Angstrons. El co-lor de la luz que percibimos está relacio-nada con su frecuencia, conforme a lasiguiente tabla aproximada:

Violeta - 4.000 a 4.500 AngstronAzul - 4.500 a 5.000 AngstronVerde - 5.000 a 5.700 AngstronAmarillo - 5.700 a 5.900 AngstronAnaranjado - 5.900 a 6.100 AngstronRojo - 6.100 a 7.000 AngstronLa particularidad más importante

de esta banda del espectro está, en-tonces, en el hecho de que poseemos"sensores" sensibles capaces de percibirlas radiaciones, que son justamentenuestros ojos.

Frecuencia: 3 x 1014 a 3 x 1017

Denominación: radiación ultraviole-ta o simplemente ultravioleta.

Tenemos aquí una penetrante formade radiación electromagnética del tipode la luz cuyas longitudes de onda estánentre 4.000 Angstron y 10-7 centímetros.Este tipo de radiación es producida porla vibración molecular y atómica y en-cuentra aplicaciones industriales de di-versos tipos.

Frecuencia: 3 x 1017 a 3 x 1020 HzDenominación: Rayos XTenemos aquí una forma muy pene-

trante de radiación electromagnéticaque puede, por su longitud de ondamuy pequeña, penetrar en los cuerposmateriales de diversos tipos. Esta formade radiación es usada en medicina yen la industria de diversas formas.Cuanto menor es la longitud de ondade los rayos X, mayor es su penetración.

Frecuencia: 3 x 1020Hz a 3 x 1021HzDenominación: Rayos GammaEsta forma peligrosa de radiación

electromagnética es producida tantopor vibraciones atómicas y molecularescomo también por las reacciones nu-cleares. Los rayos gamma tienen enor-me penetración, por lo que puedenatravesar obstáculos de concreto oplomo de bastante espesor.

Frecuencia: 3 x 1021 Hz y másDenominación: rayos cósmicosSon partículas de increíble penetra-

ción producidas por reacciones nu-cleares o aceleración en campos mag-néticos de particulas cargadas y pue-den atravesar toda la masa de la Tierracomo si no existiera. Estas partículas sondetectadas con dificultad, y felizmentellegan en poca cantidad a nuestro pla-neta.

Las Ondas Electromagnéticas

86

Existen distintas configuraciones yexisten varias formas de polari-zar un transistor, cada una con

sus ventajas y desventajas.Se dice que un amplificador de

audio es aquel que incrementa el ni-vel de una determinada señal queposee una frecuencia comprendidadentro del espectro audible (20Hz a20kHz). Para el diseño de un amplifi-cador interesan características talescomo la potencia de salida, impe-dancia de carga, impedancia deentrada, nivel de la señal de entra-da, tensión de alimentación, etc.

CONFIGURACIONES CIRCUITALES B S I-CAS

Básicamente, a un transistor se lopuede utilizar en tres configuracio-nes distintas a saber:

a- Configuraci n Base Com nb- Configuraci n Emisor Com nc- Configuraci n Colector Com n

EL AMPLIFICADOR BASE CO M N

Las principales características son:

• Baja impedancia de entrada(entre 50 ohm y 300 ohm)

• Alta impedancia de salida (en-tre 100 kilohm y 1 Megohm).

• Posee alta ganancia de ten-sión.

• No posee ganancia de corriente.• La señal de salida no está des-

fasada respecto de la de entrada.

En la figura 1 vemos el circuito deun amplificador base común.

Si observamos el circuito, la pola-rización del emisor es tal que la jun-tura base-emisor queda en directa,constituye así un circuito de muy ba-ja resistencia de entrada (diodo endirecta) que oscila entre 50 y 300Ω,mientras que el colector queda po-larizado en inversa, lo que hace quela salida tenga una resistencia ele-vada que oscila entre 100kΩ y 1MΩ.

La ganancia de corriente:

Icα = ——— < 1

Ie

α es menor que la unidad pero seasemeja a 1; varía entre 0,98 y 0,999,pero lo que aquí importa es que laganancia de resistencia es muygrande (aproximadamente Rs/Re =1500) con lo cual la etapa poseegran ganancia de tensión. Existeuna familia de curvas que caracteri-zan el funcionamiento de cadatransistor en la configuración basecomún, y se llaman curvas caracte-rísticas para conexión base común(o base a tierra, o base a masa).

Muchas veces es cómodo traba-jar con una sola batería y para ellose polariza al transistor (figura 2). Losresistores de base Rb y Ra dan a labase una polarización positiva res-pecto de emisor a los fines de que lajuntura BE quede polarizada en di-recta mientras que el colector es po-sitivo respecto del emisor. C1 es uncamino a masa para la señal alter-na a los fines de obtener máxima se-ñal sobre la resistencia de carga Rc.La señal a la salida está en fase conla señal de entrada, pues un au-mento de la tensión de base provo-cará un incremento de la corrientede colector y, a su vez, aumentarála señal sobre Rc que es la carga(salida) del circuito. Observe que C1es un cortocircuito para corriente al-terna; anula los resistores Ra y Rb yaque no hay caída de tensión de se-ñal alterna sobre éstos.

EL AMPLIFICADOR EMISOR CO M N

En este tipo de circuito, la señalde entrada se aplica entre base yemisor del transistor. Aquí también lapolarización del transistor es tal queel emisor queda polarizado en direc-ta, condiciones imprescindibles paraque el transistor funcione como tal.

Se trata de un amplificador deimpedancia de entrada moderada,no muy alta impedancia de salida,posee ganancia de tensión y co-rriente y la señal de salida está des-

fasada 180° respecto de la señalaplicada a la entrada.

Tensi n de entrada = Tensi n Ba-se-emisor

Tensi n de salida = Tensi n Co-lector-Emisor

Corriente de entrada = Corrientede Base

Corriente de salida = Corriente deColector

Desarrollemos este tema anali-zando el circuito de un amplificadoremisor común (figura 3).

La resistencia de entrada varíacon la polarización, siendo un valornormal 5.000Ω, aunque puede variarentre 100Ω y 10.000Ω, según la pola-rización. La resistencia de salida esmoderada, es decir, unos 50.000Ωsegún el transistor y su polarización.

Aquí la corrriente de colector secontrola con la corriente de base,de aquí que con pequeñas variacio-nes de la corriente de base se ob-tengan grandes variaciones de lacorriente de colector, razón por lacual, actuando como amplificadorde corrriente, se define lo que se lla-ma factor β.

Capítulo 6

87

El Transistor como Amplificador

Amplificadores con Transistores

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Ic β = ———

Ib

β = Ganancia de corriente deltransistor en la configuración emisorcomún

Por lo dicho, en un amplificadorbase común se utiliza el parámetro:

Icα = ——

Ie

y aquí se usa:

Ic β = ———

Ib

Pero la diferencia fundamentales que este circuito (emisor común)tiene ganancia de corriente y tam-bién ganancia de tensión, por locual se puede tener una gananciade potencia que puede llegar a10.000 veces (40dB), lo que lo hacemuy popular. Nótese que, si al apli-car una señal de entrada aumentala tensión de base, aumentará la Ib,lo que hará aumentar la Ic; si estoocurre, aumentará la caída de ten-sión sobre RL y, por ley de Kirchhoff(que veremos en la próxima lec-ción), disminuirá la tensión colector-emisor (tensión de salida) pues:

Vcc = VRL + Vce

Como Vcc es constante, si au-menta VRL deberá disminuir Vce. Ensíntesis, un aumento de la señal deentrada provocará una disminución(mayor) de la tensión de salida porlo cual hay una inversión de fase en-tre entrada y salida, al revés de loque ocurría en un circuito Base-Co-mún. Aquí también es necesario, alos fines de simplificar la construc-ción del circuito, polarizar al transis-tor con una sola batería o fuente dealimentación y para ello hay mu-chas formas de hacerlo; una deellas es la denominada polarizaciónfija, que consiste en colocar un resis-tor entre base y batería con el fin depolarizar la juntura base-emisor endirecta (figura 4).

Para calcular el valor de la resis-tencia de base, basta con fijar unvalor de corriente de base. Sabe-mos que habrá además una caídade tensión sobre RL que no debe serdemasiado alta para que el colec-tor siga siendo positivo respecto de

la base. Para hacer el cálculo de Rbse emplea la malla formada porVcc, Rb y la juntura BE del transistor(figura 5).

EjemploSi consideramos la Vbe = 0,6V y

queremos una corriente de base de50µA con una Vcc = 6V, la Rb debeser de:

6V - 0,6VRb = ————— = 108.000Ω

50 x 10-6 A

Un valor comercial que se ase-meje a este valor es 100kΩ: por lotanto, adoptamos una Rb = 100kΩ.

Es fácil notar que, pase lo quepase, la Ib permanece constantefrente a variaciones de temperaturao por cambios de transistor pues pa-ra todos los transistores Vbe = 0,6V(Si) o Vbe = 0,2V (Ge) aproximada-mente.

Icβ = ——

Ib

Con lo cual:

Ic = β . Ib

Ocurre que todos los transistores“no” son iguales y su b puede variarpor cambios de temperatura (ade-más de variar entre transistores), conlo cual, si es fundamental que Ic novaríe, tendría que cambiar el valorde Rb cada vez que se cambia detransistor, lo que complica el análisis.

Esto hace que la polarización fijano sea la más adecuada, ya que esinestable frente a cambios de tran-sistores y frente a variaciones detemperatura, por lo que resulta im-posible mantener fija la corriente tí-pica de colector.

Para solucionar en parte esteproblema, se utiliza la polarizaciónautomática que consiste en conec-tar el resistor Rb entre base y colec-tor, que cumple la función de “sen-sar” la tensión entre colector y basepara polarizar a ésta. Es decir, existeuna realimentación desde el colec-tor hacia la base (realimentar signifi-ca tomar una muestra de algunaparte del circuito y enviarla a otraparte del circuito con el fin de variaralguna característica del mismo). Lapolarización automática, aunquetiene la desventaja de disminuir la

ganancia del amplificador, mejoraalgunas fallas de la polarización fija(figura 6). Para calcular el valor deRb debemos saber cuál es el valorde tensión que pretendemos queexista en colector y cuál es la co-rriente que circulará por la base.

Analizando el circuito y aplican-do Kirchhoff puede deducirse que:

Vce - VbeRb = —————

Ib

Si se desea tener una tensión en-tre colector y emisor Vce = 4V conuna corriente de base de Ib = 50µA,debemos colocar una Rb (figura 7),que se calcula:

4V - 0,6VRb = ————— = 68.000Ω

50 x 10-6A

Las Ondas Electromagnéticas

88

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Casualmente, esta vez el valorcalculado para Rb = 68kΩ coincidecon un valor comercial.

Para calcular la polarización deun circuito con polarización auto-mática se debe recurrir al circuito deentrada (figura 8). Se deduce que:

Vcc = VRc + VRb + Vbe

Si consideramos que Ic es muchomayor que Ib se puede decir que:

VRc = Ic . Rc ; VRb = Ib . Rb

Luego:

Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe

Reemplazando la relación:

Ic IcIb = —— Vcc = Ic . Rc + —— . Rb + Vbe

β βSi se trabaja matemáticamente,

se llega a:

Vcc - VbeIc = ——————— (1)

RbRc + ——

βEn la fórmula de cálculo de Ic se

ve que ahora el β no influye tantosobre el valor de la corriente de co-lector, razón por la cual no hay gran-des variaciones de Ic con la tempe-ratura o por cambios del transistor.

Aunque la variación de β seagrande debido a que se cambió eltransistor o hubo una variación detemperatura, el circuito no se veráafectado, dado que Ic permanececasi constante.

Sea el caso ahora, del circuitode la figura 9. Q es un transistor de si-licio (Vbe = 0,6 V) que posee un β =200. Aplicando la fórmula (1), obte-nemos:

12V - 0,6V Ic = ————————— =

22.000Ω————— + 1.200Ω

200

12V - 0,6V Ic = ————————— =

110Ω + 1.200Ω

11,4VIc = ———— = 8,7mA

1310Ω

Supongamos que hay una varia-ción del 50% del b por cualquiercausa, lo que lo lleva a un valor β’ =300, nos preguntamos, ¿variará mu-cho la corriente de colector? Paraaplacar dudas, calculemos el nuevo

valor de Ic.

Vcc - VbeIc = ———————

RbRc + ——

β11,4V

Ic = —————————— 22.000Ω

1200Ω + ————300

11,4VIc = ———————— = 8,95mA

1.200Ω + 73,3Ω

Se puede comprobar entoncesque una variación del 50% en el va-lor del b provoca en este caso unavariación inferior al 5% en la corrien-te del colector, lo que indica que haaumentado la estabilidad del circui-to. En este circuito la realimentaciónnegativa también estará presentepara la señal alterna que deseamosamplificar; es decir, existe una dismi-nución en la ganancia del circuito,pero la estabilidad lograda com-pensa ampliamente esta pequeñadesventaja ya que, con el precioactual de los transistores, si necesita-mos mayor ganancia, siempre po-demos recurrir a más etapas en am-plificación. Como vemos, logramosestabilidad térmica bajando la ga-nancia del sistema.

Si consideramos despreciable lacorriente de base frente a la corrien-te de colector, podemos calcular latensión colector-emisor de la si-guiente manera (figura 10):

Vcc = VRc + Vce

Como Ic >> Ib; trabajando mate-máticamente:

Vce = Vcc - Ic . Rc

Vcc - VbeVce = Vcc - ————— . Rc

RbRc + ——

β

Aplicando esta fórmula al ejem-plo que hemos analizado, podremosconocer cuánto vale la tensión co-lector-emisor.

Vce = 12V - 8,7mA . 1,2kΩ =1,56VLa baja tensión Vce indica que

el transistor está operando cerca dela zona de saturación. Recordemosque esta zona tiene su límite parauna Vce ≅ 1V.

Para otras aplicaciones resulta

necesario graduar la ganancia dela etapa a voluntad (ganancia detensión) y además que el circuitosea térmicamente estable; para ellosuele utilizarse una realimentaciónde corriente en el circuito de polari-zación, por medio de la colocaciónde un resistor en el emisor del transis-tor. En el circuito así constituido cual-quier aumento en la corriente decolector por alguna causa, desarro-llará una tensión sobre el resistor deemisor tal que, si la tensión de basepermanece constante, polariza enforma inversa la juntura Base-Emisorque compensará la variación de lacorriente de colector.

Capítulo 6

89

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

La polarización “fija” de la basese consigue por medio de un divisorresistivo.

Veamos lo siguiente, la polariza-ción de la base es Vcc . R2/(R1 + R2)o sea no depende de ningún pará-metro del transistor. Un aumento deIc aumenta VRe que es la caída so-bre Re (ver figura 11). Para calcularla corriente de colector es necesarioconocer el valor de la tensión de labase respecto de masa y la resisten-cia que “ve” la base.

El cálculo se facilita si considera-mos que I1 es mucho mayor que Ib.

Dibujando la batería del otro la-do se comprenderá mejor el circuitode entrada (figura 12) :

VccI1 = —————

R1 + R2

VB = I1 . R2

Reemplazando:

VccVB = ———— . R2 (2)

R1 + R2

El desarrollo que estamos hacien-do es una aplicación del teorema deThevenin que dice que cualquier cir-cuito puede ser reemplazado por ungenerador de tensión en serie conuna resistencia. Aplicando este teo-rema al circuito que está conectadoentre base y masa del transistor, tene-mos que R2 está conectada a la ba-se junto con R1 y Vcc.

Ahora bien, el generador de ten-

sión VB se calcula como la tensiónque cae entre base y masa del tran-sistor cuando éste ha sido desco-nectado; esta tensión es la que caesobre R2 y es la VB, fórmula (2).

En tanto la resistencia de Theve-nin RB la calculamos con el transistordesconectado y cortocircuitando lafuente de alimentación (II). Observeel circuito de la figura recién vista,donde al cortocircuitar la fuente decontinua (Vcc) R1 y R2 quedan co-nectados en paralelo.

R1 . R2RB = ———— (3)

R1 + R2

En la figura 13 vemos qué ocurresi reemplazamos VB y RB en el circui-to de la figura 11. Lo hecho no esmás que una aplicación del teore-ma de Thevenin para simplificar elcálculo de la corriente de colector.

Aplicando Kirchhoff en el circuitode la figura, se tiene:

VB = VRB + Vbe + VRe

VB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re

Como Ic ≈ Ie

VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Re

IcTambién Ib = ———

β

IcVB = —— . RB + Vbe + Ic . Re

βRB

VB = Ic . ( —— + Re) + Vbeβ

Despejando:

VB - VbeIc = ——————

RB——— + Re

β

Donde:VB y RB se calculan por medio de

las fórmulas (2) y (3).Vbe = 0,2V para el germanio y

0,7V para el silicio.β ganancia de corriente en emi-

sor común dado por el fabricante.Para que la señal alterna no de-

sarrolle una tensión sobre el resistorRe, se coloca un capacitor de desa-cople entre emisor y masa. De estaforma el capacitor en paralelo conRe deriva la señal de CA a masa pa-

ra impedir pérdidas de ganancia. Ensíntesis, el agregado de Re tiende aestabilizar la corriente de colector.

Dado que generalmente Re »Rb/b, si varía el b, Ic se mantieneconstante, entonces hay mayor es-tabilidad (figura 14). De la misma for-ma que hemos procedido anterior-mente, podemos calcular la tensiónColector-Emisor aplicando Kirchhoffen el circuito de salida.

Vcc = VRc + Vce + VReVcc = Ic . Rc + Vce + Ic . ReVcc = Ic (Rc + Re) + VceVce = Vcc - Ic (RC + Re)

En síntesis, el agregado de Reproporciona una estabilidad adicio-nal al circuito ya que permite sensarla corriente de emisor.

Se conecta un capacitor en pa-ralelo para que la corriente alternase derive a masa por él sin producircaída de tensión alterna sobre Re, loque disminuiría la ganancia.

Existen otras polarizaciones parala configuración emisor común perotodas ellas buscan mayor gananciade tensión y aumento en la estabili-dad del circuito que son los factoresdeterminantes para la elección delcircuito adoptado para cada caso.

EL AMPLIFICADOR COLECTOR CO M N

En este circuito la señal de entra-da se aplica entre colector y baseque, como sabemos, es una junturapolarizada en inversa para que eltransistor trabaje correctamente: deesta manera se logra que la impe-dancia de entrada de un transistoren esta configuración sea muy alta(resistencia elevada), mientras quela salida se toma entre colector yemisor, siendo la impedancia de sa-lida bastante baja.

Esta etapa posee una gananciade potencia bastante baja compa-

Las Ondas Electromagnéticas

90

Fig. 13

Fig. 14Fig. 12

rada con la que se puede obteneren una etapa emisor común.

La tensión de salida es siempremenor que la tensión de entrada:por lo tanto, la ganancia de tensiónes menor que la unidad. Este circui-to se utiliza como elemento adapta-dor de impedancias (figura 15).

Acomodamos el circuito parapoder verlo como comúnmente seutiliza (figura 16). Si aumenta la señalde entrada, aumenta la corrientede emisor y por lo tanto la señal so-bre la RC con lo cual, como ocurreen la configuración base común,aquí no hay inversión de fase.

RECTA EST TICA DE CARGA

Los transistores pueden ubicar sufuncionamiento en una zona de tra-bajo donde su respuesta es lineal,una zona denominada “ZONA DECORTE” y una tercera zona que de-termina la “SATURACION” del transis-tor. Se debe establecer un punto defuncionamiento del transistor dentrode su región activa (zona lineal) conel objeto de obtener a la salida delamplificador una señal réplica de lade entrada pero de mayor ampli-tud. El punto de reposo del transistor,que hemos aprendido a calcularpara las distintas polarizaciones, sedebe hallar sin aplicar señal externay se lo llama punto “Q” de funciona-miento, punto de reposo o simple-mente punto de trabajo.

Ubicando este punto Q sobre lascurvas características de salida deltransistor y aplicando métodos gráfi-cos se puede predecir el comporta-miento del amplificador cuando sele aplica una señal a la entrada. Si laseñal de salida no es fiel a la ingre-sante, lo más probable es que no sehaya elegido correctamente el pun-to de reposo.

Al polarizar un transistor se debe

elegir los componentes aso-ciados (resistores, alimenta-ción, etc.) con sumo cuidado,ya que el punto Q no debequedar en cualquier parte dela zona activa del transistor. Sedebe tener en cuenta las es-pecificaciones dadas por elfabricante, tales como Poten-cia Máxima de Disipación (Pcmax), Tensión Máxima de Co-lector (Vc max), Corriente Má-xima de Colector (Ic max),Factor β de Amplificación, etc(figura 17).

Para pequeñas señales, siel transistor está bien polariza-do se puede asegurar que la tensiónde salida no será distorsionada, “pe-ro no es la misma la tensión de co-lector que la señal de salida”, yaque esta última no debe poseer ge-neralmente una componente decontinua, razón por la cual se colo-can capacitores de desacople a lasalida del circuito (y también a laentrada) lo que obliga a analizar elcircuito sin componente continua ycon componente continua (figura18). En este circuito, la tensión decontinua del colector del transistorno aparece sobre la resistencia decarga RL a causa del bloqueo im-puesto por Cb2 pero la señal sobreRL es una réplica amplificada de laseñal de entrada.

Los valores de los capacitoresdeben ser tales que a la frecuenciamínima de trabajo no ofrezcan resis-tencia apreciable al paso de la se-ñal. Para la ubicación del punto detrabajo se recurre generalmen-te a métodos gráficos, se usanlas curvas de salida del transis-tor en la configuración en quese esté utilizando el dispositivo.

Si se conocen los elemen-tos asociados a la salida deltransistor pueden calcularse losresistores de polarización de

base, previa ubicación del punto dereposo del transistor, partiendo de ladenominada RECTA ESTATICA DECARGA del transistor (figura 19). Paratrazar esta recta sobre la familia decurvas, se obtiene la ecuación de lamalla de salida del circuito. Porejemplo, en el circuito de un transis-tor en emisor común con polariza-ción por divisor resistivo se tiene que:

Vcc = Vce + Ic (Rc + Re) (4)

En esta ecuación, Vcc, Rc y Reson valores conocidos mientras queVce e Ic son variables.

En geometría se estudia que laecuación (4) representa una recta ypara trazarla hace falta conocerdos puntos de dicha recta. Los pun-tos elegidos serán:

a) para Vce = 0 debemos calcu-lar el valor de Ic. De la fórmula (4):

Capítulo 6

91

Fig. 15 Fig. 16

Fig. 17

Fig. 18

Vcc = 0 + Ic (Rc + Re)

despejando:

VccIc = —————

(Rc + Re)

b) Cuando Ic = 0, de la fórmula (4):

Vcc = Vce + 0 (Rc + Re)Vcc = Vce

Es decir, los dos puntos elegidospara trazar la recta serán:

Vcca) (Ic; Vce) ⇒ ( ——— ; 0)

(Rc + Re)b) (Ic; Vce) ⇒ (0; Vcc)

Si ubicamos estos puntos sobrelas curvas de salida del transistor ytrazamos una recta que pase porellos, encontraremos la recta estáti-ca de carga del circuito (figura 20).

Esta recta es útil porque no im-porta que varíe la corriente de basecomo consecuencia de la aplica-ción de una señal, los valores de Ic yVce se ubicarán sobre dicha recta.Además, conociendo los valoresmáximos de la señal a aplicar y tras-ladándolos al gráfico se podrá cal-cular cuáles son los valores corres-pondientes de la corriente de colec-tor.

RECTA DIN MICA DE CARGA

Se ha visto que por métodos grá-ficos se pueden predecir los distintosvalores de Ic y Vce que puede tomarun transistor polarizado cuando se leaplica una señal de entrada, pero enel razonamiento no se ha tenido encuenta la carga que se le aplica alcircuito a través de un capacitor.

La Recta Estática de Carga esmuy útil para analizar el funciona-miento del circuito sin que a éste se leaplique señal, es decir, donde se ubi-caría el punto de reposo si hubiese al-gún corrimiento de algún parámetroa causa de determinados factores,como por ejemplo la temperatura.Analicemos el circuito de la figura21. Cuando se aplica una señal decorriente alterna, C2 es un corto cir-cuito; lo mismo ocurre con el capa-citor de desacople de emisor CE y lafuente de alimentación (por consi-

derarla como un capacitor cargadode alta capacidad). De esta mane-ra el emisor estará conectado a ma-sa y Rc estará en paralelo con lacarga RL. Para analizar el com-portamiento del circuito para se-ñales alternas gráficamente esnecesario construir una RECTADINAMICA DE CARGA que con-temple el paralelo entre Rc y RL yahora RE = 0 a causa de la muybaja impedancia que pasa a te-ner CE.

Para trazar la Recta Dinámi-ca de Carga se tiene en cuentael punto de reposo del transistorya que sin señal se ubicará sobredicho punto. La técnica consisteen trazar una recta que pase porel punto Q con pendiente 1/Rd,siendo Rd el paralelo entre Rc yRL (figura 22).

Rc . RLRd = ————

Rc + RL

C LCULO DE LOS

CAPACITORES DE PASO

Hemos dicho que tanto loscapacitores de acoplamientode entrada y salida, como el ca-pacitor de desacople de emisor,se deben comportar como uncortocircuito para la señal detrabajo. La forma de cálculo deestos capacitores está íntima-mente ligada con la impedanciadel circuito “que ven estos ele-mentos” ya que el efecto resisti-vo debe ser mucho menor quedicha impedancia para todaslas señales que se desean ampli-ficar.

La reactancia de un capaci-tor se calcula como:

LXc = —————

2 π . f . C

De aquí se deduceque, en la medida que au-menta la frecuencia de laseñal tratada, menor seráel efecto de oposición delcapacitor al paso de lasseñales. Por lo tanto, elpeor caso se presenta conlas señales de menor fre-

cuencia, donde el capacitor puedeque no se comporte como un corto-circuito. Para calcular el valor del

Las Ondas Electromagnéticas

92

Fig. 19

Fig. 20

Fig. 22

Fig. 21

capacitor necesario, éste debe te-ner una “resistencia” (en realidadreactancia) 10 veces menor que elvalor de la impedancia que él veráa la mínima frecuencia de trabajodel amplificador. Por ejemplo, si laimpedancia de entrada de un am-plificador es de 5.000Ω, el capacitorde paso de entrada no debe pre-sentar una reactancia superior a500Ω para la frecuencia mínima deoperación.

Para explicar esto mejor con unejemplo, podemos calcular el valordel capacitor de desacople de unaresistencia de emisor de 100Ω si lamínima frecuencia de operacióndel transistor será de 20Hz.

Sabemos que:

1Xc = —————

2 π . f . C

y que:

ReXc = —————

10luego:

Re 1—— = ——————10 2 π . f . C

despejando:

10Ce = ——————

2 . π . f . Re

Si queremos dar el valor del ca-pacitor en µF multiplicamos el se-

gundo término por 106, luego:

107Ce [µF] = ——————

2 . π . f . Re

Reemplazando valores:

107Ce [µF] = ——————— =

6,28 . 20Hz . 100Ω

107Ce [ F] = ————— = 796 F

12,56 . 103

En general el valor de Re es ma-yor, al igual que la frecuencia míni-

ma de operación, con lo cual el va-lor Ce disminuye bastante. Valoresnormales están comprendidos entre50µF y 220µF.

Del mismo modo se pueden cal-cular los capacitores de paso (CB1 yCB2) obteniéndose valores normalesque oscilan entre 10µF y 100µF.

Acoplamientos Interetapas

Para conectar el transductor deentrada al amplificador, o la carga uotra etapa es necesario un mediode acoplamiento que permitaadaptar impedancias para que exis-ta máxima transferencia de energía.Los acoplamientos interetapas másutilizados son:

a) Acoplamiento RCb) Acoplamiento a transformadorc) Acoplamiento directo

a) Acoplamiento RC:Este tipo de acoplamiento es

muy utilizado aunque con él no seproduce una perfecta adaptaciónde impedancias y por lo tanto, nohabrá máxima transferencia deenergía. Separa totalmente la señalde los circuitos de polarización (figu-ra 23). El resistor R1 puede ser el resis-tor de carga (o polarización) de laprimera etapa mientras que R2 pue-de ser el resistor de polarización debase, si la segunda etapa es un tran-sistor. El capacitor C deja pasar lasseñales alternas provenientes de laprimera etapa y evita que la tensiónde polarización quede aplicada enla entrada de la segunda etapa. Lacapacidad del capacitor C tieneque ser la adecuada a las frecuen-cias de las señales que se deseanamplificar; por ejemplo, para aco-plar etapas de audio su valor debeser elevado (algunos microfarad)para que su reactancia sea peque-ña a la menor frecuencia que se de-sea amplificar. Una capacidad pe-queña ofrecería una reactancia ele-vada al paso de las bajas frecuen-cias, por lo que éstas quedarían ate-nuadas. Si se desea acoplar etapasamplificadoras con transistores usan-do capacitores electrolíticos, la posi-ción del capacitor dependerá de lapolaridad de los transistores. Veamos

un ejemplo en la figura 24. Con tran-sistores NPN la base es menos positi-va que el colector; por lo tanto, elcapacitor electrolítico se conectacon el positivo del lado del colectorde la primera etapa. Generalmentese utiliza un acoplamiento con resis-tor y capacitor en etapas amplifica-doras de audio de bajo nivel.

b) Acoplamiento por TransformadorEl acoplamiento a transformador

se utiliza con el fin de obtener máxi-ma ganancia de potencia; para ellodeben adaptarse las impedanciasde entrada y de salida del transistor.

En la figura 25 vemos un circuitoacoplado a transformador:

Se emplea un transformador re-ductor T1 para acoplar la entradadel transistor con lo cual, si bien hayuna disminución de la tensión apli-cada (por ser un transformador re-ductor), hay un mayor suministro depotencia ya que, por el teorema demáxima transferencia de potencia,se logrará transferir máxima energíacuando las partes están perfecta-mente adaptadas (igual impedan-cia). Para adaptar la salida tambiénusamos un transformador reductorya que el parlante posee baja impe-dancia, en contraposición con la al-ta impedancia del colector del tran-sistor. Este T2 adapta las impedan-cias de colector y parlante, así per-mite que la potencia entregada al

Capítulo 6

93

Fig. 23

Fig. 24

Fig. 25

parlante sea máxima. En este circui-to se tiene una polarización por divi-sor de tensión, donde R1 y R2 dan lapolarización adecuada a la base, yRe da la estabilización necesariapara evitar problemas por cambiosen los parámetros del transistor; C1se coloca para evitar que la señal seatenue sobre R1, y C2 para impedirque la señal se desarrolle sobre Re,así el rendimiento del circuito au-menta. En síntesis, un acoplamientoa transformador permite adaptarimpedancias y aísla niveles de conti-nua, pero posee la desventaja fun-damental de que sus característicasvarían con la frecuencia, razón porla cual suele distorsionar (aunquemuy poco) a todas aquellas señales

que no están com-puestas por una solafrecuencia. Además,es pesado y de grantamaño; si se quieredisminuir las pérdidas,el costo aumentaconsiderablemente.

c) Acoplamiento Directo

Este tipo de acoplamiento con-siste en unir dos etapas por mediode un cable. En principio, este méto-do es ideal porque resulta económi-co y no sufre las atenuaciones queintroduce todo capacitor en bajasfrecuencias. En sistemas amplifica-dores, el método consiste en conec-tar el colector de un transistor con labase del siguiente (figura 26). El prin-cipal problema de este circuito radi-ca en que los niveles de continuadel colector de un transistor y de labase del transistor siguiente soniguales, razón por la cual la tensiónde colector de los transistores es ba-jísima limitando así su funcionamien-to. Para solucionar este problema sepuede polarizar el primer transistor

en configuración colector común, loque significa que la señal ingresapor la base y sale por el emisor. Paraello se conecta el emisor de la pri-mera etapa a la base de la etapa si-guiente.

Podemos conectar dos etapasamplificadoras en emisor común através de un resistor, considerandoeste acoplamiento como directo;permite trabajar con distintos nivelesde continua entre colector del pri-mer transistor y base del segundo,pero presenta el inconveniente dedisminuir el rendimiento.

Las ventajas del acoplamientodirecto son aprovechadas en la ma-yoría de los equipos de audio, yasea en aquellos que utilizan circuitosintegrados o en circuitos de exce-lente diseño. En la actualidad sonmuy pocos los equipos de buenascaracterísticas que no utilizan esteacoplamiento. Otra forma de aco-plamiento muy difundido en la ac-tualidad es el “Acoplamiento com-plementario” que se basa en el usode un transistor NPN y otro PNP, temadel que nos ocuparemos más ade-lante.

Las Ondas Electromagnéticas

94

Fundamentos Físicos de la Reproducción del Sonido

El dispositivo universal que se uti-liza para la reproducción del so-nido, son los parlantes, que son

elementos terminales que convier-ten en ondas sonoras las señales re-sultantes de los procesos electróni-cos previos. Para entender el princi-pio de operación de los parlantes,primero se requiere definir qué sonestos elementos y qué es el sonido.

El parlante es un transductorcapaz de transformar una se al decorriente el ctrica en una onda desonido audible . Por su parte, el so-nido es un fenómeno físico que esti-mula el sentido del oído mediantecambios en la presión del aire. Enlos seres humanos, esto ocurre siem-pre que una vibración con fre-cuencia comprendida entre los 20 ylos 20,000Hz llega al oído interno.

Para llegar al oído interno, las vi-braciones viajan por el aire. A ve-ces, el término sonido se emplea

únicamente para las vibracionesque se transmiten de este modo; sinembargo, los físicos modernos tam-bién suelen utilizarlo para designar alas vibraciones similares que se des-plazan a través de medios líquidos osólidos. A las ondas que se encuen-tran por debajo del límite audiblede 20Hz se les conoce como infra-s nicas , mientras que los sonidoscon frecuencias superiores a20,000Hz se denominan ultrasoni-dos .

PROPAGACI N DE LAS

VIBRACIONES U ONDAS

En general, las vibraciones u on-das del sonido se propagan de for-ma transversal o longitudinal. Enambos casos, la energía y el ritmodel movimiento ondulatorio sólo sepropagan a través del medio en

cuestión; es decir, ninguna parte deéste se desplaza físicamente en ladirección de propagación parapermitir el viaje de la onda. Porejemplo, si atamos una cuerda a unpunto fijo (un poste), la estiramos sinaplicar demasiada fuerza y la sacu-dimos, una onda se desplazará delextremo que estamos sujetandohasta su otro extremo; al llegar alpunto fijo, la onda se reflejará y via-jará de regreso hasta nuestra mano.

Este tipo de movimiento ondula-torio se denomina “onda transver-sal”. Del mismo modo, si tiramos unapiedra a un estanque, una serie deondas transversales se propagarádesde el punto de impacto.

Entonces, cualquier objeto queflote cerca de este punto se move-rá hacia arriba y hacia abajo, deacuerdo con la dirección y fuerzadel movimiento ondulatorio; peroapenas mostrará movimiento longi-

Fig. 26

tudinal, o sea un desplazamiento (fi-gura 1).

LA ONDA DE SONIDO

Una onda de sonido es una on-da longitudinal. A medida que laenergía del movimiento ondulatoriose propaga alejándose del centrode la perturbación, las moléculas deaire individuales que transportan alsonido se mueven hacia delante yhacia atrás, de forma paralela a ladirección de dicho movimiento.

Si un cuerpo se desplaza ligera-mente hacia adelante, momentá-neamente el aire frente a él se com-prime, pero de forma instantáneatrata de recuperar su densidad nor-mal; por lo que la compresión co-mienza a viajar en la misma direc-ción del movimiento inicial, perocon la distancia se va diluyendo po-co a poco. Exactamente esto suce-de cuando el mismo cuerpo retro-cede a su sitio original, pero ahoragenerando una pequeña porciónde baja densidad, que viaja con lasmismas características de la anterior.

Combinando ambos efectos,cuando un objeto está vibrando rá-pidamente, frente a él se generauna serie de zonas donde la densi-dad del aire varía dependiendo delgrado de desplazamiento originaldel cuerpo, formando una serie deondas que se van alejando del pun-to de origen. Estas sucesivas zonasde aire comprimido y enrarecidoson captadas por el tímpano, el cualreproduce en escala pequeña losdesplazamientos originales del cuer-po vibrante, y transmite al oído inter-no esta información, donde el cere-bro lo interpreta como sonido. Quie-re decir que una onda de sonido esuna serie de compresiones y rare-facciones sucesivas del aire. Cadamolécula transmite la energía a lamolécula que le sigue; una vez quela onda de sonido termina de pasar,

las moléculas permanecenmás o menos en la mismaposición (figura 2).

Caracter sticas F sicasUna nota musical, por

ejemplo, puede ser definidaen su totalidad, mediante

tres características con que se perci-be: el tono, la intensidad y el timbre.Estos atributos corresponden exac-tamente a tres características físicas:la frecuencia, la amplitud y la compo-sici n arm nica o forma de onda.

Frecuencia o tonoPor frecuencia del sonido se en-

tiende el número de ciclos de unaonda por segundo. Conforme ma-yor sea la frecuencia de una onda,más agudo se escuchará el sonido;y al contrario, conforme menor seala frecuencia de la misma, más gra-ve se escuchará el sonido. Un fenó-meno interesante es el que se pro-duce cuando se tocan dos instru-mentos distintos en la misma nota.Ambos sonidos pueden tener la mis-ma frecuencia, pero no necesaria-mente se percibirán igual; la diferen-cia radica en el timbre característi-co de cada instrumento..

AmplitudLa amplitud de una onda de so-

nido es el grado de movimiento delas moléculas de aire que la trans-portan. Dicho movimiento corres-ponde a la intensidad de expansióny compresión de la propia onda.Cuanto mayor es la amplitud de laonda, más intensamente golpea és-ta a las moléculas del tímpano ymás fuerte es el sonido percibido. Laamplitud de una onda de sonidopuede expresarse en unidades ab-solutas, mediante la medición de ladistancia de desplazamiento de lasmoléculas del aire, la medición de ladiferencia de presiones entre lacompresión y la expan-sión, o la medición dela energía transporta-da. Para expresar la in-tensidad de los soni-dos, éstos se compa-ran con un sonido pa-trón; en tal caso, la in-tensidad se expresa endecibeles (dB).

IntensidadLa distancia a la que se puede

escuchar un sonido, depende de laintensidad de éste; la intensidad esel flujo promedio de energía queatraviesa cada unidad de área per-pendicular a la dirección de propa-gación. En el caso de ondas esféri-cas que se propagan desde unafuente puntual, la intensidad medi-da en un punto es inversamente pro-porcional al cuadrado de la distan-cia; esto, suponiendo que no se pro-duzca ninguna pérdida de energíadebido a la viscosidad, la conduc-ción térmica u otros efectos de ab-sorción.

En la propagación real del soni-do en la atmósfera, los cambios físi-cos que el aire experimenta dan lu-gar a la amortiguación y dispersiónde las ondas sonoras.

TimbreVamos a suponer que tenemos

un violín, un piano y un diapasón, yque con la misma intensidad se tocaen los tres una nota L a -situada so-bre el D o central. Los sonidos resul-tantes serán idénticos en frecuenciay amplitud, pero muy diferentes entimbre. De las tres fuentes, el diapa-són es el que produce el tono mássencillo, conformado casi exclusiva-mente por vibraciones de tipo senoi-dal con frecuencias de 440 Hz.

Debido a las propiedades acústi-cas del oído y a las propiedades deresonancia de su membrana vibran-te, es dudoso que un tono llegue enestado puro al mecanismo internodel oído. La componente principalde la nota producida por el piano oel violín también tiene una frecuen-cia de 440 Hz; sin embargo, ambasnotas contienen a su vez compo-nentes cuyas frecuencias son múlti-plos exactos de 440 Hz: los llamadasfrecuencias arm nicas . Las intensi-

dades y el defasamiento que exis-

Capítulo 6

95

Fig. 1

Fig. 2

ten entre esas otras componentes,determinan el timbre de la nota.

VELOCIDAD DEL SONIDO

La frecuencia de una onda desonido, es una medida del númerode vibraciones por segundo de unpunto determinado; a la distanciaentre dos crestas (cimas) adyacen-tes de la onda, se le denomina lon-gitud de onda . Al multiplicar el valorde la longitud de onda por el de lafrecuencia, se obtiene la velocidadde propagación de la onda. Estavelocidad es igual para todos los so-nidos sin importar su frecuencia,siempre y cuando se propaguen através del mismo medio y a la mismatemperatura. Por ejemplo, mientrasla longitud de onda de la nota “La”situada sobre el “Do” central es deunos 78,20 cm, la de la nota “La” si-tuada abajo del mismo es de 156,40cm. En aire seco y a una temperatu-ra de 0° C, la velocidad de propa-gación del sonido es de 331,6 m/s. Alaumentar la temperatura, aumentala velocidad del sonido; por ejem-plo, a 20° C la velocidad es de 344m/s. Por lo general, el sonido viajamás rápido a través de líquidos y desólidos que a través de gases. Tantoen los líquidos como en los sólidos, ladensidad tiene el mismo efecto queen los gases.

REPRODUCCI N DEL SONIDO

Para la repro-ducción del sonidose emplean par-lantes. Existen dife-rentes tipos, perola mayoría de losactuales son diná-micos. Estos alta-voces incluyenuna bobina de ca-

ble muy ligero, sumergida den-tro del campo magnético de unpotente imán permanente o deun electroimán (figura 3).

Una corriente eléctrica va-riable, procedente de los circui-tos electrónicos de algún ampli-ficador, atraviesa la bobina ymodifica la fuerza magnéticaentre ésta y el campo magnéti-co del parlante. Al producirsecambios de corriente, la bobinavibra y entonces hace que undiafragma o un gran cono vi-brante (unido mecánicamentea ella) se mueva para generaren el aire ondas sonoras; a suvez, este movimiento impulsa alas moléculas de aire en la for-ma del sonido que se desea re-producir.

Tipos de Parlantes

Para aumentar la potencia y lacalidad del sonido, pueden utilizarseconjuntos especiales de parlantesde diferente tamaño: los pequeñosson para notas agudas y los grandespara notas graves.

La forma o diseño de los parlan-tes, es también factor que incide enla calidad del sonido que se repro-duce. Existen básicamente tres tipos:circulares, cuadrados y elípticos (fi-gura 4). Los primeras ofrecen unamuy buena reproducción de sonido;los cuadrados, sólo una regular obuena reproducción; los elípticosson las mejores, pues permiten una

excelente reproducción. La razón,es que el uso de los parlantes elípti-cos equivale a tener un parlante cir-cular pequeño para tonos medios yotro circular grande para tonos ba-jos.

En todo sistema reproductor deaudio, siempre será necesario insta-lar dos o más tipos de altavoces. Lafidelidad del sonido mejora cuandopara cada frecuencia y amplitud dela señal de audio se usa un tipo dife-rente de parlante; es decir, para te-ner un buen sistema de sonido se re-quieren reproductores de agudos(llamados tweeters), parlantes quereproduzcan los medios (midrange)y los graves (conocidos como woo-fers). Obviamente, el tema es am-plio, por lo que lo analizaremos másadelante. ******************

Las Ondas Electromagnéticas

Fig. 3

Fig. 4