Electrónica La electrónica es la rama de la ingeniería y de la física que principalmente estudia cómo conducir y controlar el flujo de electrones para crear sistemas útiles basados en circuitos eléctricos.
Electricidad tipos de cargas
Si frotamos una regla plástica por el cabello o por un tejido de lana y la acercamos a pequeños pedazos de papel aluminio podremos notar que el papel será atraído a la regla y se adherirán a su superficie; algunos incluso serán atraídos y repelidos reiteradas veces. Esto se debe a que al frotar la regla se arrancaron los electrones de la superficie de la lana dejando a la regla con una carga de electrones. Existen dos tipos de cargas. Las cargas similares se repelen y las cargas distintas se atraen. Por lo que podemos deducir que los pedazos de papel aluminio tienen una carga distinta a la de la regla y por lo tanto se sienten atraídos a esta.
electrones y corriente eléctrica
Modelo simplificado de un átomo de hidrógeno.
Un Columbio son 6.240.000.000.000.000.000 portadores de cargas (electrones o ausencia de electrones). Un Ampere es el paso de un Columbio por segundo en un punto dado.
Toda la materia está formada por muchos tipos distintos de moléculas. Estas a su vez están formadas por átomos. Los átomos poseen un núcleo donde se encuentran los protones (de carga positiva) y los neutrones (sin carga) y alrededor del núcleo orbitan en diferentes capas los electrones (de carga negativa) de manera similar a la que los planetas lo hacen alrededor del sol. Ya que los átomos tienden al equilibrio de sus cargas siempre intentarán poseer la misma cantidad de protones que de electrones. Sin embargo, al frotar, calentar o aplicar un campo eléctrico a la superficie de un elemento en el que los electrones no estén fuertemente atraídos a su núcleo estos serán sacados de sus orbitas y se moverán a nuevos átomos dejando a los átomos originales con una mayor carga positiva y a los destinatarios con una mayor carga negativa. Posteriormente, al contacto de ambos se creará un flujo de electrones que intentarán ubicarse en los átomos desbalanceados que perdieron sus electrones y así se restablecerá el equilibrio de las cargas de los átomos de ambos materiales. Este flujo de electrones es conocido como corriente eléctrica y es expresado en amperes (columbios por segundos).
V tensión
I corriente Z resitencia
Amplitud masa Máxima
tensión eléctrica ley de ohm Una fuerza electromotriz de 1 voltio, a través de una resistencia de 1 ohm, generará una corriente eléctrica de 1 ampere. I=
V R
Es decir que si la fuerza electromotriz es duplicada la corriente es duplicada también pero si la resistencia se duplica la corriente se reduce a la mitad.
Apuntes IMAS
Cuando en un lugar se acumulan cargas positivas y en otro se acumulan cargas negativas se crea una fuerte tensión o fuerza electromotriz entre estos dos puntos. Se dice que es un potencial eléctrico ya que no es necesario el flujo de electrones o corriente para su existencia. Esta diferencia de potencial se mide en voltios.
resistencia
No en todos los elementos los electrones son capaces de moverse fácilmente desde un átomo a otro. Esta resistencia al flujo de electrones es expresada en una magnitud llamada ohm. En cuanto mayor el valor en ohms de un elemento mayor será la resistencia que pondrá al paso de una corriente eléctrica y mayor será la cantidad de energía eléctrica convertida en calor.
1
Microfonía Sensibilidad del micrófono a la presión La sensibilidad del micrófono es la relación entre el nivel eléctrico de salida en voltios con el nivel de presión acústica de entrada en pascales. Es decir, cuanto voltaje produce el micrófono al transducir una señal formada por variaciones en presión dadas en pascales. V Sref = 1 Pa Comúnmente y por estándar se utiliza un señal de 94 dBSPL (1 pascal) para medir la sensibilidad de respuesta de un micrófono. Una vez obtenido el voltaje de salida con la ayuda de un voltímetro podemos expresar la sensibilidad en dB a través de la siguiente fórmula: S S SV = 20 log c actual m = 20 log actual f1 V p Sref Pa Por lo tanto para una tensión de salida de 1μV la sensibilidad es: SV = 20 log f
0, 001 1
V Pa = 20 log 0, 001 = - 60dB p
V Pa
Respuesta en frecuencia calcular la respuesta en frecuencia Para calcularla se utiliza un sonómetro para encontrar el punto exacto en que la presión sonora de una señal de 1 KHz es de 1 Pa. Una vez localizado este punto se coloca el micrófono y se mide con un voltímetro la tensión de salida para distintas frecuencias.
dB
Es Importante que el fabricante especifique la distancia a la fuente existente en las mediciones para que se puedan apreciar los efectos de proximidad en micrófonos direccionales. En el caso de no brindar dicha distancia se presume que la misma es de 1 m. En el caso de especificaciones profesionales incluso se informan las la curvas de respuesta a distintos ángulos y distancias de la fuente.
La respuesta en frecuencia es la medición de la salida que produce un micrófono para cada una de las frecuencias del rango audible (20 Hz–20 kHz). Normalmente se gráfica en una curva de respuesta expresada en nivel de salida (dB) sobre el rango de frecuencias (Hz). Un micrófono con respuesta plana es aquel que tiene la misma respuesta a cada una de las frecuencias de entrada, es decir, reproduce fielmente y por lo tanto es un dispositivo de mayor calidad. Sin embargo, distintos tipos de micrófonos tienen diversas curvas de respuestas dependiendo del uso al que serán destinados. Por ejemplo, el rango de respuesta de un teléfono va desde los 300 Hz hasta los 3 kHz mientras el de un micrófono de estudio va desde 20 Hz hasta los 20 kHz.
Hz Curva de respuesta en frecuencia de un micrófono AKG Perception 120.
Respuesta direccional La respuesta direccional de un micrófono es la sensibilidad que este posee en relación al ángulo de incidencia en el eje horizontal de la fuente sonora. Se representa normalmente a través de un diagrama o patrón polar en el que se grafica la sensibilidad en dB en relación a la posición de la fuente en grados. El patrón polar del micrófono a utilizar depende exclusivamente de la fuente
2
Apuntes IMAS
Shotgun
Apuntes IMAS
3
y el ambiente donde será utilizado. Así un micrófono omnidireccional podría ser utilizado con mejores resultados en el centro de una mesa para tomar las voces de todas las personas implicadas en un debate pero no para tomar la voz de un cantante principal en un escenario donde el resto de las voces e instrumentos también serian captadas elevando el nivel de ruido y aumentando el riesgo de acoples.
Resistencia interna La resistencia mide la oposición presentada por un elemento eléctrico al paso de una corriente eléctrica. En el caso de los micrófonos la resistencia de los elementos internos que lo conforman está directamente ligada con la sensibilidad y al ruido interno del mismo. Una baja resistencia representa una baja oposición por parte del micrófono a transformar la señal sonora en una señal eléctrica y por lo tanto aumentará la fidelidad de la transducción. Los micrófonos actuales en su mayoría son de baja impedancia. La media para micrófonos condensadores es de 50 a 200 ohms mientras que para los dinámicos puede llegar a ser de hasta 600 ohms.
Ruido El ruido en la señal de salida de un micrófono puede tener dos orígenes distintos. En primer lugar el ruido propio del ambiente donde se esta utilizando el dispositivo y en segundo lugar el ruido propio del circuito eléctrico del micrófono. El ruido propio del micrófono es generado en su mayoría por el la fricción de los electrones al pasar a través de una resistencia. Por lo tanto, a menor resistencia interna menor ruido interno sumará el transductor a la señal original. A su vez, a mayor sensibilidad menor preamplificación será necesaria conllevando a un menor nivel de ruido adicionado por el circuito electrónico.
relación señal ruido
Una forma de expresar la magnitud de ruido es a través de la relación entre el nivel de señal y el nivel de ruido. Donde un nivel de ruido menor en relación a la señal daría un resultado mayor expresado en dB. R
S
R
(dB)
= 20 log c VS m VR
nivel de ruido equivalente
Otra forma de expresar el nivel de ruido es realizando una equivalencia con una señal acústica teórica tomada por un micrófono hipotético libre de ruido. Por ejemplo, si sabemos que nuestro micrófono posee un ruido interno de 0,18 μV y a su vez que en el mismo es necesaria una señal sonora de 100 dB para producir una señal de salida de 2 mV entonces podríamos de manera equivalente decir que para producir una señal de salida de 0,18 μV sería necesaria una señal hipotética de entrada de 60 dB. 100 dB (2 Pa) 60 dB (0, 02 Pa) L(dB) = 20 log c
2 mV 0, 18 nV
0, 02 Pa m = 60 dB 0, 2 nPa
ruido electrónico
Partiendo de la definición del ruido electrónico es posible sumar algunas recomendaciones a la hora de utilizar un sistema electrónico de sonido. Uv = 4∙ KB∙ T∙ BW∙ R
4
Apuntes IMAS
En primer lugar se utiliza en la fórmula la constante de Boltzmann y los factores influyentes en el ruido electrónico son la temperatura, la resistencia y el ancho de banda. En la práctica la temperatura del circuito no es un factor controlable y la resistencia es establecida al momento del diseño del dispositivo, en cambio, el ancho de banda de la señal eléctrica es un factor que puede ser modificado para reducir el nivel de ruido. Por ejemplo, al recibir por un canal de una consola una señal proveniente de un bombo es posible con la ayuda del ecualizador del canal cortar las frecuencias altas que no están presentes en la fuente del sonido y así reducir el ancho de banda y por consiguiente el nivel ruido.
Rango dinámico El rango dinámico de un micrófono es la amplitud de la variación entre el mínimo y el máximo de la presión sonora que puede soportar sin distorsionar la señal que transduce. El máximo de presión soportado se delimita subiendo la presión hasta alcanzar el punto donde el micrófono comienza a producir hasta un 0,5% de distorsión armónica (THD, total armonic distorsion). No confundir con el límite máximo que es el límite físico máximo de presión que soporta la membrana del micrófono antes de romperse. El mínimo, por otro lado, se establece en el nivel de presión acústica equivalente al ruido del micrófono.
Ruido de microfonía El ruido de microfonía es aquel que ingresa a la señal a través de la carcasa del micrófono y depende exclusivamente del diseño del mismo. Mientras mayor aislación posea la membrana a las vibraciones de la carcasa menor ruido proveniente de los cables y del soporte ingresará a la señal de salida. Este parámetro no se encuentra en las especificaciones de los micrófonos pero es un parámetro que también debe tenerse en cuenta al momento de la elección de un micrófono sobre otro. Por ejemplo si el ruido de microfonía de un micrófono es alto este no es recomendable para su utilización en un escenario con piso de madera donde las vibraciones de los golpes en el suelo serán transmitidas directamente al sonido de salida del micrófono.
Tipos de micrófonos micrófono de carbón
Son uno de los tipos de micrófonos más antiguos y fueron utilizados ampliamente en los primeros teléfonos. Poseen un rango de respuesta limitado, son ruidosos y tienen altos niveles de distorsión armónica aunque son muy sensibles. El principio de funcionamiento es la variación de la resistencia del circuito. Esto se logra uniendo a una membrana metálica un botón de bronce relleno de gránulos de carbón. Con el movimiento de la membrana por las ondas sonoras varía la compactación del carbón variando también la resistencia de contacto entre sus superficies. El sonido incidente modula así la corriente de un circuito formado por la membrana, el botón que contiene el carbón y una batería.
micrófono de condensador
Los micrófonos de condensador o electred funcionan debido a la propiedad de capacitancia eléctrica y son de una calidad de transducción extremadamente alta. En estos las variaciones de presión mueven una membrana metalica flexible que esta separada por un espacio muy pequeño de aire de un plato metálico rígido. Al estar estas piezas originariamente cargadas con cargas opuestas se forma un capacitor que al variar su distancia de separación varia la capacitancia. Al permanecer la carga del capacitor aproximadamente constante varía también la tensión siguiendo la trayectoria de la membrana. El circuito del capacitor es un si mismo es de muy alta impedancia por lo que
Apuntes IMAS
5
precisa de un transistor de efecto de campo (FET) el cúal puede estar conectado a una fuente interna (batería) o una fuente externa llamada phantom power.
micrófono dinámico
Los micrófonos dinámicos, de presión o de bobina móvil son ampliamente utilizado debido a su bajo costo, calidad y su robustez. Están formados por una membrana la cual está adherida a una bobina que se encuentra dentro de un campo magnético. La vibraciones recibidas por la membrana hacen que la bobina se mueva dentro del campo magnético generando variaciones en la tensión como lo establece la teoría de inducción electromagnética. Esta fluctuación se transforma en corriente alterna que es proporcional a las variaciones de presión sonora.
micrófono de cinta
Con el mismo principio de funcionamiento que el micrófono de bobina móvil el micrófono de cinta utiliza un conductor atravesando un campo magnético para producir variaciones en el voltaje. El conductor en este caso es una cinta corrugada que corta perpendicularmente el campo magnético. A su vez, esta cinta cumple la función de diafragma ya que es desplazada directamente por las variaciones de presión sonora. Si bien posee un amplio rango de respuesta este tipo de micrófonos es frágil y no recomendado para exteriores. Además genera una señal de salida muy baja en relación a los de bobina móvil por lo que precisa de un transformador para elevarla.
micrófono piezoeléctrico
Los micrófonos piezoeléctricos funcionan por un fenómeno existente en ciertos cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas presentan cargas y tensión eléctrica en su superficie. Utilizando un material de este tipo se construye un capacitor que genera un voltaje proporcional a la tensión mecánica producida el movimiento del diafragma. Son micrófonos simples de construir, baratos y de alta sensibilidad pero de baja respuesta en frecuencia.
6
Apuntes IMAS