En el post anterior se planteó el desafío de diseñar un sistema que garantice el mayor rendimiento sin correr el riesgo de dañarse. En esta ocasión vamos a concentrarnos con mayor atención en los factores que afectan el desempeño térmico de un transductor de bobina móvil.
En principio hay que entender todos los elementos que conducen calor en este tipo de sistemas.
Como puede observarse en la fig 1., el aumento de temperatura se genera en la bobina debido al paso de corriente eléctrica, la mayor transmisión de temperatura se da por conducción del aire en el entrehierro hacia el núcleo del imán como puede observarse en la figura. Esta es la principal forma de disipasión que encuentra la bobina. Es de gran importancia el hecho que el diseño y la construcción de la bobina y el imán tienen un impacto fundamental en el desempeño térmico.
El segundo tipo de conducción se da através de la suspensión. El material y diseño de este tipo de suspensión puede tener tanto un efecto significativo como negligible en el desempeño térmico.
Por otro lado, una pequeña parte de la energía es irradiada por la bobina, esto sucede, por lo general, solamente a temperaturas muy elevadas, por lo que su efecto es despreciable.
Es importante resaltar el hecho de que este proceso tiene una inercia propia. El siguiente gráfico presenta una medición de temperatura en simultaneo con la potencia, tensión y corriente eléctrica para un parlante.
Como se observa en la figura 2, la temperatura de la bobina (curva roja) crece de manera rápida al principio, yendo de 14 °c (temperatura ambiente) a 89 °c, estabilizandose al cabo de un par de minutos. La temperatura aumenta lentamente, a pesar de que la señal utilizada siempre mantiene el mismo nivel de tensón, corriente y potencia, hasta alcanzar su máximo alrededor de 35 minutos luego de iniciada la prueba. Lo mismo sucede de manera inversa al enfriarse. Podemos observar un rápido enfriamento hasta los 75 °c que se estabiliza y tardará varios minutos en bajar hasta la temperatura ambiente. En ese momento no hay nada manteniendo la temperatura del transductor excepto el calor residual en el imán, la suspensión y el aire dentro del gabinete.
Dado que el imán disipa calor en el aire dentro del gabinete eventualmente este también se calienta. No es lo mismo un transductor al aire libre que dentro de un gabinete cerrado o lleno de material absorbente. De esta manera, debido a su inercia térmica, partiendo de una temperatura ambiente baja puede tardar aproximadamente 1 hora hasta alcanzarse un nivel peligroso de temperatura. No obstante, estando caliente, este valor puede alcanzarse en la mitad de tiempo. Debe tenerse en cuenta que esta inercia varía con cada modelo en particular.
Dada la naturaleza de las transferencias de calor. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre dos superficies en contacto (o en contacto con un gas) más rápido será el proceso de transferencia de calor. Sin embargo, son procesos relativamente lentos comparados con los tiempos de variación de las señales de audio que pueden variar miles de veces por segundo. Por lo que, a grandes rasgos, solamente importan los cambios que tengan una perduración en el tiempo. Un impulso breve poco repercute en la temperatura de un transductor, más importante es su valor equivalente continuo.
Estos aspectos de la transferencia de calor son independientes de la frecuencia, solamente importa el nivel de energía equivalente.
No obstante, la manera con la que se eleva la temperatura de la bobina sí depende de la frecuencia.
Esto se debe a que la oposición que ofrece la bobina del transductor al paso de corriente eléctrica no es igual para todas las frecuencias. Sino que está dada por su impedancia. En el siguiente gráfico se muestra la curva de impedancia de un gabinete STS mikra4
Abajo, su curva de potencia activa, es decir, la potencia que disipa en función de su impedancia. Puede observarse que, aplicando una tensión constante, a mayor impedancia menor será la corriente y por ende menor será la potencia. Por esta razón, la potencia no será igual para todas las frecuencias.
Podemos apreciar dos zonas del espectro resaltadas. La zona marcada en rojo coincide con el pico de resonancia y puede verse que la potencia en esa zona es considerablemente más baja que en el resto del espectro. Al aplicarle al gabinete una señal delimitada en ese rango de frecuencias con un nivel de tensión RMS de 18.7 V la temperetura que alcanza es de 50 °c. Al aplicarle una señal con igual nivel de tensión RMS e igual ancho de banda, pero delimitada en la zona violeta, la temperatura que alcanza el gabinete es de 112 °c. Normalmente cuando se habla de la potencia máxima de un transductor se hace referencia a un valor promedio. Es por esto que una curva de temperatura solamente puede obtenerse de manera experimental.
Otro factor que varía con la frecuencia es la convección forzada que se produce cuando el diafragma se dezplaza, moviendo aire fuera del entrehierro, como se observa en la figura.
Este efecto se produce principalmente en woofers dado que se necesita una excursión considerable, pero dependiendo de la construcción del woofer pueden haber diferencias de unos 60° aplicando la misma señal cuando el parlante está quieto (tiene poca excursión) o cuando está a máxima excursión.
Podemos concluir que, dado que tanto la impedancia, como la excursión, dependen de la frecuencia, la temperatura no solamente varía con el nivel de la señal, o la cantidad de energía disipada, sino que otros factores ocultos juegan un rol fundamental.
Lic. Lucas Landini
Departamento de Ingeniería – Equaphon
Si te interesa repasar los temas podés seguir leyendo el post anterior Sobrecalientamiento en transductores-Parte 1
Bibliografía
- Henricksen. C. A. (1987). Heat-TransferMechanisms in Loudspeakers:Analysis,Measurement, and Design. AES Journal.