¿Qué son los transformadores de micrófono y cuál es su función?
Algunos micrófonos tienen salidas acopladas por transformador, mientras que otros se consideran sin transformador. Algunos micrófonos incluso tienen transformadores en el medio de sus cadenas de señal en lugar de en sus salidas.
¿Qué es un transformador de micrófono?
Un transformador de micrófono es un dispositivo eléctrico pasivo que aísla físicamente dos circuitos mientras mantiene una relación eléctrica entre los circuitos. Los transformadores de micrófono tienen dos bobinas conductoras (una para cada circuito) enrolladas alrededor de un núcleo magnético común. Ajustan voltaje, corriente e impedancia.
En este artículo, discutiremos el papel del transformador en los micrófonos, así como los micrófonos que usan transformadores y los que no.
¿Qué es un transformador?
Cuando escuchamos el término transformador, a menudo pensamos en los transformadores de potencia que suministran electricidad a nuestros edificios desde las líneas eléctricas.
Los transformadores de potencia que proporcionan a nuestros edificios voltajes de red regulados manejan voltajes y corrientes mucho más altos que los transformadores de salida de micrófono, pero ambos están diseñados con los mismos principios.
Los transformadores son dispositivos electromagnéticos pasivos que transfieren energía de un circuito a otro mediante acoplamiento inductivo.
Básicamente, cada circuito tiene su propio cable conductor que se envuelve alrededor de un núcleo magnético común. Esto acopla efectivamente los dos circuitos.
Los circuitos acoplados inductivamente, como los de los transformadores, están configurados de modo que un cambio en la corriente a través de los conductores de un circuito induzca un voltaje en los extremos del conductor del otro circuito.
Los transformadores más simples, que son comunes en los micrófonos acoplados por transformador, están hechos de dos circuitos. Cada circuito tiene un cable conductor, conocido como devanado, que envuelve el núcleo magnético del transformador.
Normalmente, el devanado primario se conecta al circuito que presenta la señal de salida de la cápsula del micrófono, mientras que el devanado secundario se conecta al circuito de salida del micrófono.
Aquí hay un diagrama simple de un transformador:
- P = devanado primario: el devanado primario está en el lateral de la cápsula del micrófono. Esto no significa necesariamente que esté en el mismo circuito que la cápsula del micrófono. Más bien, significa que el devanado está entre el transformador y la cápsula en lugar de entre el transformador y la salida del micrófono. El devanado primario se puede considerar como la «entrada» del transformador, que lleva la señal del micrófono desde la cápsula al transformador.
- S = devanado secundario: el devanado secundario está en el lado de la salida del micrófono. Esto significa que el devanado está entre el transformador y la salida en lugar de entre el transformador y la cápsula. El devanado secundario se puede considerar como la «salida» del transformador. A medida que la señal pasa a través del devanado primario, el transformador produce efectivamente una señal proporcionada pero alterada a través del secundario.
- MC = núcleo magnético común: para que el acoplamiento inductivo funcione, necesitamos inducción electromagnética. El voltaje a través del devanado primario provoca un campo magnético cambiante dentro del núcleo magnético que luego induce un voltaje a través del devanado secundario.
Básicamente, un voltaje en el devanado primario (debido, en última instancia, a la cápsula del micrófono) provoca un cambio en el campo magnético del núcleo magnético. Este cambio en el campo magnético luego induce un voltaje a través del devanado secundario. Todo esto se debe a la inducción electromagnética.
Tenga en cuenta que los transformadores solo pasan corriente alterna y bloquean la corriente continua. Esto se conoce como aislamiento de CC. Una corriente continua es, por definición, no una corriente alterna. Por lo tanto, no produciría un campo magnético cambiante que es necesario para que la inducción electromagnética induzca un voltaje a través del otro devanado/secundario.
También es fundamental tener en cuenta que la entrada de energía al transformador (en el primario) y la salida de energía del transformador (en el secundario) es la misma (excepto por las pérdidas de conversión). Repetiré esto más adelante cuando analicemos los transformadores elevadores, los transformadores reductores y los roles de los transformadores en los micrófonos.
Ecuaciones generales para transformadores de micrófono
Ahora que hemos cubierto los conceptos básicos de los transformadores de micrófono, veamos algunos cálculos concretos que podemos hacer con los transformadores. Esto nos ayudará en la próxima sección sobre el papel de los transformadores en los micrófonos.
Aquí hay algunas fórmulas de transformadores con explicaciones. Tenga en cuenta que estas son fórmulas ideales y no tienen en cuenta las pérdidas de conversión que ocurren naturalmente.
Fórmula de potencia para transformadores
Como se mencionó anteriormente, en situaciones ideales (sin pérdidas de conversión), la potencia en el devanado primario de un transformador debe ser igual a la potencia en el devanado secundario:
P p = P s
P = Poder
Esto sucede independientemente de la relación de vueltas entre los dos devanados.
Es útil notar que la potencia es igual al producto del voltaje y la corriente:
P = yo ⋅ V
I = Corriente V = Voltaje
Con esto en mente, veamos cómo calcular el efecto de un transformador sobre el voltaje y la corriente.
Fórmula de voltaje para transformadores
El número de vueltas en una bobina conductora es un factor importante para determinar el voltaje que puede inducirse electromagnéticamente a través de la bobina. Con todo lo demás igual, una bobina con más vueltas tendrá un gran voltaje inducido a través de ella.
Los transformadores tienen un núcleo magnético común y los devanados casi siempre están hechos del mismo material conductor con el mismo calibre. La relación de vueltas, entonces, se convierte en una parte crítica de la ecuación.
Aquí está la fórmula para calcular la diferencia de voltaje en un transformador:
V s = (N s/N p) ⋅ V p
V s = Voltaje en el devanado secundario V p = Voltaje en el devanado primario N s = Número de vueltas en el devanado secundario N p = Número de vueltas en el devanado primario
Entonces, como podemos ver aquí, si la bobina secundaria tiene más vueltas que la primaria, entonces la bobina secundaria tendrá un voltaje mayor que la primaria.
Otra forma de escribir esto es:
V s/V p = N s/N p
Como recordatorio, esta fórmula es válida para circunstancias ideales y no tiene en cuenta ninguna pérdida de conversión.
Fórmula actual para transformadores
Hasta ahora sabemos que los transformadores no alteran la potencia de un devanado a otro. También hemos comentado que el devanado con más vueltas tendrá un voltaje mayor.
Entonces, si P = I ⋅ V, entonces un aumento en el voltaje significaría una disminución proporcional de la corriente. Eso es exactamente lo que sucede en los transformadores.
Aquí está la fórmula para calcular la diferencia de corriente en un transformador:
Yo s = (N p/N s) ⋅ Yo p
Is = Corriente a través del devanado secundario Ip = Corriente a través del devanado primario Np = Número de vueltas en el devanado primario N s = Número de vueltas en el devanado secundario
Si el devanado secundario tiene más vueltas que el primario, también tendrá menos corriente que el primario.
Otra forma de escribir esto es:
Yo s/I p = N p/N s
Fórmula de impedancia para transformadores
Otro valor eléctrico importante que afectan los transformadores es la impedancia.
Tenga en cuenta que esto no se trata de la impedancia del transformador en sí, sino de la diferencia entre la impedancia en el circuito del devanado primario y el circuito del devanado secundario.
Sustituyendo la resistencia (una cantidad de CC) por la impedancia (una cantidad de CA) en la Ley de Ohm, obtenemos:
| Z | = V/I
| Z | = Impedancia (absoluta)
Esta no es necesariamente una sustitución perfecta, pero nos lleva a la siguiente ecuación para la impedancia del transformador:
Z s = (N s/N p) 2 ⋅ Z p
Z s = Impedancia del devanado secundario Z p = Impedancia del devanado primario N s = Número de vueltas en el devanado secundario N p = Número de vueltas en el devanado primario
Tenga en cuenta que llegamos a la ecuación anterior comparando el devanado secundario con el devanado primario para cada valor (Z, V e I) y luego intercambiando el V s/V p por N s/N p y el I s/I p = N p/N s.
Entonces, ¿qué significa esta ecuación?
Si el devanado secundario de un transformador tiene más vueltas, tendrá una impedancia más alta que el primario. Este valor de impedancia será igual al cuadrado de la relación de vueltas multiplicado por la impedancia del devanado primario.
Si el devanado secundario de un transformador tiene menos vueltas, tendrá una impedancia menor que el primario. Esta impedancia, nuevamente, será igual al cuadrado de la relación de vueltas multiplicado por la impedancia del devanado primario. En este caso, el cuadrado de la relación de vueltas será menor que uno.
Tipos generales de transformadores de micrófono
Entonces, ahora que sabemos cómo funcionan los transformadores, veamos los tipos de transformadores que se encuentran en los micrófonos y los roles que desempeñan.
Primero, observemos que los transformadores de micrófono son transformadores de audio y funcionan dentro del rango de frecuencia audible de 20 Hz a 20 000 Hz. El transformador de peor calidad puede tener rangos más pequeños que este. Los transformadores de audio adecuados funcionarán dentro de este rango.
Cuando se habla de los roles que desempeña un transformador en un micrófono, es importante saber que existen diferentes tipos de transformadores que se utilizan en el diseño de micrófonos. Estos tipos de transformadores son:
Transformador elevador
En el diagrama que se muestra arriba, describimos un transformador elevador.
Un transformador elevador está diseñado para aumentar o «aumentar» el voltaje del devanado primario al secundario. Esto requiere que el devanado secundario tenga más vueltas (la cantidad de veces que el cable se enrolla alrededor del núcleo magnético) que el primario.
Si todo lo demás es igual, un cable conductor con más vueltas tendrá un voltaje mayor inducido a través de él cuando se somete al mismo cambio en el campo magnético.
En el diagrama de arriba, tenemos el devanado primario (lado de la cápsula) a la izquierda y el devanado secundario (lado de salida) a la derecha.
A medida que el voltaje de CA (señal del micrófono) de la cápsula se aplica a través del devanado primario, produce un campo magnético cambiante en el núcleo magnético. Este campo magnético cambiante, entonces, es común a ambos devanados. Dado que el devanado secundario tiene más vueltas, el voltaje inducido a través de él es mayor que el voltaje a través del primario.
Este aumento de voltaje va acompañado de un aumento aún mayor de la impedancia junto con una disminución proporcional de la corriente.
Transformador reductor
Un transformador reductor es esencialmente un transformador elevador cableado en reversa. Su bobina primaria tiene más vueltas que su bobina secundaria.
En el diagrama de arriba, tenemos el devanado primario (lado de la cápsula) a la izquierda y el devanado secundario (lado de salida) a la derecha.
El voltaje de CA producido por la cápsula del micrófono se aplica finalmente a través del devanado primario. Este voltaje induce un campo magnético alterno dentro del núcleo magnético del transformador. Esto, a su vez, induce un voltaje más pequeño a través del devanado secundario (debido a que el devanado secundario tiene menos vueltas).
Esta disminución de voltaje va acompañada de una disminución aún mayor de la impedancia junto con un aumento proporcional de la corriente.
Transformador de aislamiento
El transformador de aislamiento menos conocido tiene una relación de vueltas de 1: 1 y está diseñado para no afectar el voltaje, la corriente o la impedancia de los devanados primario y secundario. Más bien, su propósito es aislar eléctricamente los principales componentes y circuitos del micrófono (incluida la cápsula) del conector de salida del micrófono.
Es importante tener en cuenta que todos los transformadores actúan para aislar dos circuitos. Aunque existe una relación electromagnética entre los dos devanados de un transformador, cada devanado está en su propio circuito aislado.
Estos transformadores de aislamiento están diseñados para bloquear la CC y proteger los micrófonos sin afectar la señal del micrófono en la salida.
Los roles de los transformadores en los micrófonos
Para terminar, veamos los muchos roles de los transformadores en el diseño de micrófonos:
- Bloquea el voltaje de CC (incluida la alimentación fantasma) para que no ingrese a los componentes sensibles del micrófono
- Equilibrar las señales de audio no balanceadas
- Ajustar la impedancia de salida del micrófono
- Ajustar el voltaje de salida del micrófono (intensidad de la señal)
- Colorea la señal de salida del micrófono
Una nota rápida sobre la coloración: los transformadores a menudo agregarán una distorsión suave a la señal de un micrófono, especialmente cuando la relación de espiras es grande. Esto se debe a las imperfecciones naturales en los cables conductores y núcleos magnéticos, así como a las pérdidas de conversión que ocurren naturalmente con la inducción electromagnética.
Es importante tener en cuenta que los transformadores no siempre son necesarios en los diseños de micrófonos. Los transformadores de alta calidad son caros y los transformadores económicos tienen efectos perjudiciales en el audio del micrófono.
Muchos micrófonos dinámicos de bobina móvil prescinden de ellos para reducir los costes. Estos micrófonos suelen ser lo suficientemente duraderos como para puentear transformadores.
Muchos fabricantes de micrófonos de condensador han optado por diseños de circuitos de salida sin transformador más económicos que utilizan transistores para realizar las mismas funciones que los transformadores.
Con eso, veamos algunos tipos de micrófonos comunes que usan transformadores en sus diseños:
Transformadores de micrófono dinámico de bobina móvil
Los transformadores elevadores a veces se colocan en la salida de micrófonos dinámicos de bobina móvil para ayudar a aumentar sus señales de micrófono relativamente débiles. Estas señales de micrófono pueden permitirse el aumento de impedancia que viene con un aumento de voltaje.
Algunos transformadores colorean la señal del micrófono más que otros y todos los transformadores protegen el cartucho del voltaje de CC.
Transformadores de micrófono dinámico de cinta pasiva
Los transformadores elevadores se utilizan siempre en las salidas de los micrófonos de cinta pasivos. Los diafragmas de cinta son muy frágiles y necesitan la protección para alimentación de CC que proporcionan los transformadores.
Los transformadores elevadores aumentan el voltaje de las señales de micrófono de cinta relativamente débiles sin aumentar la impedancia a niveles inutilizables.
Como con todos los micrófonos, algunos transformadores colorearán la señal del micrófono más que otros.
Transformadores de micrófono dinámico de cinta activa
Los micrófonos de cinta activos generalmente tendrán transformadores elevadores justo después de sus deflectores (diafragma/elemento).
Estos transformadores elevadores a menudo tienen relaciones de giro más altas y funcionan para aumentar la señal del micrófono (voltaje) a expensas de aumentar la impedancia.
Estos transformadores también protegen el diafragma sensible de la energía de CC que se requiere para ejecutar los circuitos activos del micrófono de cinta (notablemente el convertidor de impedancia).
El convertidor de impedancia (FET) toma la señal de mayor voltaje/mayor impedancia del transformador y efectivamente disminuye la impedancia a niveles utilizables sin disminuir el voltaje de la señal. Algunos convertidores de impedancia incluso actúan como pseudoamplificadores y aumentan aún más el voltaje de la señal.
Estos micrófonos suelen tener circuitos de salida sin transformador.
Transformadores de micrófono dinámico de cinta de tubo activo
Los micrófonos de tubo de cinta generalmente requieren dos transformadores en su diseño.
El primer transformador es un transformador elevador y actúa para:
- Aumente el nivel (voltaje) de la señal del micrófono relativamente débil del diafragma de cinta. Esto se hace a expensas de aumentar la impedancia, que el tubo de vacío convertirá correctamente.
- Proteja el diafragma de cinta de cualquier voltaje CC potencial que pueda dañarlo.
El segundo transformador es un transformador reductor y actúa para:
- Reduzca aún más la impedancia a un nivel utilizable profesional.
- Equilibre la señal del micrófono del tubo de vacío.
Transformadores de micrófono de condensador FET
Algunos micrófonos de condensador de estado sólido (particularmente los primeros) utilizan transformadores reductores en sus salidas.
Estos transformadores reductores actúan para ajustar correctamente la impedancia de salida de la señal del micrófono.
Transformadores de micrófono de condensador de tubo
Los micrófonos de condensador de tubo suelen tener salidas acopladas por transformador reductor.
Estos transformadores reductores ajustan eficazmente la impedancia de la señal a un nivel utilizable. La intensidad de la señal del tubo de vacío puede permitir la disminución de voltaje inherente a un transformador reductor.
Los transformadores de salida también actúan para equilibrar la señal de salida y proteger el micrófono del voltaje de CC que podría estar entrando en los pines 2 y 3 del cable de audio (alimentación fantasma).
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