Bobina de voz - Voice coil

Una bobina de voz dual de tres pulgadas de diámetro de un controlador de subwoofer

Una bobina de voz (que consta de un formador , un collar y un devanado ) es la bobina de alambre unida al vértice de un cono de altavoz . Proporciona la fuerza motriz al cono mediante la reacción de un campo magnético a la corriente que lo atraviesa. El término también se usa para motores lineales de bobina móvil , como los que se usan para mover las cabezas dentro de las unidades de disco duro , que producen una fuerza mayor y se mueven una distancia más larga, pero funcionan según el mismo principio.

Operación

Al conducir una corriente a través de la bobina móvil, se produce un campo magnético . Este campo magnético hace que la bobina de voz reaccione al campo magnético de un imán permanente fijado al marco del altavoz, moviendo así el cono del altavoz. Al aplicar una forma de onda de audio a la bobina móvil, el cono reproducirá las ondas de presión sonora , correspondientes a la señal de entrada original.

Consideraciones de diseño

Debido a que las partes móviles del altavoz deben ser de poca masa (para reproducir con precisión los sonidos de alta frecuencia sin ser amortiguadas demasiado por la inercia ), las bobinas de voz generalmente se hacen lo más livianas posible, lo que las hace delicadas. Pasar demasiada corriente a través de la bobina puede hacer que se sobrecaliente (ver calentamiento óhmico ). Bobinas de voz enrolladas con alambre aplanado, llamado de cable de cinta , proporcionan una densidad de empaquetamiento más alta en el espacio magnético de bobinas con alambre redondo. Algunas bobinas están fabricadas con materiales de bobina y collar sellados en la superficie, por lo que pueden sumergirse en un ferrofluido que ayuda a enfriar la bobina, alejando el calor de la bobina y hacia la estructura del imán. Una potencia de entrada excesiva a bajas frecuencias puede hacer que la bobina se mueva más allá de sus límites normales, provocando distorsión y posiblemente daños mecánicos.

El manejo de energía está relacionado con la resistencia al calor del aislamiento del cable, el adhesivo y el material de la bobina, y puede verse influenciado por la posición de la bobina dentro del espacio magnético. La mayoría de los altavoces utilizan bobinas de voz en voladizo, con bobinados que son más altos que la altura del espacio magnético. En esta topología, una parte de la bobina permanece dentro del espacio en todo momento. El manejo de potencia está limitado por la cantidad de calor que se puede tolerar y la cantidad que se puede eliminar de la bobina móvil. Algunos diseños de imanes incluyen anillos de disipador de calor de aluminio por encima y por debajo del espacio del imán, para mejorar el enfriamiento por conducción, mejorando significativamente el manejo de energía. Si todas las demás condiciones permanecen constantes , el área de los devanados de la bobina móvil es proporcional al manejo de potencia de la bobina. Así, una bobina móvil de 100 mm de diámetro, con una altura de bobinado de 12 mm, tiene un manejo de potencia similar a una bobina móvil de 50 mm de diámetro con una altura de bobinado de 24 mm.

En los diseños de bobinas móviles "colgantes" (ver más abajo), la bobina es más corta que el espacio magnético, una topología que proporciona una fuerza electromotriz constante en un rango de movimiento limitado, conocido como X máx . Si la bobina está sobrecargada , puede dejar el espacio, generando una distorsión significativa y perdiendo el beneficio de disipación de calor del acero, calentándose rápidamente.

Muchos altavoces de alta fidelidad y casi todos los altavoces de baja frecuencia profesionales (woofers) incluyen ventilaciones en el sistema magnético para proporcionar refrigeración por aire forzado de la bobina móvil. La acción de bombeo del cono y la tapa antipolvo aspira aire frío y expulsa aire caliente. Este método de enfriamiento se basa en el movimiento del cono, por lo que es ineficaz en frecuencias medias o agudas, aunque la ventilación de frecuencias medias y tweeters proporciona algunas ventajas acústicas.

En los primeros altavoces, las bobinas de voz se enrollaban en bobinas de papel, lo que era apropiado para niveles de potencia modestos. A medida que se dispuso de amplificadores más potentes, el papel de aluminio de aleación 1145 fue sustituido ampliamente por bobinas de papel, y las bobinas de voz sobrevivieron al aumento de potencia. Las bobinas de voz típicas de los altavoces de alta fidelidad modernos emplean materiales que pueden soportar temperaturas de funcionamiento de hasta 150 ° C, o incluso 180 ° C. Para los altavoces profesionales, se encuentran disponibles materiales compuestos termoendurecibles avanzados para mejorar la supervivencia de la bobina móvil bajo tensiones térmicas y mecánicas severas (<300 ° C) simultáneas.

El aluminio fue ampliamente utilizado en la industria de los altavoces debido a su bajo costo, facilidad de unión y resistencia estructural. Cuando surgieron los amplificadores de mayor potencia, especialmente en el sonido profesional, se expusieron las limitaciones del aluminio. Transfiere calor de manera bastante eficiente pero inconveniente desde la bobina móvil a las uniones adhesivas del altavoz, degradándolas térmicamente o incluso quemándolas. El movimiento de la bobina de aluminio en el espacio magnético crea corrientes parásitas dentro del material, que aumentan aún más la temperatura, lo que dificulta la supervivencia a largo plazo. En 1955, DuPont desarrolló Kapton, una película de plástico de poliimida que no sufría las deficiencias de aluminio, por lo que Kapton y más tarde Kaneka Apical fueron ampliamente adoptados para bobinas de voz. Por muy exitosas que fueran estas películas de plástico marrón oscuro para la mayoría de las bobinas de voz de alta fidelidad, también tenían algunas propiedades menos atractivas, principalmente su costo, y una desafortunada tendencia a ablandarse cuando estaban calientes. Hisco P450, desarrollado en 1992 para abordar el problema del ablandamiento en altavoces profesionales, es un compuesto termoendurecible de tela fina de fibra de vidrio, impregnada con resina de poliimida, que combina las mejores características de la poliimida con la resistencia a la temperatura y la rigidez de la fibra de vidrio. Soporta tensiones físicas brutales y temperaturas de funcionamiento de hasta 300 ° C, mientras que su rigidez ayuda a mantener la respuesta de frecuencia "fría" del altavoz.

El cable real empleado en el devanado de bobinas de voz es casi siempre de cobre, con una capa de aislamiento eléctrico y, en algunos casos, con una capa adhesiva. El alambre de cobre proporciona una bobina móvil de uso general y fácil de fabricar, a un costo razonable. Cuando se requiera una sensibilidad máxima o una respuesta de alta frecuencia extendida de un altavoz, se puede sustituir el cable de aluminio para reducir la masa móvil de la bobina. Si bien es bastante delicado en un entorno de fabricación, el alambre de aluminio tiene aproximadamente un tercio de la masa del calibre equivalente del alambre de cobre y tiene aproximadamente dos tercios de la conductividad eléctrica. Ocasionalmente se usa alambre de aluminio revestido de cobre, lo que permite un bobinado más fácil, junto con una reducción útil en la masa de la bobina en comparación con el cobre.

Se puede usar alambre plano de aluminio anodizado , que proporciona una capa de óxido aislante más resistente a la ruptura dieléctrica que los recubrimientos de esmalte en otros cables de bobina móvil. Esto crea bobinas de voz livianas y de baja inductancia, ideales para usar en altavoces pequeños de rango extendido. La principal limitación de potencia en tales bobinas es el punto de ablandamiento térmico de los adhesivos que unen el alambre a la bobina, o la bobina a la araña y la bobina.

Las bobinas de voz se pueden utilizar para aplicaciones distintas de los altavoces, donde se necesita linealidad de fuerza de tiempo y carreras largas. Algunos entornos como el vacío o el espacio requieren una atención específica durante la concepción, con el fin de evacuar las pérdidas de la bobina. Se pueden utilizar varios métodos específicos para facilitar el drenaje térmico.

Bobinas suspendidas y suspendidas

Bobinas vocales suspendidas y suspendidas. El gris claro es hierro suave, el gris oscuro es material magnético permanente y la bobina está en rojo.

La imagen de arriba muestra dos formas en las que la bobina móvil se sumerge en el campo magnético. El método más común es el diseño en voladizo donde la altura de la bobina móvil es mayor que la altura del espacio magnético. El diseño colgado que se usa principalmente en altavoces de gama alta tiene la altura de la bobina más pequeña que la del espacio. Las diferencias, ventajas y desventajas de ambos métodos se enumeran a continuación.

Ambas topologías intentan el mismo objetivo: fuerza lineal que actúa sobre la bobina, para un controlador que reproduce fielmente la señal aplicada.

Otros usos del término

El término "bobina móvil" se ha generalizado y se refiere a cualquier mecanismo similar a un galvanómetro que utiliza un solenoide para mover un objeto hacia adelante y hacia atrás dentro de un campo magnético.

En particular, se usa comúnmente para referirse a la bobina de cable que mueve los cabezales de lectura y escritura en una unidad de disco de cabezal móvil . En esta aplicación, se monta una bobina de cables muy liviana dentro de un fuerte campo magnético producido por imanes permanentes de tierras raras . La bobina móvil es la parte del motor del servo sistema que posiciona las cabezas: una señal de control eléctrico impulsa la bobina móvil y la fuerza resultante coloca las cabezas de forma rápida y precisa.

Ver también

Referencias

  • [1] , Un buen artículo sobre actuadores de bobina de voz.
  • The Hisco Loudspeaker Voice Coil Handbook , séptima edición, agosto de 2001. Hisco, Anaheim, CA 92807. 714 777 2665.
  • Actuadores de bobina de voz , principio y práctica.