Parlante de plasma

Los parlantes de plasma pertenecen a la familia de los transductores electrotermoacústicos, es decir que, tienen la capacidad de convertir una señal de audio desde la energía calorífica en sonora. Esto se logra gracias a la capacidad de un plasma de conducir la electricidad, llevándolo a comportarse como una resistencia que puede cambiar la temperatura, afectando el aire circundante, y en consecuencia cambios de presión que se traducen en términos físicos como energía sonora.

El circuito electrónico de este sistema debe tener la capacidad de transformar el aire en estado de plasma y modular la temperatura (energía) en función de una señal de audio. El proyecto apunta a superar la eficiencia y ampliar la respuesta en frecuencia sonora respecto de los sistemas convencionales, problemas que en la actualidad no se han logrado resolver, salvo algunos casos donde la solución resulta muy costosa.

Desde la primera aparición de la señal de audio en la historia de la humanidad la gente ha intentado diversas formas de transformar en energía sonora mediante diversos métodos. El más exitoso ha sido el electromecanoacústico, debido a que es un sistema seguro y su construcción es relativamente fácil. Sin embargo, la situación toma otra cara cuando se habla de eficiencia puesto que se sabe que los altavoces mecánicos tienen un rendimiento muy bajo. Entonces la alternativa será escoger el mayor rendimiento o calidad, lo que juega un papel importante tanto para las exigencias del usuario, en materia de calidad sonora, como para el consumo que el altavoz demande. Un altavoz es más costoso si su calidad de reproducción es alta, y aún más costoso si es eficiente.

A través de esta investigación se planteará otra técnica de transducción, por medio del sistema de los parlantes de plasma que permite optimizar la calidad del sonido con rendimiento muy eficiente. Cabe mencionar que algunos aporres pare el proyecto fueron tomados a partir de videos de internet del sitio web YOUTUBE, donde gente aficionada diseña y construye sus propios parlantes de plasma.

Actualmente, la empresa EASTERN VOLTAGE RESEARCH [1] fabrica parlantes de plasma utilizando bobinas de Tesla, como el que se muestra en la Figura 1. Es un parlante de plasma que tiene una etapa de amplificador clase E y una respuesta en frecuencia desde 100 Hz hasta 40 KHz [2].

Conceptos Clave

a. ALTAVOZ

Un altavoz es un dispositivo que tiene la capacidad de convertir la energía eléctrica proveniente de una señal de audio en energía sonora. Los más comerciales son los electromecanoacústicos debido a su construcción y seguridad. Se ha intentado realizar otros métodos de transducción como el electrostático-acústico, el piezoeléctrico y el electrotermoacústico de estado sólido y plasma [3].

El altavoz piezoeléctrico tiene un excelente desempeño en frecuencias altas. Se usan como parlantes de frecuencias agudas (tweeters) y para generar ultrasonidos. Los electrostático-acústicos tienen una excelente respuesta en frecuencia, pueden cubrir todo el rango audible sin problemas. El inconveniente es el tamaño, y la eficiencia baja que tienen, algunos pueden tener un diafragma de hasta 1 m² con una sensibilidad de apenas 84 dB/W/m. Los electrotermoacústicos pueden ser sólidos o de plasma. Ambos funcionan de la misma manera, la diferencia son las leyes físicas que los rigen. Un sólido tiene el inconveniente de necesitar mucho calor para alcanzar la temperatura deseada, además que ésta debe realizar los cambios de temperatura correctos al aire para que pueda producirse una presión sonora, haciendo este sistema ineficiente. Una transducción de este tipo en el estado de plasma ofrece versatilidad en los cambios de temperatura. Es un sistema eficiente que ofrece un amplio rango de frecuencias.

b. PLASMA Y TERMODINÁMICA

El estado de plasma es conocido como el cuarto estado de la materia. Es un gas ionizado[4] producto de una gran cantidad de energía, en el que las partículas elementales del gas liberan sus electrones. Una característica importante del plasma es la capacidad de conducir la electricidad. Un ejemplo de ello es la iluminación comercial, que va desde el neón, los televisores de rayos catódicos (CRT) y de plasma, hasta los faros de descargas de alta intensidad de xenón (HID). El enfoque del parlante de plasma está en el calentamiento de aire a través de un flujo de corriente a través de la porción que está convertida en plasma, tal y como lo haría un metal cuando se le hace pasar una cantidad considerable de corriente. Cuando el aire eleva su temperatura, eleva su volumen y crea una presión, propiedad que se estudia en química y termodinámica mediante La Ecuación de Estado de la Ley de los Gases Ideales. La ecuación es la siguiente:

P * V = n * R * T        (1)

Donde P es la presión, V el volumen, n los moles del gas (o masa del gas), R la constante de Raoult o de los gases ideales y T la temperatura.

La temperatura del plasma se controla desde el sistema de amplificación a través de la corriente eléctrica que fluye a través de este. La masa (número de moles) se puede controlar con el tamaño de la descarga eléctrica y el voltaje de salida.

c. CONTROL ELECTRÓNICO PARA PLASMA

El circuito electrónico debe tener la capacidad de convertir una porción de aire en estado de plasma y controlar la cantidad de corriente que pase en función de la señal de audio de entrada, de esta manera la temperatura del plasma sería directamente proporcional a la señal. Ello traerá como consecuencia la transducción a energía sonora. Para lograr que el aire entre en estado de plasma debe conocerse la distancia de arco para poder establecer el voltaje mínimo necesario para poder superar el voltaje de ruptura [5]. Los sistemas de control, capaces de alcanzar estos niveles, son las fuentes conmutadas flyback debido a que el comportamiento de estos sistemas está basado en una configuración inductiva conmutada que permite alcanzar altos niveles de voltaje con potencias relativamente pequeñas (incluso menores de 100 W) [6]. La Figura 2 muestra un diagrama de bloques básico al que se somete una señal de audio para poder ser convertida en sonido mediante calor.

MONTAJE DEL PROYECTO

El circuito de control debe tener la capacidad de sostener una porción de aire en estado de plasma mientras a través de este se hace pasar una corriente que está directamente proporcional a la señal de audio. El montaje está dividido en tres partes (Fig. 3.), cuyas funciones están divididas de la siguiente manera:

Parte 1: Control

Se encarga de generar la señal de las descargas eléctricas y otorgarle a cada una un valor de energía, que está relacionada con la señal de audio. Las descargas eléctricas tienen un orden respecto al tiempo llamado frecuencia de muestreo o de modulación. Esta parte se encargará de que el aire en medio de los electrodos se encuentre en estado de plasma mientras se hace pasar la corriente en proporción a la señal de audio. El circuito integrado oscilador 555 se encarga de establecer un tren de pulsos a una frecuencia de 100 KHz que la determina R1, R2 Y C1. La etapa de transistores Q1 y Q2 se encargan de preparar el tren de pulsos en una señal diente de sierra, que será comparado con la señal de audio en CI2, así se tendrá a la salida un tren de pulsos con un ciclo útil que está relacionado directamente con la señal de audio.

Parte 2: Controlador o Driver de potencia

Se encarga de garantizar que la señal proveniente de la etapa de control llegue a la compuerta del transistor como se estableció, debido a que la entrada de un FET tiene por su construcción un condensador que afecta la impedancia de entrada especialmente cuando se trata de frecuencias altas (mayores a 40 KHz).

Parte 3: Potencia

Se encarga de llevar la energía al transformador elevador, ordenada por la etapa de control, para finalmente ser transformada en alto voltaje, necesario para transformar el aire en estado de plasma y ser utilizado como transductor. El transformador elevador puede ser una bobina de Tesla o un flyback para televisor de tubo de rayos catódicos.

MEDICIÓN Y RESULTADOS

Se realizó la medición de respuesta en frecuencia del parlante dentro de la sala del estudio de grabación C de la Universidad de San Buenaventura sede Bogotá. La Figura 4 muestra el montaje realizado y la medición se realizó al calibrar la ganancia del parlante de plasma en el punto máximo de excursión (ciclo útil del comparador) a 1 KHz. El procedimiento se llevó a cabo con tonos puros generados por el generador de señales de ProTools HD (modo TDM) por bandas de octava, desde 63 Hz a 16 KHz, y una medición con ruido rosa.

Configuración del sonómetro:

Tiempo de integración: 15 s.

Tiempo del búfer: 100 ms.

Respuesta de medición: rápida.

Ponderación: lineal (medición).

Analizador de espectro: 1/3 octava.

Tiempo de retardo de medición: 5 s.

Rango de medición: 130 dB.

Los resultados son los siguientes.

Está probado entonces que el aire en estado de plasma puede modelarse como una resistencia que adquirirá valores de temperatura, acorde a la energía establecida por el circuito de control. Sin embargo se esperaba una respuesta en frecuencia plana en el espectro sonoro. Una de las razones es la longitud de la descarga, para conseguir reproducir frecuencias bajas, es necesario que la descarga tenga una mínima longitud y/o mínima excursión de temperatura. A pesar de esta condición, el altavoz comienza a mostrar respuesta desde los 125 Hz y comienza a elevar su nivel a medida que se incrementa la frecuencia (ver Figuras 2 a 9) y también aplica para cuando todas las frecuencias se están reproduciendo al mismo tiempo en modo aleatorio (ver respuesta a un ruido rosa, figura 10).

En eficiencia, el parlante de plasma como lo muestra el circuito esquemático de la fig. 3, es bastante pobre y será necesario diseñar un circuito que permita optimizar este aspecto. En lo que respecta a distorsión armónica, intermodulación, entre otras deberá realizarse un estudio especializado que permita identificarlos para poder tenerse en cuenta en un diseño de circuito avanzado.

Conclusiones y aprendizajes

Estos sistemas solo se pueden utilizar para sonidos de alta potencia, pues tienen un mejor desempeño entre mayor es la descarga. La respuesta en fre cuencia tan ancha es debida al comportamiento mecánico del aire como fluido lo cual implica poco esfuerzo al movimiento de partículas y versatilidad especialmente en frecuencias altas.

Un mecanismo más ligero tiene como contra el hecho de que se puedan reproducir armónicos que deben ser filtrados, además de la posibilidad de efecto Aliasing por encuentro de armónicos a la frecuencia de modulación y algunos sub armónicos.

La longitud de la descarga es análoga al diámetro del cono de un parlante en cuanto a eficiencia, la diferencia s on sus respuestas en frecuencia. El margen de trabajo de corriente es análoga a la excursión del cono de un parlante. Un mayor margen de corriente permite mayor rango dinámico al altavoz.

La eficiencia del parlante de plasma está definida por el margen de voltaje de entrada de señal de audio, la longitud de la descarga y margen de trabajo de corriente. El margen de corriente determina el margen de temperatura del plasma.

Una etapa de control de potencia por modulación de pulsos es muy útil cuando se trata de alcanzar altos voltajes, necesarios para el funcionamiento de este sistema [4].  

REFERENCIAS

[1]http://www.easternvoltageresearch.com/

[2]http://www.easternvoltageresearch.com/audio_classe.html

[3] Delaleu, Charles-Henry. ALTAVOCES Y CAJAS ACÚSTICAS, Editorial Paraninfo.

[4] V. Milantiev. FÍSICA DEL PLASMA, Editorial Mir Moscú [traducido al español por el ing. Antonio Ballesteros Elías].

[5] A.m. Howatson. DESCARGAS ELÉCTRICAS EN GASES, Ediciones Urmo [traducido al español por Andrés Gómez Pitarch].

[6] Universidad Francisco José de Caldas. APUNTES DE ELECTRÓNICA.