Si alguna vez has escuchado a un tío tocar la guitarra blues o a un amigo rasguear un ukelele de plástico barato, probablemente sabes lo que es la distorsión armónica. Suena como un ligero zumbido, silbido o chirrido de fondo durante su interpretación. Esto se debe a que estos instrumentos no son capaces de producir sus notas sin algún tipo de distorsión. En términos de ingeniería, esto también se conoce como «no linealidad».
En este artículo, exploramos qué es la distorsión armónica, por qué se produce y cómo evitar que ocurra en la configuración de tu propio estudio doméstico. ¡Empecemos!
¿Qué es la distorsión armónica?
La distorsión armónica, también conocida como «retroalimentación involuntaria», se refiere a la adición de nuevas frecuencias a un sonido. Esto puede ocurrir cuando una señal se retroalimenta al sistema a través del cual se estaba reproduciendo. Esta nueva señal se puede escuchar como un zumbido o un silbido. La distorsión armónica se observa con mayor frecuencia en instrumentos musicales y equipos de audio. Los instrumentos musicales no pueden producir sus notas sin la entrada de distorsión armónica. Sin embargo, los equipos de audio deben diseñarse para evitar la distorsión armónica.
distorsión armónica total (THD)
La distorsión armónica total (THD) se refiere a los componentes armónicos adicionales de la señal de salida con respecto a la señal de entrada, causados por componentes no lineales cuando la fuente de la señal de audio pasa a través del amplificador de potencia. La distorsión armónica se debe a que el sistema no es completamente lineal, y se expresa como un porcentaje de la media cuadrática de la componente armónica total recién añadida al valor rms de la señal original. Por ejemplo, un amplificador que emite 10 V a 250 Hz y 1 V a 500 Hz tendrá una distorsión armónica del 10 %. La suma de todos los niveles armónicos adicionales se denomina distorsión armónica total. En términos generales, la distorsión armónica total a la frecuencia de 500 Hz es la más pequeña, por lo que muchos productos utilizan la distorsión de esta frecuencia como índice.
La fórmula para calcular la distorsión armónica total es la siguiente:
Para los armónicos de tensión, TDH (%) es la distorsión armónica total, Vh es la potencia de cada armónico y V1 es la tensión de salida RMS total (incluidos los términos fundamentales y armónicos).
Para los armónicos de corriente, TDH (%) es la distorsión armónica total, Ih es la corriente de cada armónico n e I1 es la corriente de salida RMS total (incluidos los términos fundamentales y armónicos).
¿Cómo se produce la distorsión armónica?
En el nivel más básico, la distorsión armónica se produce cuando un sonido de entrada es demasiado alto y se «retroalimenta» en un sistema a través de un amplificador. Esto puede ocurrir en un estudio de grabación doméstico, cuando un instrumento conectado al sistema de megafonía comienza a retroalimentarse. La forma más fácil de entender lo que ocurre es pensar en dos ondas que chocan entre sí. Una onda es la señal de audio original, la otra es el sonido amplificado que se ha retroalimentado al sistema a través de los altavoces. Estas dos ondas se combinan para formar algo nuevo. La señal de audio original sigue ahí, pero también lo están las nuevas frecuencias que se han añadido por la retroalimentación.
Método de medición
A partir de la fórmula de cálculo de la distorsión armónica total se puede deducir que el valor de la distorsión armónica total está estrechamente relacionado con el valor límite superior H del orden armónico. Los equipos generales de medición de armónicos, como los analizadores de armónicos, son en su mayoría adecuados para la medición de armónicos en la red eléctrica, y el límite superior suele estar dentro del orden 40.
Para los equipos emisores de armónicos que contienen armónicos superiores, como los convertidores de frecuencia, la medición de la distorsión armónica total requiere equipos especiales capaces de medir armónicos superiores, como analizadores de potencia de frecuencia variable o analizadores de potencia de banda ancha. Además, en el caso de los sistemas de alta tensión y alta corriente, también es necesario prestar atención al ancho de banda necesario de los sensores utilizados, como los sensores de potencia de frecuencia variable.
El efecto de la distorsión armónica en los PCB
La distorsión armónica es un factor importante a tener en cuenta al diseñar placas de circuito impreso (PCB). Puede causar problemas con la integridad de la señal y provocar daños en los componentes. Existen varias formas de mitigar la distorsión armónica, entre ellas:
– Utilizar planos
de alimentación y tierra de baja impedancia. – Añadir condensadores de derivación a los componentes críticos
. – Añadir inductores para filtrar el ruido de
alta frecuencia. – Reducir la longitud de las trazas de señal.
Cada uno de estos métodos tiene sus propias ventajas e inconvenientes, por lo que es importante elegir la solución adecuada para su diseño de PCB concreto.
Prevención de la distorsión armónica
La distorsión armónica es uno de los principales problemas que pueden surgir al diseñar y fabricar placas de circuito impreso (PCB). Puede causar una serie de problemas, entre ellos problemas de integridad de la señal, diafonía e interferencias electromagnéticas (EMI).
Existen varias formas de reducir o eliminar la distorsión armónica. Una de ellas es utilizar señales diferenciales, que pueden cancelar muchos de los armónicos. Otra es utilizar fuentes de alimentación con baja impedancia de salida, lo que también puede ayudar a reducir los armónicos.
La señalización diferencial es una técnica que se utiliza a menudo en sistemas digitales de alta velocidad para reducir los efectos del ruido y la diafonía. En la señalización diferencial, se envían dos señales por cables separados, siendo una señal la inversa de la otra. A continuación, el dispositivo receptor combina las dos señales y se cancela cualquier ruido de modo común.
Las fuentes de alimentación con baja impedancia de salida también pueden ayudar a reducir los armónicos. Una fuente de alimentación de baja impedancia tendrá menos caída de tensión cuando se extraiga corriente de ella, lo que significa que la tensión en la carga será más estable. Esto puede ayudar a reducir o eliminar muchos de los problemas causados por la distorsión armónica.
