Tendencias modernas de diseño electrónico para audio.

Presentación del tema: "Tendencias modernas de diseño electrónico para audio."— Transcripción de la presentación:

1 Tendencias modernas de diseño electrónico para audio.
Alejandro Silva 2013 Ingeniero de Ejecución en Sonido

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3 Lee De Forest Patentó la primera válvula termoiónica que amplificaba.
1500x1600 pixeles

4 Peter L. Jensen Concebió, aunque no puedo patentar, el driver electromagnético como lo conocemos hoy en día. 87x70 pixeles

5 William Shockley Jefe del equipo de ingenieros que fabricaron el primer transistor. También formuló la teoría del mismo. 25x35 pixeles

6 Fotografía de 25x35 pixeles.
875 pixeles versus pixeles, esto es una diferencia en resolución de 54dB.

7 Oído humano Son x10^23 colisiones de moléculas de aire con el tímpano en 1 segundo. En 50µseg (período de una frecuencia de 20KHz) hay 9.365x10^18 colisiones. Si esto fuera un sistema digital por cada ciclo habrían 450x10^12 muestras. Si cada partícula colisionante fuera un bit la resolución del sistema sería de 63 bits. Esto equivale a un rango dinámico de 379dB. Asumiendo un área del tímpano 0.916cm, presión y temperatura normales, datos según P. Tyson.

8 Comparaciones de resolución
La razón de densidades entre gases y metales (conductores) es de aproximadamente 6 veces. La razón volumétrica molar entre metales y gases es del orden de 3400 veces. Una perturbación en el aire de una pieza de 20 metros cúbicos puede representarse sin pérdida de resolución por 5.8 centímetros cúbicos de cobre (1.8x1.8x1.8cm). Una cápsula magnética de guitarra tiene una bobina con 5.67x10^23 electrones libres (asumiendo AWG42 y 10KΩ). De éstos unos 3.1x10^21 participan en la conducción. Puntos 1 y 2 considerando H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe como gases y Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge y Si como metales a presión atmosférica 300 kelvin. Puntos 3 y 4 se asume que la energía de Fermi está en 7.03eV y el rango de conducción considerado es ±KT (0.026eV).

9 Stomp Boxes

10 Nivel de integración bajo Componentes reactivos grandes
Efectos de antaño Flanger MXR finales de los 70s, en ese tiempo aún se usaba wire bonding de Au y la tecnología típica era de grosor 180µm en semiconductores. No me consta que haya sido así en el caso del efecto particular pero es plausible. Nivel de integración bajo Componentes reactivos grandes Semiconductores e integrados de primera o segunda generación

11 Construcción punto a punto o con tarjeta de sujeción.
Efectos de antaño Fuzz o overdrive clásico de finales de los 60. Inglés, los transistores están en un encapsulado mucho más grande que el TO-92. Se asume que las áreas de silicio son mayores en consecuencia. Construcción punto a punto o con tarjeta de sujeción. Controles, entradas y salidas cableadas.

12 Nivel de integración muy alto.
Tecnología SMD Buffer Deville, tecnología de 0805 o quizás 0603. Nivel de integración muy alto. Componentes resisitivos y reactivos diminutos.

13 Trazas de cobre extremadamente delgadas.
Tecnología SMD Wha Dunlop tecnología 0805 Trazas de cobre extremadamente delgadas.

14 Integrados de última generación (tecnología de 25µm)
Tecnología SMD Un MXR, tecnología 0805 Integrados de última generación (tecnología de 25µm)

15 Comparación entre un efecto moderno y uno vintage
Estos son Boss DS1 al parecer, taiwanes (a la izquierda) y japonés. Se usaron datos del DS1 y del DD3 en ebay (octubre del 2013). La primera estadística es con 60 precios (solo se consideraron los “Buy it Now”), la segunda es con 326 anuncios. Efectos idénticos exceptuando los condensadores plásticos y semiconductores. El efecto antiguo cuesta entre 1.5 y 3 veces más caro que el moderno. Hay entre 5 y 16 veces más oferta del moderno.

16 50 Watts Stereo en 8Ω

17 Clase D Permite una eficiencia eléctrica sobre el 90%. Esto reduce no solo el costo, si no también el peso.

18 Clase D Un amplificador stereo de 50 watts cuesta en promedio USD 88.

19 Clase D El único componente crucial es el inductor de salida.

20 Líder indiscutido en calidad de sonido del estado sólido.
Clase A Solid State Balanced Audio Technology VK-655SE power amplifier Líder indiscutido en calidad de sonido del estado sólido. Tienen las mejores especificaciones de ruido, damping y THD.

21 Necesitan grandes disipadores.
Clase A Solid State Necesitan grandes disipadores. Su ineficiencia los hace muy pesados. Accuphase A-60

22 Clase A Solid State ????Krell????

23 Un amplificador stereo de 50 watts cuesta en promedio USD 12500.
Clase A Solid State ¿¿¿¿????? Un amplificador stereo de 50 watts cuesta en promedio USD

24 Clase A Tubos Jean Godbout - Quebec, Canada Single Ended Triode

25 Generalmente son monoblocks y usan un tríodo de potencia único.
Clase A Tubos Generalmente son monoblocks y usan un tríodo de potencia único. Son circuitalmente muy simples. La potencia de salida es pequeña. Decware Zen Triode Amplifier

26 Clase A Tubos ???? El transformador de salida es desproporcionadamente grande para lograr eficiencia en baja frecuencia.

27 Clase A Tubos Kondo Gakuoh Escuchar música através de un amplificador S.E.T. es considerado por expertos como una experiencia mística.

28 Valor de cada watt en un amplificador de 50 Watts Stereo
Estadísticas basadas en precios ofertados en internet en amplificadores de 50 watts stereo o dos monoblock de 50 watts: 15 ejemplos para SET, 8 para clase A solid state, 7 para clase D, 7 para clase AB tubos y 4 para clase AB solid state. Se consideraron los primeros precios del buscador que fueran precios de compra reales, de amplificadores nuevos o usados, se descartaron todos los que no cumplieran estrictamente con la especificación o no contaran con los datos de THD y peso.

29 Kilogramos por Watt Estadísticas basadas en precios ofertados en internet en amplificadores de 50 watts stereo o dos monoblock de 50 watts: 15 ejemplos para SET, 7 para Clase A solid state, 7 para clase D, 7 para clase AB tubos y 4 para clase AB solid state. Se consideraron los primeros precios del buscador que fueran precios de compra reales, de amplificadores nuevos o usados, se descartaron todos los que no cumplieran estrictamente con la especificación o no contaran con los datos de THD y peso.

30 Rango dinámico (metal film)
220KΩ 2W Vruido=9.54µV Vmax=663V 20log(Vmax/Vruido)=157dB 220KΩ 0.25W Vruido=11.04µV Vmax=235V 20log(Vmax/Vruido)=147dB Vishay Dale CCF2 y CCF55, según datasheet. Se utilizó la especificación genérica de excess noise de Douglas Self (0.2µV/V y 0.5µV/V respectivamente), asumiendo 5 volts entre los terminales. Todo a 300 kelvin y BW=20KHz.

31 Rango dinámico (carbon film)
220KΩ 2W Vruido=10.54µV Vmax=663V 20log(Vmax/Vruido)=156dB 220KΩ 0.25W Vruido=16.04µV Vmax=235V 20log(Vmax/Vruido)=143dB Yageo NCR Series, según datasheet. Se utilizó la especificación genérica de excess noise de Douglas Self (0.4µV/V y1.5µV/V respectivamente), asumiendo 5 volts entre los terminales. Todo a 300 Kelvin y BW=20KHz.

32 Rango dinámico (Thin Film SMD)
220KΩ W Vruido=9.54µV Vmax=200V 20log(Vmax/Vruido)=146dB Vishay PLTT thin film resistors según datasheet. Se usó dato de excess noise de 0.2µV/V con 5 volts entre terminales (según Douglas Self).

33 Rango dinámico (wirewound)
220KΩ 5W Vruido=8.54µV Vmax=1049V 20log(Vmax/Vruido)=162dB Sin excess noise, genérico.

34 Rango dinámico (trazas de cobre)
Largo=1cm Ancho=1mm Grosor=35µm R=4.43mΩ Imax=0.35A Vmax=1.55mV Vruido=1.21nV 20log(Vmax/Vruido)=122dB J máxima se asume en 1000A por cm cuadrado. Este valor es aún seguro de usar sin calentamiento excesivo, pero se encuentra por sobre la norma de 4A por mm cuadrado.

35 Rango dinámico (trazas de cobre)
Se asume Jmax=1000 [A/cm al cuadrado] (10^7 [A/m al cuadrado]), T=300[°K], BW=20[KHz], resistividad=1.55x10^-8 [Ωm] Rango dinámico de una traza de cobre es en definitiva ≈217+10logV ,siendo V el volumen de Cu.

36 Rango dinámico (cables de cobre)
Cable de 24 hebras de ø0.2mm. 0.75 mm cuadrados de sección. L=15cm R=3.9mΩ Imax=7A Vmax=27.3mV Vruido=1.14nV 20log(Vmax/Vruido)=148dB Cable Covesa según especificación.

37 Resolución del estado sólido
Un transistor de salida tiene actualmente un área de aproximadamente 30mm cuadrados (tecnología de 150µm). La cantidad mínima de transistores necesarios para 50Watts en clase AB es de 2. En consecuencia el número de partículas que llevan la información es del orden de 9x10^14. Varias páginas que tratan desde “transistor die area” hasta “semiconductor wire bonding”

38 Resolución del estado sólido
Transistor de potencia moderno Transistor de potencia antiguo

39 Resolución del S.E.T. EL transfomador de salida de un SET de 50Watts puede tener 1Kg de alambre de Cu y un núcleo de 5Kg de fierro. Solo la bobina contiene aproximadamente 3x10^22 partículas que llevan información. Esto es una resolución 150dB (3.2x10^6) mayor que un equipo con 2 transistores de salida. Usando criterio anterior de energía Fermi=7.03eV y un intervalo de 2kT (±0.026eV). El dato del peso de la bobina deriva de la potencia usual de un transformador de 3.5KV y datos de armado propios.

40 Tubos El telefunken 12AX7 es un tubo NOS popular.
La producción paró en la década del 80. Su valor comercial es en promedio USD 100, 20 veces más que la alternativa china o sovietica nueva. Survey en ebay utilizando todas los hits de “telefunken 12ax7”, datos de tubos nuevos de newsensor.com (precios de distribuidor) y ebay “12ax7” ordenado por precio creciente (10 casos). Solo se consideran los posts “Buy it Now”.

41 Tubos Tiene una de las mayores áreas de emisión en el cátodo.
El 300B es un tríodo de bajo mu capaz de entregar una potencia de 15 Watts. Su valor fluctúa entre USD 50 y USD 1200 (2400%). Tiene una de las mayores áreas de emisión en el cátodo. Página de newsensor.com (precios de distribuidor) y thepartsconection.com

42 Conclusiones Las tendencias modernas asociadas a la industria digital no deben influenciar el diseño electrónico para audio de alta calidad. No existe un motivo audible para la miniaturización extrema. Se puede diseñar y fabricar electrónica de alta resolución de manera barata. Maximizar el número de partículas que llevan información es la clave. La forma de mejorar el sonido de un diseño es reforzar el eslabón débil (de menor resolución) en la cadena de señal.