Entendiendo la impedancia de una vez por todas

La impedancia está presente en el día a día de cualquier técnico de sonido. Los micrófonos tienen una impedancia de salida, las mesas de mezclas impedancias de entrada y de salida, las cajas de inyección adaptan impedancias, los amplificadores dan más o menos potencia en función de la impedancia de carga…

Y sin embargo creo que es uno de esos conceptos técnicos que más cuesta comprender por completo, así que voy a tratar de hacerlo comprensible, sobre todo teniendo en cuenta que yo no soy ningún experto en el área de la electroacústica.

Definiendo la impedancia

Para comprender el concepto de impedancia, creo que merece la pena empezar por su definición. Si consultamos el diccionario de la RAE, dice que la impedancia es una «relación entre la tensión alterna aplicada a un circuito y la intensidad de la corriente producida, y que se mide en ohmios.»

Pero para poder entender esto de una manera más clara creo que hace falta explicar otros conceptos. Así que vamos a comenzar hablando del concepto de resistencia eléctrica.

La resistencia eléctrica según Wikipedia es la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor. Se mide en Ohmios y se representa con la letra griega Ω.

Imagina que tenemos un circuito eléctrico sencillo: Una pila y una resistencia conectada entre los polos positivo y negativo de la pila. La pila lo que hace es producir una tensión que intenta circular por el circuito. La resistencia va a generar una oposición al paso de la corriente, y cuanto mayor valor tenga la resistencia, menos corriente pasará. Al oponerse al paso de corriente, lo que sucede es que se produce una diferencia de tensión en el circuito. Y esto es lo que conocemos como Ley de Ohm.

Ejemplo de circuito sencillo

Si nos fijamos en la imagen de arriba, la pila sería la V (su tensión se mide en Voltios). La letra I (intensidad) representa la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo (medida en Amperios). La R es la resistencia, que medimos en Ohmios. Y la Ley de Ohm relaciona estas magnitudes: V=IxR. O lo que sería lo mismo, I=V/R.

Si la pila tiene 9v y la resistencia 80 Ohm, la intensidad de corriente que tendremos en el circuito será de 0,112A o, lo que es lo mismo, 112 mA.

En este ejemplo, estamos trabajando con corriente continua (DC), lo que quiere decir que el voltaje de la pila es constante y no cambia de sentido con el tiempo.

El problema es que cuando trabajamos con señales de audio, la tensión de la señal fluctúa constantemente y va a tener ciclos positivos y negativos. Por lo tanto, ya no estaremos hablando de corriente continua, sino de de circuitos de corriente alterna (AC).

Recuerda que la definición de la RAE de impedancia hablaba de tensión alterna. Así que a partir de aquí la cosa se empieza a complicar un poco.

Circuitos de corriente alterna

En los circuitos de corriente alterna (que se caracterizan por tener un flujo bidireccional, lo que significa que los electrones cambian de dirección en intervalos regulares) tenemos que tener en cuenta algunas cosas más que afectan a la corriente que va a circular por un circuito, aparte de la resistencia. Tenemos también la capacitancia y la inductancia.

La capacitancia permite a un componente almacenar energía en forma de carga eléctrica. Por ejemplo, los condensadores son dispositivos capaces de almacenar energía.

Por otro lado, la inductancia sería la capacidad de algunos componentes de un circuito, como los inductores o las bobinas, para resistir un cambio de corriente.

Cuando la corriente eléctrica cambia de dirección en un circuito, la inductancia crea una fuerza que se opone a ese cambio. Esta fuerza genera un campo magnético alrededor del objeto inductivo y  este campo magnético tiene una tendencia a resistir cualquier cambio en la corriente que fluye por la bobina. Es como si la bobina «se resistiera» a que la corriente cambie rápidamente.

Cuanto mayor sea la inductancia de un objeto, mayor será su oposición a los cambios en la corriente eléctrica. O lo que sería lo mismo, aplicarán más o menos resistencia en función de la velocidad a la que la tensión de nuestra señal de audio hace que la corriente del circuito cambie de dirección.

Cualquier circuito de audio, del equipo que queráis, va a tener condensadores, resistencias, inductores conectados de diferentes formas (y otras cosas más, claro, como transformadores, válvulas..). Como hay muchos elementos de los circuitos que ofrecen resistencia al paso de la corriente, pero lo hacen de formas diferentes, podríamos explicar la impedancia como la resistencia total en un circuito de este tipo. Por tanto, la impedancia incluiría los elementos resistivos, capacitores e inductores.

Habitualmente la impedancia se representa con el símbolo Z (es posible que hayáis visto entradas en interfaces de audio marcadas como Hi-Z, para referirse a señales de instrumento de alta impedancia). Y el valor real de la impedancia va a depender de las tensiones de señal que estén atravesando el circuito.

En los equipos de audio, habitualmente, las impedancias son principalmente del tipo resistivo, lo que quiere decir que no cambiará demasiado en el rango de frecuencias de la señal de audio (supongamos de 20hz a 20kHz).

Adaptación de impedancias

Cuando estudié la Formación Profesional de Sonido, una de las cosas que recuerdo que nos contaban sobre la impedancia es que para conseguir la máxima transferencia de potencia entre equipos, las impedancias debían de estar igualadas, que es lo que se conoce como adaptación de impedancias.

Eso lo vemos claro con los amplificadores o etapas de potencia. Los fabricantes nos indican, por ejemplo, que el amplificador tiene una impedancia de salida de 8 Ohm y deberemos conectar un altavoz de 8 Ohm para conseguir esa máxima transferencia de potencia, que nos interesa para poder mover eficientemente el altavoz.

En el caso de que las impedancias no coincidan se puede generar un problema, que es que parte de la energía que se transfiere de la fuente al destino se refleja desde el destino (o dondequiera que haya un desajuste de impedancia en el circuito de conexión) hacia la fuente, lo cual no es recomendable. Teóricamente, estas reflexiones podrían en algunos casos manifestarse en forma de eco o provocar la reducción de las señales en determinadas frecuencias por cancelación (filtro de peine). Y fueron las primeras compañías de telecomunicaciones, cuando estaban desarrollando la implantación del teléfono, las que se dieron cuenta de la importancia de la adaptación de impedancias en algunos casos.

Pensemos en el audio que viaja por un cable de teléfono analógico: La señal viaja a la velocidad de la luz durante muchos kilómetros. La longitud de onda de esas señales podría ir desde 15.000km para 20Hz (aunque es verdad que en la práctica no se enviaban señales de tan baja frecuencia) hasta 15km los 20Khz. O si nos ponemos en frecuencias más razonables para la transmisión de voz, 100Hz tendrían una longitud de onda de 3.000Km y 4kHz corresponderían con 75km. Los cables telefónicos que se utilizaban tenían, por tanto, tamaños bastante equiparables a las longitudes de onda de las señales que transmitían. Así que aquí sí que era especialmente importante que las impedancias estuvieran debidamente adaptadas, porque si no se producían reflexiones que ocasionaban ecos y poca señal recibida al otro lado del teléfono.

Para evitar este problema, las compañías telefónicas se dedicaron a investigar este asunto y normalizaron una impedancia de conexión que ofrecía una buena transferencia para las señales de audio, produciendo una cantidad de reflexiones mínima. Esa impedancia era 600 Ohm, ¿te suena? Pues sí, exactamente la misma que tiene el clásico Shure SM58.

A partir de aquí, la industria relacionada con el sonido adoptó también el estándar de los 600 Ohm. Si nos fijamos en los vúmetros, por ejemplo, marcan 0 VU cuando se conecta a una salida con una resistencia interna de 600 ohms, para una señal sinusoidal de 1000 Hz y una amplitud de +4 dBu. Otra vez los 600 Ohms.

De cualquier forma, la idea de adaptar impedancias no parecía demasiado importante ni práctica en el uso diario, porque  habitualmente no vamos a trabajar con tiradas kilométricas de cable. Además, otra cosa que sucede con mucha frecuencia es que muchas veces, en el audio profesional, queremos conectar una señal a varios dispositivos, y eso es problemático en los sistemas con impedancias adaptadas.

Por ejemplo, si tenemos una mesa de mezclas que emite una señal de +4dBu desde una salida con una impedancia de 600 Ohm, y la conectamos a la entrada de un interfaz de audio con una impedancia de entrada de 600 Ohm, el interface debería marcar en su medidor +4dBu. Adaptación de impedancias, máxima transferencia.

Pero claro, si conectamos ahora dos interfaces de audio a la salida de la mesa de mezclas (con un cable en Y, por ejemplo), la impedancia de entrada de las interfaces de audio bajará a 300 Ohm (conexión de impedancias en paralelo, igual que sucede en los altavoces). Como los equipos que reciben la señal tienen ahora la mitad de impedancia que la salida de la mesa, una parte mayor de la tensión de señal de salida se queda en la impedancia de salida en lugar de irse hacia la impedancia de entrada de las interfaces. Y esto ocasionaría que el nivel de entrada de los interfaces caiga, y la cosa sería peor si añadiésemos más interfaces. Esto, evidentemente, nos haría tener muchas limitaciones a la hora de hacer conexiones.

Adaptación de tensión

La solución al problema es, evidentemente, prescindir por completo de la idea de adaptar impedancias y usar en su lugar lo que se denomina adaptación de tensión.

La idea es diseñar el equipo para que tenga la impedancia de salida más baja posible y una impedancia de entrada relativamente alta: la diferencia entre ambas debe ser al menos un factor de diez, y a menudo es mucho mayor.

Los equipos modernos suelen emplear impedancias de salida de unos 600Ω o inferiores, con impedancias de entrada de al menos 10kΩ o superiores. Con la pequeña impedancia de salida y la relativamente alta impedancia de entrada, (la impedancia del cable puede despreciarse por completo en comparación) conseguimos una muy buena transferencia de voltaje.

Este tipo de entradas de impedancia relativamente alta tienen la ventaja de que se pueden conectar varios dispositivos en paralelo sin que la impedancia disminuya de forma significativa: la tensión desarrollada a través de cada entrada sigue siendo alta y la fuente no necesita suministrar una corriente elevada.

Cuando miramos los manuales de los equipos, podemos comprobar que claramente no hay adaptación de impedancias entre un micrófono y la entrada de una mesa de mezclas. Por ejemplo, si miramos las especificaciones de un micrófono Shure SM58, el fabricante nos indica que tiene una impedancia de salida de 600 Ohm. Eso es el valor de la impedancia del circuito del micrófono medido desde su salida.

Si miramos una mesa de mezclas, por ejemplo, una Midas Pro 1, sus entradas XLR tienen una impedancia de 10k Ohm, que es un valor muchísimo más grande que los 600 Ohm del micrófono.

Si conectamos el Shure SM58 a la entrada de la Midas Pro 1, el voltaje que sale del micrófono se transporta a la entrada de la mesa. Y esas impedancias de salida y de entrada van a afectar a la corriente que circula por el circuito.

Por tanto, debe quedarnos claro que en el mundo del audio no siempre hay adaptación de impedancias, pues los micrófonos habitualmente tienen una impedancia bastante menor que las entradas de micrófono de las mesas de mezclas.  Por tanto, lo que sucede es que no siempre se necesita obtener la máxima transferencia de potencia. A veces, lo que se busca, como en este caso del micrófono conectado a la mesa, es la máxima transferencia de voltaje.

En los sistemas de transmisión de señales de audio o video, es preferible una mayor transferencia de voltaje en lugar de una mayor transferencia de potencia debido a las características de las señales de baja potencia utilizadas en estas aplicaciones.

Las señales que genera un micrófono son señales de baja potencia que contienen información delicada y detallada que se va a transmitir por un cable, en ocasiones de muchos metros.

Cuando se trata de transmitir señales de baja potencia, es fundamental minimizar las pérdidas y mantener la fidelidad de la señal. Las pérdidas de potencia en los sistemas de transmisión pueden provocar una disminución en la amplitud de la señal y, en consecuencia, una degradación en la calidad del audio. Por lo tanto, en este contexto, se busca una mayor transferencia de voltaje para minimizar las pérdidas de señal.

Al maximizar la transferencia de voltaje, se garantiza que la señal transmitida mantenga su nivel y amplitud óptimos en el destino. Esto es particularmente importante cuando se trata de señales analógicas, donde pequeñas variaciones en el voltaje pueden afectar significativamente la calidad del audio.

Además, en la cadena de audio generalmente utilizamos amplificadores o etapas de potencia cuando necesitamos aumentar la potencia de la señal. Estos amplificadores están diseñados para trabajar con señales de baja potencia (señal de línea) y, por lo tanto, lo que interesa es mantener la integridad y fidelidad de la señal hasta llegar al amplificador mediante una alta transferencia de voltaje. Ya se encargará el amplificador de realizar una máxima transferencia de potencia.

Podríamos calcular las pérdidas que tenemos en una línea de audio utilizando la siguiente fórmula:

$Pérdida de línea \left(db\right)=20{\log }^{10}\frac{impedancia salida + imp cable + imp entrada}{imp entrada}$

En el ejemplo planteado anteriormente, el micrófono tiene 600 Ohm y la mesa 10.000 Ohm. Las impedancias del micrófono y de la mesa no coinciden, pero ya sabemos que eso es porque lo que queremos conseguir es la máxima transferencia de voltaje. Si consideramos que el cable de 10 metros para la conexión (que podría tener una impedancia de unos 0,5 Ohm), podemos calcular la pérdida utilizando la fórmula:

$Pérdida de línea \left(db\right)=\hspace{0.17em}20{\log }^{10}\frac{10000+0,5+600}{10000}=0,5dB$

0,5dB es una pérdida bastante pequeña. Si tuviésemos 100 metros de cable en lugar de 10m (la impedancia estimada de 100m de cable sería unos 5 Ohm) la pérdida sería prácticamente la misma (0,51 dB). Y si el micrófono tuviese una salida de 300 Ohm en lugar de 600, la pérdida sería de prácticamente la mitad, 0,26dB.

Y volvamos al ejemplo de hace unos párrafos, en el que una salida de mesa de mezclas alimenta la entrada de dos interfaces de audio. Si cada interface tiene una impedancia de entrada de 10kΩ, al conectar dos en paralelo tendríamos 5kΩ, que sigue siendo significativamente mayor que la impedancia de salida de 50Ω de la mesa de mezclas. Por lo tanto, la tensión de entrada prácticamente no se verá afectada: perderíamos unos 0,08dB.

Así que cuando descubrí esto, todo cobraba sentido para mi: Con la adaptación de impedancias conseguimos la máxima transferencia de potencia entre equipos. Con señales de micro o de línea, habitualmente utilizamos adaptación de tensión: la impedancia de salida de un equipo tiene que ser mucho más pequeña que la impedancia de entrada del equipo al que lo conectemos para conseguir una transmisión óptima sin que suponga un problema el añadir otros equipos de forma simultánea a la conexión.

Debido a que las entradas con una impedancia relativamente alta facilitan mucho el trabajo de interconexión de equipos, la adaptación de voltaje se emplea ahora casi universalmente en los equipos de audio de nivel de línea, independientemente de los niveles de señal de referencia reales utilizados.

¿Y por qué las guitarras y los bajos son señales de alta impedancia?

Las pastillas que se suelen utilizar en guitarras y bajos eléctricos son principalmente inductivas en lugar de capacitivas (debido a las bobinas que se utilizan debajo de las cuerdas), y también son muy resistivas simplemente por la gran cantidad de cable que llevan (normalmente hasta 10 kΩ), aunque dentro de los distintos estilos y marcas de pastillas esto puede variar enormemente.

Dado que la pastilla presenta una impedancia de salida relativamente alta, es normal conectar estas señales a entradas de impedancia muy alta para conseguir esa máxima transferencia de voltaje y minimizar las pérdidas. Un valor mínimo suele ser de 470 kΩ, pero muchos superan 1MΩ.

Si la entrada a la que conectamos una guitarra o un bajo tiene una impedancia demasiado baja, el efecto más notable será una pérdida de agudos; de hecho, incluso el uso de cables muy largos entre la guitarra y la entrada (que provocan una capacitancia demasiado alta) puede reducir audiblemente las frecuencias agudas. El sustain también se ve afectado, dando lugar a un sonido «muerto».

Las cajas de inyección, una vez más, lo que buscan es la adaptación de tensión. Tienen una entrada de muy alta impedancia y una salida generalmente de unos 600Ohm. Esto nos permite conectar estos instrumentos de alta impedancia (bajos, guitarras…), conseguir una máxima transferencia de voltaje y poder conectar la salida de la caja de inyección a una entrada de micrófono de una mesa de mezclas.

Conclusiones

Si has llegado hasta aquí, espero que el artículo te haya sido útil. Ahora quizás tengas más claro qué es y como funciona la impedancia. Sobre todo, recuerda que en ocasiones nos interesará la máxima transferencia de potencia (de amplificador a altavoz) y eso lo conseguiremos adaptando impedancias. Y en otras, nos interesará la máxima transferencia de voltaje (de micrófono a mesa de mezclas, por ejemplo) y para ello la impedancia de entrada de la mesa deberá ser mucho más alta que la impedancia de salida del micrófono. Como siempre, si el artículo te ha gustado, agradecería que lo compartieses en redes o que escribieses un comentario.

Bibliografía consultada para la redacción de este artículo

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