Nagłośnienie w systemach instalacyjnych - Po co komu 100V?

No cóż, najkrócej rzecz ujmując, buduje się te linie po to, by tracić jak najmniej na mocy sygnału. Przewody pomiędzy wzmacniaczem hi-fi i zestawami głośnikowymi są zazwyczaj bardzo krótkie. Także i w systemach nagłośnieniowych ich długość nie przekracza zwykle kilku, kilkunastu metrów. No tak, ale gdy do nagłośnienia mamy duży obszar, na dodatek przy użyciu dziesiątek osobnych głośników, sprawy przyjmują zupełnie inny obrót.

Taką instalację można porównać do energetycznej linii przesyłowej. Dlaczego prąd płynący przewodami napowietrznymi ma napięcie setek kilowoltów, które następnie obniżane jest w pośrednich, lokalnych stacjach transformatorowych, a dalej, już w końcowych, do poziomu takiego, jaki mamy w gniazdkach, czyli około 230 V? Czy nie można wysłać go od razu z takim napięciem?

Teoretycznie można, ale w praktyce byłoby to co najmniej irracjonalne. Pomijając kwestię "nieczystości" prądu przesyłanego w taki sposób, gdyby chcieć "pchnąć" prąd z elektrowni do odległych czasami miejsc, dostarczając przy tym tyle mocy, na jaką jest w danym regionie zapotrzebowanie, i nie zwiększając przy tym napięcia, przewody musiałyby mieć przekroje takie, że chyba żadna fabryka nie byłaby w stanie ich wyprodukować. Nie mówiąc o ich przeciągnięciu i instalacji.

REPETYTORIUM Z FIZYKI

Niektórzy być może pamiętają z lekcji fizyki, że to właśnie przekrój przewodów stanowi największą przeszkodę - a ściślej rzecz biorąc opór - dla przepływu prądu. Linię przesyłową, ale także dowolną linię, którą wędruje prąd, można porównać do układu dwóch naczyń z wodą, połączonych rurką o określonej średnicy.

Aby nastąpił przepływ wody, musi wystąpić różnica ciśnień pomiędzy naczyniami. Stanowi ona odpowiednik różnicy potencjałów elektrycznych - napięcia. Może ona mieć charakter naturalny - na przykład wynikać z różnicy wysokości pomiędzy naczyniami - lub wymuszony przez jakiś rodzaj pompy. Niezależnie od średnicy rurki łączącej, dopóki różnica ciśnień pozostaje niezmienna, owo "napięcie" również nie będzie się zmieniało.

Jednakże rurka stanowi przeszkodę decydującą o intensywności przepływu wody - ta z kolei jest odpowiednikiem natężenia prądu. Im mniejsza średnica rurki, tym mniej wody może przez nią przepłynąć. Przepływ liczyć można w jednostkach różnego rzędu - litrach czy metrach sześciennych na sekundę, na minutę czy godzinę - w zależności od skali instalacji wodnej. Przepływ ten możemy oczywiście zwiększać, podnosząc ciśnienie wody, co w przypadku linii energetycznej oznacza zwiększenie natężenia płynącego prądu.

Przepływ prądu natomiast możemy policzyć jego mocą. Być może zauważyliście, że moc urządzeń podaje się na Zachodzie, a także już i u nas, jako VA (woltoampery), a nie w watach. A zatem, ponieważ napięcie pozostaje niezmienne, toteż - jak wynika z prostego obliczenia

P = U * I

gdzie P - moc, U - napięcie, I - natężenie prądu

moc (choć należałoby tu mówić raczej o możliwości przepływu prądu) uzależniona jest wprost proporcjonalnie od natężenia, to zaś m.in. od średnicy przewodu (tak wodnego, jak i elektrycznego).

Oczywiście, każdy przewód ma określoną wytrzymałość - jeśli zechcemy przepchnąć rurą więcej wody, zwiększamy jej ciśnienie. Ale nie możemy robić tego bez końca. Gdy osiąga ono poziom krytyczny, rura pęka. Podobnie jest z przewodami elektrycznymi. Nadmierne zwiększanie natężenia prądu powoduje ich przepalenie.

Na tej właśnie zasadzie działają tzw. bezpieczniki topikowe. A właściwie dlaczego się one przepalają? Ano dlatego, że podczas przepływu prądu wyzwala się ciepło, którego ilość wprost wynika z wartości oporu elektrycznego, czyli rezystancji, zaś na tę wpływ ma rezystywność (opór właściwy) danego materiału i długość oraz przekrój przewodu. Inaczej mówiąc, im większa jest owa rezystancja i im większe jest natężenie płynącego prądu, tym więcej wydziela się ciepła w jednostce czasu. Konkretnie rzecz biorąc, oblicza się to wzorem:

Q = I2 * R * t

gdzie Q - ilość wydzielonego ciepła, I - natężenie prądu, R - rezystancja przewodu, t - czas

Ciepełko to ulatuje sobie w przestrzeń i oznacza nieodwracalną stratę energii. Zjawisko to nie następowałoby, gdyby przewody wykonywane były z materiałów o zerowym oporze elektrycznym, czyli z nadprzewodników. Jednak póki co w temacie tym jesteśmy jeszcze daleko "w lesie" i raczej nieprędko doczekamy się nadprzewodnikowych instalacji elektrycznych.

Tymczasem więc musimy polegać na materiałach - a ściśle rzecz biorąc metalach - cechujących się określoną opornością elektryczną. Spośród wszystkich, jako materiał na przewody, najlepiej sprawdzają się aluminium i miedź. Owszem, srebro i złoto mają jeszcze lepsze właściwości pod względem przewodnictwa, ale raczej trudno sobie wyobrazić, by przewody energetyczne wykonywane były z tych cennych kruszców. Wszystkie wymienione wyżej metale znajdują zastosowanie także w elektronice, jakkolwiek dwa ostatnie głównie w technikach mikroprocesorowych i do powlekania powierzchni styków.

SEDNO

OK, dość już wykładów na poziomie gimnazjum, przejdźmy do meritum, czyli 100-woltowych linii głośnikowych. Oczywiście, rozważania te dotyczą także linii pracujących z napięciem 70 i 50 V. Jako się rzekło, głównym celem budowy linii głośnikowej w tej technologii jest ograniczenie strat mocy dostarczanej do głośników.

Straty takie są nieuniknione w instalacjach rozległych, takich jak systemy rozgłoszeniowe czy też dźwiękowe systemy ostrzegawcze, gdzie długość przewodów nierzadko sięga nawet kilometrów. Bo pamiętać należy, że długość przewodu instalacyjnego trzeba liczyć w dwie strony, gdyż prąd (sygnał) płynie przecież od jednego zacisku na wyjściu wzmacniacza do drugiego. Do tego jednak wrócimy za chwilę.

Sygnał kierowany jest do głośników za pośrednictwem zestawu transformatorów - jednego podnoszącego napięcie na wyjściu ze wzmacniacza (może to być transformator zintegrowany ze wzmacniaczem lub zewnętrzny) oraz indywidualnych transformatorów współpracujących z głośnikami, odpowiednio obniżających napięcie z linii.

Transformatory takie mają zwykle po kilka odczepów, które pozwalają dobrać odpowiednią tzw. przekładnię, czyli stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego, a przez to moc dostarczaną do głośnika. Dzięki temu możliwe jest więc regulowanie głośności, z jaką grają poszczególne głośniki, jakkolwiek nie jest to metoda najwygodniejsza, a przy tym nie daje ona możliwości regulacji tejże głośności przez nazwijmy to "zwyczajnego użytkownika". Dlatego często doposaża się je w dodatkowe regulatory.

Jednakże owo dopasowanie napięciowe to nie jedyna rola tych transformatorów. Drugą, równie ważną, jest dopasowanie impedancyjne. Oznacza to, że do linii 100-woltowej, poprzez odpowiedni transformator, można podłączyć głośnik o praktycznie dowolnej impedancji. Jednakże projektując instalację 100-woltową należy pamiętać o jednej, podstawowej kwestii. Otóż łączna moc wszystkich podłączonych głośników nie powinna być większa od mocy wyjściowej wzmacniacza.

Z czego to wynika? Najprościej mówiąc, z wzoru

P = U2 / Z

gdzie P - moc, U - napięcie, Z - impedancja

Pomyślmy… Skoro U mamy stałe, to jeśli zwiększymy P, automatycznie zmniejszy nam się Z. Przełożywszy to na język bardziej zrozumiały, zwiększeniu mocy (głośników) towarzyszy, przy niezmiennym napięciu, spadek impedancji.

Jednak wzmacniacz ma pewne "oczekiwania" co do tejże. Dla przykładu weźmy wzmacniacz o mocy dołączanej 250 W. Skoro napięcie w instalacji wynosi 100 V, to impedancję wyjściową wzmacniacza można obliczyć następująco:

1002 / 250 = 40 Ω

Jeżeli teraz podłączylibyśmy głośniki o łącznej mocy np. 400 W, to ich impedancja łączna wyniosłaby 1002 / 400 = 25 Ω, a więc znacznie poniżej "oczekiwań". Owa nadmierna moc głośników powodowałaby więc, że wzmacniacz musiałby dostarczać im więcej mocy, niż jest w stanie z siebie wykrzesać. A ponieważ napięcie w instalacji jest parametrem ustalonym, impedancja głośników także się nie zmienia, to musiałoby to oznaczać wzrost natężenia prądu ponad możliwości stopnia mocy.

Oczywiście, istnieje pewien margines bezpieczeństwa, ale nie należy przeginać. Zniekształcenia odtwarzanego przekazu świadczą nieomylnie o tym, że wzmacniacz został niebezpiecznie przeciążony. Wzmacniacz można tu porównać do przywołanej wcześniej pompy wodnej. Ma ona określoną wydajność, a wymuszenie przepływu ponad tę normę może doprowadzić do jej uszkodzenia.

Należy jeszcze wspomnieć o tym, co zasygnalizowałem wcześniej, że na łączną impedancję całego układu głośnikowego pewien wpływ - w zasadzie w większości sytuacji pomijalny, ale jednak - ma samo okablowanie. Była tu już mowa także o tym, że każdy metal - w tym i miedź, z której najczęściej wykonuje się przewody głośnikowe - ma określoną rezystancję właściwą. Ta zaś stanowi podstawowy element rezystancji całkowitej danego przewodu, która z kolei jest wprost proporcjonalna do długości, a odwrotnie proporcjonalna do przekroju żyły.

Policzmy to sobie. Zastosujemy wzór na obliczenie rezystancji przewodu, który wygląda tak:

R = l/k * S

gdzie R - rezystancja, l - łączna długość przewodu (w obie strony), k - konduktywność danego materiału, czyli w tym przypadku miedzi, wynosząca 56, S - przekrój w mm2

Przyjmijmy, że nagłaśniamy obiekt, w którym najdalszy głośnik znajduje się w odległości 150 metrów w prostej linii od wzmacniacza. Ale rzadko kiedy przewód można pociągnąć "po prostej". W naszym hipotetycznym przypadku efektywna długość przewodu wynosi więc 200 metrów. Przewód wykonany jest z dwóch żył o polu przekroju 2 mm2. A zatem: R = 400/56 * 2 ≈ 3,5 Ω

Może niewiele, ale mowa jest o nie tak znów rozległej sieci. Bywają przecież instalacje, w których przewody mają długość sięgającą kilometrów. Jak widać, moc i impedancja głośników to nie jedyne elementy, jakie należy brać pod uwagę podczas projektowania wysokonapięciowej instalacji głośnikowej. Ale tematem tegoż projektowania zajmiemy się w kolejnych artykułach, w najbliższym czasie.

NA KONIEC

Mam nadzieję, że artykuł ten będzie początkiem dłuższej serii, w której omówione zostaną najważniejsze problemy związane z funkcjonowaniem rozległych instalacji głośnikowych. Tu prześliznęliśmy się jedynie po podstawowych, fundamentalnych rzekłbym, zagadnieniach. Do omówienia jest jeszcze jednak całkiem sporo innych. A zatem wyglądajcie kolejnych artykułów na ten temat.

Marcin "EmDżi" Grass

---

Autor składa podziękowanie panu Łukaszowi Kamińskiemu z firmy Tommex za konsultację merytoryczną, a także Markowi Lisowi, który zajmuje się m.in. projektowaniem i wykonywaniem instalacji wysokonapięciowych, za wskazówki praktyczne.