Przepływ mocy - Tematu mocy ciąg dalszy

Ciało wprawione w ruch dąży do pozostania w ruchu. Zachowuje przy tym część przyłożonej energii, co pozwala zachować obiekt w ruchu przy użyciu mniejszej siły. Masa obciążenia tworzy więc reaktancję – zależny od częstotliwości opór wobec przyłożonej siły.

Isaac Newton poświęcił wiele uwagi rozgryzieniu tych zależności. Elektryczny odpowiednik tego czynnika mechanicznego nazywamy induktancją – to cecha, którą charakteryzuje się każdy głośnik, a z którą wzmacniacz musi się zmagać. Gdy na łączną impedancję obciążenia składa się zarówno rezystancja, jak i reaktancja, mówimy wówczas, że dane obciążenie cechuje się impedancją złożoną.

MOC ODBITA

Elementy reaktywne wpływają na przepływ mocy pomiędzy systemami. Aby zrozumieć istotę impedancji złożonej, pomyślmy o centrum handlowym, biorąc za przykład system inny, niż głośnik. Weźmy wózek na zakupy i udajmy się pomiędzy sklepowe regały. Pusty wózek ma niedużą masę, dlatego prowadzenie go nie sprawia trudności. Przejdźmy więc do działu z materiałami budowlanymi, załadowując do wózka kilka worków gipsu. Wzrost masy utrudni nam pchanie wózka, a wprawienie go w ruch zmusi nas do zwiększenia użytej siły. Kiedy jednak już wózek zostanie poruszony, siła konieczna do jego popychania jest już znacznie mniejsza.

Załadowany wózek jest poruszającą się masą, która dąży do pozostania w ruchu, a do przodu popycha go siła bezwładności. Reaktancja masy wózka zachowuje część siły, którą zastosowaliśmy, by wprawić go w ruch, i teraz zostaje ona odbita (zwrócona źródłu), ułatwiając utrzymanie wózka w ruchu. Aby go zatrzymać musimy przezwyciężyć tę zachowaną energię (której sami dostarczyliśmy).

Tak jak poruszająca się masa przeciwstawia się zmianom prędkości, tak induktancja elektryczna przeciwstawia się zmianom przepływającego prądu. Opór ów określa się mianem reaktancji indukcyjnej. A ponieważ głośniki to urządzenia elektromechaniczne, toteż cechują się charakterystykami zarówno elektrycznymi, jak i mechanicznymi.

Jak można przeciwstawić się pędowi poruszającego się wózka? Czy istnieje „opór mechaniczny”? Gdybyśmy za pomocą sprężyny zaczepili wózek do jakiegoś obiektu stałego, wówczas wraz z oddalaniem się wózka sprężyna ulegałaby coraz większemu rozciągnięciu. Jej sprężystość przeciwdziałałaby pędowi wózka i mogłaby go zniwelować całkowicie.

Energia zgromadzona w rozciągniętej sprężynie zostaje zwrócona do źródła. Elektrycznym odpowiednikiem jest tutaj pojemność, zaś efektem reaktancja pojemnościowa – kolejna charakterystyka głośnika. Jeśli napięcie sprężyny oraz pęd wózka zrównoważą się, pozostanie tylko rezystancja. Mówimy wtedy, że system (lub obwód) znajduje się w rezonansie.

INDUKCYJNA I REAKTYWNA

Na obciążenie elektryczne składa się rezystancja, induktancja oraz reaktancja. Podobnymi własnościami cechuje się obciążenie akustyczne. Terminem zbiorczym, określającym łączny opór stawiany przepływowi prądu, jest impedancja. Często bywa, że elementy indukcyjne i reaktancyjne mają niewielkie znaczenie, co pozwala na ich zignorowanie. Tak jest w przypadku większości połączeń w systemach nagłośnieniowych, przynajmniej w zakresie częstotliwości akustycznych. Jeśli jednak chodzi o głośniki, to tutaj reaktancja jest znaczna i należy brać ją pod uwagę. Ponieważ na pracę głośnika wpływ mają wszystkie trzy wskazane elementy, mówimy, że jego impedancja jest impedancją złożoną.

Jednostką, w jakiej wyrażamy zarówno impedancję, jak też rezystancję i reaktancję, jest om. Reaktancje mogą być sobie przeciwne. Dla poszczególnych częstotliwości jedna dominuje nad drugą. Możliwe jest też ich wzajemne niwelowanie się, co powoduje, że „w grze” pozostaje jedynie rezystancja. Widać więc, że impedancja ma dość złożoną naturę. Ponieważ reaktancja zależy od częstotliwości, toteż impedancję należy przedstawić na wykresie.

Przykład wózka na zakupy prezentuje dokładnie to samo, co dzieje się, gdy głośnik zasilany jest ze wzmacniacza. Głośnik to układ złożony z masy i sprężyny, zarówno odbijający, jak i konsumujący przepływającą moc. Przy niektórych częstotliwościach dominuje czynnik masy, dla innych sprężyna, a w jeszcze innych obie siły się równoważą, w rezultacie czego obciążenie ma charakter wyłącznie rezystywny. Dlatego właśnie nie jesteśmy w stanie dokładnie wyrazić impedancji głośnika jedną liczbą.

Impedancja jest złożoną funkcją częstotliwości. W specyfikacjach technicznych producenci zwykle podają nominalną impedancję głośników, np. 8 omów. Tak naprawdę jednak przy bardzo niewielu częstotliwościach będzie ona rzeczywiście wynosiła 8 omów. To rodzi wiele nieporozumień.

Rezystancja drutu, z którego nawinięta jest cewka głośnika, stanowi najniższą możliwą impedancję, dlatego też ma duże znaczenie przy określaniu maksymalnej mocy, jaką można do głośnika doprowadzić. Obliczając liczbę głośników, które można jednocześnie podłączyć do jednego wzmacniacza, należy więc brać pod uwagę najniższy punkt na wykresie ich impedancji.

OBCIĄŻANIE WZMACNIACZA

W poprzednim miesiącu mówiliśmy o tym, że źródło mocy można scharakteryzować ilością mocy dostępnej. Moc tę można wyrazić w watach lub koniach mechanicznych. Gdy uwzględnimy czynnik czasu, wtedy możemy posłużyć się takimi jednostkami jak watogodziny, kalorie czy BTU. Jako moc dostępną powinniśmy przyjmować moc, której dane źródło jest w stanie dostarczać w sposób ciągły. Należy też określić ile mocy możemy z owego źródła uzyskać – owa ilość uzależniona jest od obciążenia.

Fizyka, podobnie jak dźwięk (i samo życie), pełna jest ironii. Do ustalenia mocy dostępnej znajomość wartości obciążenia nie jest nam wcale potrzebna. Musimy ją jednak znać, chcąc określić ilość mocy, jaką możemy uzyskać. Jasnym przy tym się staje, że określenie rzeczywistej mocy wzmacniacza nie jest zadaniem łatwym. Skoro impedancja każdego głośnika jest inna, to którego powinniśmy użyć do testowania wzmacniacza? Jeden ze sposobów polega na zastosowaniu czystego obciążenia rezystancyjnego – z pominięciem składnika reaktancji. To wyrównuje szanse podczas porównywania wzmacniaczy.

Jednak w rzeczywistym świecie głośników i wzmacniaczy pojawia się znaczący czynnik odbicia mocy. Czy wzmacniacz potrafi poradzić sobie z obciążeniem reaktywnym? Jeśli nie, to zapewne polegnie w warunkach prawdziwej, złożonej impedancji obciążenia. Specyfikacje techniczne dają nam „obraz ogólny” możliwości wzmacniacza, ale rzadko kiedy mówią całą prawdę.

PRZEPŁYW MOCY

Najlepszy sposób na zrozumienie mechanizmu przepływu mocy ze wzmacniacza do głośników polega na tymczasowym pominięciu reaktancji w rozważaniach i sprowadzeniu impedancji złożonej jedynie do czystej rezystancji. Nie są to założenia realistyczne, ale ułatwią nam zrozumienie, co dzieje się w rzeczywistych warunkach roboczych. Chwilowe ograniczenie rozważań jedynie do rezystancji pozwoli nam tymczasowo pominąć efekty gromadzenia i odbicia mocy.

Gdybyśmy do wyjścia wzmacniacza podłączyli zwykły rezystor, cała wygenerowana przez wzmacniacz moc wykorzystana zostałaby tylko do rozgrzania opornika i żadna jej część nie zostałaby odbita z powrotem do wzmacniacza (co wcale nie jest zjawiskiem niespotykanym w systemach nagłośnieniowych – zdarza się przecież, że z wnętrza wzmacniacza unosi się dym, a w powietrzu czuć woń palących się rezystorów i innych półprzewodników).

O transferze mocy pomiędzy źródłem i odbiornikiem decydują proporcje ich impedancji, które można prosto obliczyć, dzieląc impedancję obciążenia przez impedancję źródła. Ponieważ jednak postanowiliśmy tymczasowo ignorować reaktancję, powinniśmy podzielić rezystancję obciążenia przez wartość rezystancji obwodu wyjściowego we wzmacniaczu.

Oczywiście przewody też dokładają swoją rezystancję, ale póki co zignorujemy ją. Rezystancja obciążenia to opór stawiany prądowi płynącemu ze źródła, w rezultacie czego część mocy zamieniana jest w ciepło. Jeśli chodzi o głośnik, to rezystancję jego cewki możemy zmierzyć omomierzem. W większości przypadków będzie to niewielka wartość – mniej niż 8 omów. Stanowi ona jednak składnik proporcji impedancji, która decyduje o przepływie mocy pomiędzy wzmacniaczem i głośnikiem.

Innym elementem jest impedancja źródłowa wzmacniacza. Wszystkie źródła charakteryzuje impedancja wewnętrzna – opór stawiany prądowi płynącemu wewnątrz urządzenia. Wewnętrzne przewody, ścieżki obwodów drukowanych, a także tranzystory cechują się określoną rezystancją, z którą muszą walczyć elektrony podczas swej podróży przez poszczególne obwody. Stosunek impedancji źródła do impedancji obciążenia decyduje o tym, czy wygenerowana moc zostaje rozproszona wewnątrz wzmacniacza, w przewodach, czy też w przyłączonym obciążeniu.

Prawdę mówiąc, owo rozproszenie mocy następuje na każdym etapie, w każdym elemencie, ale chodzi oczywiście o to, by jak najwięcej dostarczyć jej do obciążenia. Ponieważ moc to napięcie razy natężenie prądu, toteż aby on w ogóle mógł płynąć, muszą wystąpić oba te czynniki. Jeżeli rezystancja obciążenia jest zbyt wysoka, przepływ prądu ulega zredukowaniu, a tym samym zmniejszony zostaje także przepływ mocy. Gdy rezystancja jest zbyt niska, wówczas przepływ prądu wzrasta, lecz jednocześnie spada napięcie (ciśnienie), w rezultacie czego i w tym przypadku następuje zmniejszenie przepływu mocy. A zatem maksymalny przepływ mocy uzyskujemy wtedy, gdy zachowany jest właściwy balans pomiędzy tymi dwoma czynnikami. Stan taki nazywamy sprzężeniem, lub dopasowaniem, impedancyjnym.

Odpowiednie warunki powstają wtedy, gdy impedancje źródła i obciążenia są równe. Dopasowanie impedancyjne jest obecne w naturze od zawsze – my stosujemy je w urządzeniach elektrycznych dopiero od 150 lat.

SPRZĘŻENIE STAŁONAPIĘCIOWE

Nie przestawaj czytać w tym miejscu! Jeśli bowiem to zrobisz, mógłbyś pozostać z mylnym przeświadczeniem, że dopasowanie impedancyjne to jedyna, właściwa metoda łączenia wzmacniacza z głośnikami. Z kilku jednak powodów jest to metoda kiepska.

Po pierwsze, połowa dostępnego napięcia jest tracona na skutek działania wyjściowej impedancji źródła, w rezultacie czego obciążenie zasilane jest tylko jedną połową. Choć połączenie dopasowane wykazuje dobre charakterystyki w zakresie przepływu mocy, to jednak w kwestii przeniesienia napięcia jest dużo gorzej. Sposobem na wydajniejsze wykorzystanie napięcia wytwarzanego przez wzmacniacz jest zastosowanie obciążenia (głośnika) o impedancji wyższej niż impedancja źródła.

To tak, jakbyśmy kciukiem zatykali wylot węża ogrodowego – wraz ze spadkiem przepływu wody następowałby wzrost ciśnienia, co uwidoczniłoby się zaczerwienieniem palca. Ponieważ wzrost rezystancji obciążenia oznacza większy opór dla przepływu prądu ze wzmacniacza (czyli wody przez wąż ogrodowy), toteż przepływ mocy maleje. Poświęcamy więc efektywność przepływu mocy na rzecz wydajniejszego wykorzystania napięcia. Choć wydaje się to niezbyt logiczne, to taka konfiguracja pozwala pchnąć całkiem sporo mocy do obciążenia – tylko nieco mniej niż pełna potencjalnie dostępna.

Jeśli rezystancja obciążenia będzie co najmniej dziesięciokrotnie większa od rezystancji źródła, wtedy napięcie prądu płynącego przez odbiornik przestaje pozostawać zależne od jego oporności. Wracając do przykładu z wężem ogrodowym, to jeśli wetknęlibyśmy kciuk w jego wylot tak mocno, że woda zupełnie przestałaby wypływać, moglibyśmy stwierdzić, iż pokonaliśmy ciśnienie wytwarzane przez źródło. Od tego momentu ciśnienie nie mogłoby już rosnąć i w ten sposób powstałoby sprzężenie stałociśnieniowe.

Odpowiednikiem elektrycznym jest sprzężenie stałonapięciowe. Ten tryb działania jest dosyć powszechny w świecie audio – impedancje wyjściowe są relatywnie niskie w stosunku do impedancji przyłączonych odbiorników.

KOMPROMIS

Czemu właściwie mielibyśmy w istotny sposób redukować przepływ mocy pomiędzy wzmacniaczem i głośnikami, stosując sprzężenie stałonapięciowe? Czemu nie stosować dopasowania impedancyjnego, uzyskując tym sposobem przepływ maksymalny? Jest ku temu kilka przesłanek. Po pierwsze, sprzężenie stałonapięciowe ułatwia równoległe podłączanie kolejnych głośników. Gdyby zastosowane zostało dopasowanie impedancyjne, a do wzmacniacza podłączony byłby pojedynczy głośnik, wówczas podłączenie kolejnego głośnika, czy to równoległe, czy szeregowe, spowodowałoby zredukowanie przepływu mocy do tego pierwszego. A zatem podłączając każdy następny głośnik spowodowalibyśmy, że wszystkie grałyby coraz ciszej. W takiej sytuacji sprzężenie stałonapięciowe pozwala zachować stały poziom napięcia (i przepływu mocy).

Jeżeli jednak podłączylibyśmy zbyt wiele głośników, doszłoby do poważnego zachwiania warunków, które decydują o istnieniu sprzężenia stałonapięciowego. Zazwyczaj możliwe jest jednak przyłączenie dwóch, a nawet trzech głośników do jednego wzmacniacza, z zachowaniem owego sprzężenia. Należy się jedynie upewnić, że równoległe podłączenie przetworników nie spowoduje nadmiernego spadku napięcia na wyjściu wzmaka. Dlatego właśnie producenci podają minimalną wartość impedancji, którą można bezpiecznie obciążyć wzmacniacz. Każdy dodatkowy głośnik, podłączony równolegle z pierwszym, powoduje bowiem zmniejszenie impedancji całkowitej, co implikuje zwiększenie natężenia płynącego prądu.

Sytuację taką można zobrazować, wyobrażając sobie wiadro z wodą, w którym zrobione zostały dziury. Im więcej tych dziur zrobimy, tym więcej wody wycieknie w określonym czasie. Przyłączenie kolejnych głośników do wzmacniacza równoznaczne jest dalszemu dziurawieniu wiadra. Jeśli impedancja, którą „widzi” wzmacniacz, staje się zbyt niska, wówczas napięcie na jego zaciskach spada, w efekcie czego maleje efektywność urządzenia, a w ostatecznym rachunku może prowadzić do jego spalenia.

Krzysztof Marecki