Αγαπημένο μου Watt...

[Costas Coyias]

Αλήθεια, τ' είν' τούτο 'δώ; Μην είν' ενισχυτής; Και πόσα βατ βγάζει; Χμμμ...

Προ καιρού, δε θυμάμαι, είχαμε ανοίξει μια κουβέντα, και είχα πει ότι ο καλύτερος τρόπος μεταφοράς και ενίσχυσης του αναλογικού σήματος σε ένα ηχητικό σύστημα είναι ο ισορροπημένος τρόπος, από την αρχή, από την πηγή του σήματος, που μπορεί να είναι ένα μικρόφωνο, μια φωνογραφική κεφαλή, ή ό,τι άλλο, έως το τέλος, δηλαδή έως τους ακροδέκτες του ηχείου. Μιας που ξέθαψα ένα φύλλο Excel που είχε κάτι παρόμοια σχηματάκια, είπα να επαναφέρω το θέμα, και να εξηγήσω το γιατί.

Πριν ασχοληθούμε με το θέμα των ισορροπημένων συνδέσεων, ας ρίξουμε μια ματιά στο θέμα της ισχύος του ενισχυτή, για να κατανοήσουμε κάποια βασικά και σχεδόν αυτονόητα, ίσως και λιγότερο αυτονόητα.

Ένας ενισχυτής ακουστικής συχνότητας δεν είναι παρά μια ηλεκτρονική διάταξη με μια είσοδο και μια έξοδο. Εάν της εφαρμόσουμε στην είσοδο ένα σήμα τάσης a, τότε ο ενισχυτής καλείται να εμφανίσει αυτό το σήμα στην έξοδό του, με τάση πολλαπλάσια, αυξημένη κατά κάποιον συντελεστή, ο οποίος, συνήθως, εκφράζεται σε dB και ονομάζεται κέρδος, (voltage gain). Βεβαίως, αυτό μπορεί να γίνει μόνο μέσα σε κάποια όρια, που μας οδηγούν στο μέγεθος της ευαισθησίας του ενισχυτή. Για παράδειγμα, εάν ένας ενισχυτής προδιαγράφεται με ευαισθησία 1Βολτ και κέρδος 25dB, δηλαδή 2,5 Bell, αυτό σημαίνει ότι είναι σε θέση να εμφανίσει στην έξοδό του τάση 17,8 Βολτ. Αυτό όμως, δεν σημαίνει ότι μπορούμε να δώσουμε στην είσοδο 100V και να πάρουμε στην έξοδο 1780V.

Το εκμεταλλεύσιμο μέγεθος της εξόδου ενός ενισχυτή δεν είναι η τάση, αλλά η ισχύς, την οποία θα καταναλώσει το φορτίο που θα συνδέσουμε για να οδηγήσει. Όμως, πώς ορίζεται και επηρεάζεται η ωφέλιμη ηλεκτρική ισχύς του ενισχυτή;

 

[Costas Coyias]

Το αναλογικό ηχητικό σήμα έχει μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος μεταβλητής τάσης και μεταβλητής συχνότητας. Η τάση του ρεύματος είναι που καθορίζει τη στάθμη του ήχου, δηλαδή το πόσο δυνατά ακούμε, και η συχνότητα καθορίζει αυτό ακριβώς που εννοεί η λέξη. Για λόγους απλοποίησης, στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε μια ημιτονοειδή καμπύλη σταθερής συχνότητας και τάσης, η οποία αναπαριστά την τάση στην έξοδο ενός τελικού ενισχυτή, σε σχέση με το χρόνο. Δηλαδή, ο οριζόντιος άξονας μετρά το χρόνο (μή δίνετε σημασία στις μοίρες) και ο κατακόρυφος την τάση. Βλέπουμε ότι η τάση κυμαίνεται σε διάφορες τιμές, με ανώτατες αυτές των 40 και των -40 Volt. Οι κατακόρυφες διακεκομμένες γραμμές οριοθετούν το χρονικό διάστημα, κατά το οποίο η καμπύλη διανύει μια πλήρη διαδρομή από κάποιο σημείο τάσης, έως ότου ξαναφθάσει στο σημείο αυτό, αφού αγγίξει από μια φορά τη μέγιστη και ελάχιστη τιμή της. Αυτή η πορεία ονομάζεται πλήρης περίοδος, ενώ η διάρκειά της είναι που ονομάζουμε χρονική σταθερά (time constant).

 

[Costas Coyias]

Εάν αυτό το ημιτονοειδές σήμα αναπαριστά την έξοδο ενός τελικού ενισχυτή, τότε θα μπορούσαμε να πούμε, ότι η ισχύς που αποδίδει ο ενισχυτής είναι, κατά τα γνωστά, ανάλογη του τετραγώνου της τάσης και αντιστρόφως ανάλογη της αντίστασης του φορτίου. Εάν το φορτίο είναι μια θερμική αντίσταση 8Ω, τότε

... υπό την θεμελιώδη προϋπόθεση, ότι η πηγή αυτού του ρεύματος είναι σε θέση να δώσει το ανάλογο ρεύμα, την ανάλογη ένταση, δηλαδή. Πόσο είναι αυτό το ρεύμα; Από το Νόμο του Ohm:

Έτσι, η πηγή του ρεύματος, ο ενισχυτής δηλαδή, είναι ισχύος 200W σε φορτίο 8Ω, μόνον εάν μπορεί να δώσει ρεύμα 5 Αμπέρ. Δηλαδή, η ισχύς είναι μέγεθος σύνθετο, και στην ηλεκτρική μορφή της συντίθεται από το γινόμενο της τάσης επί το ρεύμα. Ανακεφαλαιώνοντας, έχουμε έναν ενισχυτή που είναι σε θέση να δώσει αυτήν την ισχύ, δηλαδή, να παρουσιάσει στον ακροδέκτη του τάση 40V και σε αυτήν την τάση να παράσχει ρεύμα 5A, προφανώς, οδηγώντας ένα φορτίο 8Ω.

Όμως, ούτε αυτός είναι ένας επαρκής ορισμός της ισχύος του ενισχυτή. Στο παράδειγμα του παραπάνω σχήματος, ας υποθέσουμε ότι το μέγεθος της χρονικής σταθεράς, δηλαδή ο χρόνος που περνά μεταξύ των δύο σημείων που την ορίζουν, είναι 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου, 10ms. Αυτό σημαίνει, ότι σε διάστημα ενός δευτερολέπτου, η καμπύλη σχηματίζει κάποιο πλήθος πλήρων περιόδων, πλήρων ταλαντώσεων, που ισούνται με αυτό που ονομάζουμε συχνότητα, και ισούται με...

Με άλλα λόγια, αυτή η καμπύλη πραγματοποιεί 100 πλήρεις περιόδους σε διάστημα 1sec. Όμως, η συχνότητα των 100Hz, για το αντιληπτικό σύστημα ενός ανθρώπου, δεν είναι παρά ένας μονό-τονος ενοχλητικός βόμβος, απλώς, ένας τόνος, που δεν λέει τίποτα. Είναι σαν να βλέπετε με τα μάτια σας κάποιο συγκεκριμένο χρώμα, και μόνον: Αυτό, το οποίο με την αντίληψη των ώτων μας ονομάζουμε συχνότητα, με την αντίληψη των ματιών μας το ονομάζουμε χρώμα. Έτσι, όπως η κινούμενη εικόνα που βλέπουμε με τα μάτια μας, γίνεται αντιληπτή ως μια αλληλουχία εναλλαγών χρωματικών συνδυασμών μέσα στο οπτικό μας πεδίο, το τμήμα της ακουστικής μας αντίληψης συντίθεται από αντίστοιχη αλληλουχία ακουστικών συνδυασμών διαφόρων συχνοτήτων. Άλλωστε, η ίδια η έννοια και η λειτουργία της αντίληψης βασίζεται θεμελιωδώς στην έννοια της μεταβολής.

 

[Costas Coyias]

Ένας ενισχυτής που προορίζεται να λειτουργεί στο φάσμα της ακουστικής συχνότητας, πρέπει να είναι σε θέση να αποδίδει, να αποκρίνεται σε όλες τις συχνότητες αυτού του φάσματος, και μάλιστα με την ίδια ενίσχυση. Δηλαδή, λέμε, ότι η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον 20 – 20.000Hz, ±xdB, όπου το x πρέπει να τείνει να είναι μηδέν. Για παράδειγμα, εάν η απόκριση ενός ενισχυτή προδιαγράφεται ως 5Hz – 200KHz -1dB, και αυτή η προδιαγραφή επιβεβαιώνεται στην πράξη, στο συγκεκριμένο κατά περίπτωση αντίτυπο του ενισχυτή που θα μετρηθεί, αυτό σημαίνει ότι αυτός ο ενισχυτής είναι σε θέση να ενισχύσει την τάση του εναλλασσόμενου ρεύματος που θα του εφαρμόσουμε στην είσοδο, και όταν το ρεύμα της εξόδου του είναι συχνότητας 200.000Hz, αυτό θα έχει τάση χαμηλότερη κατά 1dB, από την τάση του ρεύματος της εξόδου του σε κάποια άλλη, χαμηλότερη συχνότητα, η οποία δεν αναφέρεται. Στο παράδειγμα του παραπάνω σχήματος, μια πτώση 1dB στην τάση των 40V, υπολογίζεται ως...

... δηλαδή, ο ενισχυτής παρουσιάζει μια πτώση τάσης στην έξοδό του κατά 4,4V, διότι το ηλεκτρονικό του κύκλωμα δεν μπορεί πλέον να ταλαντώσει όπως πρέπει σε αυτήν τη συχνότητα, παρουσιάζοντας αντιδραστική (reactive) συμπεριφορά. Έτσι, η κλίση της καμπύλης απόκρισης συχνότητας ανακλάται και στην ισχύ του ενισχυτή, αφού αυτός στα 200KHz παρουσιάζει μειωμένη ισχύ, που υπολογίζερται στα ...

Όμως, σε μια τόσο υψηλή συχνότητα δεν μας απασχολεί η ισχύς του. Ο ενισχυτής πρέπει να έχει κατά το δυνατόν επίπεδη απόκριση (±0dB) μέσα στο φάσμα της ακουστικής συχνότητας. Αυτό δεν είναι αυτονόητο, καθώς το φορτίο που καλείται να οδηγήσει δεν είναι βέβαια μια θερμική αντίσταση, σαν αυτή που έχει το ηλεκτρικό μάτι της κουζίνας. Ο ενισχυτής οδηγεί ένα κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, ο οποίος λειτουργεί όπως και ο κινητήρας του ασανσέρ, με τη διαφορά ότι η κίνησή του δεν είναι περιστροφική, αλλά παλινδρομική• και, βέβαια, αυτός ο κινητήρας δεν είναι παρά ο κινητήρας ενός (ή περισσοτέρων) μεγαφώνων. Μια άλλη πολύ σημαντική διαφορά των κινητήρων των μεγαφώνων σε σχέση με τους περιστροφικούς ηλεκτροκινητήρες που μας υπηρετούν, είναι η ταχύτητα της «περιστροφής» τους. Ο μεν ηλεκτροκινητήρας του ασανσέρ περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα, ενώ, αντίθετα, οι παλινδρομήσεις που καλούνται να κάνουν οι κινητήρες των μεγαφώνων δεν είναι σταθερές στη μονάδα του χρόνου. Το πλήθος αυτών ακριβώς των παλινδρομήσεων στη μονάδα του χρόνου είναι που εκφράζει τη συχνότητα του ήχου που αναπαράγει ένα μεγάφωνο.

Το μεγάφωνο είναι μια ηλεκτρομηχανική διάταξη, που φέρει κάποια κινούμενα μέρη, τα οποία κινούνται, πάλλονται, καταναλώνοντας την ηλεκτρική ενέργεια που αντλούν από την έξοδο του ενισχυτή. Αυτά τα κινούμενα μέρη είναι το πηνίο φωνής, που κινείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, και κινεί τον κώνο, ο οποίος είναι άρρηκτα δέσμιος επάνω στο πηνίο. Όπως ίσως είναι γνωστό, κάθε σώμα που πάλλεται, χαρακτηρίζεται από μια ιδιοσυχνότητα, μια συχνότητα συντονισμού. Η ιδιοσυχνότητα δεν είναι, παρά εκείνη η συχνότητα, στην οποία το σώμα πάλλεται με μέγιστη διαδρομή, για δεδομένη και σταθερή ισχύ που καταναλώνει. Εξειδικεύοντας στο παρόν θέμα, η ιδιοσυχνότητα του μεγαφώνου εξαρτάται από δύο ειδών παράγοντες, που αφορούν τα μηχανικά και τα ηλεκτρικά μέρη του. Τέτοιοι παράγοντες είναι η σκληρότητα της ανάρτησης, η μάζα των κινουμένων μερών, η αυτεπαγωγή του πηνίου του κινητήρα του, η πυκνότητα του αέρα, κλπ. Τί σχέση έχουν τώρα αυτά με την ισχύ που μπορεί να δώσει ο ενισχυτής; (Ωχ, γράφε μαύρε...)

 

[Costas Coyias]

Λοιπόν, κατ’ αρχάς, η στάθμη, το πόσο δυνατά θα παίξει ένα μεγάφωνο, εξαρτάται από ένα και μόνον πράγμα: το πλάτος της ταλάντωσής του, το πόσο μακριά από τη θέση ηρεμίας του μετακινείται ο κώνος, καθώς πάλλεται. Αυτή η απόσταση εξαρτάται από τρία πράγματα:
• την ένταση του μαγνητικού πεδίου που εφαρμόζει το μαγνητικό σύστημα του μεγαφώνου, μέσα στο οποίο κινείται το πηνίο,
• τη σκληρότητα (ενδοτικότητα) της ανάρτησης του μεγαφώνου και...
• την τάση που θα εφαρμοσθεί στα άκρα του πηνίου του κινητήρα του, του πηνίου φωνής, δηλαδή την τάση που αναπτύσσει στην έξοδό του ο ενισχυτής.
Δεδομένου ότι οι δύο πρώτοι παράγοντες είναι σταθεροί για κάθε μεγάφωνο, το πόσο δυνατά θα παίξει αυτό, εξαρτάται από την τάση με την οποία οδηγείται από τον ενισχυτή. Όπως είπαμε παραπάνω, ως ηλεκτρομηχανική διάταξη που είναι, το μεγάφωνο καταναλώνει κάποια ισχύ, μέρος της οποίας μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια στον αέρα, σε ήχο δηλαδή, και το υπόλοιπο, το μεγαλύτερο μέρος, το εκλύει σε μορφή θερμότητας. Καταναλώνοντας ισχύ το μεγάφωνο, καταναλώνει ηλεκτρικό ρεύμα. Όμως, το ρεύμα αυτό δεν είναι το ίδιο σε όλες τις συχνότητες. Όταν το μεγάφωνο λειτουργεί στην ιδιοσυχνότητά του, θα καταναλώνει το ελάχιστο δυνατό ρεύμα, διότι εκεί, όπως είπαμε, πάλλεται με μέγιστο πλάτος. Αν κρατήσουμε σταθερό το πλάτος, και επομένως σταθερή την τάση οδήγησης από τον ενισχυτή, τότε ελαχιστοποιείται η ενέργεια που καταναλώνει το μεγάφωνο, και επομένως, στη συχνότητα αυτή το μεγάφωνο τραβάει το ελάχιστο δυνατό ρεύμα. Άρα, από το Νόμο του Ohm, σε αυτήν τη συχνότητα, το μεγάφωνο παρουσιάζει μέγιστη αντίσταση, η οποία βαίνει μειούμενη ένθεν και ένθεν αυτής της συχνότητας. Δηλαδή, συμπαγεί τω λόγω να πούμε, ένα μεγάφωνο δεν έχει την ίδια αντίσταση σε όλες τις συχνότητες, στις οποίες προορίζεται να λειτουργήσει. Σε κάποια συχνότητα μπορεί να παρουσιάζει αντίσταση 8Ω, σε κάποια άλλη 6Ω, ή 15Ω, ή 50Ω. Συνεπώς, σε συνάρτηση με τη συχνότητα, το μεγάφωνο παρουσιάζει ένα διάγραμμα εμπέδησης, η καμπύλη του οποίου αποτελείται από την αντίσταση που παρουσιάζει αυτό σε κάθε συχνότητα. Ας δούμε ένα παράδειγμα...

 

[Costas Coyias]

Στην εικόνα αυτή βλέπετε το διάγραμμα απόκρισης και εμπέδησης ενός μεγαφώνου διαμέτρου 13 ιντσών, ενός γούφερ δηλαδή. Στο διάγραμμα αυτό μας ενδιαφέρει η καμπύλη εμπέδησης, η οποία συναρτάται με την κατακόρυφη βαθμονόμηση που παρατίθεται στη δεξιά πλευρά του διαγράμματος. Η αντίσταση του μεγαφώνου σε συχνότητες κάτω των 10Hz είναι περίπου 8-9Ω, και στη συνέχεια βαίνει αύξουσα, για να πάρει τη μέγιστη τιμή της στους 31Hz, όπου είναι η ιδιοσυχνότητά του. Άλλωστε, αυτό παρατίθεται και ως προδιαγραφή από τον κατασκευαστή, με την τυποποιημένη ονομασία Fs. Αυτή η ιδιοσυχνότητα αναφέρεται με το μεγάφωνο ελεύθερο στον αέρα, και όχι μονταρισμένο σε κάποιο κουτί, διότι τότε τα πράγματα αλλάζουν, καθώς, στα κινούμενα μέρη του μεγαφώνου προστίθεται και ο αέρας του κουτιού, οπότε μιλάμε πλέον για ένα σύνθετο σύστημα. Ας είναι...
Όπως βλέπετε, στην ιδιοσυχνότητά του το μεγάφωνο έχει αντίσταση της τάξης των 46Ω. Όσο πιο μεγάλη αντίσταση έχει, τόσο λιγότερο ρεύμα τραβάει, δηλαδή, τόσο χαμηλότερη ισχύ καταναλώνει. Από εκεί και μετά, η αντίστασή του φθίνει, για να φθάσει την ελάχιστη τιμή της στους 110-115Hz. Σε αυτή τη συχνότητα, το μεγάφωνο καταλανώνει πολλαπλάσιο ρεύμα, πολλαπλάσια ισχύ. Στη συνέχεια, η αντίσταση του μεγαφώνου επανακάμπτει αύξουσα. (...)

Μια παρεξήγηση που συμβαίνει εδώ, εστιάζεται στην ερώτηση: Καλά, αφού εδώ, στους 115Hz, το μεγάφωνο καταναλώνει πολύ μεγαλύτερη ισχύ, σε σχέση, ας πούμε με τους 35Hz, δεν θα παίζει εδώ πιο δυνατά; Η απάντηση βεβαίως είναι, όχι. Όπως είπαμε παραπάνω, η στάθμη εξαρτάται μόνον από την τάση στην έξοδο του ενισχυτή, και όχι από το ρεύμα. Βεβαίως, το μεγάφωνο καταναλώνει εδώ πολύ περισσότερο ρεύμα, πολύ περισσότερη ισχύ, αλλά παίζει το ίδιο δυνατά. Το ίδιο δυνατά, υπό μια βασική προϋπόθεση: Ότι ο ενισχυτής είναι σε θέση να παράσχει αυτό το αυξημένο ρεύμα. Σε αυτήν την περίπτωση, και υπό την προϋπόθεση βέβαια, ότι τα δύο σήματα που δέχεται στην είσοδό του ο ενισχυτής, 35Hz και 115Hz, είναι ίσης τάσης, το μεγάφωνο θα αναπαράγει ήχους ίσης στάθμης, εάν βέβαια είναι σχεδιασμένο σωστά.

Σε περίπτωση που ο ενισχυτής δεν είναι σε θέση να παράσχει αυτό το αυξημένο ρεύμα, δύο τινά ενδέχεται να συμβούν:
• Ο ενισχυτής να παρουσιάσει κάμψη της τάσης του, και να σταθεροποιηθεί σε κάποιο χαμηλότερο σημείο, οπότε το σήμα των 115Hz θα αναπαράγεται σε στάθμη χαμηλότερη από αυτή των 35Hz. Σε αυτήν την περίπτωση μιλάμε για χρωματισμό του ήχου, ο οποίος συνήθως αναφέρεται ως λέπτυνση.
• Παρά το γεγονός της πτώσης τάσης, το ρεύμα που θα παρέχει ο ενισχυτής μπορεί να είναι τόσο υψηλό, ώστε να υπερθερμανθεί.
Αυτή η υπερθέρμανση μπορεί, είτε να κάπως παρατεταμένη, οπότε θα υπερθερμάνει τον ενισχυτή, είτε να είναι τόσο απότομη, που το ψυγείο του ενισχυτή δεν θα προλαβαίνει να αποβάλλει τη θερμότητα, οπότε θα επέλθει βλάβη. Βέβαια, εάν ο ενισχυτής είναι εξοπλισμένος με σύστημα προστασίας, αυτό οφείλει να ανιχνεύσει το υψηλό ρεύμα πριν την υπερθέρμανση, και να αποσυνδέσει το φορτίο. Πάντως, εάν αυτή η διακύμανση της αντίστασης βρίσκεται μέσα στα όρια του ενισχυτή, αυτός οφείλει να υπομένει αυτές τις αυξομειώσεις ρεύματος, και να τηρεί σταθερό το κέρδος του, δηλαδή να μην παρουσιάζει πτώσεις τάσης.

 

[Costas Coyias]

Συνοπτικά, η ηλεκτρική ισχύς είναι μέγεθος σύνθετο, αποτελούμενο από το γινόμενο της τάσης επί το ρεύμα. Τα πράγματα θα ήταν τόσο απλά, εάν αναφερόμασταν σε συνεχές ρεύμα. Όμως, το αναλογικό σήμα του ήχου (και της εικόνας...) είναι εναλλασσόμενο. Ακόμη κι αν οδηγήσουμε τον ενισχυτή με το απλούστερο σήμα, έναν τόνο σταθερής τάσης και σταθερής συχνότητας, η τάση στην έξοδο του ενισχυτή κυμαίνεται στο πέρασμα του χρόνου, με αποτέλεσμα, η ισχύς που παίρνουμε από αυτό το ρεύμα να μην είναι σταθερή στο πέρασμα του χρόνου, να μην έχει συνεχώς κάποιο σταθερό μέγεθος, αφού η τάση εναλλάσσεται μεταξύ δύο ακραίων τιμών. Έτσι, ένας ασφαλέστερος, πιο ρεαλιστικός τρόπος είναι, να εκφράσουμε την ισχύ του ενισχυτή, λαμβάνοντας υπ’ όψιν, όχι το μέγιστο μέγεθος της τάσης, αλλά την τετραγωνική μέση τιμή της. Η τιμή αυτή, γνωστή ως root mean square, εξάγεται με τη μέτρηση της τάσης σε χρονικές στιγμές που ισαπέχουν μεταξύ τους, και για χρονικό διάστημα ίσο με έναν ακέραιο αριθμό πλήρων περιόδων. Για παράδειγμα, μπορούμε να πάρουμε μετρήσεις στις μηδενικές τιμές, στα μέγιστα, και τα ελάχιστα της καμπύλης, για ένα χρονικό διάστημα τριών πλήρων περιόδων, δηλαδή για διάστημα τριπλάσιο της χρονικής σταθεράς. Στη συνέχεια, αυτές οι τιμές υψώνονται στο τετράγωνο, αθροίζονται, και εξάγεται η τετραγωνική ρίζα τους. Το αποτέλεσμα αυτό είναι πάντοτε θετικό, και ισούται με το πηλίκο της απόλυτης τιμής της μέγιστης, ή της ελάχιστης τάσης, προς την τετραγωνική ρίζα του 2. Δηλαδή...

Εξ αυτού του λόγου, κυκλοφορεί ευρύτατα η παρεξηγημένη και λανθασμένη διατύπωση του «βατ αρ εμ ες». Δεν υφίσταται τέτοιο πράγμα. Ένας σοβαρός κατασκευαστής θα ανακοινώσει την ισχύ του ενισχυτή του με μια φράση της μορφής «μέση συνεχής ισχύς 100W, σε ολόκληρο το ακουστικό φάσμα, και με αρμονική παραμόρφωση όχι μεγαλύτερη του 0,1%, με όλα τα κανάλια οδηγούμενα». Αυτή η «μέση συνεχής ισχύς» προκύπτει από την τετραγωνική μέση τιμή της τάσης επί το ρεύμα που τραβάει το φορτίο, και ισοδυναμεί με την ισχύ που το φορτίο θα κατανάλωνε, εάν διαρέονταν, όχι από εναλλασσόμενο, αλλά συνεχές ρεύμα, τάσης ίσης με την τετραγωνική μέση τιμή.

Ας δούμε ένα πρακτικό παράδειγμα. Ας πάρουμε τον Classe CAM400, περί του οποίου ο λόγος αυτές τις μέρες. Ο ενισχυτής αυτός προδιαγράφεται με συνεχή ισχύ (continuous power) 400W σε φορτίο 8Ω, η οποία διπλασιάζεται σε φορτίο 4Ω, πηγαίνοντας στα 800W, οδηγώντας ένα αμιγώς ωμικό (resistive) φορτίο, προφανώς μια θερμική αντίσταση. Ωραία.

Γνωρίζοντας την ισχύ που κατανάλωσε το φορτίο, και την αντίστασή του, μπορούμε να υπολογίσουμε την τάση εξόδου του ενισχυτή αυτού, και πάλι με το Νόμο του Ohm.

Ενώ, για φορτίο 4Ω, η τάση του ενισχυτή παραμένει ως έχει, στα 56,7V RMS, αλλά διπλασιάζεται το ρεύμα. Για 8Ω και 4Ω αντίστοιχα, το ρεύμα είναι...

Ο κατασκευαστής αυτού του ενισχυτή δεν ανακοινώνει ισχύ για χαμηλότερο φορτίο, στα 2Ω, όπου το ρεύμα θα ήταν 28Α. Προφανώς ο ενισχυτής φθάνει στο όριό του και η τάση του κάμπτεται, πριν το φορτίο μειωθεί στα 2Ω, διαφορετικά ο κατασκευαστής του θα ανακοίνωνε υπερήφανα ισχύ 1600W στα 2Ω. Ίσως κάπου εκεί να επεμβαίνει το κύκλωμα προστασίας. Πάντως, αφού η τάση RMS στην έξοδό του είναι 56,7V, η μέγιστη και ελάχιστη τάση στην έξοδό του είναι προφανώς...

Όμως, όταν ανοίξαμε το καπάκι του και μέτρησα την τάση τροφοδοσίας του σταδίου εξόδου, τη βρήκα 56,3V. Πώς είναι δυνατό, με 56 Volt τροφοδοσία, ο ενισχυτής να βγάζει 80V στην έξοδο; Χιιιιι, χι, χι, χι... Black magic... :happy_9:

(Η συνέχεια στο επόμενο).

 

[g.kar]

Η τάση τροφοδοσίας ήταν συμμετρική +/- 56,3 volts DC ?

 

[Costas Coyias]

Oui...

 

[NPER]

Για παράδειγμα, εάν ένας ενισχυτής προδιαγράφεται με ευαισθησία 1Βολτ και κέρδος 25dB, δηλαδή 2,5 Bell, αυτό σημαίνει ότι είναι σε θέση να εμφανίσει στην έξοδό του τάση 17,8 Βολτ.

Το παραπάνω πώς προκύπτει? Χρησιμοποιούμε τους Gain=10log(Pout/Pin)
& P=V^2/R και κάνουμε κάποια παραδοχή για τη σχέση ανάμεσα στην αντίσταση εισόδου/αντίσταση εξόδου?

 

[Costas Coyias]

Το παραπάνω πώς προκύπτει? Χρησιμοποιούμε τους Gain=10log(Pout/Pin)
& P=V^2/R και κάνουμε κάποια παραδοχή για τη σχέση ανάμεσα στην αντίσταση εισόδου/αντίσταση εξόδου?

Ναι, το κέρδος του ενισχυτή αναφέρεται στο κέρδος τάσης, σαν αυτός να καλείται να οδηγήσει ένα φορτίο ίσο με την αντίσταση εισόδου του. Από εκεί και μετά, το κέρδος ρεύματος εξαρτάταί από το πλήθος των ημιαγωγών εξόδου και την τροφοδοσία. Δηλαδή, όταν ένας ολοκληρωμένος ή τελικός ενισχυτής προδιαγράφεται, ας πούμε, με ισχύ εξόδου 50W στα 8Ω, και 60W στα 4Ω, προφανώς αδυνατεί να διπλασιάσει την ισχύ του, λόγω αδυναμίας παροχής ρεύματος. Από την άλλη μεριά, μπορεί κάλλιστα να υποδιπλάσιάζει την ισχύ που παρέχει, με κάθε διπλασιασμό του φορτίου: 25W στα 16Ω, 12,5 στα 32, 6W στα 64Ω, κ.ο.κ.

 

[Costas Coyias]

Μετά την παραπάνω χοντρική (αλλά όχι αβάσιμη) ανάλυση, ας δούμε πώς μπορούμε να κρίνουμε τις βασικές προδιαγραφές ενός ενισχυτή, όπως θα μπορούσε να τις ανακοινώσει ο κατασκευαστής του. Ας πάρουμε το χαρακτηριστικό παράδειγμα της παραπάνω εικόνας, που προέρχεται από ένα prospectus της Symphonic Line, και αναφέρεται σε έναν δικάναλο τελικό ενισχυτή της φίρμας.

Κατ’ αρχάς, ο κατασκευαστής ανακοινώνει την ισχύ που μπορεί να αποδώσει ο ενισχυτής σε ωμικό φορτίο 8Ω, οδηγούμενος από ένα ημιτονοειδές σήμα, πιθανώς συχνότητας 1KHz. Στο φορτίο αυτό, ο ενισχυτής αναπτύσσει στην έξοδο κάθε καναλιού του μέση (προφανώς) τάση, ίση με...

… και ρεύμα ίσο με...

Οδηγώντας φορτίο υποδιπλάσιο, 4Ω, όπου καλείται να διπλασιάσει την ισχύ του, διατηρώντας την τάση του σταθερή και παρέχοντας διπλάσιο ρεύμα, βλέπουμε ότι ο ενισχυτής τα καταφέρνει, παρέχοντας σχεδόν το διπλάσιο ρεύμα, αποδίδοντας 250 (αντί 260) Watt. Αντικαθιστώντας τα ανάλογα μεγέθη στις εξισώσεις (10) και (11), παίρνουμε τάση 31,6V και ρεύμα 7,9A. Πέραν αυτών των δύο μεγεθών, ο κατασκευαστής ανακοινώνει και ισχύ σε φορτίο 2Ω, η οποία δεν είναι, βέβαια, διπλάσια αυτής στα 4Ω, ή τετραπλάσια εκείνης στα 8. Εάν ο ενισχυτής συνέχιζε να συμπεριφέρεται ως ιδανική πηγή ρεύματος, στα 2Ω έπρεπε να παρέχει ρεύμα 16Α, δηλαδή ισχύ 520W. Έτσι, για διάφορους λόγους, οι οποίοι σχετίζονται κυρίως σε αδυναμία του τροφοδοτικού, σε φορτίο 2Ω ο ενισχυτής αποδίδει μόλις 330W. Εάν αντικαταστήσετε τα γνωστά μεγέθη στην (10), θα υπολογίσετε ότι σε αυτό το φορτίο, η τάση στην έξοδο του ενισχυτή έχει πέσει στα 25,7V, δηλαδή 2dB κάτω από τη στάθμη της εξόδου στα 8Ω.

Με άλλα λόγια, εάν, ας πούμε, αυτός ο ενισχυτής κληθεί να οδηγήσει ένα ηχείο, το οποίο, στους 4KHz παρουσιάζει αντίσταση 8Ω και στους 250Hz αντίσταση 2Ω, και το ηχητικό σήμα περιέχει αυτές τις δύο συχνότητες, και υπό την προϋπόθεση ότι και το ηχείο και ο ενισχυτής έχουν εντελώς επίπεδη απόκριση, τότε οι 250Hz θα αναπαραχθούν από το ηχείο σε στάθμη 2dB χαμηλότερη από τη στάθμη των 4KHz. Εάν, παρ’ ελπίδα, το ηχείο έχει κάπως ανώμαλη απόκριση, που θα έχει, ειδικά σε τόσο υψηλή στάθμη, μην ξεχνάτε ότι μιλάμε για στάθμη όπου ο ηχείο οδηγείται με τυπική ισχύ 130W, και τύχει, η απόκρισή του στους 4KHz να είναι 10dB υψηλότερη από αυτήν στους 250Hz, τότε η συνολική τονική διαφορά μεταξύ των δύο αυτών συχνοτικών σημείων προκύπτει 10+2=12dB, μέγεθος πολύ μεγάλο, για να περάσει απαρατήρητο από ένα εκπαιδευμένο αυτί.

Βέβαια, ενδέχεται να παρουσιασθεί και το αντίστροφο σενάριο, όπου κάποια βύθιση του ηχείου να μετριάζεται από αντίστροφη απόκριση του ενισχυτή σε εκείνο το συχνοτικό σημείο, δηλαδή ο συγκεκριμένος ενισχυτής να «ματσάρει» με το συγκεκριμένο ηχείο. Όμως, τίποτε και κανείς δεν μας εγγυάται, ότι αυτά τα δύο σενάρια, της επιδείνωσης και του μετριασμού μιας ανώμαλης απόκρισης, θα συμβαίνουν ταυτόχρονα, σε ένα συγκεκριμένο σύστημα ενισχυτή – ηχείων, σε διαφορετικά συχνοτικά σημεία.

Παίρνοντας τα μεγέθη με ανάστροφη σειρά, μπορούμε να προσδιορίσουμε την υγιή κλιμάκωση της ισχύος του ενισχυτή. Δηλαδή, ξεκινώντας από το πλέον δύσκολο φορτίο, για το οποίο ο κατασκευαστής ανακοινώνει ισχύ, μπορούμε να σκεφθούμε ως εξής. Αφού ο ενισχυτής αποδίδει 330Watt στα 2Ω, τότε σίγουρα αποδίδει ακριβώς τη μισή ισχύ στα 4Ω, δηλαδή 165Watt, οπότε στα 8Ω αποδίδει 82,5W. Έτσι, εάν ο κατασκευαστής ήθελε να δώσει μιαν ίσως περισσότερο εντυπωσιακή εικόνα των ενεργειακών δυνατοτήτων του ενισχυτή του, θα μπορούσε να ανακοινώνει ισχύ 80W στα 8Ω, 160W στα 4Ω και 320W στα 2Ω. Όμως, επέλεξε υψηλότερα νούμερα, προφανώς εξωθούμενος από την τυπική ροπή του καταναλωτή προς την φαινομενικά υψηλότερη ισχύ.

Όλα αυτά, υπό την προϋπόθεση ότι η παραμόρφωση δεν ξεπερνά κάποιο προκαθορισμένο επίπεδο, και μάλιστα για όλες τις συχνότητες του ακουστικού φάσματος, ας πούμε, τυπικά, 0,3%. Αντ’ αυτής της επισήμανσης, ο κατασκευαστής περιορίζεται παρακάτω, να αναφέρει ότι η παραμόρφωση είναι «μη ακουστή», κατά τον ίδιο.

Κάτι ακόμη που αξίζει να επισημανθεί στις πολύ ελευθεριάζουσες προδιαγραφές της παραπάνω εικόνας, είναι η ένδειξη της παροχής ρεύματος 60Α, και μάλιστα ανά κανάλι. Για να λέμε τα πράγματα με το όνομά τους, 60 αμπέρ είναι πολύ ρεύμα για έναν ενισχυτή ακουστικής συχνότητας. Αλήθεια, πόση ισχύ να καταναλώνει το φορτίο, τραβώντας 60Α; Δηλαδή, σε τί τάση να τραβάει αυτά τα αμπέρ. Προφανώς, η τάση αυτή είναι χαμηλότερη των 25,7V, που παρουσιάζει ο ενισχυτής στα 2Ω, όπου το ρεύμα που παρέχει είναι κάπου 13Α. Σε χαμηλότερη τάση μήπως; Ας πούμε, στα 12V RMS, γίνεται; Για να τραβήξει ένα φορτίο 60Α με τάση 12V, θα πρέπει να έχει αντίσταση ίση με 12/60, δηλαδή 0,2Ω, κάτι σαν βραχυκύκλωμα. Mε αυτό το φορτίο και παρουσιάζοντας στην έξοδο τάση 12V, ο ενισχυτής αποδίδει ισχύ 720W. Άρα, σε φορτίο 0,4Ω, θα πρέπει να αποδίδει 360W, και σε φορτίο 0,8Ω 180W. Όμως, αυτά τα μεγέθη ισχύος, ο ενισχυτής τα αποδίδει σε πολύ υψηλότερα, υπερδεκαπλάσια φορτία. Επομένως, η προδιαγραφή των 60Α, ασφαλώς αναφέρεται μόνο στη στιγμιαία απόκριση του ενισχυτή, δηλαδή σε απόδοση τόσο μεγάλης ισχύος για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Άρα, αυτή η στιγμιαία ισχύς είναι αξιοποιήσιμη μόνο σε συχνότητες, των οποίων η χρονική σταθερά είναι ίση ή μικρότερη αυτού του διαστήματος. Όμως, ο κατασκευαστής δεν μας λέει πόσο είναι αυτό το διάστημα, αλλά, απλώς «πετάει» ένα νούμερο χάριν εντυπωσιασμού, μαζί με την πολύ –ε, θα το πω!- χαϊεντάδικη φράση «έξοχος έλεγχος οποιουδήποτε ηχείου». Βγάλτε όποιο συμπέρασμα θέλετε...

Αλήθεια, το συντελεστή απόσβεσης, πώς θα τον σχολιάζατε;

 

[costas EAR]

Χαμηλό.

Εύγε!

 

[Costas Coyias]

Χαμηλό.

Δηλαδή; :crazy_3:

 

[costas EAR]

Δηλαδή με τόσα ενεργά θα έπρεπε να ήταν >2000!
Για να σε προλάβω:
Τώρα θα ξαναπείς: Δηλαδή?
E, όλα εγώ θα στα εξηγώ?
next!

 

[costas EAR]

Λάθος αυτό με τα ενεργά, θυμόμουν τα του κλασέ. Δε ξέρω σε αυτόν πόσα έχει και τι εσωτερική αντίσταση έχουν.

O κλασέ είχε 12 *6800 ανά πολικότητα αν θυμάμαι καλά. Δηλαδή 82,000 mf *2 = 164.000 mf με τάση 56 V. Και φυσικά πάνω από 56V στο ηχείο δε μπορεί να δώσει, τέτοια μαγικά δε γίνονται. Έτσι η μέση ισχύς είναι κάπου στα 200 βατ στα 8 ωμ ....

Η ενέργεια που έχουν αυτοί αποθηκευμένη είναι ίδια με την ενέργεια που έχει ένας άλλος ενισχυτής με 25,000mf / πολικότητα και τάση λειτουργίας 100 V (μέση ισχύ λίγο πάνω από 600 βατ στα 8ωμ).

 

[Costas Coyias]

Ρε συ, άσε την ισχύ. Για τον DF πες...

 

[Σπύρος Μπλάτσιος]

Απάντηση: Re: Αγαπημένο μου Watt...

Ρε συ, άσε την ισχύ. Για τον DF πες...

Λοιπόν Damping Factor ονομάζεται ο λόγος της σύνθετης αντίστασης του φορτίου προς την σύνθετη αντίσταση εξόδου του ενισχυτή.

λύνοντας ως προς την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή έχουμε

Αν το φορτίο στο οποίο έγιναν οι μετρήσεις ήταν ένας αντιστάτης των 8ohm (όπως συμβαίνει συνήθως) τότε έχουμε ότι η σύνθετη αντίσταση εξόδου του ενισχυτή, σύμφωνα πάντα με τους ισχυρισμούς του κατασκευαστή, πρέπει να είναι μικρότερη από 0,01 ohm.

 

[Σπύρος Μπλάτσιος]

Απάντηση: Αγαπημένο μου Watt...

Το ερώτημα όμως είναι γιατί να είναι τόσο χαμηλή (αν είναι όντως τόσο) η αντίσταση εξόδου;

 

[Costas Coyias]

Θαύμα. Ας πούμε τώρα ότι το φορτίο είναι συνδεδεμένο με τον ενισχυτή με τρία μέτρα Van Den Hul Magnum. Ο αγωγός αυτού του καλωδίου προδιαγράφεται με ωμική αντίσταση 0,21Ω ανά εκατό μέτρα. Άρα, ένα τρίμετρο κομμάτι, που έχει έξι μέτρα αγωγό, θα έχει αντίσταση 0,0126Ω. Άρα, η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή γίνεται αμέσως:

0,01 + 0,0126 = 0,0226Ω,

οπότε ο συντελεστής απόσβεσης του ενισχυτή διαμορώνεται στο

8/0,0226 = 354

Υπό την προϋπόθεση, ότι οι σχετικές ενώσεις είναι μηδενικής αντίστασης, (κόλληση δίχαλου, μπανάνας, επαφή μπανάνας με τον ακροδέκτη του ηχείου και του ενισχυτή). Για αυτές τις ενώσεις, να βάλουμε συνολικά άλλα 0,05Ω ανά αγωγό;

Άρα

DF = 8/(0.0226 + 0.1) = 8/0.1226 = 65 :happy_9:

Ε, ρε και να ήταν το μεγάφωνο κολλημένο επάνω στο τρανζίστορ εξόδου...

Make them active, baby...