Wzmacniacze i okablowanie

Wszelkie przemyślenia na temat sprzętu warto zacząć właśnie od takiej kwestii, jak okablowanie. Bardzo często temat ten jest traktowany przez akustyków z lekceważeniem, a przecież przewody są częścią instalacji elektroakustycznej. I właśnie przewody stają się najczęściej przyczyną trzasków, przydźwięków, a w niektórych przypadkach również awarii sprzętu. Można jednak uniknąć takich „wpadek” stosując się do kilku żelaznych reguł:

• przewody i wtyki muszą być jak najwyższej jakości. Wyłącznie profesjonalne komponenty od uznanych producentów. Żadne tzw. „zamienniki”, czyli tanie podróbki, nie zapewnią ani dobrych połączeń, ani długiej i bezawaryjnej pracy.

• wszelkie połączenia symetryczne i niesymetryczne powinny być jak najkrótsze. Zwiększanie długości przewodów (zwłaszcza przewodów z sygnałem niesymetrycznym) może doprowadzić do zwiększenia przydźwięku sieci i zakłóceń szczególnie wtedy, kiedy tego typu przewody przechodzą obok urządzeń oświetleniowych typu dimmer oraz innych urządzeń elektrycznych dużej mocy.

• w pracy akustyka lub mobilnego DJ-a, umiejętność prawidłowego lutowania jest mile widziana. W razie wykrycia przed występem estradowym uszkodzonego kabla, jesteśmy sobie w stanie poradzić bez pomocy specjalistycznego serwisu.

• warto periodycznie sprawdzać przelotowość okablowania przy pomocy omomierza. Unikamy w ten sposób niespodzianek i minimalizujemy ryzyko wystąpienia problemów podczas imprezy. Każdy przewód, który wykazuje zwiększony opór elektryczny lub brak przelotu na którejkolwiek żyle, powinien być natychmiast zastąpiony nowym.

• kolumny podłączamy możliwie najkrótszym i najgrubszym przewodem.

Rodzaje połączeń przewodowych

Połączenia symetryczne

Rys 2

Jest to rodzaj okablowania, gdzie sygnał jest prowadzony przewodem zawierającym dwie żyły w ekranie. Każda z żył przesyła sygnał identyczny poziomem i zawartością, lecz sygnały te mają przeciwne fazy. Pin nr 1 jest ekranem przewodu, pin nr 2 oznaczany jest jako „gorący”, a pin nr 3 jako „zimny”.  Na wejściu symetrycznym pracuje wzmacniacz różnicowy, który wzmacnia różnicę napięć o przeciwnych znakach. Ewentualne zewnętrzne zakłócenia, które powstaną w trakcie przesyłania sygnału będą miały tę samą fazę i wartość w obu żyłach. Na wyjście wzmacniacza różnicowego nie wydostaną się, gdyż na stopniu różnicowym zostaną stłumione o prawie 100 dB. Dzięki tej technologii można podłączać przewody do 200 m, przy poziomach mikrofonowych rzędu kilku mV. Połączenia symetryczne wykonujemy przy pomocy wtyków XLR lub TRS Jack. Ze wszystkich rodzajów połączeń, połączenie symetryczne jest najbardziej odporne na zakłócenia.

Połączenia niesymetryczne i sposoby symetryzacji

W tym przypadku sygnał jest przesyłany jedną żyłą w ekranie, połączonym z masą układu. Jeśli jakiekolwiek zakłócenia zewnętrzne przedostaną się przez ekran, zostaną wzmocnione wraz z sygnałem użytecznym jako jeden sygnał. W związku z powyższym należy stosować przewody najwyższej jakości, jak jest to możliwe. Bowiem od ekranu przewodu zależy, w jakim stopniu sygnał użyteczny będzie chroniony przed zakłóceniami. Takie przewody nadają się głównie do przesyłania sygnałów o dużych napięciach, przez co zyskujemy znaczny odstęp od zakłóceń. Jeśli mamy wątpliwość, czy uda nam się przesłać sygnał niesymetryczny na dużą odległość, można przejść na połączenie symetryczne. Symetryzację można wykonać na trzy sposoby. Pierwszym sposobem jest zastosowanie aktywnego symetryzatora zwanego Di-boxem (skrót ang. Direct Injection Box). Aktywny Di-box jest zasilany napięciem phantom power +48V z konsolety. Wewnątrz Di-boxa znajduje się elektroniczny układ, zamieniający sygnał niesymetryczny na symetryczny. Drugi sposób to zastosowanie Di-boxa pasywnego, czyli transformatorowego. Ten sposób daje taki sam efekt, ale ma jeszcze jedną ciekawą właściwość. Mianowicie pozwala na odseparowanie galwaniczne źródła od konsolety. Zarówno pasywny jak i aktywny Di-box, posiadają przełącznik pozwalający na odcięcie połączenia mas (ang. ground – lift). Może się bowiem zdarzyć, że pomiędzy urządzeniami (jak np. syntezator i konsoleta) powstanie tzw. pętla masowa wynikająca z zasilania dwóch urządzeń różnymi fazami. Utworzy się wtedy pasożytniczy obwód przez który płynie prąd, powodując zakłócenia w postaci brzydkiego przydźwięku. Trzeci sposób to bezpośrednie połączenie galwaniczne pinów „gorący” i „masa” źródła niesymetrycznego, z pinami „gorący” i „zimny” przewodu symetrycznego, w którym masa jest podłączona tylko do konsolety. Ten sposób zda egzamin tylko wtedy, jeśli mamy do czynienia z urządzeniami zasilanymi tą samą fazą lub ze źródłem nie wymagającym zasilania, jak np. przetwornik gitary akustycznej, itp.

Kable głośnikowe

Połączenia kablami głośnikowymi to kolejne wyzwanie dla akustyków i mobilnych DJ-ów. Spotkamy się bowiem z wieloma niepożądanymi zjawiskami, które niestety będą nam utrudniać pracę. Skupmy się zatem na pierwszym z nich, czyli na problemie strat mocy. Przy zasilaniu głośników dużymi mocami, musimy się liczyć z faktem, że przewodami głośnikowymi popłyną prądy o dość wysokim natężeniu. Załóżmy, że zasilamy głośnik dostarczając mu mocy rzędu 400 W. Przykładowo, przy impedancji głośnika równej 4 Ω, wartość skuteczna prądu płynącego przewodami głośnikowymi wyniesie 10 A.

 

Gdzie

I – prąd w przewodach głośnikowych

P – moc dostarczona do głośnika

R_L – impedancja obciążenia

Obliczmy zatem, ile by wyniosły straty mocy w przypadku kabla połączeniowego o przekroju 1,5 mm² i długości 25 m. Przewód o powierzchni przekroju 1,5 mm² ma rezystancję około 13 Ω/km. Głośnik jest zawsze połączony przewodem dwużyłowym, zatem całkowita długość kabla głośnikowego wyniesie 50 m. Więc opór takiego przewodu liczymy następująco:

0,05 km · 13 Ω/km = 0,65 Ω

Straty mocy w przewodach o przekroju 1,5 mm² oraz długości 25 m, wyniosą:

P = I² · R_L = 10² · 0,65 = 65 W

Jest to prawie jedna szósta mocy podawanej do głośnika. Jeśli chcielibyśmy osiągnąć poziom mocy 400 W na głośniku z uwzględnieniem strat, należałoby zwiększyć moc wzmacniacza do 465 W, ponieważ pracowałby już nie dla obciążenia równego 4 Ω, lecz dla impedancji 4,65 Ω. Jeśli przy tych samych warunkach mocowych impedancja obciążenia będzie jeszcze mniejsza oraz gdy kabel będzie jeszcze cieńszy, straty mocy wzrosną jeszcze bardziej. Dobrym sposobem na ograniczenie strat jest umieszczanie końcówek mocy tuż przy kolumnach głośnikowych, a także stosowanie grubych i krótkich przewodów. Przykładowo, gdy przewód o przekroju 1,5 mm² ma oporność 13 Ω/km, to przewód 2,5 mm² charakteryzuje się opornością 8 Ω/km. Natomiast kable o przekroju 4 mm² mają jeszcze niższą oporność, bo już tylko 4,5 Ω/km. Reasumując: tylko krótkie przewody o dużym przekroju, zapewnią niskie straty mocy.

Drugim bardzo ważnym parametrem przewodów głośnikowych jest pojemność elektryczna kabla. Dwie żyły oddzielone izolacją, są po prostu kondensatorem. W tym przypadku możemy się spodziewać wystąpienia zjawisk typu reaktancyjnego. Pojemność kabla głośnikowego jest ściśle zależna od jego konstrukcji i waha się pomiędzy 60 pF/m, a 800 pF/m. Ta druga wartość charakteryzuje koncentryczne przewody, gdzie bliskość dwóch żył jest dużo większa niż w większości typowych kabli. W przypadku bardzo długich przewodów głośnikowych o konstrukcji koncentrycznej, pasożytnicza pojemność może osiągać nawet kilkadziesiąt nF. I tu mogą wystąpić poważne problemy, gdyż dla bardzo wysokich częstotliwości i szybkich impulsów taki kondensator jest po prostu zwarciem. Wzmacniacz mocy może wtedy zacząć wzbudzać się, czyli będzie generować przebiegi o bardzo wysokich częstotliwościach i dużej amplitudzie. To zjawisko w ekstremalnych przypadkach może doprowadzić nawet do uszkodzenia wzmacniacza. Reaktancję, czyli opór bierny kabli głośnikowych, możemy obliczyć ze wzoru:

gdzie

X_c – reaktancja pojemnościowa (Ω)

f – częstotliwość przebiegu (Hz)

C – pojemność „kondensatora” powstałego między żyłami przewodu głośnikowego (F)

Wzbudzanie się wzmacniacza to ekstremalne zjawisko. Wysokie częstotliwości generowane przez wzmacniacz w stanie wzbudzenia, mogą spowodować nawet uszkodzenie końcówki mocy lub głośnika wysokotonowego. Kable głośnikowe powinny być wykonane z jak najwyższej jakości miedzi.

Wzmacniacze mocy

Dobierając wzmacniacz (lub kilka wzmacniaczy) mocy do systemu nagłośnieniowego, należy zwrócić uwagę na jego podstawowe parametry. Wielu akustyków uważa, że wszystko co powinni wiedzieć o wzmacniaczu, to znać jego impedancję obciążenia i moc wyjściową. Otóż nic bardziej mylnego. Przybliżę zatem więcej parametrów wzmacniacza, które będą decydować o jego prawidłowej pracy, a także określać jego klasę.

• Maksymalna moc wyjściowa

Jest to moc podana w watach (W) dla zniekształceń nie przekraczających 1%. Przekroczenie tej mocy może spowodować gwałtowny wzrost poziomu zniekształceń, które staną się słyszalne i będą odczuwalne jako trzeszczenie i charczenie w głośnikach. Parametr ten będzie określał, czy dany wzmacniacz będzie w stanie w pełni wysterować wybraną kolumnę głośnikową. Zaleca się, aby moc wzmacniacza nie przekraczała mocy znamionowej kolumny głośnikowej.

• Impedancja obciążenia

Informuje, ile może wynosić minimalna wypadkowa impedancja głośników podłączonych do wzmacniacza. Wiadomo bowiem, że nie zawsze podłączamy do wyjścia wzmacniacza tylko jedną kolumnę. Przed uruchomieniem większego zespołu głośnikowego należy obliczyć wypadkową impedancję ze wzorów:

Z = Z₁+ Z₂+ Z₃+…+Zn  dla połączeń szeregowych

      dla połączeń równoległych

Podłączenie głośników o impedancji niższej niż podana dopuszczalna, może spowodować zadziałanie zabezpieczeń, a w najgorszym przypadku uszkodzenie wzmacniacza, wskutek zbyt wysokiego prądu tranzystorów mocy.

• Pasmo przenoszenia

Podawane przez producentów pasmo przenoszenia jest bardzo ważnym parametrem. Zawsze jest ono podawane dla spadku – 3 dB na końcach charakterystyki. Jeśli podane pasmo przenoszenia wynosi tylko 20 Hz – 20000 Hz oznacza to, że nie jest to wzmacniacz zbyt wysokiej klasy. Ważne jest bowiem, żeby pasmo przenoszenia było dużo szersze. Górna granica przenoszenia powinna dochodzić do 50, a nawet do 100 kHz. Można spytać, czemu pasmo ma być tak szerokie, skoro zdrowy człowiek słyszy tylko w zakresie 20 Hz – 20000 Hz. Otóż przy rozszerzonym zakresie przenoszenia, wzmacniacz nie będzie miał problemów z przetwarzaniem najwyższych częstotliwości i impulsów o stromych zboczach. W zakresie pasma słyszalnego, nierównomierność przenoszenia nie powinna być większa niż ± 0,5 dB. A parametr o tak krytycznych wartościach może zapewnić tylko wzmacniacz o bardzo szerokim zakresie przenoszonych częstotliwości.

• Zniekształcenia nieliniowe

Ten parametr określa stosunek mocy harmonicznych, które wytwarza wzmacniacz, a mocą całkowitą wzmacniacza. Jeśli na wejście wzmacniacza podamy sygnał o częstotliwości np. 1 kHz z amplitudą, dostarczy głośnikowi moc 100 W, to zaobserwujemy pewne zjawisko. Okazuje się bowiem, że na wyjściu wzmacniacza pojawił się nie tylko sygnał o częstotliwości 1 kHz, ale również jego wielokrotności, czyli tzw. harmoniczne o częstotliwościach 2 kHz, 3 kHz itd. Zniekształcenia nieliniowe są podawane w procentach, a możemy je obliczyć z następującego wzoru:

Uwaga! Podłączenie głośników o impedancji wyższej niż znamionowa spowoduje spadek mocy wyjściowej, ale zmniejszy poziom zniekształceń. Charakterystyki zniekształceń nieliniowych w funkcji mocy, obrazują poziom zniekształceń zależny od impedancji obciążenia.

Rys. 3

• Szybkość narastania napięcia (ang. slew rate)

Parametr ten podawany w V/μs informuje, jak szybkie impulsy i o jak stromym zboczu jest w stanie przetwarzać wzmacniacz, a także określa, jak duży przyrost napięcia na wyjściu może wystąpić w ciągu jednej mikrosekundy. Im większa wartość slew rate, tym wzmacniacz lepiej radzi sobie z szybkimi impulsami. Parametr ten mierzymy podając na wejście wzmacniacza impuls prostokątny i obserwując na oscyloskopie odpowiedź wzmacniacza na ten impuls. Im bardziej strome zbocze narastania odpowiedzi impulsowej, tym większa jest czytelność i przejrzystość dźwięków. Parametr szybkości narastania napięcia jest w znacznym stopniu uzależniony od górnej granicy częstotliwościowej pasma przenoszenia wzmacniacza.

• Współczynnik tłumienia (ang. damping factor)

Współczynnik tłumienia określa, ile razy impedancja wyjściowa wzmacniacza jest mniejsza od znamionowej impedancji obciążenia. Im współczynnik tłumienia jest wyższy, tym lepiej. Przy dużym współczynniku tłumienia wzmacniacz jest w stanie opanować szkodliwe oscylacje w obwodzie tworzonym przez wyjście wzmacniacza i głośnik. Oscylacje takie powstają wskutek bezwładności membrany głośnika. Membrana pobudzona impulsem do ruchu, może drgać dłużej niż trwa impuls pobudzający. Cewka głośnika, która porusza się w polu magnetycznym, wytwarza pasożytnicze napięcia. Aby stłumić tego typu oscylacje, wzmacniacz musi mieć jak najwyższy współczynnik tłumienia, czyli jak najniższą impedancję wyjściową (nie mylmy tego parametru z impedancją obciążenia!), która będzie w stanie zwierać głośnik w celu zatrzymania drgań nie będących efektem impulsu pobudzającego. Duża wartość współczynnika tłumienia ma również znaczenie we współpracy wzmacniacza z niedoskonałymi zwrotnicami pasywnymi, które w okolicy częstotliwości podziału obniżają impedancję zestawu głośnikowego. Takie spadki impedancji mogą być przyczyną wadliwej pracy wzmacniacza. Wysoka wartość współczynnika tłumienia zapobiega ewentualnym problemom.

• Dynamika

Dynamika to różnica między największym a najmniejszym sygnałem, jaki możemy uzyskać, czyli między mocą maksymalną a mocą szumów własnych. Wartość tę wyrażamy w decybelach, a opisujemy takim wzorem:

Aby szum własny wzmacniacza był niezauważalny, dynamika musi przekraczać 80 dB. Dynamika podawana jest zawsze w odniesieniu do mocy maksymalnej, więc wzmacniacze o większych mocach będą charakteryzować się większym poziomem szumów, pomimo takiej samej wartości dynamiki jak wzmacniacz o mniejszej mocy.

Jak widać, wzmacniacz chatrakteryzuje wiele ważnych parametrów. Przeoczenie niektórych z nich może dać nieprzyjemne skutki podczas pracy w postaci złej jakości dźwięku, bądź też uszkodzeń. Czytajmy zatem szczegółowe tabele parametrów używanych przez nas wzmacniaczy, a unikniemy wielu niespodzianek podczas nagłośnienia, czy też DJ-owania.