Szeregowe i równoległe podłączenie dwóch par kolumn do wzmacniacza

Zdarza się, że użytkownik ma do dyspozycji dwie pary kolumn i chce je podłączyć do jednego wzmacniacza dwukanałowego (obiegowo określanego też mianem wzmacniacza stereo). Do wyboru mamy dwa rodzaje połączenia: równoległe i szeregowe.

Wykorzystanie dwóch par kolumn nie ma sensu w systemach audiofilskich. Jeśli ustawimy kolumny w oddalonych miejscach, będzie to kolidowało z zasadami działania dwukanałowej stereofonii. Jeśli ustawimy kolumny bardzo blisko, tak aby funkcjonalnie spełniały one rolę większego, pojedynczego zestawu głośnikowego, to niestety kolumny będą w pewnym stopniu wzajemnie zakłócały swą pracę, a ich promieniowanie nie będzie się sumować w miejscu odsłuchu w zoptymalizowany sposób.

Wykorzystanie dwóch par kolumn może się jednak przydać do bardziej równomiernego wypełnienia pomieszczenia dźwiękiem, czy też do podniesienia maksymalnej głośności na potrzeby imprez tanecznych. Jeśli wykorzystanie dodatkowej pary kolumn ma służyć podniesieniu głośności to dobór mocy i obliczenie obciążeń poszczególnych elementów będzie sprawą kluczową.

Połączenie szeregowe

Do wykonania tego połączenia potrzebny będzie kabel jednożyłowy. Łączymy zacisk (+) wzmacniacza z zaciskiem (+) pierwszej kolumny, następnie zacisk (-) pierwszej kolumny z zaciskiem (+) drugiej kolumny i na koniec zacisk (-) drugiej kolumny z zaciskiem (-) wzmacniacza.

Niezależnie od impedancji kolumn przez obie popłynie taki sam prąd. Jeśli obydwie mają taką samą impedancję, to obie będą pracować z taką samą mocą i odłoży się na nich takie samo napięcie. Jeśli impedancje kolumn są różne, to większa moc i większe napięcie odłoży się na kolumnie o większej impedancji, a rozdział mocy i napięcia będzie proporcjonalny do impedancji kolumn. Przykładowo gdy połączymy szeregowo kolumny 4-omową i 8-omową to na 8-omowej oddana będzie dwa razy większa moc niż na 4-omowej.

Połączenie równoległe

Do wykonania tego połączenia można wykorzystać kable jednożyłowe lub dwużyłowe. Zacisk (+) wzmacniacza łączymy zarówno z zaciskiem (+) pierwszej kolumny jak i zaciskiem (+) drugiej kolumny. Zacisk (-) wzmacniacza łączymy z zaciskiem (-) pierwszej kolumny i z zaciskiem (-) drugiej kolumny. Do realizacji tego wariantu zwykle przydatne są zdublowane gniazda głośnikowe we wzmacniaczu - łatwiejsze jest wówczas samo wykonanie połączenia.

Niezależnie od impedancji kolumn do obydwu będzie przyłożone takie samo napięcie, równe napięciu wyjściowemu wzmacniacza. Jeśli obydwie mają taką samą impedancję, to obie będą pracować z taką samą mocą i będzie przez nie płynał taki sam prąd. Prąd wypływający ze wzmacniacza będzie sumą prądów płynących przez obie kolumny. Jeśli impedancje kolumn są różne, to większa moc oddana zostanie na kolumnie o mniejszej impedancji ponieważ przez tą kolumną popłynie większy prąd, a rozdział mocy będzie odwrotnie proporcjonalny do impedancji kolumn. Przykładowo gdy połączymy równolegle kolumny 4-omową i 8-omową to na 4-omowej oddana będzie 2 razy większa moc niż na 8-omowej.

Zachowanie symetrii

Zanim przejdziemy do wyboru rodzaju połączenia zwróćmy uwagę na sprawę symetrii pomiędzy lewym i prawym kanałem. Niezależnie od tego czy wykorzystamy dwie pary takich samych kolumn, czy dwie pary różnych kolumn, do każdego kanału we wzmacniaczu trzeba podłączyć taki sam zestaw w takiej samej konfiguracji. Ewentualne odstępstwa od tej reguły mogą mieć sens tylko w bardzo specyficznych przypadkach i zawsze powinny być dokładnie przeanalizowane.

Złamanie symetrii może spowodować bardzo duże zróżnicowanie obciążenia poszczególnych kolumn, bardzo duże zróżnicowanie obciążenia kanałów wzmacniacza i duże różnice głośności z poszczególnych kolumn. Po pierwsze prowadzi to do obniżenia poziomu bezpieczeństwa sprzętu. Po drugie silne zróżnicowanie obciążenia poszczególnych kolumn i/lub kanałów wzmacniacza uniemożliwi pełne wykorzystanie możliwości sprzętu. Poziom maksymalnej głośności całego zestawu zostanie zmniejszony, konieczne będzie bowiem dostosowanie nastawy regulatora głośności do ograniczeń najbardziej obciążonego elementu systemu.

Dopasowanie impedancji

Powyżej podane są wzory pozwalające na obliczenie wypadkowej impedancji pary podłączonych razem kolumn, zarówno dla wariantu szeregowego jak i równoległego. Oprócz tego w tabelach podane są gotowe wyniki dla kombinacji najpopularniejszych wartości impedancji.

Generalnie należy zadbać aby wypadkowa impedancja obu kolumn mieściła się w zakresie obciążeń zalecanych dla danego wzmacniacza. Zdecydowana większość wzmacniaczy jest projektowana z myślą o współpracy z kolumnami o impedancjach nominalnych z zakresu od 4Ω do 8Ω i zazwyczaj powinniśmy się w ten zakres wpasować. Samo podłączenie zbyt dużej czy zbyt małej impedancji nie spowoduje automatycznie awarii sprzętu, ale trzeba liczyć się z tym, że wzmacniacz nie będzie już w stanie oddać tak dużej mocy jak to podaje specyfikacja. Przy dużych impedancjach ograniczeniem będzie maksymalne dostępne napięcie. Przy niskich impedancjach ograniczeniem będzie maksymalny dostępny prąd i/lub zdolność odprowadzania ciepła. Tak więc nieco paradoksalnie przy niedopasowaniu impedancyjnym podłączenie dwóch par kolumn może czasami doprowadzić do spadku maksymalnej głośności. Generalnie bezpieczniejszym wariantem będzie podłączenie impedancji zbyt dużej niż zbyt małej. W obu przypadkach może dojść do zniekształcenia sygnału, ale przy podłączeniu zespołu kolumn o dużej impedancji łącznej (co w praktyce będzie miało miejsce tylko przy połączeniu szeregowym) wzmacniacz zacznie zniekształcać sygnał oddając przy tym mniejszą moc.

Warto zwrócić uwagę na stosowane nieraz nieprawidłowo sformułowanie, że wzmacniacz ma impedancję 4Ω czy 8Ω. Wartości impedancji wyjściowej o podobnych wielkościach bywają faktycznie spotykane w przypadku niektórych lampowców, ale nie we wzmacniaczach tranzystorowych, których impedancje wyjściowe mają wartości rzędu małych ułamków oma. W istocie w takich przypadkach chodzi właśnie o to, że do danego wzmacniacza zalecane są kolumny o impedancji 4Ω czy 8Ω.

Moc wzmacniacza

Wstępne wymagania co do mocy wzmacniacza ustalimy podobnie jak dla pojedynczej pary kolumn, o czym mogą Państwo przeczytać w tym artykule. Trzeba przy tym uwzględnić, że nasze dwie kolumny (połączone równolegle lub szeregowo) są przez wzmacniacz widziane jako jedno obciążenie o impedancji obliczonej tak jak opisaliśmy wyżej. Jeśłi podłączymy kolumny o różnych efektywnościach to sprawa obliczenia potrzebnej mocy nieco się skomplikuje, ale w tym miejscu nie będziemy tego analizować dokładniej.

Jeśli podłączamy dwie takie same kolumny to moc rozłoży się równomiernie. Natomiast gdy kolumny są różne należy wykorzystać podane wyżej wzory, żeby dokładniej obliczyć jak rozłoży się moc. Niestety nie zawsze ten rozkład będzie optymalny, czasami przyda się pewna nadwyżka mocy ze wzmacniacza, żeby do maksimum wysterować kolumny, co będzie istotne gdy zależy nam na uzyskaniu wysokiej głośności.

Impedancja kolumn

Rzeczywista impedancja kolumn nie jest pojedynczą liczbą, ale ma postać krzywej. Przy wyborze rodzaju połączenia koncentrujemy się zwykle na impedancji nominalnej kolumn, ale warto zachować pewną ostrożność.

Impedancja nominalna jest zwykle podana na obudowie kolumn i w firmowych publikacjach z danymi technicznymi. Dwie najczęściej spotykane wartości to 4Ω oraz 8Ω, rzadziej spotyka się 6Ω, jeszcze rzadziej 16Ω lub inną liczbę. Bywa i tak, że brakuje tego typu danych lub są one podane w sposób niestandardowy. Przykładowo producent kolumn podaje, że impedancja jest w zakresie 4Ω-8Ω, co jest niewłaściwą praktyką. W ostateczności można samemu wykonać pomiar. Dla uzyskania orientacji zazwyczaj wystarczający będzie pomiar zwykłym omomierzem (typowo będzie to multimetr z funkcją pomiaru rezystancji) podłączonym do zacisków kolumn. Pomiaru dokonujemy przy odłączonym od kolumn wzmacniaczu!.

W miarę możliwości warto sprawdzać parametry kolumn, zwłaszcza w tych przypadkach, gdy planujemy połączenie równoległe. Odchyłki impedancji podanych w specyfikacjach od impedancji rzeczywistych są zawsze naciągane w jedną stronę. W specyfkacjach producentów impedancje są nieraz zawyżone i podaje się 6Ω czy nawet 8Ω kiedy pomiary wskazują, że powinno się podać 4Ω. Tworzy to fałszywe wrażenie, że kolumna ma wyższą sprawność i jest łatwiejsza do wysterowania niż w rzeczywistości. Przed zastosowaniem połączenia równoległego warto więc zawsze sprawdzić pomierzoną charakterystykę impedancji podaną przez wiarygodne źródło.

Zróżnicowanie głośności

Kiedy połączymy ze sobą różne modele kolumn to mogą wystąpić spore różnice w poziomie głośności pomiędzy nimi. Zgodnie z podanymi wyżej wzorami można obliczyć jakie będą napięcia na poszczególnych kolumnach. Dodatkowo trzeba też uwzględnić rożnice efektywności. Należy upewnić się, że efektywność jest podana w takich samych jednostkach dla obydwu kolumn. Najczęściej stosowana jednostka to dB/2,83V. Często podaje się tylko samo oznaczenie dB, ale można wówczas przyjąć, że nadal chodzi o dB/2,83V. Natomiast niekiedy dla kolumn 4-omowych podaje się efektywność w dB/2V i wówczas trzeba tą różnicę w stosowanych jednostkach uwzględnić przy obliczeniach.