Czy mój wzmacniacz pracuje z przeciążeniem?

W środowisku audiofilskim pokutuje sporo złych praktyk. Jedną z nich jest zaniedbanie oceny ryzyka występowania przeciążenia kolumn czy wzmacniaczy. Niejednokrotnie spotykaliśmy osoby, które były niezadowolone ze swojego systemu hi-fi, ale jednocześnie nie były w stanie określić czy sprzęt może być przeciążony w czasie pracy. W tym artykule zajmiemy się zbadaniem poprawności sposobu pracy wzmacniacza.

Dokładna analiza przesterowań i przeciążeń to sprawa dla osób bardziej zaawansowanych i dysponujących poważnym sprzętem pomiarowym. No ale mierniki zniekształceń THD czy oscyloskopy to urządzenia trudno dostępne dla większości z nas. Natomiast każdy zapewne zdoła wypożyczyć zwykły multimetr i ma też do dyspozycji odtwarzacz CD. To wystarczy aby zgrubnie oszacować ryzyko przeciążenia wzmacniacza w czasie normalnego użytkowania. Takie orientacyjne oszacowanie ma sporą wartość praktyczną pomimo swojej niedokładności.

Potrzebny sprzęt

Zacznijmy od multimetru. Nie trzeba szukać drogiego sprzętu wysokiej jakości, wystarczy prosty, tani miernik. Będziemy musieli mierzyć napięcia zmienne o wielkości rzędu od jednego do kilku woltów z dokładnością co najmniej 0,1V. Stosowne zakresy pomiarowe znajdziecie Państwo na każdym multimetrze. Napięcie zmienne jest opisane na multimetrach skrótem ACV (alternating current voltage) lub literą V z falą symbolizującą jeden okres sinusoidy.

Sygnał pomiarowy można sobie dobierać w dość szerokim zakresie, ale biorąc pod uwagę kilka czynników takich jak wygoda pracy, unikanie odtwarzania nieprzyjemnie głośnych dźwięków, uproszczenie obliczeń, dopasowanie do ograniczeń najprostszych multimetrów, a także bezpieczeństwo, polecamy sygnał sinusoidalny o poziomie -20dB oraz o częstotliwości z zakresu 150Hz-200Hz. Jeśli taki sygnał znajdziecie na jakiejś płycie testowej, to można od razu przystąpić do pracy.

A co zrobić jeśli na płycie testowej są sygnały o innych parametrach? Jeśli nie potraficie samodzielnie przeanalizować sytuacji to lepiej nie stosujcie innych sygnałów niż opisany wyżej. Nasze zalecenia dotyczące sygnału pomiarowego są restrykcyjne, ale to celowy wybór - chcemy by całą procedurę w bezpieczny sposób mogły przeprowadzić także osoby bez wiedzy technicznej. Jeśli nie macie Państwo odpowiedniej płyty testowej to można przygotować ją samodzielnie. Wystarczy ściągnąć przygotowany przez nas spakowany plik ZIP (sygnał testowy do ściągnięcia, 170kB), rozpakować go do pliku audio WAV, a następnie nagrać ten plik na płytę audio CD.

Procedura testowa

Pierwszy krok to wybór odpowiednich płyt z muzyką. Niektóre płyty są nagrane głośniej, inne ciszej. Z tego względu bez wątpienia różnicujecie Państwo ustawienie regulatora głośności zależnie od odtwarzanej płyty. Należy znaleźć swoją najcichszą płytę oraz swoją najgłośniejszą płytę. Warto też wykorzystać co najmniej jedną z tych płyt, których słuchamy najczęściej.

Następnie trzeba dla każdej płyty ustawić na ucho, według swojego gustu maksymalny poziom głośności, jaki chcecie osiągnąć. Przypuszczam, że większość z Państwa już wcześniej w trakcie zwykłych codziennych odsłuchów muzyki ustaliła te poziomy. Jeśli jednak nie zwracaliście wcześniej uwagi jak ustawiony był regulator głośności w trakcie głośniejszego odsłuchu, zróbcie to teraz. Musicie jak najdokładniej zapamiętać maksymalne położenia regulatora głośności stosowane dla wybranych płyt.

Teraz czas na pomiary. Na multimetrze wybieramy zakres pomiarowy napięcia zmiennego rzędu 10V-20V. Podłączamy wyprowadzenia multimetru do zacisków wzmacniacza, lub też do zacisków kolumny jeśli tak jest wygodniej. Lepiej nie odłączać kolumn, w przypadku wzmacniaczy lampowych wręcz nie wolno tego robić. Rozpoczynamy odtwarzanie płyty z naszym sygnałem testowym i staramy się jak najdokładniej ustawić wszystkie położenia regulatora głośności ustalone wcześniej. Dla każdego położenia notujemy zmierzone napięcie. Przy tego typu pomiarze napięcie powinno być stabilne i nie powinno być kłopotu z odczytem. Jeśli miernik pokaże napięcia z dokładnością do setnych części wolta to nie zawadzi zapisać je z taką właśnie dokładnością.

Zmierzone napięcia będą zwykle mieć wartość pojedynczych woltów. Może to być przykładowo 1,5V dla położenia stosowanego przy naszej najgłośniejszej płycie, dla średnio głośnej płyty powiedzmy 2V, a dla płyty najcichszej, gdzie pokrętło głośności jest najdalej przekręcone, powiedzmy 3,5V. Zależnie od efektywności kolumn, wielkości pokoju, Państwa upodobań te liczby mogą być większe lub mniejsze, różne też mogą być wzajemne proporcje pomiędzy nimi, ale zawsze znajdą się w podobnych rejonach. Kiedy mamy już zmierzone napięcia możemy wyłączyć sygnał testowy i przystąpić do obliczeń.

Obliczenia

Obliczenia wykonamy wykorzystując zmierzone napięcia, dane techniczne naszego sprzętu i prawo Ohma. Zaczniemy od impedancji nominalnej kolumn. Będzie to zazwyczaj 4Ω lub 8Ω. Dla przykładu weźmy popularniejsze 8Ω.

Skorzystamy z prawa Ohma i dla każdego zmierzonego napięcia wykonamy obliczenie mocy według wzoru:

gdzie:
P - moc szczytowa
U_pomiar - zmierzone napięcie
R - impedancja kolumn

Dla przykładowych liczb z akapitu powyżej (1,5V - 2V - 3,5V) mamy:
P_min = (10*1,5)² / 8 = 28,125W
P_typ = (10*2,0)² / 8 = 50W
P_max = (10*3,5)² / 8 = 153,125W

W ten sposób obliczyliśmy moce szczytowe, które powinien wytworzyć wzmacniacz na obciążeniu rezystancyjnym o wielkości 8Ω dla poszczególnych położeń regulatora głośności.

Przyjęcie właściwej impedancji do obliczeń jest sprawą istotną i dlatego jeszcze się przy tym na chwilę zatrzymamy. W niektórych przypadkach lepiej będzie przyjąć do obliczeń inną wartość impedancji niż impedancja nominalna podawana przez producenta kolumn. Jeśli nasze kolumny są nominalnie 8-omowe, ale były testowane w prasie i w teście stwierdzono, że kolumny są trudnym obciążeniem, że podane przez producenta dane są naciągane, a prawdziwa impedancja spada poniżej 4Ω w zakresie niskich lub średnich częstotliwości, to wówczas uzasadnione będzie przyjęcie do obliczeń impedancji 4Ω. Jak widać z powyższego wzoru przyjęcie 4Ω zamiast 8Ω prowadzi do podwojenia wielkości obliczonych mocy - różnica niemała.

Interpretacja wyników

Przede wszystkim jeszcze raz podkreślmy, że nie obliczamy kiedy wystąpią przeciążenia wzmacniacza w Państwa systemie, ale tylko staramy się oszacować kiedy zwiększa się ryzyko ich wystąpienia.

Punktem wyjścia jest porównanie nominalnej mocy naszego wzmacniacza, z teoretycznymi mocami obliczonymi na podstawie naszych pomiarów. Jeśli do obliczeń przyjęliśmy impedancję kolumn 8Ω to powinniśmy teraz sprawdzić jaka jest nominalna moc wyjściowa wzmacniacza na 8Ω. Jeśli przyjęliśmy impedancję kolumn 4Ω to analogicznie będzie nas interesowała moc wzmacniacza na 4Ω. Moc wzmacniacza zaczerpniętą ze specyfikacji technicznej oznaczmy jako P_wzm.

A jeśli producent wzmacniacza podał tylko moc na obciążeniu 8Ω i pominął moc na obciążeniu 4Ω kiedy akurat moc dla obciążenia 4Ω jest nam potrzebna? Poradzimy sobie i z tym, choć niestety precyzja naszych obliczeń ucierpi. Przy braku oficjalnych danych podanych przez producenta wzmacniacza można szacunkowo przyjąć, że moc na 4Ω będzie 40% większa niż na 8Ω.

W końcu możemy się zabrać za porównania mocy. Jak łatwo przewidzieć wskazane jest by nasz wzmacniacz miał moc nie mniejszą niż P_typ, czyli moc szczytowa naszych ulubionych, najczęściej słuchanych płyt. Spełnienie tego warunku nie daje co prawda absolutnej pewności eliminacji przeciążenia wzmacniacza (wzmacniacz może być mało wydajny prądowo, a kolumny szczególnie trudne do wysterowania i wymagające dużych prądów), ale ryzyko wystąpienia poważniejszych problemów jest bardzo małe.

A jeśli moc naszego wzmacniacza jest mniejsza od obliczonego P_typ? Nie trzeba się na zapas martwić, tylko analizować sprawę dalej.

W wielu źródłach przeczytacie Państwo, że drobne przesterowania pozostają praktycznie niezauważane przez słuchacza - to stwierdzenie chyba pojawiało się i w naszych artykułach. Jest to obserwacja prawdziwa, potwierdzona kilkudziesięcioletnim doświadczeniem całej branży audio. Nie można jednak zakładać, że zawsze mamy w zapasie zagwarantowane 2-3dB na "niezauważalną" kompresję. Czym innym jest okazjonalne obcinanie szczytów sygnału o dużej rozpiętości dynamicznej (odstęp od wartości szczytowej do średniej ponad 20dB), a czym innym dalsze kompresowanie materiału, który został silnie skompresowany już w studiu nagraniowym (odstęp od wartości szczytowej do średniej poniżej 10dB). Jeśli nasza moc P_typ dotyczy odtwarzania współczesnej muzyki rock/pop, to zapewne jest zbliżona do P_min - w takim przypadku lepiej nie liczyć na zapas wynikający ze wspomnianego niesłyszalnego obcinania szczytów sygnału, lub założyć że jest on nie większy niż powiedzmy 20%. Natomiast jeśli nasze P_typ dotyczy raczej odtwarzania klasyki czy spokojniejszego jazzu i jest zbliżone do P_max to można sobie ze spokojnym sumieniem pozwolić na to by moc P_wzm była mniejsza od P_typ.

Jeśli mamy wiarygodną informację, że wzmacniacz ma wyraźną nadwyżkę mocy chwilowej mocy nad mocą nominalną, to też możemy złagodzić wymagania co do mocy nominalnej wzmacniacza. Kolejna informacja pozwalająca na łagodzenie wymogów dotyczących potrzebnej mocy wzmacniacza dotyczy impedancji kolumn. Jeśli jest ona szczególnie łatwa do wysterowania, to znowu sytuacja się poprawia. Jeśli zbiegną się korzystne okoliczności nawet gdy P_typ będzie sporo większa od P_wzm (powiedzmy dwukrotnie), to nadal możemy się czuć bezpiecznie. Ten margines można czasami jeszcze bardziej poszerzyć, ale to wymaga już precyzyjniejszej analizy.

Dla kogo powyższe pomiary

Polecamy wykonanie opisanych wyżej pomiarów i obliczeń wszystkim użytkownikom poważniejszych systemów hi-fi. Po prostu warto wiedzieć więcej o sposobie pracy naszego sprzętu. Nawet jeśli nie zdiagnozujemy żadnego problemu, to świadomość, że wzmacniacz jest prawidłowo użytkowany na pewno jest cenna. No i nasze przyszłe zakupy sprzętu też oprą się na solidniejszych podstawach technicznych.

W niektórych przypadkach wykonanie opisanego testu i obliczeń jest jednak wręcz niezbędne. Jeśli obserwujecie jakiekolwiek problemy z pogorszeniem jakości dźwięku przy wyższych poziomach głośności lub przy odtwarzaniu sygnałów o dużej rozpiętości dynamicznej, to wykonanie powyższych pomiarów i obliczeń jest elementarnym testem, który należy wykonać. Dźwięk traci klarowność w orkiestrowych forte lub zmasowanych fragmentach rockowych? Dynamika wydaje się ogólnie spłaszczona? Wykonajcie opisane pomiary i obliczenia.

Rozwiązywanie problemów

Zapewne większość z Państwa po wykonaniu polecanych powyżej pomiarów i obliczeń skonstatuje, że sprzęt jest używany prawidłowo. No ale niektórzy odkryją, że wzmacniacz prawdopodobnie bywa często przeciążony. Będą to przede wszystkim właściciele mniej sprawnych kolumn pracujących w większych pokojach. Co zrobić? Nie zalecamy przyzwyczajania się do zniekształconego dźwięku. Doraźnie wskazane będzie lekkie ograniczenie stosowanych poziomów głośności. Docelowo będzie jednak potrzebna zmiana sprzętu. Jaka zmiana? Nie ma uniwersalnej odpowiedzi. Czasami właściwym rozwiązaniem będzie zakup mocniejszego wzmacniacza. Czasami lepszym rozwiązaniem będzie jednak wymiana kolumn na bardziej efektywne. W sensie ogólnym zastosowanie sprawniejszych kolumn jest rozwiązaniem pewniejszym i bardziej uniwersalnym.

Kolumny

Trzeba też osobno podkreślić, że nawet gdy wzmacniacz pracuje w ramach swoich możliwości, przesterowane mogą być nasze kolumny i to one mogą być odpowiedzialne za efekty kompresyjne czy zniekształcenia. O kolumnach nie pisaliśmy w tym artykule, bo mechanizmy powstawania zniekształceń w głośnikach są inne, a analiza samej tylko mocy nominalnej kolumny daje niewiele. To temat na osobny artykuł.