Watti so vati ali so? Podrobna razlaga za ljubitelje avtomobilskega zvoka
Ko ljudje razmišljajo o nakupu avtomobilskega avdio ojačevalnika, najpogosteje preverijo specifikacijo, koliko moči lahko proizvede. Moč je ocenjena v vatih – univerzalni merski enoti za moč. V tem članku razlagamo, kaj je vat in kako se meri – na pravilen in na napačen način.
Čas je za slovar!
Najprej odpravimo formalno definicijo vata. Watt je SI (Systéme International) enota za merjenje moči. Ni nujno, da je moč električna. Pravzaprav je bila enota vat poimenovana po Jamesu Wattu in ustvarjena za kvantificiranje dela, ki ga lahko opravi parni stroj. V tej kinetični aplikaciji je bil vat delo, opravljeno, ko se je hitrost predmeta enakomerno gibala z 1 metrom na sekundo s silo 1 newtona, ki mu je nasprotovala. Če govorimo o električnem motorju, je 1 konjska moč enaka 746 vatov.
Ne glede na to, kako zabavno je govoriti o konjskih močeh, smo ljubitelji avtomobilskega zvoka, zato se vrnimo na pravo pot z razlago električnega vata.
V električnem smislu je vat prenos 1 joula energije v obdobju 1 sekunde. Naslednje logično vprašanje je, kaj je joule? Joule je še ena merska enota SI in določa količino dela, potrebnega za premikanje naboja 1 kulona skozi električni potencial 1 volta. Da, vprašanje se zdaj premakne na kulon – kaj za vraga je to? Kulon je enota električnega naboja – in je enak -6,242 x 10^18 elektronov.
Ste že izgubili? Ne skrbite; le pomirjamo piflarje matematike in meritev med nami. Razčlenimo to na tisto, kar je pomembno.
Ko želimo uporabiti elektriko za opravljanje dela, moramo pretakati elektrone skozi napravo, kot je žarilna nitka, motor ali zvočna tuljava. Posledica bo v primeru zvočnika, da bo magnetno polje, ki ga ustvari tok elektronov, povzročilo, da bo glasovna tuljava pritegnila ali odbila fiksni magnet v našem zvočniku. Ko pretakamo več elektronov, je opravljenega več dela in zvočnik se premika dlje proti magnetu ali stran od njega.
Močna matematika
Tukaj začnemo govoriti o enačbah moči. Obstajajo tri običajne metode za izračun moči v vezju – vendar moramo poznati vrednosti drugih spremenljivk, kot so napetost, upor ali amperaža. Kateri koli dve od teh spremenljivk se lahko uporabita za izračun moči v vezju. Tukaj so enačbe:
Če imamo vezje z uporom 4 ohmov in nanj priključimo napetost s potencialom 10 voltov, potem imamo 25 vatov moči. Povečanje te napetosti na 20 voltov pomeni, da je razpoložljiva moč zdaj 100 vatov. Spremenljivke v zgornjih enačbah lahko nadomestimo in prerazporedimo, da ugotovimo katero koli drugo spremenljivko – to je preprosta algebra.
Merjenje moči
Ko ima tehnik ojačevalnik na preskusni mizi in želi izmeriti moč, tehnik običajno poveže ojačevalnik z nizom visokozmogljivih bremenskih uporov, nato pa izmeri izhod ojačevalnika, ko signal doseže stopnjo popačenja 1 %. . Izvedena meritev je napetost. Najpogosteje predvidevamo, da obremenitev ni spremenljiva. Recimo, da izmerimo 44 voltov RMS iz ojačevalnika in imamo ojačevalnik priključen na obremenitev 2 ohmov. To pomeni 968 vatov. Je zelo preprosto in zelo ponovljivo - vendar v resničnem svetu ne deluje. Poglejmo zakaj.
Odpornost proti reaktanci
To bo postalo malo tehnično. Avdio signali so signali izmeničnega toka (AC). Signali izmeničnega toka so potrebni, da se stožec zvočnika premakne naprej in nazaj iz svojega mirovanja, vendar zaradi njih je merjenje moči veliko bolj zapleteno. Način, kako se vodniki in bremena odzivajo na signale izmeničnega toka, se razlikujejo od signalov enosmernega toka (DC).
Ker AC signali spreminjajo smer, se spreminja tudi polarnost magnetnih polj, ki jih ustvarjajo. Poskus spreminjanja polarnosti magnetnih polj povzroča opustošenje v obnašanju toka. Ko tok začne teči in vzpostavi magnetno polje, se noče ustaviti. Predstavljajte si enosmerno napetost – vsi elektroni se ves čas gibljejo v isto smer. Zadovoljni so in se ne pritožujejo. Ko gre za signale AC, mora tok elektronov spremeniti smer. Pri signalu 20 kHz se sprememba smeri zgodi 20.000-krat na sekundo. Elektroni so leni – radi nadaljujejo s tem, kar so počeli. Zaradi tega nasprotujejo spremembi smeri.
Induktor v resnici ni nič drugega kot navitje žice. Induktorje vidimo v pasivnih križnih omrežjih in filtrirnih stopnjah ojačevalnikov razreda D. Ko elektroni tečejo skozi induktor, ustvarijo močno magnetno polje. Ko odvzamete vir napetosti, poskušajo elektroni nadaljevati tok. Pravzaprav, če ste videli rele z diodo, ki je povezana z njim, je ta dioda tam, da omogoči ta pretok elektronov nekam, razen nazaj v vezje, ki je nadzorovalo delovanje releja.
Ko uporabimo AC signal na induktorju, višja kot je frekvenca, težje je spremeniti smer tok elektronov. Upor proti toku izmeničnega toka imenujemo induktivna reaktanca. Pomislite na to kot na upor, vendar velja le za signale AC. Induktorji nasprotujejo spremembi toka. Če odklopimo vir izmeničnega toka in z multimetrom izmerimo enosmerni upor induktorja, je številka, ki jo vidimo na zaslonu, upor. Za merjenje reaktanse induktorja potrebujemo napravo, ki lahko uporabi signal AC in izmeri efektivni padec napetosti na induktorju.
Formula za izračun induktivne reaktanse je Xl =2 x pi x F x L, kjer je F frekvenca uporabljenega AC signala, L vrednost induktivnosti induktorja, izmerjena v henrijih, Xl pa induktivna reaktanca v ohmih. Vidite lahko, da induktivnost narašča s frekvenco, kot smo že omenili.
Glasovna tuljava zvočnika je in deluje kot induktor.
Tok in napetost
Za vas imamo več slabih novic. Ker induktor nasprotuje spremembi tokovnega toka, pride do časovne napake. Čas za kaj, se sprašujete? Relativni čas med AC napetostjo na induktorju in AC vrednostjo toka, ki teče v induktorju. V popolnem induktorju (brez enosmernega upora) tok skozi tuljavo zaostaja za napetostjo v induktorju za 90 stopinj ali ¼ frekvence signala, ki poteka skozi.
Pustite, da se to za trenutek spomnite, nato pa pomislite nazaj na naše enačbe za moč. Moč je napetost krat tok. Kaj pa, če se trenutni vrh ne zgodi hkrati z vrhom napetosti? Ne moremo preprosto pomnožiti obeh številk skupaj, da bi dobili moč v vezju. Še huje, čas, v katerem tok zaostaja za napetostjo, je odvisen od enosmernega upora induktorja in induktivna reaktanca – za večino avtomobilskih zvočnikov je upornost enosmernega toka običajno nekje med 2 in 8 ohmov. Induktivnost je med 0,04 mH pri visokokakovostnem visokotonskem zvočniku do več kot 5 mH pri velikem globokotoncu.
Obstaja še en izziv:induktivnost se spreminja glede na moč pogona zvočnika in položaj stožca zvočnika.
Prepričani smo, da se strinjate – vse je zelo zapleteno, a nikar še ne obupajte.
Kako izmerimo dejansko moč v izmeničnem tokokrogu? Obstaja nekaj načinov. Izmerimo lahko trenutni tok in napetost pri zelo visoki frekvenci vzorčenja in ju pomnožimo. Stopnja vzorčenja bi morala biti 20- ali 30-krat večja od frekvence, ki jo merimo, da bi bila razumno natančna. Uporabimo lahko tudi običajne merilnike za merjenje količine toka in napetosti v vezju, nato pa uporabimo merilnik faznega kota, da ugotovimo relativno razmerje med obema. Skoraj nihče od nas nima v svojih škatlah z orodjem samostojnega merilnika faznega kota. Česa ne moremo samo pomnožite napetost in tok med seboj.
Tisti SPL Guys in Watts
Če to berete, potem verjetno precej pogosto brskate po internetu. Nedvomno ste videli SPL navdušence, ki so poskušali izmeriti moč, ki jo proizvedejo njihovi ojačevalniki, tako da so jih "vpenjali". Tokovno kleščo priključijo na eno od žic zvočnikov, ki prihajajo iz ojačevalnika, in na sponke ojačevalnika namestijo voltmeter.
To ustvarja tri težave:
- Voltmeter morajo priključiti na priključke zvočnikov. Zaradi visokega pretoka toka lahko upor v žici zvočnika izgubi izmerljivo količino energije.
- Z voltmetrom in tokovnimi kleščami ne poznamo faznega razmerja med tokom, ki teče skozi zvočne tuljave, in napetostjo na zvočni tuljavi.
- Te teste običajno izvajajo pri izjemno visokih ravneh moči. Ogromne količine moči hitro segrejejo zvočne tuljave. Ta toplota tudi hitro poveča njihovo odpornost. To povečanje upora bo povzročilo zmanjšanje toka, ki teče skozi zvočnik. Če je priključena tokovna klešča v načinu "zadrževanja vrhov", bo shranila najvišjo vrednost začetnega toka, ki teče skozi zvočno tuljavo. Zmanjšanje pretoka toka olajša obremenitev napajalnika ojačevalnika in mu omogoči večjo napetost. Ko se tok zmanjša, se lahko napetost iz ojačevalnika poveča, kar povzroči napačno odčitavanje voltmetra v načinu zadrževanja konic. To segrevanje in povečanje upora se lahko zgodita v nekaj sekundah.
Če ste mislili, da je naša definicija vata zapletena, bi vas razlaga, kako izračunati moč v reaktivni obremenitvi, potisnila čez rob, zato ne bomo vsega razlagali. To je tema, shranjena za visokošolske ali univerzitetne tečaje o izmeničnem napajanju. Kaj bomo do je zagotoviti rešitev za izvajanje zapletenih meritev moči.
Resničnost je taka, da je, ko gre za merjenje moči iz ojačevalnika, ko je povezan z zvočnikom, zelo težko dobiti natančne rezultate . Nekaj podjetij proizvaja merilnike moči avtomobilskega zvoka. Najbolj priljubljena enota je D'Amore Engineering AMM-1. AMM-1 je ročni merilnik, ki hkrati meri tok in napetost ter izračuna fazni kot med njima, da zagotovi natančno merjenje moči. AMM-1 vam bo pokazal, koliko moči v resničnem svetu proizvede vaš ojačevalnik. (Prosim, ne jokajte, če je manj, kot ste mislili.)
AMM-1 lahko prikazuje tudi volt-ampere. Volt-ampere izračunamo tako, da tok pomnožimo z napetostjo. Fazni kot obremenitve lahko vidite tudi na drugem zaslonu. Če resno nameravate meriti moč, ko ojačevalnik poganja reaktivno breme kot zvočnik, potem je to orodje, ki ga potrebujete.
Kaj morate vedeti
When you are shopping for an amplifier, the numbers you usually see quoted are measured into resistive loads. Most amplifiers have no problem with driving reactive loads, so you can trust the published numbers, as long as the distortion specification is clearly defined.
The CEA-2006A (now called CTA-2006A) specification for power measurement defines the maximum signal distortion during measurement as being 1%, and no more than 14.4 volts can be supplying the amp. Comparing power specs using this standard has leveled the playing field in the car audio industry.
We will look at some other very important amplifier specifications in another article. These other specifications may, in fact, be more important to choosing the right amp for your system than how much power the amp makes. Until then, drop into your local car audio specialist retailer to find out about the latest amplifiers available for your system. There are some amazing new amps on the market with a lot of cool features.
Happy listening!