הספק של מגבר – מה זה? איך מודדים? מה זה רוויה? – חלק א´

מאמר זה ידון בכמה נושאים מאוד נפוצים, שאפילו טכנוקרטים ואודיופילים כאחד יכולים לחדש בהם.בתום המאמר נוכל גם לענות על השאלה ...

18:10
  /  
16.12.2004
  
מאת: יוסי הרי

הקדמה

אין כמעט יום שלא נשאלת השאלה "האם מגבר 75W מספיק בשביל להפעיל רמקולים 100W?". התשובה המקובלת היא "שלרמקולים מסוג A או B זה מספיק, אבל זה לא מספיק לרמקולים "קשים" יותר להנעה".

בכל מאמר שדן בתכונות המיוחדות של שפופרות מול טרנזיסטורים ימצא נוסח הטוען שמגברי שפופרות נכנסים לרוויה באופן הדרגתי כאשר המגבר הטרנזיסטורי נקטע בפתאומיות. עובדה זו נחשבת כיתרון מוחלט. כמעט בכל פעם שמישהו מצטט נתונים של מגבר או רסיבר, ממליצים לו שלא יתייחס לנתונים. האם זה נכון?, איך יודעים אם ההספק מספיק או לו? ומה קורה כאשר המגבר הטרנזיסטורי לא מתקרב לרוויה? איך הוא מול המגבר השפופרתי? האם אין צורך כלל להתייחס לנתונים? אולי אפשר לבדוק לבד ולראות? אולי בכל זאת יש מידע נחוץ?

הבה נאיר מעט. ניתן באמצעים שלנו לבדוק נושאים אלה ואפילו להסתמך על נתוני היצרן רחמנא לצלן ולא לגשש באפילה. לשם כך נסביר מעט את הנושא הטכני של הספק מקסימאלי, קטיעה ורוויה, ונציע בדיקה פשוטה שכל אחד יוכל לבצעה בכדי לראות כיצד הציוד שלו מתפקד.

הבהרת נושא של הספק שיוצא ממגבר הספק

מגבר הספק תפקידו לספק את החשמל לרמקול. המגבר מספק לרמקול מתח חשמלי שאמור להיות דומה לגלי האודיו. הוא יכול להיות מונובלוק, אינגרייטד, או החלק הסופי ברסיבר. הרמקול בתור עומס, יוצר צריכה של זרם. כמו שתנור של 1KW (אחד קילוואט או אלף וואט) צורך זרם מסוים, תנור של 2KW יצריך זרם יותר גדול.

לרמקול יש עכבה (Impedance) שהיא צורת התנהגות של התנגדות לזרם חילופין. המתח שמסופק לרמקול גורם לזרם. חישוב הערך מתקבל כאשר מחלקים את המתח בעכבה.

אם לדוגמא נספק לרמקול של 8 אוהם מתח של 4V (ארבע וולט), הזרם אמור להיות 0.5A (חצי אמפר). אם לרמקול תהיה עכבה של 4 אוהם, הזרם יהיה 1A. (אחד אמפר).

יחידת המדידה של הספק היא וואט (W), והיא מחושבת כמכפלה של המתח בזרם. לכן במקרה הראשון נקבל 2W, ובשני, 4W.

למה מגבר מגיע לרוויה? ובכן כל מגבר יגיע לרוויה , בהדרגה או בקטיעה, כאשר אין הוא מסוגל לתת מספיק מתח או מספיק זרם לעומס.

מגבלת המתח

מגבר הספק, בכדי לייצר את גל השמע ולספק אותו עם אנרגיה מתאימה, צריך מקור אנרגיה. מקור האנרגיה הוא סַפָּק כוח (Power Supply), שתפקידו לספק לטרנזיסטורים או לשפופרות מתח ישר, חלק ויציב. אם מתח הסַפָּק יכיל רעש או תנודות, המגבר יעביר חלק מהן לרמקול.

מגבר מתוכנן כך שיעביר לרמקול רק תנודות או שינויים וכל מתח ישר ייחסם, כך שתפקיד הסַפָּק לספק מתח (אנרגיה) קבוע, מסונן ויציב למגבר שהופך אנרגיה זו לגל שמע מתאים – וכאן המגבלה. במגבר יש רכיבי הֶספֵּק, טרנזיסטורים או שפופרות, המושכים אנרגיה מהסַפָּק על מנת לייצר גל. רכיב זה פועל כווסת משתנה המעביר חלק ממתח הסַפָּק לרמקול. פעם יותר ופעם פחות וכך נוצר גל. מכאן ברור שמתח סַפָּק הכוח הוא המאקסימום התיאורטי, או שיא הגל שהמגבר יוכל לתת. במציאות נקבל פחות, כאשר מצטרפים עוד גורמים: יש הפסד מסוים על רכיבי ההגברה, הספק עצמו אינו שומר על המתח כאשר העומס גדול, ואז יש הנחתה נוספת.

במגבר טרנזיסטורים, המצב הוא יחסית פשוט. הוא מסוגל לספק את הגל הצורה מאוד מדויקת עד לערך קרוב מאוד למתח הסַפָּק.
ערך זה הוא מאוד חד משמעי. ברגע שמנסים להוציא מתח יותר גבוה, שיא הגל פשוט נחתך כאילו חתכו אותו בסכין. תופעה זו נקראת קטימה (Clipping). לכן בטרנזיסטורים יש רוויה חדה מאוד.

במגבר שפופרתי, כאשר מגיעים לאספקת 80% ממתח הספק, השפופרות נכנסות לתחום רוויה הדרגתית. ראש הגל במצב זה "נמעך". בהחלט כל עוד המעיכה לא יוצר חיתוך, העיוותים שנוצרים הם נסבלים, ולא מובחנים בצורה חד משמעית כבמגבר טרנזיסטורים.

אגב, מגברי שפופרות SE (מגבר עם דרגת הספק יחידה המחייב שנאי) יכולים לייצר מתח יותר גבוה מהסַפָּק בחלקי הגל שהשפופרת לא מזרימה, (בתנאי כמובן שניסינו עוד להעלות את העוצמה) תופעה שדומה להצתה במכונית – הפסקה פתאומית של זרם יוצר מתח גבוה. אני מתאר לעצמי שפולס הצתה אינו נחשב כ- Hi End.

בציור הבא מתוארים הדברים הללו בצורה גראפית:

הסינוס האדום מייצג מתח במגבר שפופרתי, והירוק טרנזיסטורים. האפור מייצג את אזור הרוויה. שני הקווים השחורים מראים את תחום המתח של הספק שזהו המגרש של המגבר. הכדור אינו יכול לצאת מתחומי המגרש בשום פנים ואופן. פרט למקרה שלעיל, זה קיר.

הזוג הראשון מנסה להגיע לערך של 90% מהמתח. בטרנזיסטורים (הירוק) הגל יכול להגיע קרוב לערך מתח הספק ללא שום פגיעה. בשפופרת (האדום הראשון משמאל) אנו מקבלים רוויה רכה.

בזוג השני מנסים להוציא מעל למתח הספק. בירוק הקטימה בולטת. באדום גם שם מתחילה קטימה אך היא קלה. כמובן שעד לקטימה הגל אינו עוקב (בשפופרת) אחרי צורת הסינוס. בגל האדום השני גם הקטע התחתון אמור להראות כמו העליון אך השארתיו בכדי להראות איך המתח "היה שואף להתנהג" ללא רוויה. יש להבין שתמונה זו אינה משווה יכולת בין שני מגברים ספציפיים, אלא רק מציגה שתי תכונות בסיסיות שהן שונות בשתי הטכנולוגיות.

במתח ספק נתון, הטרנזיסטור יכול להוציא אחוזים יותר גבוהים וקרובים למתח הספק לפני שבכלל מתחילה איזו שהיא רוויה, לעומת מגבר שפופרות. כמובן שתמיד אפשר למצוא מגבר שפופרות שמספק יותר הספק לפני הגעתו לרוויה ממגבר טרנזיסטור נתון, וכמובן גם להיפך.

עוד בנושא: הספק של מגבר – מה זה? איך מודדים ומה זה רוויה? – חלק ב´
מדידת רוויה, מדידת הספק ומידת עוצמת שמע מקסימלית 

מגבלת הזרם

גם את הזרם, מגבר אינו מסוגל לספק ללא הגבלה. במגברי טרנזיסטורים ההגבלה נובעת ממספר גורמים: מעגל הגנה, הפסדים והעמסת הספק.

מעגל הגנה
מגברי טרנזיסטורים, בגלל התנהגות הרכיבים וצורת תכנונם, יכולים "באופן טבעי" לספק זרמים גבוהים מאוד. אם נקצר את היציאות של מגבר, ללא הגנה מתאימה נקבל זרם גבוה מאוד והמגבר יישרף. לכן כמה עשרות שנים נוהגים להוסיף הגנות. בתחילה נהגו לשים נתיכים (פיוזים), אבל במקרים רבים הנתיכים לא היו מספיק מהירים והטרנזיסטור הגן על הנתיך ונשרף לפניו. היום מקובל לשים מעגל אלקטרוני המכונה מגבל זרם (Current Limiter). מעגל זה גם הוא מבצע קטימה. ברגע שהזרם הגיע לערך המוגבל, הוא לא יעלה עליו, חד וחלק. כך שאם נחבר למגבר רמקול שיש לו בתחום תדר מסוים (עכבה של רמקול עולה ויורדת בתוך תחום עבודתו) עכבה מאוד נמוכה, הפעלת מגבל הזרם (CL) יכולה לגרום קטימה.

הפסדים
במגבר טרנזיסטורים, כאשר הוא מסוגל לספק זרמים גבוהים, אומרים שאפשר להכפיל את תפוקתו כאשר מקטינים את התנגדות הרמקול לחצי. במציאות לא נקבל פי 2, אלא פחות. (פחות או יותר פחות) סיבה ראשונה שהגדלת הזרימה (חצי עכבה) מקטינה את מתח הספק ושיא המתח האפשרי יורד. בגלל הזרם הגדול, ההפסדים על הטרנזיסטורים גדלים, ומה שיוצא, יורד.

בחוברות של יצרני ציוד מגברים ורסיברים כמו דנון, מרנץ נאד, סוני, ודומיהם (יסלחו אלה שלא ציינתי), הנתונים הללו מופיעים במדור ה- Specifications, כמו מה ההספק המקסימאלי בעומסים שונים ויש כאלה שמציינים גם מה ערך הזרם המקסימאלי. אנו נעשה בכך שימוש בהמשך.

במגברי שפופרות אין את ההגנות הללו, כי מגברי השפופרות, אינם יכולים לספק זרמים גבוהים. למעשה מגברי השפופרות פועלים על ספק של כמה מאוד וולטים, ומייצרים גל של מתח גבוה, וזרם נמוך. שנאי מוריד את המתח למתח שמתאים לרמקול, ומעלה את כמות הזרם שניתן לצרוך. (כמו תמסורת של מכונית – ממירים מהירות לכוח או להיפך). הזרם בהספק המקסימאלי הוא בעצם הזרם המרבי שהשפופרת יכולה לתת, ולפיו מתאמים את היחס של השנאי ולכן מצויד השנאי בסנפי תיאום לעכבה של הרמקול. אם אחבר רמקול של 4 אוהם לסנף של 8 אוהם בשנאי, הזרם שיסופק לרמקול לא יגדל, אלא במעט מאוד. נקבל ירידה בהספק ולא עליה לכן צריך לחברו לסנף המתאים, ובחיבור זה נקבל שוב את הערך הנקוב שמגבר שפופרתי יכול לספק. מגברי שפופרות אינם ורסטיליים מבחינת ההספקים כמו מגברי טרנזיסטור, והם מצריכים תיאום.

להמשך דיון בנושא הכתבה: הספק של מגבר – מה זה? איך מודדים ומה זה רוויה?


18:10
  /  
16.12.2004
  
מאת: יוסי הרי

1