הספק, הגברה ותצוגה – כל מה שרציתם לדעת

מאמר זה מתמקד בהיבט נקודתי של הפיכת אנרגיה חלשה שנכנסת למגברי שמע (או לרסיבר) והפיכתה לאנרגיה חזקה כדי לאפשר דחיפת ...

19:00
  /  
20.08.2012
  
מאת: מוטי כהן

אם נפתח מילון ונחפש את הערך "הגברה" נקרא שהערך מקביל לערך "הגדלה". לחובבי השמע, התרגום באנגלית – Amplification, נשמע אפילו יותר ברור.
מאמר זה מתמקד בהיבט נקודתי של הפיכת אנרגיה חלשה שנכנסת למגברי שמע (או לרסיבר) והפיכתה לאנרגיה חזקה כדי לאפשר דחיפת רמקול. כמו כן יש התייחסות לצורת ההגברה, למספרים המופיעים בתצוגת המגבר ולכמה היבטים שונים הקשורים למערכות השמע בנושא ההספק.

מהו מגבר?

מגבר הוא כל מתקן שמקבל משהו בכניסה ומוציא אותו גדול יותר.
כשמדובר במגברי שמע, הטכנולוגיה מאפשרת בקלות להגביר כל אות חשמלי לאות הנדרש אבל הדרישה הקשה ביותר ממגבר היא להגביר את האות הנכנס אליו בדייקנות מרבית כשה"לקוח" המקבל את האות המוגבר הוא רמקול. במילים אחרות, לקחת אות חשמלי קטן ולהפוך אותו לאות חשמלי גדול וחזק.

יש הגברה בעזרת ריכוז אנרגיה:

ויש הגברה בתוספת אנרגיה חיצונית:

מגבר שמע נעזר באנרגיה חיצונית ומגביר אות חלש המגיע ממקורות שונים כמו מיקרופון, נגן DVD, נגן Blu-ray, סטרימרים ועוד והופך אותו לאות חזק המועבר לרמקולים. חלק מהאותות המתקבלים מהציוד המתחבר למגבר הם אותות אנלוגיים כדוגמת נגני CD דרך זוג מחברי RCA וחלק מקורו דיגיטאלי כדוגמת נגני ה Blu-ray בחיבור HDMI.

כמה שאלות שמאמר זה מעלה לדיון:
1. מהי סוג ההגברה של המגבר?
2. מהי רמת ההגברה הנדרשת ממגבר שמע?
3. האם מגבר בווליום קבוע שומר על הגברה קבועה?
4. האם מגבר צריך לשמור על הגברה קבועה?

אם נסתכל בנתוני מגבר שמע נקבל מספרים קצת מבלבלים. נבחן את נתוני הכניסה האנלוגית כגון כניסת ה CD. המגבר מגדיר שהוא מוציא הספק של 100 וואט אם אות הכניסה גדול מ 0.2 וולט.

נתון הכניסה מוגדר במתח ונתון היציאה מוגדר בהספק. האם המגבר מגביר מתח או מגביר הספק?
לכאורה התשובה המיידית היא – כן. כלומר מגביר גם הספק וגם מתח אבל במגברי שמע זאת לא בדיוק התשובה הנכונה.

קל לחשב את הגברת ההספק של המגבר:
בדפי נתוני יצרן המגבר מאתרים מהו ההספק הגבוה ביותר שהמגבר מוציא. ניקח לדוגמא את המספר 100 וואט.
נתוני היצרן גם מגדירים איזה מתח המגבר דורש כדי להוציא את ההספק ועל איזה התנגדות הוא מגדיר את הספק הכניסה. אם נחזור לדפי הנתונים נקבל 0.2 וולט כשההתנגדות המוצהרת היא 47000 אוהם. חישוב קל של ההספק בכניסה מביא אותנו למספר 0.85 מיקרו וואט.
אם נחלק את הספק היציאה להספק הכניסה נקבל את המספר 117 מיליון.
זוהי ההגברה המרבית של המגבר. הדגש הוא על המילה – מרבית. אם ההספק של המגבר רק 50 וואט ההגברה תהיה "רק" 58 מיליון.

רגישות כל המגברים די זהה. Denon, Yamaha, Onkyo ואחרים מגדירים אות כניסה של 0.2 וולט כדי להגיע להספק הגבוה ביותר שהמגבר מסוגל לו (בהתאם לדגם). אפשר לומר בצורה די גורפת שבמגברים עם הספק יציאה זהה, הגברת ההספק המרבית די שווה בכל החברות.

ומה לגבי הגברת מתח?

נחשב את מתח היציאה מנתון הספק היציאה. הספק היציאה מוגדר בדרך כלל על נגד של 8 אוהם ולכן כדי להגיע להספק של 100 וואט יש צורך במתח של 28 וולט.
נחלק את מתח היציאה (28) במתח הכניסה (0.2) ונקבל שהגברת המתח המרבית של המגבר היא 140. מכיוון שהמספרים בכל המגברים די דומים, גם במקרה הזה אפשר לומר בצורה די גורפת שבמגברים בהספק יציאה זהה, הגברת המתח המרבית די שווה בכל החברות.

לצורך השוואה, אם המגבר בנוי להספק 50 וואט, הגברת המתח תהיה 100.

וסת ההגברה

כל המספרים המחושבים בהנחה שווסת ההגברה, הווליום, במצב של הגברה מרבית, כלומר, כשהווליום נמצא במקסימום.
מעגל 'בורר' בוחר את ניתוב האות למגבר הסופי. הבחירה נעשית בין מקור אנלוגי (כמו כניסת CD) לבין מקור דיגיטאלי (כמו HDMI).

אם נשתמש בהגברה המרבית של המגבר, ההספק שיוציא המגבר הוא ההספק הגבוה ביותר שהמגבר מסוגל להוציא. אות היציאה לרמקולים יהיה חזק מאד וללא שליטה. לשם כך יש את הווליום. כדי לאפשר האזנה בעוצמות שמע נמוכות מהמקסימום של המגבר, הוכנס כפתור הווליום. הווליום משמש כמנחת משתנה שמנחית את אות השמע לפי עצמת השמע הרצויה.

תפקידו של הווליום הוא להקטין את ההגברה הכללית של המגבר לפי טעמו האישי של כל מאזין.
במצב של ווליום נמוך, רמת האות ביציאה מהווליום קטנה מרמת הכניסה אליו.

אם הגברת המתח הכוללת של המגבר היא 140 והנחתת המתח של הווליום היא 2 (או במינוח אחר – הגברה של 0.5) ההגברה הכללית תשתנה ל 140 חלקי 2 שזה 70.

אם הנחתת הווליום היא 1000 ההגברה הכללית תהיה 140 חלקי 1000 שזה 0.14. במצב הזה ההגברה בין הכניסה ליציאה של המגבר קטנה מ 1. במצב זה מתח היציאה מהמגבר אפילו נמוך יותר ממתח הכניסה.

בסיכום, המגבר מגביר גם מתח וגם הספק ורמת ההגברה הנדרשת ממגבר שמע מקובל עומדת על כ 50 מליון בהגברת הספק וכ 140 בהגברת מתח.

התצוגה

בהנחה שרוב המגברים מוגדרים להספקים דומים, משפט הסיכום בפרק הקודם חשוב כדי להבין שכמעט בכולם ההגברה המרבית די זהה.
האיורים משקפים את מעבר האות בתוך מגבר שמע ברמה העקרונית. לצורך ההסבר, הווליום באיור נראה כווליום אנלוגי אבל במגברים של היום תנועת הווליום היא דיגיטאלית ומבוצעת כחלק ממנגנון המחשוב המצוי בציוד. שינוי מצב הווליום גורם גם לשינוי מספרים על צג המגבר (או הרסיבר) שלעיתם גדלים ולעיתים קטנים בהתאם לכיוון סיבוב הווליום.

מה תפקידם של המספרים בתצוגה?
בעיקר לתת לנו הערכה באיזה רמת ניחות הווליום נמצא.

האם מספר גבוה יותר מצביע על הגברה גבוהה יותר?
כן. המספרים יחסיים זה לזה. לפעמים המספרים חיובים ולפעמים שלילים.

האם תצוגה של מספר גבוה יותר במגבר A לעומת מגבר B משקף שההגברה של מגבר A גבוהה מההגברה של מגבר B?
לא. אין תקן אחיד למה שמופיע בתצוגה וכל חברה ממספרת את תחום התצוגה לפי החלטתה. ההגברה הסופית לא קשורה למספרים בתצוגה.

קצת סדר במספרים מבלבלים.
ערכי המספרים המופיעים בתצוגת המגבר מכוילים בסקאלה לוגריתמית המכונה dB. כל שינוי של 3dB מצביע על הספק כפול. כשמעלים את הווליום למספרים שעולים ב 3 זה אומר שהניחות של הווליום קטן יותר וההספק היוצא מהמגבר עולה פי 2 יחסית למה שהיה לפני.
המספרים בתצוגה נעים ממספרים שליליים ועד מספרים חיוביים. שינוי ממספר שלילי, לדוגמה 25-, למספר שלילי קטן יותר, לדוגמה 20-, אומר שהמספר גדל ב 5 ולכן עוצמת השמע עולה.
הקשר בין המספרים מצביע על עליה או ירידה בהגברה אבל המספר האבסולוטי, אם זה 15- או 20- או 30- או מספר חיובי כמו 3, לא אומר כלום.

דוגמאות מבדיקה מדגמית לתחום הספרות של הווליום ברסיברים נפוצים:
אם נסתכל בתצוגה של רסיבר מתוצרת Yamaha ונסובב את כפתור הווליום עד למספר המרבי שמופיע בתצוגה נקבל 16+. המספר הנמוך ביותר ברסיבר זה הוא 80-.

80- עד 16+

כלומר, תחום של 96 מספרים או ליתר דיוק 96dB.

רסיבר Denon (בדומה ל Yamaha) נמצא בתחום מספרים זהה של:

80- עד 16+

תחום של 96dB.

רסיבר Pioneer נמצא בתחום מספרים של:

70- עד 12+

תחום של 82dB.

רסיבר Harman Kardon נמצא בתחום מספרים של:

90- עד 10+

תחום של 100dB.

לכל הרסיברים שנדגמו יש הספק מרבי דומה ובכל זאת המספרים על הצג שונים, ללמדנו שאין קשר בין המופיע על הצג לבין ההספק בפועל שהמכשיר מוציא.

השפעת מקור האות על התצוגה

מקור אות אנלוגי המוכנס למגבר ממקורות שונים לא בהכרח מתואם לעצמת כניסה של 0.2 וולט כמו במפרט המגבר. ברוב המקרים העוצמה המגיעה מציוד חיצוני עולה על הנדרש ברסיבר וגורמת לאות המגיע לרמקול להיכנס לעיוותים במצב של קטימה .
האיור הבא מדגים מקור אנלוגי המכניס למגבר מתח גדול פי שניים מהצפוי. לכל אורך מסלול האות, העוצמה עולה פי שניים עד ליציאת האות לרמקול.

לכאורה המגבר אמור להוציא אות גדול פי שניים, אבל מכיוון שמגבר ההספק מוגבל בהספק היציאה שלו, אות היציאה נקטם ומתעוות.

כדי לחזור לעוצמת אות סבירה ברמקולים, יש צורך להקטין את עצמת האות למגבר שדוחף את הרמקולים ע"י שינוי הווליום.

שינוי הווליום נעשה ידנית לפי רצונו של המאזין אבל שינוי הווליום משנה גם את המספרים המופיעים בתצוגת המגבר. כלומר, אם אות הכניסה למגבר גבוה יותר, עוצמת האות ברמקולים גוברת ונעשה תיקון ידני ע"י המאזין.
מכל האמור אפשר להסיק כי המספרים המופיעים בתצוגה כתלות במצב הווליום במגבר, תלויים גם בהגברה הפנימית של המגבר וגם ברמת האות הנכנס אליו.

ומה בנוגע למקור אות דיגיטאלי?
היום רוב מקורות השמע מגיעים למגבר או הרסיבר ממקורות דיגיטאליים. כשהאות מגיע דרך המסלול הדיגיטאלי הוא מומר לאות אנלוגי ביחידת המרה הקיימת במגבר וממשיך את הדרך לרמקולים בלי לפסוח כמובן על יחידת הווליום.
אפשר לומר שעוצמת האות האנלוגי שמקורה באות דיגיטאלי שווה בכל המגברים ולכן המספרים בתצוגה לא מושפעים מרמת האות, רק ממצב הווליום. זה לא מדויק. חלק מהאותות הדיגיטאליים לא תמיד יוצאים ברמה דיגיטאלית אחידה (בייחוד בסרטים) ולכן גם באותות דיגיטאליים יש קשר בין סוג האות הנכנס למגבר לבין המספרים המופיעים בתצוגה.

האם מגבר צריך לשמור על הגברה קבועה?

וכאן המקום לחזור לשתי השאלות שנשאלו בתחילת הכתבה:
1. האם מגבר בווליום קבוע שומר על הגברה קבועה?
2. האם מגבר צריך לשמור על הגברה קבועה?

לשאלות אלו מתבקשת שאלה נוספת…כשמדובר בהגברה, האם מדובר על הגברת מתח, זרם או הגברת הספק?
לכאורה זה די ברור. המגבר מגביר גם מתח, גם זרם ולכן גם הספק.
לשאלה "האם מגבר בווליום קבוע שומר על הגברה קבועה?" התשובה היא – לא בהכרח, תלוי אם זה מתח או זרם או הספק.
לשאלה "האם מגבר צריך לשמור על הגברה קבועה?" התשובה היא – כן ולא. כן כשמדובר במתח ולא כשמדובר בזרם (או הספק).
תפקיד המגבר לדחוף רמקול. רמקול זו מערכת אלקטרו-מכאנית המשנה את התכונות החשמליות שלה בהתאם לתדר המועבר אליה. לרמקול יש "רצון" משלו ולא תמיד זה תואם את רצון המגבר. כדי להכריח רמקול (בכוח) לנוע בהתאם לאות היציאה מהמגבר, חובה על המגבר לתת לרמקול מתח לפי צורת הגל הנדרשת ביציאה מהרמקול.

הדגש הוא על מתח.

רמקול המקבל ממגבר תדר A רוצה להמשיך ולהתנדנד בתדר A למרות שהמגבר כבר עבר לתדר B. קיימת "מלחמה" תמידית בין האינרציה של מכאניקת הרמקול להמשיך את תדר A לבין הכוח של המגבר לשנות את תנודת הרמקול לתדר B.
אפשר לומר בחצי חיוך שהרמקול כפוי טובה. המגבר העניק לו אנרגיה….והרמקול משתמש בחלק מהאנרגיה שקיבל כדי להלחם במגבר בחזרה.
כדי שהמגבר יצליח להניע את הרמקול בצורה הדוקה, מתח היציאה מהמגבר חייב לעקוב אחרי מתח הכניסה שלו גם אם שאר הנתונים שלו (כמו הזרם וההספק) משתנים.

מכיוון שהרמקול הוא יצור דינאמי, כדי לשמור על פניו מתח קבוע, ההספק מהמגבר משתנה במהירות עם כל תזוזה בתדר השמע. למעשה בכל תדר ותדר הספק המגבר משתנה דרמתית.

הקו הכחול באיור מראה התנגדות של רמקול ממוצע. רמקול זה מוגדר כ 8 אוהם אבל אפשר לראות עד כמה המספר לא קשור למציאות.
תפקידו של המגבר לשמור על הגברת מתח קבועה ולכן כשהתנגדות הרמקול משתנה חובה על המגבר לשנות את ההספק שהוא מוציא כדי לשמור על מתח קבוע.
לצורך דוגמא מספרית : נניח שהמתח היוצא מהמגבר הוא 15 וולט. לפי הגרף, בתדר של 1000 תנודות בשנייה התנגדות הרמקול קרובה להתנגדות תיבת הרמקול כמו שהיא מוגדרת ע"י היצרן – 8 אוהם. ההספק שהמגבר מוציא בתדר זה הוא 28 וואט. בתדר של 50 תנודות בשנייה התנגדות הרמקול עולה וזה דורש מהמגבר להקטין את ההספק לכ 9 וואט.
בתדר של 500 תנודות בשנייה המגבר חייב להתאמץ ולהפיק 64 וואט כדי לשמור על הגברת מתח קבועה.

אפשר לראות בגרף כיצד ההספק לא קבוע ומשתנה בהתאם לתדר והתנגדות הרמקול:

מגבר טוב הוא מגבר המסוגל להתמודד היטב עם שינויי ההספק המהירים הנדרשים ממנו.

סיכום

אפשר לסכם את שני הנושאים העיקריים שנדונו במאמר זה:
• ההגברה במגבר מוגדרת כהגברת מתח.
• הגברת ההספק במגבר משתנה דינאמית בהתאם לתדר המועבר לרמקול.
• אין קשר ישיר בין המספרים המופיעים בתצוגת המגבר להספק האמיתי, הממוצע או הרגעי, שהמגבר מעביר לרמקול בכל רגע נתון.

לדיון בנושא: הספק, הגברה ותצוגה – כל מה שרציתם לדעת


19:00
  /  
20.8.2012
  
מאת: מוטי כהן

1