Impedans hos förstärkare

Vad händer när en komplex kapacitiv respepektive komplex induktiv last som alla högtalare är kopplas till en förstärkare. Hornhögtalare är dock faktiskt minst komplex i det avseendet och är därför känd för att fungera hyffsat bra med rörförstärkare som normalt sett har låg dämpfaktor detsamma som hög utgångsimpedans i jämförelse med transistorsteg.

Tidningar inom HiFi hadde åtminstone förr en test med typ 2 Ω |_ 30 grader och 2 Ω |_ 60 grader både kapacitivt och induktivt (en vanlig noname 3-vägs a la SIBA-högtalare kanske ligger som värst på runt 40 - 45 grader fasvinkel på var sin sida av resonansfrekvensen för basen, men motsvarande 'puckel' finns även på var sin sida om mellanregistrets resonansfrekvens.

Vid 2 Ω |_ 60 grader så får man bara räkna med ca 37% av utmatad effekt (räknad som spänning [V] * ström [A] ut ur förstärkaren) fastnar i högtalaren/lasten medans resten fastnar i kylflänsen på slutsteget. De 60 - 70% verkningsgrad för en typisk klass-AB hamnar raskt ned på 20 - 30% verkningsgrad och följdaktligen mycket mer värme till kylflänsen.

Skall man köra impedansmässigt 'fula' högtalare så måste man dimensioneringsmässigt räkna med att nästa all effekt tillfälligt hamnar i kylflänsarna vid vissa driftlägen.

Det finns en SPICE-modell av en allmängiltig noname 3-vägshögtalare av den typ man hittar på varuhus som SIBA osv.

Denna modell är byggd baklänges från en uppmätt högtalare så att modellen ger exakt samma impedanskurva med alla fasvridningar etc. Som den verkligt uppmätta högtalaren - många SPICE-modeller är analyserade så här baklänges och är en hyffsat pålitligt metod. Tyvärr har skaparen utelämnat vilken högtalarmodell denne utgick ifrån. Observera att den visar bara det elektriska perspektivet som visas mot slutsteget, inte det ljudmässiga även om man kan dra vissa slutsatser av den. Gissningsvis inkluderar modellen passiva delningefilter etc. Som förvärrar situationen ytterligare några snäpp (även dessa lagrar energi i systemet).

Bild 1 - Schema

Bild 1 visar schemat som funderingarna utgår ifrån, högerhalvan efter 'speaker' är modellen av högtalaren, vänster halva är en mätbrygga för att mäta på 'högtalaren':

Bild 2 - Aktiv, reaktiv och skenbar effekt samt Q-värde

Bild 2 är kurvor som de flesta känner igen, förutom att jag har lagt in aktiv, reaktiv och skenbar effekt samt högtalarens elektriska Q-värde beroende på frekvens. Man ser här att den är så högt som strax över 0.8 vid dryga 2 kHz, med andra ord måste förstärkaren hantera nästan lika mycket reaktiv effekt som aktiv effekt (reaktiv effekt värmer förstärkaren kylflänsar - kom i håg detta!) vid exakt 70 Hz så är den elektriska Q-värdet nära 0, dvs. nästanpå ideal last, tycker man, men å andra sidan är impedansen hög, runt 25 Ω så det går inte in så mycket effekt i högtalaren för en given polspänning, typ 40 mW när man annars ligger runt 125 mW, medans ligger man på 50 Hz resp 100 Hz så är andelen reaktiv effekt cirka 3/4 av den aktiva effekten i belopp - med andra ord. Förstärkaren skall hantera tvära kast från cirka 30 grader kapacitiv last till dito 40 grader induktiv last bara i intervallet 50 Hz - så det gäller att förstärkarens återkoppling är stabil med en sådan här varierande last inkopplad.

Signalfärger (bild 3-10):

• Insignal - Blått
• Ström som vandrar mellan förstärkaren och högtalaren - Grönt
• Ström genom basspolen och förmodlingen motsvarar dess mekaniska rörelse på ett ungefär - Rosa

Bild 3 - Transientbeteende

Bild 3 är test av transientbeteende. Vilket förstås är på den 'elaka' 70 Hz som luktar trubblig lång väg av impedanskurvan att dömma. Den är driven med 4 perioder med lågimpediv drivsteg (0 Ω) och därefter kortsluter över polskruvarna - vilket också motsvarar lågimpedivt slutsteg där man plötsligt stänger av insignalen - Detta gör att slutsteget absorberar all ström som kommer från högtalaren utan att dess polspänning höjs. Notera nu högtalarens ringningen när signalen plötsligt tystnar - lila linjen har jag utgått från att motsvarar rörelsen av baskonen och med andra ord så 'sjunger den efter' cirka 1 period med relativt stor styrka. Man ser att ström och spänning ligger i fas och är en 'snäll' last ur förstärkarperspektiv - i allafall när det jobbar med konstant signal.

Bild 4 - 70 Hz i 4 perioder, start 0 Ω, med 8 Ω dämpning

Bild 4 visar när högtalaren startar med 0 Ω, men dämpar den med 8 Ω för att simulera ett litet rörsteg och långa kablar. Man ser att det ringer efter betydligt mera när signalen avbryts.

Bild 5 - 70 Hz i 4 perioder, drivning och dämpning med 8 Ω

Bild 5 både drivs och dämpas av 8 Ω - man ser att konen har både lite svårt att starta och stoppa - det blir ingen bra återgivning av hårdrock-trummbatteri här inte...

Bild 6 - Mekanisk svängning efter att porten lämnas öppen

Bild 6 visar lite elakt, 4 perioder för att få igång alltihop och därefter lämnas porten öppen när signalen slutar. Högtalaren ringer som en kyrkklocka nästan.. Med andra ord är konstantströmdrivna högtalare kanske inte så bra val om man vill ha en fast och transientrik bas..

Bild 7 - 52,4 Hz insignal, självsvängning efter insignalens slut

Bild 8 - 35 Hz insignal, självsvängning efter insignalens slut med ungefär samma frekvens som i Bild 7

Bild 7. Här har frekvensen sänkts till 52,4 Hz (för att hålla exakta hela perioder gentemot 'brytarens' timing) och nu ser man att ström och spänning inte följs åt i fas längre (med en ganska komplicerad fasåkning mellan precis i början och efter ett par perioder) och förstärkaren måste pumpa en viss andel reaktiv energi. Ringningen efter att signalen slutat ser lite misstänkt ut, därför provar vi med ännu lägre frekvens 35 Hz i 2 perioder i bild 8. Hmm ser det inte ut som att ringningen fortfarande verkar gå i 70 Hz takt ??

Bild 9 - Klipp mitt i en period med en insignal på 30 Hz i 1,75 perioder)

Då är vi lite mer elak och klipper mitt i en period, se bild 9, mer energi kvar i systemet och därmed större ringningsamplitud på första halvperiden - lik förbaskat i 70 Hz takt..

Bild 10 - Insignal 262,5 Hz med självsvängning efter signalslut

Ok, då går vi åt andra hållet, uppåt i frekvens med 262,5 Hz.. Bild 10, här ser man att ström och spänning åter igen verkar hänga ihop fasmässigt - men så fort slutsteget slutar mata energi på önskad frekvens så resonerar högtalaren i 70 Hz takt med den energi som är kvar i systemet. Högtalaren fungerar onekligen som en 70 Hz kyrkklocka med kläpp - starta och slutar alltid med en 70 Hz överlagrad eftersläng oavsett vad för frekvensområde och pulser (i basområdet) man stoppar in..

Ovanstående är bara tankeövning hur komplex drivning av en 'vanlig' högtalare egentligen är. Stora impedanshopp är helt klart farliga om de också är smala. De indikerar då högt mekaniskt Q-värde som har dålig elektrisk koppling mot slutsteget och blir därmed resonanta/ringiga på vissa frekvenser. Tvära kast och mycket reaktiv effekt i högtalaren gör också att kylningen av slutsteget måste kunna åtminstone hantera halva sin utsända effekt avbrända direkt i sina kylflänsar tillfälligt (= termisk kapacitet i trissornas kisel i 0,5 - 1,0 sekunders regionen) och skyddsbetendet vid ännu ogynsammare last och/eller kontinuerlig drift i den ogynsamma lastläget..

Vissa högtalare, åtminstone förr så lade man in konjegatlänkar i delningsfiltret för att förbättra den reaktiva delen mot slutsteget sett. Men även konjegatlänkar lagrar energi vilket gör att konjegatlänken 'isolerar' högtalarelementet mot slutsteget och bromsas inte av den längre i samma utsträckning som tidigare. Vilket gör att högtalaren blir ännu mera ringig av operationen.

För att få snabba och fasta bashögtalare så handlar det om att minska på rörliga vikterna så mycket som möjligt och den vägen minska energilagringen i högtalaren. Vilket är lättare sagt än gjort förvisso..

Externa länkar

• EF: Klass B Förstärkare. Hur räknar man ut impedansen?, startad 2008-02-16