Hi-Fi svět

Web převážně vážně nejen o zesilovačích a počítačích.

L

Nejnovější

Výkon

Výkon

  • Úvod

    Mnoho se toho již o zesilovačích napsalo, konstruktéři se předhání v technických či marketingových údajích, ale běžný zákazník si jen tak jednoduše nedokáže ve změti čísel vybrat ty podstatné, obzvláště, když každý tvrdí, že právě ty jeho jsou ty nejdůležitější. 

    Frekvenční rozsah

    Na téma frekvenčního rozsahu či spektra které je pro věrný přenos potřebný se často názory rozcházejí. Jak jsem popsal v článku Zvuk a Hi-Fi je pro potřeby kvalitního přenosu mít šířku pásma cca od 5Hz až do cca 200kHz.

     

     

    Můžeme také vyjít ze současného standardu a tím je formát DVD_audio, který je 24b/192kHz či dvojnásobek, kde se rovněž dostaneme na hranici cca 200kHz. Nápovědu můžeme hledat i v článku SACD, blíže vinylu?  

    Dynamický rozsah

    Stejně jak nejsou ujednoceny názory na frekvenční rozsah, nejsou jednotné názory ani na dynamický rozsah. Nezbývá než opět vyjít ze současného standardu DVD_audio, který je 24bitový.

    24bitů nám zaručí dynamický rozsah 223:1=8.388.605:1=138,5dB, pro zjednodušení můžeme počítat s hodnotou cca 140dB. Zde nám může byt nápomocný i text Kouzelné Watty a Dynamika. 

    Jak stanovit výkon zesilovače

    Nyní se konečně můžeme dostat k volbě potřebného výkonu zesilovače. Jsme opravdu náruživí Hi-Fi_sti a máme zájem využít možnosti, které nám soudobá technika poskytuje.

    Nechceme však dát na konstruktérsko - marketingové řeči a pokusíme se naleznout optimální řešení, jak nám jej umožňuje nalézt samotná podstata zvuku, vlastnosti záznamů a schopnosti lidského vnímání. Poněvadž je řeč převážně o výkonu, nebudeme tedy řešit frekvenční rozsah, ale jen výkon, u toho však musíme počítat i s dynamickým rozsahem záznamu, ale i s dynamickým rozsahem lidského slyšení. 

    Dynamický rozsah slyšení

    Nejdříve se podívejme na dynamický rozsah slyšení. Podíváme-li se do článku Zvuk, Věřte nevěřte Wikipedii, pak zjistíme:

     

    Práh slyšitelnosti

    Práh slyšitelnosti či slyšení je nejnižší hladina, kterou začíná člověk slyšet, je jim hladina akustického tlaku 0dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10-12Wm-2, čemuž odpovídá akustický tlak 2*10-5Pa.

     

    Práh bolesti

    Práh bolesti je již taková hladina zvuku, která vyvolává bolest, je jim hladina akustického tlaku 130dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10Wm-2, čemuž odpovídá akustický tlak cca 63Pa, vyšší intenzity akustického tlaku již mohou poškodit sluch, případně i další orgány.

     

    Počítání s intenzitou a akustickým tlakem

    ·         Pro přepočet intenzity zvuku můžeme použít I=10log(I1/I0). Prahu slyšitelnosti I0 odpovídá intenzita zvuku 10-12Wm-2

    ·         Pro přepočet akustického tlaku můžeme použít X=20log(P1/P0). Prahu slyšitelnosti P0 odpovídá akustický tlak 2*10-5Pa.  

     

    Celkový rozsah

    Pro stanovení celkového rozsahu vyjdeme z prahu bolesti a prahu slyšení, kde dostaneme celých 130dB.

     

     

     

    Podíváme-li se na kmitočty nižší jak 1kHz, do oblasti v okolí 100Hz, kde je práh bolesti až o 10dB vyšší jak na kmitočtu 1kHz, pak zjistíme že můžeme celkový rozsah slyšení rozšířit až na hodnotu cca 140dB.

     

    Srovnání dynamického rozsahu slyšení a záznamu

    Pokud provedeme srovnání dynamického rozsahu slyšení a záznamu, pak zjistíme, že rozsah sluchu je až 140dB což plně koresponduje se současným standardem DVD_audio, který je 24bitový s dynamickým rozsahem cca 140dB.

    Pro dokonalé zážitky s Hi-Fi produkce je nutné, aby vlastnosti záznamu bylo ucho co nejlépe schopno využít a to využije jen tehdy, když poslech nebude nad hranicí prahu bolesti, kde by nám poslech mohl působit jisté zdravotní potíže, ale rovněž nebude pod prahem slyšení, kde by se nám část záznamu vytratila a byla by již díky své malé intenzitě neslyšitelná.

     

    Přeměna výkonu na akustický tlak

    Dalším důležitým krokem je samotná přeměna výkonu na akustický tlak. Použijeme-li běžné reproduktorové soustavy s citlivostí 90dB, pak zjistíme, že 1W dodaného výkonu vytvoří akustický tlak v ose reproduktoru a vzdálenosti 1m rovných 90dB.

    Pokud se ještě jednou podíváme do článku Zvuk, Věřte nevěřte Wikipedii, můžeme se na základě vyzařovací charakteristiky reproduktorů a vytvořené intenzity zvuku 10-12Wm-2 v okolním prostoru, dopočítat, že méně než 1% dodané elektrické energie se nám přeměnilo na požadovaný akustický tlak a více jak 99% dodané elektrické energie se nám přeměnilo na nežádoucí teplo.

     

    Sluchem využitelný výkon

    Nyní se konečně dostáváme k samotné problematice potřebného výkonu H-Fi zesilovačů a tím je sluchem využitelný výkon.

    Pokud 1W dodaného elektrického výkonu vytvoří 90dB akustického tlaku a práh bolesti při 1kHz je až na 130dB, pak máme k jejímu dosažení potřebu dodat až o +40dB větší výkon, tedy výkon až 10kW!

    Pro dosažení prahu bolesti v okolí 100Hz máme rezervu od 90dB dokonce +50dB, tedy k jejímu dosažení potřebujeme dodat výkon až 100kW!

     

    Střední výkon a střední akustický tlak

    Pokud se začneme bavit o středním výkonu a středním akustickém tlaku, můžeme se pokusit nejdříve nalézt přijatelnou mez akustického tlaku, kdy je ještě snesitelný a kdy již ne.

     

    Hranice 90dB

    Hranice 90dB představuje již vysokou hladinu akustického tlaku, často definovanou jako zvuk silného motocyklu.

     

    Hranice 100dB

    Hranice 100dB představuje velmi vysokou hladinu akustického tlaku, často definovanou sbíjecím kladivem či velmi silnou hudbou. Nad tuto hranici středního akustického tlaku by se již žádná hudební produkce neměla dostávat!

     

    Střední výkon

    Pokud vyjdeme s hranice dostatečně silného a ještě snesitelného akustického tlaku v rozmezí 90÷100dB, pak takovým hladinám odpovídá dodaný elektrický výkon s použitím reproduktorových soustav s citlivostí 90dB v rozmezí 1÷10W.

    Zjednodušíme-li výpočet na hodnotu akustického tlaku 95dB, pak pro získání takového akustického tlaku postačí pouhé 3W dodaného elektrického výkonu.

     

    Maximální špičkový - hudební výkon

    Stejně jak jsme odvodili střední akustický tlak a střední výkon, můžeme odvodit maximální špičkový - hudební výkon, který potřebujeme k tomu abychom dokázali optimálně využít vlastnosti jak akustického záznamu, tak vlastností lidského sluchu.

    Nebudeme se pohybovat až k hranici prahu bolesti, ale raději o 5dB níže, pak stále dostaneme prostor pro dynamiku nad středním výkonem +45dB což odpovídá dodanému elektrickému výkonu 30kW!

     

    Závěr

    Co říci závěrem, snad jen to, že jakákoliv honba za trvalými středními výkony Hi-Fi zesilovačů, která přesahuje hodnotu 10W je zcela zbytečná. Na straně druhé je patrné, že špičkový - hudební výkon +20dB což odpovídá 1kW je pro opravdu kvalitní poslech zcela nedostatečný, neboť hranice +40dB je stále nedostižně daleko.

    Pokud jsem vycházel ze vzdálenosti 1m a pouze jednoho zdroje akustického tlaku, pak musím vzít do úvahy, že běžné Hi-Fi zesilovače mají kanály dva a vzdálenost reproduktorových soustav běžně 2m. Vzdálenost mi akustický tlak o 3dB sníží a dva rovnocenné zdroje akustického tlaku zase akustický tlak v místě posluchače o 3dB zvýší. Mohu tedy prohlásit, že vše platí i pro dva kanály a vzdálenost 2m.

     

    Rekapitulace

    Poněvadž jsem v úvodu zmínil návod k výběru vhodného Hi-Fi zesilovače s ohledem na jeho výkon, musím se nyní k problematice vrátit. Každý slušný Hi-Fi zesilovač by měl mít hudební výkon co největší, jak se ukazuje ani 500W či 1kW hudebního výkonu na kanál není dostačujících.

    Naopak snaha o provozování, ale také testování na dlouhodobý výkon větší jak 10W/kanál, ba dokonce až na hodnotu středního  výkonu blížícímu se výkonu hudebnímu je spíše scestí a marketingovou demonstrací, než potřebnou podmínkou pro opravdovou věrnost zvuku.

     

    Diskuse

     

     

     

     

  •  

    Úvod

    V minulém článku Hi-Fi zesilovač a opravdu potřebný výkonjsme se bavili o potřebném výkonu pro opravdový Hi-Fi zesilovač. Nyní se podíváme, jak je to s výkonovým dimenzováním jednotlivých komponentů. Samozřejmě jsem grafy sestavil pro Topologie Federmann, Moduly Hi-Fi zesilovačů HQQF-55-506W při provedení na napájecí napětí do ±60V. pro jiné zesilovače by grafy vyšly obdobně.

     

     

     

    Zapojení

    Pro výpočet potřebného dimenzování jednotlivých komponent bylo použito náhradní schéma dle obrázku. Zdroj V2 byl pilovitého průběhu s amplitudou rovnou 0,7 velikosti napájecího napětí.

     

     

     

     

    Zesilovač 150W/8Ω napájení cca ±54V

    Na obrázku je patrné, že pro 150W trvalého výkonu potřebujeme zdroj dimenzovat na cca 260W a chlazení na cca 110W, ale pro běžný hudební signál, při hodnotě středního výkonu 1/10 výkonu maximálního, potřebujeme pro trvalý střední výkon 15W zdroj o výkonu cca 95W, při množství odvedeného tepla chladičem cca 80W.

      

     

      

    Zesilovač 300W/4Ω napájení cca ±54V

    Na obrázku je patrné, že pro 300W trvalého výkonu potřebujeme zdroj dimenzovat na cca 500W a chlazení na cca 200W, ale pro běžný hudební signál, při hodnotě středního výkonu 1/10 výkonu maximálního, potřebujeme pro trvalý střední výkon 30W zdroj o výkonu cca 170W, při množství odvedeného tepla chladičem cca 140W.

     

     

      

    Zesilovač 600W/2Ω napájení cca ±54V

    Na obrázku je patrné, že pro 600W trvalého výkonu potřebujeme zdroj dimenzovat na cca 1000W a chlazení na cca 400W, ale pro běžný hudební signál, při hodnotě středního výkonu 1/10 výkonu maximálního, potřebujeme pro trvalý střední výkon 60W zdroj o výkonu cca 320W, při množství odvedeného tepla chladičem cca 260W.

     

      

      

    Zesilovač 500W/8Ω  napájení cca ± 48V

    Na obrázku je patrné, že dva moduly zapojené do můstku s výstupním výkonem 500W trvalého výkonu potřebují zdroj dimenzovat na cca 800W, chlazení na cca 300W, ale pro běžný hudební signál, při hodnotě středního výkonu 1/10 výkonu maximálního, potřebujeme pro trvalý střední výkon 50W zdroj o výkonu cca 280W, při množství odvedeného tepla chladičem cca 230W.

      

      

     

      

      Zesilovač 1000W/4Ω  napájení cca ± 48V

    Na obrázku je patrné, že dva moduly zapojené do můstku s výstupním výkonem 1000W trvalého výkonu potřebují zdroj dimenzovat na cca 1600W, chlazení na cca 600W, ale pro běžný hudební signál, při hodnotě středního výkonu 1/10 výkonu maximálního, potřebujeme pro trvalý střední výkon 100W zdroj o výkonu cca 500W, při množství odvedeného tepla chladičem cca 400W.

     

     

     

    Transformátor

    Jak je patrné z obou grafů, je honba za trvalým výkonem větším jak 1/10 Pmax zcela zbytečná, klade nároky především na použitý transformátor, nejenom jeho cenu, ale hlavně jeho rozměr a váhu, v neposlední míře na případné stínění rozptylového pole.

     

    Chlazení

    Zcela jinak než s transformátorem je to s velikostí použitého chlazení, kde při 1/10 Pmax již ztrácíme cca 70% maximálně možného tepelného výkonu, přičemž maximum vytvořeného tepla se pohybuje v okolí 75% maximálního výstupního výkonu, je závislé hlavně na podílu klidového proudu koncových a budících tranzistorů.

     

    Závěr

    Co říci závěrem, snad jen to že zbytečné navyšování výkonu transformátoru, nemá opodstatnění ani v případě opravdu náročných Hi-Fi posluchačů a fandů, kde by se měl střední výkon spíše od maximálního více vzdalovat, ale kdo chce dimenzovat na výkon větší je to jen a jen jeho svobodná volba.

    Chlazení není nikdy dostatek, je vždy lépe do jeho činnosti zapojit celou skříň, než chladič zavřít do skříně a následně se snažit větrat nuceně za cenu rušivého hluku ventilátoru a nuceného proudění vzduchu.

    Je nutno také podotknout, že dimenzování zdroje a chladiče na hodnotu středního výkonu pod 1/10 výkonu maximálního již nenese své ovoce, výkon nám klesá s mocninou, kdežto nároky na zdroj a chlazení lineárně, ne však k nule, ale ke klidovému odběru. Pod hodnotu středního výkonu 1/20 Pmax je zcela zbytečné se snažit dostat, osobně považuji za optimální poměr 1/10.

     


    Psáno pod čarou

    Článek Hi-Fi zesilovač a jeho výkonové dimenzování bylo nutné napsat, neboť neznalost mnohých je naprosto tragická! Neustálé tápaní co a jak je do výkonu nutné započítat, neustálé dotazy na modul zesilovače HQQF-55-506W-5-1 topologie Federmann, hlavně na výkon hotového zesilovače, který zatím není v nabídce, mne vedly k napsání článku, který by alespoň některým mohl napovědět jak navrhnout zesilovač jako celek, jaká je potřeba proporcí jednotlivých komponent.

      

    Diskuze

     

     

L

Nejnovější

Copyright © 2019 Hi-FI svět. Všechna práva vyhrazena.
Joomla! je svobodný software vydaný pod licencí GNU General Public License.

B

Hi-Fi svět - ISSN 1803-733X

Stránky vydává Bohumil Federmann, Kunovice 7, 75644 Loučka, Česká republika, federmann@seznam.cz