Estamos acostumbrados al hecho de que el amplificador cuya potencia de salida es mayor en las mismas condiciones (la misma carga y distorsión comparable) generalmente suena más fuerte. Entonces, ¿por qué falla esta regla con los amplificadores de auriculares? ¿Cómo compararlos?
Para comenzar, recordamos que la energía es el producto del voltaje y la corriente, y la corriente depende de la magnitud del voltaje y la capacidad de carga.
W = U * I
I = U / R
No podemos aumentar la potencia agregando solo corriente sin cambiar el voltaje. En otras palabras, con el control de volumen solo controlamos el voltaje a la salida del amplificador, y la corriente se consumirá dependiendo de la resistencia de carga (altavoces o auriculares). Aumentaremos el voltaje; el consumo de corriente también aumentará automáticamente.
Cualquier amplificador tiene características extremas que pueden expresarse como el nivel máximo de corriente y voltaje para criterios de calidad dados. Si establecemos el nivel de salida en el que la señal amplificada va más allá del valor límite de voltaje, entonces se cortará la parte superior de la onda.
Ejemplo de forma de onda IHiFi-100, limitación desequilibradaEste tipo de distorsión a menudo se denomina "recorte" o "sobrecarga". Pero puede haber una situación en la que no se excede el voltaje máximo, pero el consumo de corriente en la carga (altavoces o auriculares) es más alto de lo que el amplificador puede dar. Como resultado, obtenemos una distorsión de sonido similar.
Límite de corriente Audiolab M-DAC a baja resistencia. La limitación en la parte superior de la onda es "suave" y en la parte inferior "dura".Como la potencia es el producto de la corriente y el voltaje, con la misma potencia de salida, la corriente y el voltaje son inversamente proporcionales.
U = W / I, I = W / U
Con igual sensibilidad a la potencia de los altavoces (o auriculares), pero con diferentes impedancias, para garantizar la misma presión de sonido en la salida, se requiere la misma potencia, pero diferentes proporciones de corriente y voltaje.
Casi todos los altavoces con emisores de tipo dinámico son de baja impedancia: 4 u 8 ohmios. Para tal carga desde el amplificador, el valor de la corriente de salida es principalmente importante, ya que El voltaje requerido es relativamente pequeño.
¿Cómo se determina generalmente el potencial del amplificador? Quien tenga un transformador más pesado y más capacitancia capacitiva en la fuente de alimentación es mejor. Aunque este es un indicador indirecto, a menudo es bastante preciso.
La señal musical no es un seno puro a largo plazo, es energéticamente 9-15 dB "más silencioso" debido a la amplitud desigual en el tiempo. Si, por ejemplo, medimos una potencia de 10 W (4 Ohms, 6.3 Vrms, 1.5 A), entonces el valor real promedio consumido será 3.5 W (con una densidad de energía de 9 dB más baja). Por lo tanto, si aumentamos el volumen en 9 dB, entonces el valor del voltaje en la señal de música será real de 10 vatios.
Forma de onda para señal sinusoidal y musicalLa imagen muestra las áreas sombreadas para el seno y la señal musical. La relación de las áreas es la misma que la relación de la corriente consumida con igual amplitud de voltaje.
Si no hay suficiente capacidad en la fuente de alimentación, en momentos de alta potencia a corto plazo, recibiremos distorsiones en el sonido debido al recorte por la corriente. Pero, con suficiente capacidad en la fuente de alimentación, el amplificador recibirá la potencia necesaria. Es por esta razón que a menudo prestan mucha atención a la capacitancia de los condensadores. De hecho, un amplificador con condensadores capacitivos será más potente, aunque en la prueba de senos en la alimentación (a largo plazo) será igual a un amplificador con una capacidad de condensador más baja en la fuente de alimentación.
Otro punto más importante, si los amplificadores tienen el mismo límite de voltaje, por ejemplo 5 Vrms, entonces en un seno con una carga de 4 Ohmios habrá un consumo de corriente de 1.25 A, y para uno musical con una densidad de 9 dB menor - 0.4 A. Suponga dos Los amplificadores para 4 ohmios declararon una potencia de 6 W (5 Vrms, 1.2 A) y 4 W (5 Vrms, 0.8 A). Como puede ver, el primer amplificador tiene mayor potencia sinusoidal, pero los amplificadores se reproducirán al mismo volumen en la señal de música, porque Su voltaje máximo es el mismo. El recorte debido a la falta de corriente no será, porque ambos amplificadores son capaces de dar más de 0.4 A por 4 ohmios. El margen de potencia del primer amplificador es simplemente redundante (así es como parecen aparecer las características y no se puede confiar en ellas).
La diferencia entre el seno y la señal musical es tan obvia que en todos los estándares, de una forma u otra, hay recomendaciones para tomar medidas o indicar los datos finales de las señales cercanas a la musical. Pero ninguna de estas recomendaciones echó raíces. La razón principal sugerida es que para la mayoría de los amplificadores, el margen de voltaje es mucho mayor que el margen de corriente para una carga de baja impedancia.
Por ejemplo, si un amplificador sin carga puede dar 12 Vrms, pero bajo una carga con una corriente de 0.6 A, ya tenemos recorte a 2.4 Vrms a 4 ohmios en el seno y a 6.7 Vrms en la señal de música. Simplemente no llegaremos al límite de voltaje.
El consumidor tiene una pregunta simple, qué está jugando más fuerte, y la clasificación de potencia en la mayoría de los casos da la respuesta correcta, porque en términos de voltaje y corriente, solo la corriente será el factor limitante. Si recalculamos la potencia en "corriente + voltaje", entonces haremos triviales cálculos innecesarios, y la respuesta será la misma.
Además, al comparar los valores de potencia, voltaje y corriente, no obtenemos la respuesta "cuánto más alto", porque dicha respuesta está contenida solo en unidades expresadas en decibelios. Por ejemplo, en términos de potencia, tres amplificadores se organizarán de la siguiente manera: 10 W, 20 W y 30 W. Pero en términos de volumen, ¿estará un amplificador con una potencia de 20 W en el medio? En unidades expresadas en dB, la potencia se verá así: 10 dBW, 13 dBW y 14.7 dBW. Relaciones como -3 / 0 / 1.7 dB. Por lo tanto, un amplificador con una potencia de 20 vatios estará mucho más cerca de un amplificador de 30 vatios.
Quizás si el desarrollo de las computadoras hubiera sucedido antes, y los autores de revistas y lectores brillantes pudieran contar logaritmos, entonces no veríamos los valores abstractos de la potencia de los amplificadores, sino los valores específicos de la presión del sonido a la salida de altavoces y amplificadores específicos. Pero, por desgracia, era demasiado complicado, aunque daría una respuesta más precisa.
Pero volviendo a lo principal: simplificar la clasificación de los amplificadores en términos de volumen por potencia no condujo a contradicciones (especialmente para los amplificadores de presupuesto), porque El factor limitante era principalmente actual. Pero con los amplificadores de auriculares, el problema surgió en pleno crecimiento.
Las impedancias comunes de los auriculares varían de 16 a 300 ohmios. Para auriculares de baja impedancia, la corriente es el parámetro limitante y para voltaje de alta impedancia. Además, para los auriculares de baja impedancia, habrá un margen de al menos 9-15 dB de corriente.
Si el amplificador para altavoces de carga típica tenía solo dos, 4 y 8 ohmios (y, en consecuencia, dos valores de nivel de potencia), entonces para el amplificador de auriculares hay alrededor de 8 tipos típicos de impedancias: 8, 16, 24, 32, 60, 100, 200, 300 y 600 ohmios. En el mejor de los casos, los fabricantes indican un valor de potencia para dos clasificaciones.
Los usuarios no entrenados no siempre notan que diferentes amplificadores tienen diferentes clasificaciones de potencia y no es posible comparar 0.5 W @ 32 Ohm y 0.3 W @ 300 Ohm.
Si construye un gráfico del voltaje de salida para el amplificador, entonces tomará esta forma.
En el eje horizontal - resistencia de carga (altavoces o auriculares). Vertical, voltaje, a la izquierda en Vrms (familiar para muchos), y a la derecha en dBV. dBV es el valor de voltaje en decibelios, donde se toma 1 Vrms por 0 dB. En estas unidades, el voltaje para equipos profesionales se ha indicado durante mucho tiempo, porque Los niveles se ajustan en dB. En nuestro caso, esto es conveniente debido a la comparación directa del volumen inmediatamente en dB.
La línea punteada azul es el límite de voltaje. En el ejemplo, esto es 0 dBV o 1 Vrms. Por simplicidad de ejemplo, la impedancia de salida del amplificador es de 0 ohmios y esta línea es estrictamente horizontal.
La línea roja es el valor de voltaje a una corriente de salida de 10 mA (de acuerdo con la fórmula U = I * R).
La línea negra es el resultado de los límites de corriente y voltaje. Si los valores de voltaje se convierten en energía, obtenemos 1.6 mW (a -16 dBV) para 16 ohmios y 3.3 mW (0 dBV) para 300 ohmios.
Las relaciones de potencia dan una diferencia de 3 dB (10 * Log10 (W1 / W2) = 10 * Log10 (3.3 / 1.6) = 3 dB). Considere el ejemplo con auriculares con una sensibilidad de 100 dB / mW cuando se evalúa de acuerdo con el gráfico de voltaje:
Si tenemos auriculares con una sensibilidad de 118 dB / V SPL (100 dB / mW) a 16 ohmios, entonces para ellos la presión de sonido máxima será igual a -16 dBV + 118 dB / V SPL = 102 dB SPL. Para auriculares con una sensibilidad de 105 dB / V SPL (100 dB / mW) a 300 ohmios, la presión del sonido será igual a 0 dBV + 105 dB / V SPL = 105 dB SPL. La diferencia de volumen entre los auriculares conectados a este amplificador será igual a 105 dB SPL - 102 dB SPL = 3 dB, donde el modelo de alta impedancia sonará más fuerte.
Matemáticamente, todo esto es bueno para el seno. Pero para una señal musical, el cálculo ya será diferente.
Dado que la densidad de energía de la señal es menor en al menos 9 dB, el límite de corriente estará a lo largo de la línea discontinua verde, que es mayor en 9 dB, respectivamente.
Las relaciones de voltaje ya serán diferentes.
Por 16 ohmios:
- Para el seno, tendremos un valor de -16 dBV.
- Para una señal de música, el valor ya será 9 dB más alto, igual a -7 dBV, y la potencia "musical" ya no debería ser 1,6 mW, ¡sino 12 mW!
- Si olvida la calidad (si se excede el nivel actual, obtenemos distorsiones) o si la densidad de energía de la señal es aún menor, entonces el valor puede alcanzar 0 dBV.
Por 300 ohmios, nada cambiará, porque solo hay un límite de voltaje. Para el ejemplo anterior, para una señal de música, los auriculares con una sensibilidad de 118 dB / V a 16 ohmios proporcionarán una presión de sonido de -7 dBV + 118 dB / V SPL = 111 dB SPL. Y la diferencia entre los modelos de baja resistencia y alta resistencia se convertirá en 111dB SPL - 105dB SPL = 6dB, donde el modelo de baja resistencia ya será más fuerte.
Y si simplemente gira la perilla de volumen al máximo y no prestas atención a la calidad (ruido de recorte), la diferencia entre los auriculares será de 13 dB a favor del modelo de baja impedancia.
Si observamos las amplitudes, el margen de corriente es inferior a 9 dB, entonces, en consecuencia, el nivel de voltaje máximo permanecerá en 0 dBV. En el ejemplo anterior, la ganancia real fue de 6 dB.
¿Qué sucede si comparamos amplificadores con la misma potencia de salida?Agregue un segundo amplificador con la potencia declarada de 3 mW a 32 Ohms y 3.3 mW a 300 Ohms. Nuestro primer amplificador en el ejemplo tiene exactamente la misma potencia a 32 y 300 ohmios.
El segundo amplificador tiene un voltaje máximo de 2.3 dBV (1.3 Vrms), una impedancia de salida de 100 Ohms y una corriente de salida de 100 mA. Debido a la resistencia distinta de cero, el límite de voltaje no es una línea horizontal recta, sino una curva con una disminución del voltaje a la región de baja impedancia.
Como puede ver en el gráfico, la línea magenta se cruza con la línea negra a 32 y 300 ohmios. El margen actual es tan grande (línea discontinua magenta) que no afecta los valores máximos.
El gráfico anterior muestra que para el primer amplificador para 32 ohmios hay un margen de 9 dB, porque Esto permite un valor de voltaje máximo. Para un segundo amplificador con un margen de corriente grande, el voltaje máximo no permite obtener potencia "musical" más de lo que se obtuvo para el seno.
Por lo tanto, formalmente, los amplificadores tienen la misma potencia, pero en la práctica, el primer amplificador de auriculares de 32 ohmios dará un volumen de 9 dB más alto con la misma calidad.
¿Qué conclusiones globales se pueden sacar de esto? Comparar amplificadores simplemente por potencia es incorrecto, a pesar del hecho de que esto es habitual y más o menos adecuado para amplificadores de CA.
El desarrollo de informes en el RAA siempre se ha dirigido no al número máximo de gráficos, sino a la posibilidad de comparar productos. Y al comparar, obtener respuestas prácticas, no abstractas.
El funcionamiento de la sensibilidad de potencia y el gráfico de potencia fueron menos convenientes para una comparación rápida que, por ejemplo, la comparación de la sensibilidad de voltaje y, en consecuencia, los gráficos de voltaje.
Sin embargo, el gráfico de voltaje trazado por el seno no era lo suficientemente preciso como para comparar el volumen entre los amplificadores. Como resultado del trabajo, se agregó una vista mejorada del gráfico de voltaje a la potencia "musical". Este cuadro se ha agregado a informes y diversos servicios y comparaciones en línea.
Comparación de los gráficos de las características de potencia de los amplificadores y la determinación del nivel de voltaje requerido para auriculares desde el amplificador
EnlaceEn este servicio, puede comparar amplificadores en volumen y dentro del marco de ciertas clases de calidad. Si elige una clase A equivalente, esta será una comparación en la supuesta calidad máxima de los amplificadores. Y si selecciona "Sin límite actual", simplemente habrá una comparación de volumen sin importar la calidad.
Por defecto, la densidad de energía de la señal se establece en 12 dB por debajo de la densidad sinusoidal. Típicamente, la densidad de una señal musical difiere de 9 a 15 dB. Si lo desea, puede establecer una densidad diferente. Si selecciona 3 dB y muestra "Point On", obtendrá un gráfico construido por el seno con los valores originales.
Para analizar los niveles a una carga específica, puede establecer la resistencia de los auriculares, y la tabla adicional contendrá los valores deseados en dBV.
Hay otros algoritmos interesantes y útiles en este servicio, pero están más allá del alcance de este tema.
Comparación de la parte del amplificador en volumen
Enlace
Esta es una versión simplificada en forma de tabla donde puede establecer dos opciones de resistencia y observar las amplitudes en dB. Del mismo modo, puede elegir una clase de calidad equivalente. Adicionalmente se dan los valores en potencia para el seno. Al ordenar, puede ver que los valores de potencia pueden diferir significativamente en los mismos valores de voltaje debido a la densidad de energía de la señal.
Calculadora de línea base del amplificador
Sin lugar a dudas, muchos involuntariamente tendrán una pregunta, pero ¿qué pasa con la comparación de dispositivos que no se midieron en el RAA? ¿Cómo calcular el voltaje y la corriente? ¿Cómo construir un horario?
Para hacer esto, se prepara una calculadora separada, en la que será posible ingresar datos conocidos sobre el dispositivo y obtener los valores finales en la salida.
La calculadora no es simple, porque a veces los datos de los fabricantes están incompletos y es necesario calcular el rango probable de valores posibles. Por ejemplo, un fabricante puede indicar potencia para una sola carga y nivel de voltaje máximo sin carga. Sin una impedancia de salida, puede haber varias opciones de gráficos. Se están trabajando varias combinaciones de estos datos.
Resumen
Para comparar la parte del amplificador en términos de volumen, se debe tener en cuenta la densidad de energía de la señal musical y, por separado, las restricciones de corriente y voltaje.