Kolumny aktywne - za i przeciw

Koncepcja kolumn aktywnych nigdy nie zdobyła szerokiej popularności w domowym hi-fi. Wyjątkiem od tej reguły są aktywne subwoofery, które często spotykamy w systemach kina domowego, a rzadziej także w zestawach stereo. Niska popularność kolumn aktywnych powoduje, że nawet doświadczeni audiofile nie zawsze pamiętają o głównych zaletach i wadach tego typu konstrukcji. Poniższy przegląd ważniejszych zagadnień związanych z aktywizacją kolumn powinien wypełnić tę lukę.

Co to jest kolumna aktywna.

Zacznijmy od wyjaśnienia samego pojęcia kolumna aktywna. W typowym zestawie hi-fi wzmacniacz współpracuje z kolumną pasywną. Sygnał ze źródła trafia do wzmacniacza, potem płynie ze wzmacniacza do zwrotnicy. Zwrotnica to zestaw filtrów dzielących sygnał na węższe pasma odpowiednie dla poszczególnych głośników. Zwrotnica w typowej kolumnie składa się z elementów pasywnych (rezystory, kondensatory, cewki, rzadziej także transformatory). Ze zwrotnicy sygnał płynie już bezpośrednio do głośników.

W kolumnie aktywnej wygląda to inaczej. Sygnał ze źródła (lub z przedwzmacniacza) trafia najpierw do aktywnej zwrotnicy zbudowanej zwykle w oparciu o wzmacniacze operacyjne. Już w tym miejscu jest on rozdzielony na podpasma stosowne dla poszczególnych głośników. Następnie każde podpasmo trafia do odpowiedniego, osobnego wzmacniacza i ten wzmacniacz już bezpośrednio steruje pojedynczy głośnik.

Blokowy schemat dla kolumny trójdrożnej przedstawiony jest na rysunku. Zaś w dalszej kolejności wyszczególnione są główne aspekty a ich pozytywny/negatywny wpływ zaznaczony jest plusami i minusami, gdzie plus oznacza przewagę wersji aktywnej, a minus przewagę wersji pasywnej.

Komplikacja systemu. ( - )
Główna wada kolumn aktywnych jest dość oczywista. Co prawda z toru znika pasywna zwrotnica, ale za to wzrasta ilość wzmacniaczy i pojawia się dodatkowy element w postaci zwrotnicy aktywnej. Komplikacja systemu rośnie.

Zwrotnica aktywna - dodatkowy element w torze. ( - )
Największą wadą techniczną aktywizacji jest pojawienie się dodatkowego elementu, zwrotnicy aktywnej. Jak każdy element toru, aktywna zwrotnica także wnosi jakieś zniekształcenia i szumy. Zazwyczaj zwrotnica aktywna jest zbudowana w oparciu o wzmacniacze operacyjne. Wykonanie układu elektronicznego o wysokiej przezroczystości sonicznej jest możliwe, ale oczywiście dość kosztowne.

Mikrofonowanie. ( - )
Ponieważ układy aktywne są zwykle montowane wewnątrz kolumny, mogą one być wystawione na większe drgania. Tak więc kolejnym elementem negatywnym jest zwiększone zjawisko mikrofonowania. Tu też dla minimalizacji negatwnego efektu potrzebna jest odpowiednia jakość wykonania projektu.

Bezpieczeństwo głośników. ( - )
A w zasadzie chodzi o głośnik wysokotonowy. Przy włączaniu/wyłączaniu wzmacniacza często na wyjściu pojawia się przejściowe napięcia stałe, co dobrze znamy z codziennej praktyki jako charakterystyczny stuk słyszalny w kolumnach. Pojawienie się tej składowej jest niebezpieczne dla głośnika wysokotonowego. W systemie pasywnym głośnik jest zabezpieczony przed składową stałą przez kondensator (lub więcej kondensatorów w filtrach wyższego rzędu) w zwrotnicy. Natomiast w systemie aktywnym konstruktor musi uwzględnić bezpieczeństwo głośnika wysokotonowego, bądź to poprzez specjalne zabezpieczenia, bądź poprzez wybór odpowiedniego typu wzmacniacza.

Integracja systemu. ( -/+ )
Jako wada bywa też postrzegana duża integracja systemu. Nabywca konwencjonalnego systemu ma większe możliwości ingerencji w brzmienie poprzez zmiany poszczególnych elementów. Konwencjonalny system można też łatwiej rozwijać stopniowo, rozkładając wydatki na mniejsze części.
Ale równie dobrze integracja może być postrzegana jako zaleta. Zamiast podejmować kilka osobnych decyzji odnośnie zakupu poszczególnych elementów podejmujemy tylko jedną. Mniej jest też kabli i w ogóle mniej elementów zestawu.

Cena. ( -/+ )
Generalnie uważa się, że kolumny aktywne podnoszą koszt systemu. Ale nie należy zbytnio generalizować opinii na ten temat. Jest mnóstwo możliwych kombinacji. Z jednej strony mamy koszt wykonania dodatkowych wzmacniaczy, ale z drugiej mamy oszczędność na obudowie do wzmacniacza. Jeśli będziemy chcieli minimalizować pasożytnicze efekty w zwrotnicy pasywnej to koszt samej zwrotnicy może bardzo wzrosnąć. Można przytaczać wiele argumentów za i przeciw, ale bilanas tak czy tak trzeba zrobić pod kątem konkretnej konstrukcji. Trudno też wycenić ile będą warte ostateczne korzyści brzmieniowe, które powinny być owocem dobrze wykonanej aktywizacji.

Dobór głośników. ( + )
Ważna zaleta aktywizacji ujawnia się na etapie najbardziej pierwotnym, czyli doboru głośników. W kolumnach aktywnych kompensacja różnic efektywności odbywa się poprzez zróżnicowanie wzmocnienia w torze poszczególnych głośników. A więc można zignorować pewne ograniczenia, które występują przy dobieraniu głośników do kolumn pasywnych. W przypadku kolumn dwudrożnych kwestia ta będzie miała znaczenie w nielicznych przypadkach, ale w przypadku zestawów trójdrożnych zwiększona swoboda w kompletowaniu głośników może być istotna znacznie częściej.

Straty mocy. ( + )
We wszystkich kolumnach pasywnych mamy pewne straty mocy w zwrotnicy. Sporadycznie spotkać można kolumny, w których głośnik niskośredniotonowy pracuje bez filtru, zwrotnica ogranicza się wyłącznie do filtru górnoprzepustowego dla głośnika wysokotonowego, a moc tracona wówczas w zwrotnicy jest znikoma. W typowych warunkach sytuacja jest znacznie mniej korzystna i w zwrotnicy traci się nawet kilkadziesiąt procent mocy dostarczanej ze wzmacniacza. Kolumny aktywne są wolne od tego problemu i nie marnują mocy wytworzonej przez wzmacniacz.

Sumowanie mocy. ( + )
Warto też bliżej przeanalizować kwestię sumowania mocy w systemach aktywnych. Dla uproszczenia pominiemy w tych rozważaniach wspomnianą już kwestię strat mocy w zwrotnicy pasywnej. Weźmy dwa teoretyczne przypadki - jeden skrajnie niekorzystny dla kolumny aktywnej, a drugi skrajnie niekorzystny dla kolumny pasywnej.

Najbardziej niekorzystny dla kolumny aktywnej jest przypadek wąskopasmowego sygnału, który jest w całości odtwarzany przez jeden tor wzmacniacz-głośnik. Gdyby wzmacniacze kolumny aktywnej miały w takiej sytuacji dorównać wzmacniaczowi współpracującemu z kolumną pasywną, to każdy wzmacniacz w systemie aktywnym powienien mieć tak samo dużą moc jak wzmacniacz w systemie pasywnym.

Natomiast druga skrajność to sytuacja gdy przez każdy tor w trójdrożnej kolumnie aktywnej przepływają sygnały o jednakowej amplitudzie. Załóżmy dla przykładu, że w każdym torze mamy sygnał o maksimum 10V. Znajdźmy punkt w czasie gdzie maksima owych trzech składowych sygnałów się nałożą. Gdyby ten fragment sygnału miał być odtwarzany przez jeden pełnopasmowy wzmacniacz, to potrzebne by było wytworzenie napięcia równego 30V. Co oznacza, że wzmacniacz pełnopasmowy musiałby mieć moc 9 razy większą niż każdy z trzech wzmacniaczy w systemie aktywnym. Podobne wyliczenie dla systemu dwudrożnego daje wielkość mocy 4 razy większą we wzmacniaczu pełnopasmowym w stosunku do pojedynczego wzmacniacza w systemie aktywnym.

Obydwa przypadki odbiegają znacznie od typowych warunków pracy z sygnałami muzycznymi. Jednak wspomniane zjawisko sumowania amplitud szerokopasmowych sygnałów faktycznie występuje przy odtwarzaniu sygnałów muzycznych. W kolumnie dwudrożnej (typowy podział pomiędzy 2.000 a 4.000 Hz), gdzie tylko drobna część mocy przypada na głośnik wysokotonowy, zjawisko to ma małe znaczenie. Ale w kolumnach trójdrożnych, gdy podział przypada na kilkaset Hz rozkład sygnału na osobne wzmacniacze wyraźnie poprawia zdolność do odtwarzania szczytów impulsów. System aktywny będzie więc w praktyce mniej podatny na przesterowania.

Izolacja wzmacniaczy. ( + )
Rozdzielenie pasma na poszczególne wzmacniacze ma też dodatkową zaletę w postaci izolacji zniekształceń w poszczególnych częściach toru. Jeśli wzmacniacz basowy w kolumnie aktywnej zostanie przesterowany, nie będzie to miało negatywnego wpływu na pracę w zakresie średnich czy wysokich tonów. Inaczej jest w systemie pasywnym. Jeśli duży sygnał basowy spowoduje przesterowanie wzmacniacza, odbije się to na wszystkich składowych sygnału szerokopasmowego.

Swobodniejsze projektowanie filtrów. ( + )
Zwrotnica w systemach aktywnych ma zupełnie inną konstrukcję i inne warunki pracy niż w systemach pasywnych. Co prawda jest ona aktywnym urządzeniem o dość skomplikowanym schemacie, ale za to pracuje z sygnałami o niższym poziomie, ze stałym i dobranym stosownie do potrzeb obciążeniem. W zwrotnicach aktywnych łatwiej jest aplikować układy korygujące czy to amplitudę czy fazę sygnału. Dzięki temu projektant ma większą swobodę i może precyzyjniej kontrolować charakterystyki filtrów. A jeśli zwrotnica jest układem cyfrowym to jeszcze łatwiej można modyfikować jej parametry i implementować dodatkowe funkcje.

Bezpośrednie sterowanie. ( + )
Aktywizacja powoduje, że wzmacniacz jest bardziej bezpośrednio połączony z głośnikami. Zamiast kondensatorów rezystorów i cewek, tylko krótki kabel łaczy wyjście wzmacniacz z głośnikiem. Taki układ znacznie poprawia tłumienie siły elektromotorycznej powstającej w głośniku. Wzmacniacz jest w stanie precyzyjniej kontrolować wychylenia membrany.

Zniekształcenia zwrotnicy pasywnej. ( + )
Wspomnieliśmy wcześniej o nieuniknionych zniekształceniach wprowadzanych przez zwrotnicę aktywną. Tradycyjna zwrotnica wcale nie jest wolna od specyficznych rodzajów zniekształceń, mimo swej czysto pasywnej natury. W układach zwrotnic pasywnych występują efekty nieliniowe, takie jak nasycanie cewek. Wartości rezystancji, pojemności czy indukcyjności elementów w zwrotnicach pasywnych nie są stałe w każdych warunkach, lecz są zależne od częstotliwości oraz wielkości przepływajacego przez nie sygnału. Ponadto występują też nieporządane sprzężenia elektromagnetyczne pomiędzy elementami zwrotnicy.

Łatwiejsza praca dla wzmacniacza. ( + )
Głośniki ze swej natury nie są zbyt komfortowym obciążeniem dla wzmacniacza. Ich impedancje niestety nie przypominają czystej rezystancji. Bardzo często pasywna zwrotnica jeszcze pogarsza sytuację i dodatkowo utrudnia warunki pracy wzmacniacza. Można spotkać układy wyrównywania impedancji, no ale ich stosowanie ma swoją cenę. Wyrównanie impedancji okupione jest zwiększonymi stratami mocy w zwrotnicy. Ponadto biorąc pod uwagę rodzaj głośnika, można też zróżnicować parametry i konstrukcję wzmaczniaczy w systemie aktywnym stosownie do funkcji każdego z nich.