Pomiar rezystancji kolumn omomierzem - zakres zastosowań i interpretacja

W innych artykułach poświęconych kolumnom i wmacniaczom często mowa jest o impedancji kolumn. Impedancja nominalna zwykle równa jest 4Ω lub 8Ω. Natomiast impedancja rzeczywista jest krzywą o wartości zmieniającej się zależnie od częstotliwości. O tym, że znajomość impedancji jest bardzo przydatna dla oceny dopasowania kolumn i wzmacniaczy też pisze się często i jest to sprawa powszechnie znana.

Bywa jednak tak, że krzywa rzeczywistej impedancji nie jest nam znana, że nie mamy pewności czy podana przez producenta impedancja nominalna jest prawidłowo ustalona lub w ogóle nie wiemy nic o impednacji kolumn. Natomiast mamy do dyspozycji miernik (zazwyczaj będzie to jakiś multimetr) co pozwala nam zmierzyć rezystancję kolumny. Pomiar jest banalnie prosty i szybki - wystarczy odłączyć kolumnę od wzmacniacza i podłączyć omomierz do jej zacisków. No ale rezystancja i impedancja to dwie różne rzeczy. Czy w ogóle warto zmierzyć rezystancję? Jak zinterpretować zmierzoną wartość? Poszukajmy odpowiedzi na te pytania.

Co zmierzy omomierz, czyli o szeregowych kondensatorach w torze sygnału
Mierząc impedancję badamy jak przez kolumnę płynie prąd zmienny. Natomiast mierząc rezystancję badamy jak przez kolumnę płynie prąd stały. Kluczowe znaczenie ma fakt, że wszelkie kondensatory, które znajdują się w danej gałęzi układu blokują przepływ prądu stałego. Prąd stały popłynie tylko przez głośniki, przez cewki oraz przez rezystory, a więc przez gałęzie układu złożone wyłącznie z tych trzech typów elementów.

Na rysunku obok mamy przedstawione dwa najprostsze schematy zwrotnic równoległych (te dominują na rynku) i szeregowych (te są rzadko spotykane). W zwrotnicach równoległych prąd stały popłynie tylko przez cewkę i głośnik basowy, a nie popłynie przez gałęzie głośników wysokotonowych. W przypadku zwrotnicy szeregowej pierwszego rzędu popłynie przez jedną cewkę i obydwa głośniki, ale przepływ prądu stałego przez głośnik wysokotonowy powinien być zminimalizowany przez dobór niskorezystancyjnej cewki. W zwrotnicy szeregowej drugiego rzędu prąd stały popłynie przez dwie cewki i głośnik niskotonowy.

Spotykane w praktyce schematy zwrotnic zwykle będą bardziej skomplikowane. Często dojdą tłumiące rezystory i różnego rodzaju układy korekcyjne. W kolumnach trójdrożnych sprawa skomplikuje się jeszcze bardziej. Niezależnie od występującego zróżnicowania stosowanych schematów głośniki wysokotonowe niemal zawsze są włączone przez szeregowy kondensator, wyjątki od tej reguły są niezwykle rzadkie. Głośniki średniotonowe zwykle też są włączane przez szeregowe kondensatory.

Pomimo zróżnicowania stosowanych topologii zwrotnic efekt końcowy jest jednak zazwyczaj taki sam jak w przypadku uproszczonych przykładów zaprezentowanych na rysunku. Prąd stały popłynie tylko przez głośnik basowy i jedną lub dwie cewki włączone szeregowo z tym głośnikiem. W kolumnach dwudrożnych będzie to głośnik niskośredniotonowy, a w typowych kolumnach trójdrożnych głośnik niskotonowy. Tam gdzie mamy dwa lub trzy równolegle pracujące głośniki basowe prąd stały popłynie przez wszystkie. Jak wspominaliśmy zwrotnice szeregowe są rzadko spotykane, ale dla porządku dodajmy, że przepływ prądu stałego przez głośnik wysokotonowy w zwrotnicy szeregowej pierwszego rzędu nie wymaga osobnej analizy w interesującym nas tu kontekście.

W obwodzie pomiarowym znajdą się też kable pomiędzy miernikiem a kolumną. Jakieś rezystancje mają same styki. Kiedy wszystkie elementy działają prawidłowo rezystancje kabli i styków będą bardzo małe. Aby upewnić się czy nasz sprzęt pomiarowy działa prawidłowo można zewrzeć końcówki sond pomiarowych miernika i sprawdzić czy zmierzona tak rezystancja ma wartość małego ułamka bliskiego zeru.

Trzy aspekty analizy krzywej impedancji
Impedancję możemy analizować na różne sposoby. Po pierwsze interesuje nas rozpiętość pomiędzy minimum a maksimum. To się przydaje głównie wtedy gdy korzystamy ze wzmacniaczy lampowych o wysokiej impedancji wyjściowej. W badaniu tego zjawiska pomiar rezystancji omomierzem jest bezużyteczny.

Po drugie możemy oceniać czy krzywa impedancji ma łagodniejszy przebieg czy jest jest silniej pofałdowana z gwałtownymi zmianami. Łagodniejszy przebieg jest traktowany jako korzystniejszy dla wzmacniacza. Tego zjawiska pomiar rezystancji również w żaden sposób nie wyjaśni.

Trzecia sprawa to ustalenie wartości minimum impedancji w zakresie niskich i średnich tonów, czyli w zakresie gdzie sygnał muzyczny ma największą energię. To pozwala na ogólną ocenę czy kolumny są trudnym czy łatwym obciążeniam, a także na ile wiarygodna jest podana wartość impedancji nominalnej. Właśnie w tym zakresie pomiar rezystancji omomierzem może być potencjalnie przydatny.

Praktyczne realia dotyczące rezystancji i impedancji głośników
Jak już wspomnieliśmy pomiar omomierzem da nam wartość równą sumie rezystancji głośnika niskotonowego i rezystancji połączonych z nim szeregowo cewek. Typowe rezystancje głośników mieszczą się w przedziale od kilku do kilkunastu omów, a rezystancje cewek są na poziomie ułamków oma. Można przyjąć, że obecność cewki/cewek w obwodzie doda do rezystancji głośnika nie więcej niż kilka dziesiątych oma. Wiemy więc jaki jest sens fizyczny pomiaru rezystancji. Czas na kluczowe pytanie jakie wnioski możemy wysnuć odnośnie minimum impedancji mając zmierzoną samą rezystancję.

W pierwszym kroku skupmy się na samych głośnikach. Jeśli zaczniemy przeglądać karty katalogowe głośników szybko zauważymy, że krzywe impedancji są podobne w kształcie, że minimum impedancji samego głośnika basowego zwykle przypada dla częstotliwości od stu kilkudziesięciu Hz do niedużych kilkuset Hz. Wartość impedancji minimalnej zwykle jest kilkanaście procent większa niż wartość rezystancji. Przykładowo dla rezystancji głośnika 6Ω można się spodziewać minimum impedancji w okolicach 7Ω.

Wpływ zwrotnic i głośników średnio- oraz wysokotonowych
W sensie ogólnym zwrotnica ma bardzo duży wpływ na charakterystykę impedancji. Ale w omawianym tu przypadku interesuje nas tylko jeden aspekt - na ile pomiar rezystancji jest przydatny do określenia minimum impedancji.

Bywa tak, że minimum impedancji kolumny jest określone przez głośnik wysokotonowy i jego zwrotnicę. To akurat nie ma dla nas większego znaczenia. W interesującym nas kontekście ważniejsze jest bowiem minimum w zakresie basu lub dolnym zakresie średnich tonów, czyli tam gdzie skupiona jest energia sygnału muzycznego. Niskie minimum impedancji dla częstotliwości rzędu 2kHz czy większej nie spowoduje poważniejszego obciążenia wzmacniacza.

Głośniki średniotonowe i ich filtry (w kolumnach trójdrożnych) mogą znacząco wpłynąć na poziom impedancji w zakresie pojedynczych setek Hz. Ten wpływ nie będzie uwzględniony w pomiarze wykonanym omomierzem. Tak więc w przypadku kolumn trójdrożnych można się grubo pomylić jeśli wyciągniemy zbyt daleko idące wnioski. Jeśli zmierzona omomierzem wartość rezystancji kolumny trójdrożnej wynosi około 3 omów to możemy przyjąć, że mamy do czynienia z kolumną nominalnie 4-omową. Jeśli natomiast zmierzona wartość jest rzędu 5-6 omów to możemy mieć tylko nadzieję, że kolumny są 8-omowe, ale nie mamy takiej pewności, głównie ze względu na wspomniany wpływ głośnika średniotonowego.

Ostatecznie doszliśmy do głośników basowych kolumn dwudrożnych, ewentualnie 2,5-drożnych (z dwoma różnymi głośnikami pracującymi na basie bez filtrów górnoprzepustowych, z różnymi filtrami dolnoprzepustowymi). W tej grupie pojawia się dość ciekawa obserwacja praktyczna. Pomimo bogactwa stosowanych topologii i zróżnicowania wartości elementów okazuje się, że elementy filtrów zwrotnic zazwyczaj w niewielkim stopniu zmieniają minimum impedancji w stosunku do tego co ma sam głośnik (lub para głośnikiów połączonych razem). Zarówno częstotliwość, dla której przypada minimum, jak i sama jego wartość z reguły zmieniają się nieznacznie.

Wnioski końcowe
Mierząc rezystancję kolumn omomierzem trzeba mieć świadomość ograniczonej precyzji i ograniczonego zakresu zastosowań tej metody. Z drugiej strony można jednak z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, że w przypadku kolumn dwudrożnych oraz 2,5-drożnych minimum impedancji w zakresie niższych częstotliwości będzie kilkanaście procent większe od zmierzonej wartości rezystancji. Przy braku jakichkolwiek danych technicznych lub wątpliwości co do parametrów podanych przez producenta taka informacja jest jednak dość cenna.