Ustawienie regulatora głośności a moc na wyjściu wzmacniacza

Regulator głośności we wzmacniaczu to element tak wszechobecny i zarazem tak prosty w obsłudze, że opisywanie jego działania może się wydać niepotrzebne. Wiele osób ma jednak mylne wyobrażnia dotyczące działania regulatorów głośności. W szczególności często spotykane jest niewłaściwe rozumienie zależności pomiędzy nastawą regulatora głośności, a mocą oddawaną przez wzmacniacz. Niektórzy użytkownicy oczekują, że gdy pokrętło głośności zostanie ustawione w połowie skali (czyli na 5 w skali do 10), to wzmacniacz będzie pracował z połową swojej mocy maksymalnej. Takich założeń przyjmować nie można. Nie ma żadnej stałej reguły, która by wiązała nastawę regulatora głośności z mocą oddawaną przez wzmacniacz.

Regulator głośności w torze audio

W sprzęcie audio mamy bogactwo różnych rozwiązań funkcjonalnych i technicznych, ale ograniczymy się do opisu najpopularniejszego wariantu. W typowym sytemie mamy odtwarzacz płyt lub odtwarzacz plików oraz wzmacniacz zawierający różne stopnie wzmacniające lub buforujące, a także regulator głośności. Poszczególne elektroniczne stopnie odtwarzaczy i wzmacniaczy mają z reguły stałe wzmocnienie. O tym jak duży sygnał pojawi się na wyjściu wzmacniacza będą decydowały tylko dwa czynniki: odtwarzane nagranie i położenie regulatora głośności. W typowych układach regulator głośności jest tylko tłumikiem sygnału i nie daje żadnego wzmocnienia - zazwyczaj jest to po prostu potencjometr. W uproszczonej analizie możemy pominąć zróżnicowanie głośności samych nagrań i skoncentrować się na przypadku gdy sygnał ma maksymalny możliwy poziom - w przypadku nagrań cyfrowych jest to umowne 0dB.

Żeby obliczyć jaka moc może się pojawić na wyjściu wzmacniacza nie trzeba jednak analizować wzmocnienia poszczególnych stopni w torze audio. Wystarczą do tego trzy parametry rutynowo podawane w specyfikacjach technicznych sprzętu.

• Poziom wyjściowy odtwarzacza podaje się dla maksymalnej wartości sygnału, czyli dla 0dB. Poziom wyjściowy w domowym sprzęcie audio nie podlega standaryzacji, ale najpopularniejsze są wielkości pomiędzy 2V a 2,5V. Rzadko spotyka się mniejsze wartości, natomiast sporo urządzeń ma trochę wyższy poziom wyjściowy.
• Czułość wejścia wzmacniacza. Też jest ona podawana w woltach. Kiedy na wejście wzmacniacza podane zostanie napięcie takie same jak czułość, to na wyjściu otrzymamy moc nominalną. Czułość wzmacniaczy w domowym hi-fi też nie jest ustandaryzowana. Najczęściej spotyka się wartości w przedziale od 0,1V do 1V.
• Nominalna moc wzmacniacza to trzeci parametr, który jest nam potrzebny.

Zarówno w przypadku poziomu wyjściowego odtwarzaczy jak i czułości wejść wzmacniaczy często występują różnice pomiędzy połączeniami symetrycznymi XLR, a niesymetrycznymi RCA w tym samym urządzeniu.

Warto zwrócić uwagę, że w typowym systemie hi-fi mamy zwykle sporą nadwyżkę napięcia ze źródła. Poziomy maksymalne napięcia z odtwarzaczy są kilku-, kilkunasto-, czy nawet kilkudziesięciokrotnie większe od typowych czułości wejść wzmacniaczy. Tak więc, żeby nie przeciążyć wzmacniacza sygnał musi być prawie zawsze dość mocno tłumiony przez regulator głośności i to nawet wtedy gdy wzmacniacz ma pracować z pełną mocą.

Charakterystyki potencjometrów

W produkcji jest wiele różnych rodzajów potencjometrów, dostosowanych do wymagań różnych aplikacji. Do regulacji głośności we wzmacniaczach audio stosuje się potencjometry logarytmiczne. Wynika to z potrzeby dopasowania się do sposobu postrzegania głośności przez ludzkie ucho. Jak wskazuje sama nazwa, w potencjometrze logarytmicznym zależność pomiędzy położeniem pokrętła a sygnałem na wyjściu potencjometru ma być właśnie logarytmiczna. W praktyce najpopularniejsze potencjometry stosowane w sprzęcie audio mają charakterystyki, które są tylko zbliżone do krzywej logarytmicznej - to ułatwia produkcję i pozwala obniżyć koszty. Jak widać z codziennego doświadczenia takie odstępstwo od teoretycznej krzywej nie przeszkadza w wygodnym korzystaniu ze wzmacniaczy. Dobrą zgodność z krzywą logarytmiczną można łatwo uzyskać gdy zamiast potencjometru zastosowana jest drabinka rezystorowa.

No ale krzywe logarytmiczne też mogą być różne, mniej czy bardziej strome. Rodzaj charakterystyki (ang. taper) można z reguły znaleźć w karcie katalogowej potencjometru, ale niestety nie ma standaryzacji stosowanych oznaczeń. W interesującym nas tu kontekście można wyróżnić dwa popularne warianty.

• W pierwszym przypadku w środkowym położeniu pokrętła potencjometru na wyjście przekazywane jest 10% napięcia wejściowego (co jest równoważne tłumieniu 20dB). Ten wariant nazwiemy krzywą A10, ponieważ jest to jedno z oznaczeń stosowanych w praktyce.
• W drugim przypadku w środkowym położeniu pokrętła na wyjście przekazywane jest 15% napięcia wejściowego (co jest równoważne tłumieniu 16,5dB). Ten wariant nazwiemy krzywą A15, ponieważ też jest to oznaczenie stosowane w praktyce.

Przykładowe obliczenia

Aby zobrazować działanie potencjometru głośności prezentujemy poniżej dwie tabele. Podane są w nich moce jakie teoretycznie powinien oddać wzmacniacz o mocy nominalnej 100W przy ustawieniu potencjometru w połowie skali. Wartości mocy są podane dla różnych czułości wejścia wzmacniacza (Sens.) i dla różnych wielkości poziomu wyjściowego podłączonego źródła (V_out). Pierwsza tabela prezentuje wyniki dla potencjometru A10, druga tabela dla potencjometru A15.

Ponieważ przyjęliśmy do obliczeń moc wzmacniacza równą 100W to dzięki temu można też przyjąć taką interpretetację danych z tabel, że podane liczby to nie waty, lecz procenty mocy nominalnej wzmacniacza (dla wszystkich wzmacniaczy o mocy innej niż 100W). Tam gdzie podane jest 100W wzmacniacz pracuje z mocą równą 100% mocy nominalnej. Tam gdzie w tabeli podane jest 20W wzmacniacz pracuje z mocą równą 20% mocy nominalnej. Analogicznie interpretujemy wszystkie podane liczby.

Pogrubione zostały te pozycje gdzie w środkowym położeniu potencjometru wzmacniacz osiąga moc nominalną lub może być przeciążony. Wypunktujmy kilka najważniejszych wniosków płynących z tych obliczeń.

• Znaczące są różnice pomiędzy różnymi potencjometrami. W połowie skali potencjometru A15 moc będzie 2,25 raz większa niż w połowie skali potencjometru A10 (przy zachowaniu takich samych pozostałych parametrów).
• Korzystając ze źródła o popularnym poziomie wyjściowym 2V przy ustawieniu pokrętła w połowie skali można spowodwać przeciążenie wielu wzmacniaczy o czulszych wejściach.
• W typowych warunkach górny zakres pracy potencjometru nie będzie prawie wcale wykorzystywany.
• Spotykane na rynku wartości poziomów wyjściowych źródeł, czułości wzmacniaczy i charakterystyki potencjometrów dają paletę bardzo zróżnicowanych wyników. Największa moc z naszych tabel to aż 3.600W, najmniejsza to tylko 1W.

Sprawdzenie czułości wejścia wzmacniacza i poziomu wyjściowego źródła da zgrubną orientację jak działa nasza regulacja głośności. Żeby zwiększyć precyzję oszacowania trzeba by jeszcze ustalić jakiego rodzaju potencjometr pracuje we wzmacniaczu. No ale żeby jeszcze dokładniej zorientować się czy nie doprowadzamy do przesterowania wzmacniacza warto wykonać proste pomiary opisane w artykule Czy mój wzmacniacz pracuje z przeciążeniem.