AT-32-001.jpg

  一個初裝功率擴大機的人,對於自己裝的擴大機,最關切的問題,我想莫過於究竟有多少瓦的輸出?其實這種心理,在花錢買名牌擴大機的人也是一樣,總希望花二萬元買來的 100 瓦擴大機,最好有 110 瓦,這一點多出來的功率,不僅使買者感到自己沾了便宜,更易於令買者對這個廠牌佩服得五體投地,逢人便說好。

  不錯,在一些平價型的機種之中,製造廠商對於以誇大輸出功率以吸引顧客的做法頗為熱衷(因為很有效),不過環觀市場上的產品,這種輸出功率的誇張,差不多僅限於 30 瓦級以下的小擴音機。一旦廠商們所生產的輸出功率已高於 60 或 100 瓦,輸出功率之誇張便失去了特定的意義,所以便無廠商願意這樣做。

  那麼像標定為 100 瓦的擴大機,經實測的結果,居然有 110 瓦之多,究竟值不值得大加誇耀一番呢?我想那是不必的;相反的,如果你買的是 100 瓦的擴大機,經人實測的結果,只有 95 瓦,也無需訝異和氣憤。因為這兩者之間有許多特定的因素必須考慮。當然,要徹底了解這個問題,最好從自己裝下手。

  以下便是幾個必須了解的問題:

輸出電壓絕不會高於供給電壓

  以現代的擴大機而言,其輸出級的架構,大多屬於 SEPP 型式(真空管或類如 McIntosh 另加輸出變壓器者除外),這種架構之擴大機,最主要的特點就是輸出電壓之擺幅,最大不會超過供給電壓,在這種情形之下,如果負載(喇叭阻抗)是固定的,那麼輸出功率也被供給電壓所決定。

AT-32-002.jpg

  為什麼輸出電壓擺幅會被供給電壓所決定呢?請參看圖一來說明。一般 SEPP 型擴大機供給電壓和輸出之間的關係,可用四點來表示,即A、B、C、D, A 與 B 是供給電壓,此供給電壓可以由 A 算到 B ,也可以由 A 先算到 D 再算到 B, D 是零位點,即一般所說的接地端,如以 D 為零位,在 A 上面所出現的是正電壓,所以叫 +Vcc,而在 B 點所出現的則為負電壓,稱 -Vcc。理想上, A、B、D 各點的電壓都是固定的,唯有 C 點電壓是可以擺動的,此 C 點,便是所謂的輸出端,它一直連到放大線路上。而這條線電壓的擺動,大概可以這樣解釋:也就是由C 點到 A、B 兩點間各連接了一個(或多個)功率晶體,這兩個晶體是承受著前面送進來的訊號電壓而交替地(請注意「交替」二字)工作著。當上面一個晶體工作時,也就是說上面一個晶體導電的時候, C 點電壓變往上升到 +Vcc 電壓就升不上去了。反之當下面一個晶體工作時, C 點電壓變往下降,但同樣的,也只能降到 -Vcc為止。這 C 點電壓的上下擺動,便成了所謂的輸出擺幅。由此我們可以很清楚地看出 C 點電壓的擺動總是被限制在 ±Vcc 之間的。

  輸出電壓既然被限制了,輸出功率便決定於負載。但由於現代的擴大機負載系統──喇叭的阻抗多以 8 歐姆為標準,除非我們刻意地去接上 4 歐姆或阻抗更低的喇叭,不然回過頭來輸出功率還是被供給電壓所限制。

輸出功率與波形有關

  一般計算交流電功率多以正弦波為基礎,這是由於絕大部分的電力系統均輸送正弦電壓,而一般的交流電機也依靠正弦電功率工作。因此,我們既計算擴大機的輸出功率,自然亦以延用正弦輸出為宜。

  因為正弦交流電壓是瞬變的,由零到最高然後逐漸降低到零再轉為負,到最低值後又回升。因此它「作功」的情況和長時間均固定在同一電壓的情況是迥然有異的。

  以電壓的換算來說,一個最低到最高擺幅的所謂峯到峯值電壓,只能等於同值電流電壓的 2×√2分之一。例如峯到峯為100伏的正弦交流電壓,在作工時,實際上只等於100伏×1/28.28=35伏

  又因為一般直流電功率的算法是:

    P=E²/R

  如果以等值的峯電壓來算功率的話,就是:

    Pout=(Vcc²/28.28)²/RL

  此式實際可簡化為:

    Pout-Vcc²/8RL

  這便是一般計算 OTL 或 OCL 擴大機的基本公式,由此公式所算出來的只是可能到達的最高輸出的概值,實際上還得減去電晶體內部的壓降。

  以上所談只是以正弦波型為基礎的輸出功率估計。

AT-32-003.jpg

小功率特別容易燒喇叭

  事實上,如果完全不顧忌失真,我們是可以將輸入訊號電壓一直加大的,當輸出電壓之峯值開始接近 ±Vcc 電壓時,由於輸出電壓無法大於 ±Vcc 電壓範圍,所以那應該超出的部分便被切掉了。這時,我們要特別注意到一種現象,就是輸出電壓雖被 Vcc 電壓所限制,但是由於輸出波形的頂(底)端,逐漸被切掉,而愈來愈像方波,於是實際的輸出電力便愈來愈大。由於這種現象的發生,所以我們應當確信一部 100 瓦不失真輸出的擴大機,極可能在波形切割之後,致令揚聲系統承受 100 瓦以上的電力,而尤其可怕的是,在 100 瓦以上,揚聲器的音量並無顯著之增加。這便是我個人常主張小功率擴大機特別容易燒喇叭的原因。

為什麼輸出會不夠?

  前面我們所強調的兩個事實是:

  (1)輸出電壓的擺幅無論如何不會超越到 Vcc 供給電壓之上,換句話說,假如負載是固定(8 歐姆)的話,Vcc 電壓便決定(應該獎「限制」)了擴大機的輸出功率。

  (2)最大輸出為 100 瓦的擴大機,如失真不予計較的話,任令其波形割切的後果,可能使擴大機的輸出超出 100 瓦,甚至於接近二倍。

  這兩個事實之所以不會發生衝突,主要是緣於第二項事實是可以任令波形切割,但切割的結果,輸出功率雖增加了,電壓卻未增加,而第一項事實則是以波形開始割切為限制點。雖然如此,我們卻經常可能發現,不管在成品機中,或者是自己裝的擴大機,其輸出電壓不能到達 Vcc 電壓的情況,而這種情況事實上還包括了:「這是 300 瓦的擴大機,但感覺上似乎還『不夠力』?」的疑問。

  那麼究竟為什麼會這樣呢?如果加以分析,至少你應注意已下這幾個問題:

增益問題:通常一部擴大機的增益,多設法在大約 27dB 左右,亦即電壓放大約為 22.5 倍,此時 1 伏的輸入,可以獲得 22.5 伏的輸出,如在 8 歐姆負載的狀況之下,換算為電力則為 63 瓦。

  換句話說,一部 250 瓦的擴大機,如果增益仍為 27dB 的話,1 伏的輸入,充其量仍然只有 63 瓦的輸出。如果希望到達 250 瓦輸出,那麼便只有兩個辦法:

  1.將增益提升為 45 倍或 33dB:改變功率擴大機的增益就一般 SEPP 型擴大機的架構來說,只要變更交流回授量即可。以 ESS 功率擴大機為例,R38/R6 之比值即決定了增益,若 R38 為 22K,R6 為 820,則增益為 22.000/820=26.8 倍 = 28.6dB。此時不管將 R38 改為 37K 或將 R6 改為 49K,都可以使該擴大機之增益提升為 33dB,但此時你必須考慮是否因此會使擴大機之直流穩定性變劣,以及功率頻寬遭到縮減?

  就某個角度來說,100 瓦的擴大機,其增益應較 50 瓦多 3dB, 200 瓦則多 6dB,但是事實上,我們在市上所見的擴大機並非如此,它們的輸出功率由 30 瓦到 300 瓦都有(相差 10dB),而增益則多在 26~29dB 之間變動。在這種情形下,你似乎無法感覺到 300 瓦確較 30 瓦多了多少的「出力」。

  2.把音量旋鈕往右旋:這意思便是加大功率擴大機輸入訊號的強度到 2 伏。2 伏的輸入經 22.5倍的放大,便可到 45 伏的輸出(8 歐姆負載253 瓦)。

  但此時你必須考慮到,前級擴大機的輸出是否真能到達 2 伏(峯到峯為 5.6 伏)?別以為一般前級擴大機的規格表上都寫著輸出 6 伏、8 伏甚至 10 伏以上。這情況也正和功率擴大機一樣,那只是表示最大不失真輸出的限制點而已,並不表示真正的輸出有 6 伏、8 伏、或 10伏。因為它真正的輸出電壓,仍受限於:(1)訊源輸入電壓;(2)本機增益。如果本機之增益不足而訊源輸入電壓又不夠時,即令音量控制器右旋到底,也未必見得能到額定的輸出。

  以上乃就某一確實能有若干瓦輸出之擴大機,當它播放音樂的時候可能產生的情況,嚴格地說來,以音響系統播放音樂,根本是不能以「電功率」來計量它的,但是儘管如此,每一個買了或裝了擴大機的人,總希望證實一下自己的擴大機究竟有多少瓦的輸出。

  測試功率擴大機之輸出功率,至少必須具備下列四種器材:

  1.聲頻訊號產生器

  2.聲頻用同步或觸發型示波器

  3.比較精密一點且高頻響應良好的三用電表

  4.無熱敏作用的大瓦數 8 歐姆電阻。

器材的連接方法是:

  (1)先將聲頻訊號產生器的輸出接於擴大機之輸入端。

  (2)再將擴大機的輸出接上 8 歐姆的電阻負載。

  (3)示波器的垂直輸入接到 8 歐姆負載的兩端。

器材接好後,請依下列程序進行操作:

  (1)示波器、擴大機及訊號產生器分別依序開機,開機前最好將所有的 Level 或 Gain 都歸零。

  (2)示波器如為雙線掃描式,可將其第二頻道輸入接於擴大機之輸入端(即訊號產生器之輸出,作為監視比較)。

  (3)調整訊號產生器之頻率為 1.000Hz,並逐漸加大輸出電平。

  (4)調整示波器之時基或同步頻率,使幕面出現 1~5 個正弦波型為度──如非使用雙線示波器時,此項工作最好由訊號產生器之輸出直接接到示波器來完成,以確證訊號沒有問題,再恢復到原來的接法。

  (5)依功率擴大機預期的輸出電壓(例如 100 瓦時為 28 伏 × 2.828 = 80伏,此電壓實際就是 Vcc 電壓)調整示波器的垂直輸入靈敏度,使能容納 p-p 電壓為度。而示波器如有校準設備時,此時應先進行校準工作。

  (6)反旋訊號產生器之輸出電平鈕到零位置。正旋擴大機之 Gain 控制鈕到最大(如無 Gain 控制則不必),如有濾波器或衰減器等,應將之開路。

好戲就要開始了:

  (7)慢慢加大訊號產生器的輸出,並注視著示波器的波形情況:正弦波形慢慢加大後,終於在有一點上,正弦波的上下端被切掉了。這時候請稍稍降低一點輸入,到波形要切未切的程度為止。

  (8)以三用表量取輸出端的交流電壓,或示波器之幕面讀數,如果準確的話,也可以直接自示波器上讀取峯到峯值電壓然後除 28.28 即為 RMS 電壓。

  (9)讓擴大機在滿功率的情況下,連續工作 2~3 分鐘並注意散熱片溫度狀況,燙手時應立即關機。

  (10)關機,將所讀取之輸出電壓換算為電功率,其算法是:

AT-32-004.jpg

  如果你的擴大機工作很正常的話,我想你大概會發現:擴大機的最大輸出電壓 p-p 值很接近於 Vcc 供電壓。

  而在此必須特別說明的一點乃是:一般之功率擴大機是不能也不必在滿功率的情況下做長時間工作的,因此在做全功率測試時,動作要快一些,且隨時注意功率晶體的溫度。如果你想試擴大機長時間的工作情況時,只能讓擴大機在三分之一全功率的情況之下(電壓為 0.57 倍),半小時、一小時或更長的時間。如果以三分之一功率做長時間工作,會使散熱片過熱時,那麼不是功率晶體的 pc 不夠就是散熱片面積不夠。

沒有儀器怎麼辦?

  看完以上的敘述,可能有很多讀者會問,如果沒有儀器怎麼辦呢?我們雖然不能說全然沒有辦法,但至少它和沒有尺怎樣量身高的結論一樣,可以靠感覺,也可以用比較。

  感覺或比較功率擴大機輸出電力的大小,千萬不能用「聽大小聲」的方法,因為如果用聽,200 瓦的擴大機未必比 100 瓦的聲音大。

  一個比較可靠的方法乃是使用假負載,但要把假附再的一小部份分壓出來,以耳機來鑑聽。

  輸入最好還適用訊號產生器的正弦波訊號,因為正弦波再開始割切時,音色的變化比較容易被耳朵鑑別出來。

  當輸入訊號逐漸加大之後,注意聽著正弦音調,直到音色開始變化時就停止,並稍稍反旋一些,再用三用電表量取輸出電壓的 RMS 值然後換算功率。

  總之,鑑別功率擴大機輸出電力的大小,萬萬不能用音樂訊號來聽音量的大小,因為那根本就是不準確的。

輸出不足怎麼辦呢?

  有很多時候,我們可能發現自己裝的擴大機的輸出功率確實無法到達預期(設計)功率,這時該怎麼辦呢?

  以下幾點可供為你檢查的參考:

一、在全功率輸出的情況之下,檢查 Vcc 電壓:在前面我們曾經兩度地提到過,輸出電壓的峯到峯值,無論如何不會超越 Vcc 電壓,但若距離 Vcc 電壓太遠也不對。但在此處我們必須確認什麼是 Vcc 電壓。爰特舉例說明如下:

  例如我們使用了 50-50 伏的變壓器(亦即 100 VCT)當擴大機沒有輸出時,它大概要有 ±50伏 × 1.41 的直流供電壓 ±70V 一般均稱它為 Vcc,實際上則應為 VDC 電壓,因為擴大機在做全功率輸出時,實際供應到擴大機上的電壓必會略有下降,此實際供應的電壓才算是真正的 Vcc。

  以 VDC 為 ±70伏的情況而言,如果電源變壓器的品質不良,在全載的情況之下,Vcc 是極可能低落到 ±65 伏的。這樣一來,我們原以為輸出峯值會接近峯到峯值 140 伏的,而實際上卻只能到達 130 伏,如此僅僅 10 伏的電壓低落,輸出功率即可能由 312 瓦減到 253 瓦,相差將近 60 瓦之鉅。

  於是這裡便有了一個問題:為什麼 Vcc 電壓會降下來那麼多呢?原因主要的當然是出在變壓器的電流不夠。但是變壓器的電流怎麼不夠呢?這個問題就必須從變壓器規格上來探索,任何變壓器在滿載時一定會比空載時電壓低,這個壓降主要來自次級圈的直流電阻。而此容許之壓降則為變壓器製造設計時的主要依據,例如說,100 伏 CT 的變壓器,當有 3 安負載時,電壓下降率為 10%,這 100 伏、 3 安、及 10% 都是變壓器的主要規格,但我們通常只見到 100V 3A 之標示而不見 10% 的標示,事實上,如果不管電壓下降率,一只 3A 的變壓器,在不十分長的時間之內,它可能工作到 4A、5A 甚至 6A 而不會燒毀。換句話說,這只 100 伏 3 安 10% 的變壓器,它也可能是100伏 1.5A 3% 的規格。這是變壓器製造廠很容易耍的把戲,讀者不可不注意之。

二、檢討全部電路中晶體的耐壓值及 Pc 是否足夠:就一般的情況而言,擴大機輸出之正峯值應是 +Vcc 扣除輸出功率晶體的飽和電壓或內部壓降,如果功率晶體的 Pc 十足時,其飽和電壓應該非常接近 0.6 伏的典型矽半導體值。例如 Pc 不足時(容易發熱)就會形成很大的內部壓降,於是影響輸出到定值。

  另外如果晶體的耐壓不足時,比較通常的情況當然是立即燒毀,但有些時候晶體的擊虧電流如果很大時,也會自然形成限壓作用,當然這種限壓是很危險的。 

三、檢討短路保護電路是否過早動作:一般線路中的短路或過載保護電路多利用輸出級之射極電阻上的壓降分壓來動作,如分壓比分配得不恰當時,即可能造成提前截流的情況。

四、注意市電源電壓變動的影響:不久前某音響公司的技術部門,曾對該公司所代理的某牌 250 瓦的擴大機做了一番測試,結果發現輸出居然有 280 瓦之多,高出標定值 30 瓦,於是便大事宣傳。雖然我深知這種情況是十分可能的,但由於那神話一般的吹噓,引起了我一探究竟的興趣。首先自然是察看 AC 電源電壓,原來此機之變壓器有 240 伏、120 伏、105 伏、100 伏等幾個接法,而該型擴大機則被接於 105 伏的位置。再查看該機線路圖標定之 Vcc 電壓為 ±67 伏,經量取實際值卻高達 ±73 伏(幸好濾波電容為 80V 者),顯然 AC 電壓有過高之嫌。量一量當時的市電壓約為 114伏,但此機變壓器卻無 115伏之接法,只好試將之改接於 120 伏上,結果 Vcc 電壓降到 ±64伏左右輸出則降到 240 瓦左右了。

  由此我們知道,電力公司 ±10%左右的電壓變動率,也可能造成輸出功率上極大的升降呢!

轉載音響技術第32期AUG. 1978 功率擴大機的輸出功率漫談/陶 宛

    全站熱搜

    蘇桑 發表在 痞客邦 留言(1) 人氣()