Ako je už uvedené v nadpise tohto príspevku,
budeme sa baviť o nízkofrekvenčnej technike
a snáď takmer o všetkom, čo k nej patrí. Budem tu
uvádzať svoje skúsenosti( najmä praktické ),
no predovšetkým to nechám na väčších odborníkoch,
ako sú napr. RNDr. Bohumil Sýkora, Tomáš Tláskal, no a najviac známi bude s poklonou a úctou Vojtěch Voráček.

Začneme teda tou teóriou a prvý článok sa bude zaoberať problematikou „Medzi zosilňovačom a reproduktorovou sústavou“
Problematika prepojovania elektroakustických zariadení, najmä takých, ktoré sú používané v tzv. HiFi technike je zaujímavou témou patriacej k takmer k neobmedzeným diskusiám. Nehovoriac už o triede High-End, keďže tu je to už celkom na inej, samozrejme vyššej úrovni, či už tej počuteľnej alebo tej, ktorá nám odľahčí peňaženku a to aj v prípade, že sa bavíme len o kábli, ktorý vedie od zosilňovača ku reproduktorom. No a práve v tomto článku sa budeme zaoberať prepojovaním reproduktorových sústav k ostatným zariadeniam a budeme riešiť rôzne usporiadania takýchto prepojení.

Najjednoduchší spôsob, ako prepojiť reproduktorovú sústavu s zosilňovačom alebo zvukovou aparatúrou, inak napísané, realizovať spojenie medzi výstupom zosilňovača a vstupom reproduktorovej sústavy, spočíva v tom, že výstupné svorky zosilňovača sa spoja so svorkami reproduktorovej sústavy káblom, ktorý obsahuje dva od seba izolované vodiče. Tento spôsob na náväznosť ďalších variant môžeme označiť, ako monowiring ( wiring = vedenie ). Na obrázku 1 je bloková schéma takéhoto usporiadania ( kvôli jednoduchosti sa predpokladá, že reproduktorová sústava je dvojpásmová ).

Základnou témou nikdy nekončiacich diskusií na tému prepojenia
je vplyv káblov na zvuk. Je jasné, že spojovací kábel určitý vplyv na prenos signálu od zosilňovača ku záťaži ( reproduktor ).
Vzhľadom k tomu, že pri prenose zvukových signálov sa pohybujeme v oblasti kmitočtov do 20kHz ( možno až 30kHz ), čomu odpovedá minimálna vlnová dĺžka 15km, tak môžeme za obvyklých okolností i dosť dlhý kábel považovať za nekonečne krátky a jeho elektrické vlastnosti popísať náhradným obvodom so sústredenými parametrami. Jeho vplyv na prenos signálu potom spočíva v tom, že tento obvod je postavený medzi zosilňovač a reproduktorovú
sústavu, ako to ukazuje schéma na obrázku 2.

Indukčnosť L je pozdĺžna indukčnosť kábla, ktorú pre nízke frekvencie meriame na jednom konci kábla zapojeného, ako dvojpól na druhom konci skratovaný. Podobne meriame aj odpor. Kapacitu meriame na jednom konci s tým, že druhý koniec kábla je rozpojený. Všetky tieto veličiny sú priamo úmerné dĺžke kábla, takže je dobré zaviesť ich špecifické hodnoty špecifické pre jeden meter kábla. Hodnoty špecifickej indukčnosti u kábla používaných NF technike sa pohybujú od niekoľko desatín do niekoľko jednotiek mH/ m, špecifický odpor je typický jednotky až desiatky mΩ/ m a kapacita desiatky až stovky pF/ m. Pritom zhruba platí, že káble podobnej konštrukcie s väčšou indukčnosťou mávajú menšie kapacity a káble s nižším odporom nižšie indukčnosti.

Vplyv káblov môžeme znázorniť ešte jednoduchšie podľa obrázka 3.
Výstupné napätie zo zosilňovača sa dostáva na vstup reproduk-
torovej sústavy cez delič tvorený pozdĺžnou vetvou zloženou
z odporu R, indukčnosťou L a priečnou vetvou tvorenou
impedančnou záťažou Z. Obidve vetvy majú kmitočtovo závislú
impedanciu, takže prenos deliča je tak isto kmitočtovo závislý.
Kapacita C sa pritom uplatňuje iba, ako parazitná záťaž výstupu
zosilňovača. Kmitočtová závislosť prenosu deliča sa samozrejme
premietne do celkového chovania systému zosilňovač – repro-
duktorová sústava. Impedancia pozdĺžnej vetvy môže pri väčších

dĺžkach kábla, s menším prierezom vodičov a väčšej špecifickej indukčnosti dosiahnuť na vyšších kmitočtoch niekoľko desatín Ω. Pri impedančnej záťaži napr. 4Ω, to znamená útlm, ktorý sa môže blížiť k jednému dB. Uvažujeme ďalej, že skutočná impedancia sústavy sa môže pohybovať v závislosti na kmitočte v rozmedzí od menovitej hodnoty do jej 10-násobku i viacej, konštatujeme, že kábel môže spôsobiť prídavné zvlnenie amplitúdovej charakteristiky systému radu desiatok až jednotiek dB, inými slovami, sú to hodnoty, ktoré už nie sú zanedbateľné. Preto je správne používať v tejto oblasti káble s čo najnižším odporom a indukčnosťou. Kapacita káblov síce na charakteristiku prenosu nemá významný vplyv, môže však nevhodne ovplyvniť chovanie zosilňovača ( nestabilnosť a pod. ). Preto je aj snahou výrobcov NF káblov držať ich kapacitu v rozumnej miere. Dostatočne malé hodnoty pozdĺžnej impedancie káblového prepojenia a dostatočne nízkej parazitnej kapacity sa prakticky v High-End oblasti nepoužívajú, pod podmienkou dostatočnej kvality prenosu signálu. Preto sa používajú káble veľmi komplikovaných usporiadaní, doporučuje sa používať strieborné alebo aspoň postriebrené vodiče, prípadne vodiče vyrobené s veľmi čistej medi a tak isto sa používajú rôzne alternatívne prepojenia, ktoré ďalej popíšem.

Biwiring

Je to pripojenie výstupu jedného zosilňovača k jednej reproduktorovej sústave dvomi káblami. Spočíva v rozdelení medzi vstupmi basovej/ stredobasovej a výškovej/ stredovýškovej sekcie výhybky a pripojenie každej sekcie na vstup zosilňovača samostatným káblom. Ako výhoda sa uvádza, že prípadné rušivé napätie, generované v meničoch jednej sekcie sa nedostane do druhej sekcie priamo, ale najskôr musí ísť od vstupu príslušnej sekcie na výstup zosilňovača, takže sa utlmí deličom „impedancia kábla – výstupná impedancia zosilňovača“ a až potom pokračuje späť k sústave na vstup druhej sekcie.
Samozrejme, že efekt biwiringu je tým väčší, čím väčšia je impedancia kábla, teda čím je kábel horší a to za predpokladu, že výstupná impedancia zosilňovača je dostatočne malá. Pri nízkej impedancii kábla a vysokej vstupnej impedancii zosilňovača to nefunguje vôbec, pri nízkej impedancii kábla a nízkej vstupnej impedancii zosilňovača je prínos biwiringu otázny. Používať káble so zámerne vyššou impedanciou je nezmysel, keďže to má nepriaznivý vplyv na chovanie reproduktorovej sústavy všeobecne – s výnimkou prípadov, kedy je konštruovaná tak „hlúpo“, že musí byť pre správnu funkciu napájaná zo zdroja s vyššou impedanciou a teda nemá rada zosilňovače s veľkým – tak obľúbeným – činiteľom tlmenia. Celá tzv. filozofia biwiringu je trochu pochybná, pretože v skutočnosti sa tie, tak obávané rušenia z reproduktorov musia najskôr potlačiť späť výhybkou, ktorá je samozrejme vďaka svojej vysokej prenosovej impedancii v spolupráci s malou impedanciou zdroja signálu ( výstup kábla ) utlmí. Avšak určitý efekt nie je fyzikálne vylúčený – nejaká tá tisícina dB alebo percenta sa tak možno vyrobí.
Pripoja sa na výstup zosilňovača dva káble miesto jedného, je výstup zaťažený mimo iného súčtom ich kapacít, v prípade zhodných káblov je to dvojnásobok kapacity jedného kábla. Väčšia kapacita paralelne spojenej dvojice káblov môže mať na funkciu zosilňovača nezanedbateľný vplyv, ak vadí zosilňovaču kapacitná záťaž, potom by sa jednalo o zhoršenie. Pokiaľ ide o prípadne VF rušenie, bola by to zas zmena k horšiemu ( na viac káblov sa toho aj viac nachytá, aj keď dvojnásobná kapacita by mohla toho trochu vykompenzovať ). Dodám ešte, že k použitiu biwiringu nie je zhodné k prípadnému použitiu paralelne spojených káblov u monowiringu, pretože vďaka výhybke je každý kábel zaťažený v inom kmitočtovom pásme. Vo výsledku, potom vplyv káble z hľadiska vplyvu impedancie káblov na prenos signálu odpovedá skôr jednému káblu v monowiringu. Samozrejme s tou výhradou, že jednotlivé sekcie reproduktorovej sústavy pri rozpojení môžu mať v časti kmitočtového pásma impedanciu menšiu, ako pri paralelnom spojení – to by potom znamenalo, že celé usporiadanie z hľadiska vplyvu deliča „impedancie kábla – vstupná impedancia sústavy“ na kmitočtovú charakteristiku sa v príslušnom kmitočtovom pásme bude chovať horšie ako monowiring. Našťastie tento vplyv kábla na kmitočtovú charakteristiku asi nebude až tak ničivý, ako sa všeobecne vraví, takže tu sa otvára priestor k viere v zázračnosť biwiringu z iných dôvodov.

Biamping

V bežne používanom významu slova ide vlastne o vylepšenie biwiringu tým, že sa každá sekcia sústavy napája samostatným výkonovým zosilňovačom a využíva sa pasívna výhybka v sústave. Výhoda je ( aspoň teoreticky ), že sa úplne eliminuje vzájomné elektrické rušenie meničov, teda ak neuvažujeme nad interferenciou v sieťových prívodoch, ale toto by mohla byť skôr téma patriaca medzi High-End.
Druhým prínosom biampingu je určite zvýšenie prúdovej kapacity. Do akej miery je významné, záleží však na štruktúre signálu. V krajnom prípade je možné počítať s tým, že použitá dvojica výkonových zosilňovačov je z hľadiska reproduktorovej sústavy, ako celku schopná dať prúd zodpovedajúci súčtu ich maximálnych výstupných prúdov a to za predpokladu, že v signály sa nachádzajú súčastne zložky spadajúce do oboch deliacich pásiem výhybky. Je však jasné, že pokiaľ sú v nejakom okamihu v signály iba výšky alebo iba basy, prúdy sa nesčítavajú, pretože prúd je do záťaže dodávaný vždy iba jedným zosilňovačom. Iný pohľad na vec je možný z hľadiska zaťažovacej impedancie. V prevažnej väčšine tej časti kmitočtového pásma, keď ich prenos je výhybkou potlačený, je vstupná impedancia príslušnej sekcie reproduktorovej sústavy výrazne väčšia, ako menovitá impedancia, prípadne impedancia paralelne spojených sekcií ( síce, ako už bolo napísané u biwiringu, v určitom pásme môže impedancia hociktorej sekcie menšia, než pri ich paralelnom spojení, rozsah tohto pásma je však dosť obmedzený ). Je to dané značnou kmitočtovou závislosťou impedancie na vstupoch jednotlivých sekcií výhybky. Pre takto kmitočtovo závislú impedanciu môžeme definovať niečo, ako „priemerná impedancia“, ktorú zosilňovač „vidí“ pri prenose širokopásmového signálu a jej hodnota je všeobecne významne väčšia, ako hodnota zodpovedajúca paralelne spojeným sekciám. Následkom toho je pri prenose širokopásmového signálu zosilňovač daného kmitočtového pásma prúdovo zaťažovaný menej, akoby zodpovedalo zaťaženie paralelne spojenými sekciami. Určitou nevýhodou biampingu je nevývaženosť zaťaženia výkonových ciest. Pokiaľ je použité delenie basy + stredy/ výšky ( jediná možnosť u dvojpásmovej reprosústavy ), je priemerný výkon vo vysokotónovej ceste zlomkom výkonu v ceste basovej ( cca 15% ). Špičkový výkon je však v oboch cestách zrovnateľný, takže pokiaľ použijeme v oboch cestách rovnaké výkonové zosilňovače dimenzované z hľadiska špičkového výkonu, bude ten vo vysokotónovej vetve po stránke trvalého výkonu veľmi predimenzovaný. Bohužiaľ zosilňovače optimalizované pre takúto aplikáciu sa bežne nevyrábajú, čo je škoda, pretože by mohli mať omnoho menší transformátor ( zdroj ) a chladič a zároveň by bol aj lacnejší. Za zmienku ešte stojí, že popísaný biamping má určité výhody oproti riešeniu s aktívnou výhybkou, špeciálne pokiaľ ide o dosiahnuteľný špičkový výkon.

Biamping s nevýkonovou výhybkou znamená:
: Vynechanie pasívnej výhybky v reproduktorovej sústave
.
: Použitie oddelených výkonových zosilňovačov pre každé frekvenčné pásmo.
: Rozdelenie signálu do pásiem ešte pred príchodom k výkonovým zosilňovačom s použitím sústavy nevýkonových filtrov.
Tieto filtre sa obvykle stavajú, ako aktívne ( toto nie je nutnou podmienkou ), preto sa toto riešenie označuje obvykle, ako riešenie s aktívnou výhybkou.
Základným prínosom tohto riešenia je, že sa úplne vylúči vplyv meničov na funkciu výhybky. Tento vplyv predstavuje u pasívnych riešení jeden zo základných problémov, s ktorými sa treba vysporiadať a riešenie býva z pravidla iba čiastočné. Ďalej je pri výkonovom delení možné celkom ľahko realizovať výhybky vyšších stupňov, prípadne do výhybiek zapojiť korekcie vlastných kmitočtových charakteristík meničov, fázové korekcie a pod. Toto je teoreticky možné aj u pasívneho riešenia, ale náklady na príslušnú výhybku a náročnosť jej návrhu i stavba by bola veľmi neprimerane vysoká.

Významným, aj keď dosť diskutabilným prínosom biampingu s aktívnou výhybkou ( všeobecné riešenie reproduktorovej sústavy s nevýkonovou výhybkou ) je isto zvýšenie výkonovej kapacity oproti riešeniu s jedným zosilňovačom a pasívnou výhybkou. Do akej miery to má význam, záleží na mnohých faktoroch, dôležité je poznamenať, že výsledný dosiahnuteľný výkon nemusí byť súčtom výkonov všetkých zosilňovačov ( je to iba možný prípad nie pravidlo ). Predovšetkým si treba ujasniť, čo sa vlastne so signálom pri jeho delení do pásiem deje. To vlastne závisí na štruktúre signálu.
Je celkom jednoducho možné uskutočniť teoretický rozbor pre tzv. ustálený signál, napr. harmonický signál, šum a pod. Zvukový signál je však bohužiaľ značne neustálený, takže pre prípadný teoretický rozbor je nutné stanoviť niektoré zjednodušujúce predpoklady a ujasniť si význam niektorých definícii. Predpokladáme predovšetkým, že okamžitá hodnota signálovej veličiny ( napr. napätia ) neprekročí určitú danú hranicu. Táto hranica definuje prenášanú špičkovú hodnotu signálu. To je takmer v súlade s praxou – signály v reálnych systémoch nemôžu prekročiť hodnotu danú systémom ( napr. u digitálneho prenosu je to maximálna kódovaná hodnota, u zosilňovača napätia odpovedajúcemu limitácií a pod. ).

Ďalej si musíme uvedomiť, že tzv. efektívna hodnota ( napätia, prúdu… ) je vždy vo vzťahu k nejakému časovému intervalu. Nemá teda zmysel hovoriť o okamžitej efektívnej hodnote. Pokiaľ chceme uvažovať niečo, ako časovú premenu efektívnej hodnoty, musíme si stanoviť pevnú dĺžku intervalu, pre ktorý ju budeme vyhodnocovať. To je možne prevádzať pre premenný ( v čase sa „posúvajúci“ ) počiatok tohto intervalu. Efektívna hodnota je odvodená od výkonu signálu a k jeho presnému definovaniu na základe znalostí časového priebehu signálu je potrebný integrálny počet. Pre signály všeobecného časového priebehu, o ktorých sa dá povedať, že sú širokopásmové, je lepšie voliť vyhodnocovací interval pre efektívnu hodnotu o dĺžke rovnej niekoľko násobku periódy najmenšej spektrálnej zložky, ktorú ešte chceme rozoberať – pre akustický signál to môže byť napr. 100ms. Výkon môžeme definovať dvojitým spôsobom. V bežnej praxi, orientovanej na spotrebu, či premenu energie, najlepšie odpovedá priemerný výkon za nejaký časový interval. Priemerný výkon signálu odovzdaného do záťaže s odporom R v priebehu tohto časového intervalu je rovný druhej mocnine efektívnej hodnoty napätia signálu v danom intervale delené týmto odporom. Pokiaľ tento výrok chápeme ako ekvivalenciu, je to vlastne tiež definícia efektívnej hodnoty na základe výkonu. Má však zmysel vravieť tiež o okamžitom výkone definovaného pre odporovú záťaž, ako podiel druhej mocniny okamžitého napätia signálu a odporu záťaže ( výkon je možné vyjadriť aj pomocou prúdu ).
Ak širokopásmový signál by sme chceli rozdeliť do dvoch ( prípadne viacej ) pásiem s použitím výhybky zloženej z elektrických filtrov, potom vzťah medzi výkonom vstupného signálu a výkonom výstupného signálu závisí na vlastnostiach výhybky ( presnejšie by sme mali miesto výkonu hovoriť o strednom kvadráte danej veličiny ). Pokiaľ použijeme tzv. výhybku s konštantným súčtom výkonov ( združené filtre Butterworthovho typu neparného stupňa ), bude priemerný výkon na vstupe výhybky rovný súčtu priemerných výkonov na výstupe výhybky. O okamžitom výkone však nič jednoduchšieho napísať nejde. Jeho maximálna hodnota zodpovedajúca niektorému výstupu výhybky môže významne presiahnuť hodnotu zodpovedajúcej pre vstup. Viacej na obrázku 7, na ktorom sú časové priebehy obdĺžnikového signálu 200Hz ( stredná časť ) a toho, čo z nej urobí dolnopriepustný ( dolná časť ) a hornopriepustný ( horná časť ) filter typu Linkwitz-Riley 2. stupňa s deliacou frekvenciou 3kHz.

Je dobre známe, že špičková hodnota napätia na výstupe hornopriepustného filtra je podstatne ( teoreticky až dvakrát ) väčšia, ako špičkové napätie na vstupe filtra. Pokiaľ je takto signál upravený ešte pred výkonovým zosilňovačom, znamená to, že zosilňovač horného pásma musí byť schopný odovzdať do záťaže až 4-r násobok okamžitého výkonu oproti tomu, čo by zodpovedalo vstupnému napätiu. Ak ide o dlhodobý priemerný výkon, záleží položenie na spektrálnom zložení signálu. U rozumne navrhnutých výhybiek sa výkonové veličiny výstupov sčítajú a ich súčet zodpovedá výkonu odvodeného zo vstupného signálu ( u výhybiek s konštantným súčtom výkonu ), lebo je z pravidla o niečo menší ( u výhybiek Linkwitz-Rileyovho typu ). Z hľadiska toho výkonového je teda výhodnejšie riešenie s nevýkonovou ( „aktívnou“ ) výhybkou v tom, že teoreticky dosiahnutý priemerný výkon na vstupe celého systému je súčtom dosiahnuteľných priemerných výkonov jednotlivých ciest.
Nevýhodou nevýkonového delenia, ako už bolo povedané je, že ( opäť teoreticky ) môže potrebný maximálny okamžitý výkon na výstupe vysokotónovej sekcie dosiahnuť až 4-r násobok maximálneho výkonu na výstupe nízkotónovej sekcie ( resp. ostatných nižších sekcií ). Našťastie to platí skutočne iba teoreticky. Vďaka obmedzeniu kmitočtového pásma špičky vo vysokotónovom pásme nie sú tak ostré, takže u obdĺžnikov v pásme do 20kHz ( ako to v podstate platí pre signály zaznamenané na CD ) to dopadne tak, ako je to uvedené na obrázku 8.

Na ňom je vidieť vstupný obdĺžníkový signál a výstupný signál vysokotónovej sekcie. „Vysokotónový“ signál má stále ešte väčšiu špičkovú úroveň, ako vstupný, rozdiel je už len asi 4,5dB, čomu zodpovedá požiadavka približne 2,8 násobku špičkového výkonu vzťahujúceho sa na vstup. To by ešte nebola hlavná výhra. Druhým šťastím však je, že prípad obdĺžnikového signálu je skutočne krajný. U reálnych hudobných signálov špičková úroveň na výstupe vysokotónovej sekcie prakticky nikdy nepresiahne hodnotu na vstupe výhybky.
Aj tak z uvedeného rozboru plynie ponaučenie, že nič nie je tak jednoduché, ako sa môže na prvý pohľad zdať a výhody aktívneho ( nevýkonového ) delenia sú využiteľné iba za predpokladu, že výkonovej časti sa nič neuberie.
Niekto sa ešte opýta – ako je to vôbec možne? Nie je to perpetuum mobile? A čo robia pasívne výhybky, že sa u nich o takomto niečom neuvažuje? S istým zjednodušením sa dá povedať, že za to môžu fázové skreslenia výhybiek, ktoré istým spôsobom zmenia časové rozloženie okamžitého prenášaného výkonu, bez narušenia zákona o zachovaní energie. U pasívnych výhybiek sa o to pričinia neaktívne prvky výhybky ( C, L ) a so špičkovým výkonom si musí poradiť iba vysokotónový reproduktor. U aktívnych výhybiek sa signál predspracuje na nevýkonovej úrovni a potom je na zosilňovačoch, aby umožnili splnenie neúprosných fyzikálnych zákonov.
Pozn. autora: Priebehy signálov na obr. nie sú výsledkom počítačovej simulácie, ide o spracovanie modelového signálu zvukovým editorom Adobe Audition. Preto sa na priebehoch sem-tam objavujú drobné zákmity, ktoré sú spôsobené digitálnym filtrovaním signálu pri prerábaní do CD formátu.

Na začiatok som uviedol, možno na prvý pohľad niečo ťažko pochopiteľného, ale nie je to nič zložité a na doplnenie informácií si myslím, že určite využiteľné. A ak by bolo niečo nejasné, treba ma kontaktovať, prípadne upozorniť na prípadný preklep.