Watt Sono Watt, O No? Spiegazione Dettagliata per Appassionati Car Audio

Quando le persone guardano all'acquisto di un amplificatore car audio, la specifica che controllano più spesso è quanta potenza può produrre. La potenza è valutata in watt – un'unità universale di misura della potenza. In questo articolo spieghiamo cos'è un watt e come viene misurato – sia nel modo corretto che in quello scorretto.

Tempo di Dizionario!

Togliamoci di mezzo la definizione formale di watt. Un watt è un'unità SI (Système International) di misura della potenza. La potenza non deve essere elettrica. Infatti, l'unità watt fu nominata da James Watt e creata per quantificare il lavoro che un motore a vapore poteva fare. In quell'applicazione cinetica, un watt era il lavoro fatto quando la velocità di un oggetto si muoveva costantemente a 1 metro al secondo con una forza di 1 newton che lo opponeva. Riferendosi a un motore elettrico, 1 cavallo vapore equivale a 746 watt.

Per quanto sia divertente parlare di cavalli vapore, siamo appassionati car audio, quindi torniamo in pista con una spiegazione del watt elettrico.

In termini elettrici, un watt è un trasferimento di 1 joule di energia in un periodo di 1 secondo. La prossima domanda logica è cos'è un joule? Un joule è un'altra unità SI di misura, e definisce la quantità di lavoro richiesta per muovere una carica di 1 coulomb attraverso un potenziale elettrico di 1 volt. Sì, la domanda ora passa al coulomb – cos'è al mondo? Un coulomb è un'unità di carica elettrica – ed è uguale a -6,242 x 10^18 elettroni.

Persi? Non preoccupatevi; stiamo solo compiacendo i nerd della matematica e misurazione tra noi. Scomponiamo questo a ciò che conta.

Quando vogliamo usare l'elettricità per fare lavoro, dobbiamo far fluire elettroni attraverso un dispositivo come un filamento, motore o bobina mobile. Il risultato sarà, nel caso di un altoparlante, che il campo magnetico creato dal flusso di elettroni farà attrarre o respingere la bobina mobile dal magnete fisso nel nostro altoparlante. Quando facciamo fluire più elettroni, più lavoro è fatto, e l'altoparlante si muove più verso o lontano dal magnete.

Matematica della Potenza

Qui iniziamo a parlare di equazioni di potenza. Ci sono tre metodi comuni per calcolare la potenza in un circuito – ma dobbiamo conoscere i valori di altre variabili come tensione, resistenza o amperaggio. Qualsiasi due di queste variabili possono calcolare la potenza in un circuito. Ecco le equazioni:
Se abbiamo un circuito con resistenza di 4 ohm e applichiamo una tensione con potenziale di 10 volt, abbiamo 25 watt di potenza. Aumentando quella tensione a 20 volt, la potenza disponibile è ora 100 watt. Possiamo sostituire e riordinare le variabili nelle equazioni sopra per calcolare qualsiasi altra variabile – è algebra semplice.

Misurare la Potenza

Quando un tecnico ha un amplificatore su banco prova e vuole misurare la potenza, tipicamente collega l'amplificatore a un banco di resistenze di carico ad alta potenza, poi misura l'output dell'amplificatore quando il segnale ha raggiunto un livello di distorsione dell'1%. La misura presa è tensione. Più spesso, assumiamo che il carico non sia variabile. Diciamo che misuriamo 44 Volt RMS da un amplificatore con l'amplificatore connesso a un carico da 2 ohm. Questo fa 968 watt. È molto semplice e molto ripetibile – ma non funziona nel mondo reale. Vediamo perché.

Resistenza versus Reattanza

Questo diventa un po' tecnico. I segnali audio sono segnali a corrente alternata (AC). I segnali AC sono necessari per far muovere il cono dell'altoparlante avanti e indietro dalla posizione di riposo, ma rendono la misurazione della potenza molto più complicata. Il modo in cui conduttori e carichi reagiscono a segnali AC è diverso da segnali a corrente continua (DC).

Poiché i segnali AC cambiano direzione, la polarità dei campi magnetici che creano cambia direzione. Cercare di cambiare la polarità dei campi magnetici crea scompiglio con il comportamento del flusso di corrente. Una volta che la corrente scorre e crea un campo magnetico, non le piace fermarsi. Immaginate una tensione DC – tutti gli elettroni si muovono nella stessa direzione sempre. Sono felici e non hanno lamentele. Quando si tratta di segnali AC, però, quel flusso di elettroni deve cambiare direzioni. Con un segnale 20 kHz, il cambio di direzione avviene 20.000 volte al secondo. Gli elettroni sono pigri – gli piace continuare a fare ciò che facevano. Per questo, oppongono resistenza al cambio di direzione.

Un induttore non è nient'altro che una bobina di filo. Vediamo induttori in reti crossover passivi e stadi filtro di amplificatori Classe D. Quando elettroni scorrono attraverso un induttore, creano un forte campo magnetico. Quando togliete la sorgente di tensione, gli elettroni cercano di continuare a scorrere. In effetti, se avete visto un relè con un diodo collegato, quel diodo è lì per dare a quel flusso di elettroni dove andare, invece che tornare nel circuito che controllava la funzione del relè.

Quando applichiamo un segnale AC a un induttore, più alta la frequenza, più difficile è cambiare la direzione del flusso di elettroni. La resistenza al flusso di corrente alternata è chiamata reattanza induttiva. Pensatela come resistenza, ma applicabile solo a segnali AC. Gli induttori oppongono resistenza a un cambiamento nel flusso di corrente. Se disconnettiamo la nostra sorgente AC e misuriamo la resistenza DC di un induttore con un multimetro, il numero sullo schermo è la resistenza. Per misurare la reattanza di un induttore, serve un dispositivo che possa applicare un segnale AC e misurare la caduta di tensione effettiva sull'induttore.

La formula per calcolare la reattanza induttiva è Xl = 2 x pi x F x L, dove F è la frequenza del segnale AC applicato, L è il valore di induttanza dell'induttore misurato in henry e Xl è la reattanza induttiva in ohm. Potete vedere che l'induttanza aumenta con la frequenza, come accennato prima.

La bobina mobile di un altoparlante è e agisce come un induttore.

Corrente e Tensione

Abbiamo altre cattive notizie. Poiché un induttore oppone resistenza al cambiamento nel flusso di corrente, sorge un errore di temporizzazione. Temporizzazione di cosa, chiedete? Il tempo relativo tra la tensione AC sull'induttore e il valore AC della corrente che scorre nell'induttore. In un induttore perfetto (uno senza resistenza DC), la corrente attraverso l'induttore ritarda la tensione sull'induttore di 90 gradi o ¼ della frequenza del segnale passato.

Fate sedimentare questo per un secondo, poi ripensate alle nostre equazioni per la potenza. Potenza è tensione per corrente. Ma cosa succede se il picco di corrente non avviene nello stesso momento del picco di tensione? Non possiamo semplicemente moltiplicare i due numeri per ottenere la potenza nel circuito. Peggio, la quantità di tempo che la corrente ritarda la tensione dipende dalla resistenza DC dell'induttore e dalla reattanza induttiva – per la maggior parte degli altoparlanti car audio, la resistenza DC è solitamente tra 2 e 8 ohm. L'induttanza è tra 0,04 mH per un tweeter di alta qualità a più di 5 mH per un grosso subwoofer.

C'è un'altra sfida: l'induttanza cambia a seconda del livello di guida dell'altoparlante e della posizione del cono.

Siamo sicuri che siate d'accordo – È tutto molto complicato, ma non arrendetevi ancora.

Come misuriamo la potenza reale in un circuito AC? Ci sono un paio di modi. Possiamo misurare corrente e tensione istantanea a una frequenza di campionamento molto alta e moltiplicarle insieme. La frequenza di campionamento dovrebbe essere 20-30 volte la frequenza misurata per essere ragionevolmente accurati. Possiamo anche usare misuratori convenzionali per misurare corrente e tensione nel circuito, poi usare un Misuratore Angolo di Fase per trovare la relazione relativa tra i due. Praticamente nessuno di noi ha un misuratore angolo di fase standalone nella cassetta degli attrezzi. Cosa non possiamo fare è semplicemente moltiplicare tensione e corrente tra loro.

Quelli degli SPL e i Watt

Se state leggendo questo, probabilmente navigate in Internet con una certa frequenza. Avete senza dubbio visto appassionati SPL tentare di misurare la potenza prodotta dai loro amplificatori "clampando" (pinzando). Collegano una pinza amperometrica a uno dei cavi altoparlante in uscita dall'amplificatore e mettono un voltmetro sui morsetti dell'amplificatore.

Questo crea tre problemi:

1. Dovrebbero collegare il voltmetro ai morsetti dell'altoparlante. A causa dell'alto flusso di corrente, la resistenza nel cavo altoparlante può sprecare una quantità misurabile di potenza.
2. Con voltmetro e pinza amperometrica, non conosciamo la relazione di fase tra la corrente che scorre attraverso le bobine mobili e la tensione attraverso la bobina mobile.
3. Tipicamente eseguono questi test a livelli di potenza estremamente alti. Le enormi quantità di potenza scaldano le bobine mobili velocemente. Questo calore aumenta anche la loro resistenza velocemente. Questo aumento di resistenza causa diminuzione della corrente che scorre nell'altoparlante. Se la pinza amperometrica connessa è in modalità "peak hold", memorizzerà una lettura di picco della corrente iniziale che scorre nella bobina mobile. La riduzione del flusso di corrente allevia il carico sull'alimentatore dell'amplificatore e gli permette di produrre più tensione. Mentre la corrente diminuisce, la tensione in uscita dall'amplificatore può aumentare, dando una lettura falsa al voltmetro in modalità peak hold. Questo riscaldamento e aumento resistenza può accadere in pochi secondi.

Se pensavate che la nostra definizione di watt fosse complicata, spiegare come calcolare la potenza in un carico reattivo vi spingerebbe oltre il limite, quindi non lo spiegheremo tutto. È un argomento salvato per corsi universitari su potenza AC. Cosa faremo è fornire una soluzione per misurazioni di potenza complicate.

La realtà è che quando si tratta di misurare potenza da un amplificatore connesso a un altoparlante, ottenere risultati accurati è molto difficile. Pochi aziende producono misuratori di potenza car audio. L'unità più popolare è la D'Amore Engineering AMM-1. L'AMM-1 è un misuratore portatile che misura simultaneamente corrente e tensione, e calcola l'angolo di fase tra loro per fornire una misurazione di potenza accurata. L'AMM-1 vi mostrerà quanta potenza reale il vostro amplificatore sta facendo. (Per favore non piangete se è meno di quanto pensavate.)

L'AMM-1 può anche mostrare volt-ampere. Volt-ampere sono calcolati moltiplicando corrente per tensione. Potete anche vedere l'angolo di fase del carico su un altro schermo. Se siete seri sulla misurazione di potenza quando un amplificatore guida un carico reattivo come un altoparlante, questo è lo strumento che vi serve.

Cosa Dovete Sapere

Quando comprate un amplificatore, i numeri che vedete solitamente quotati sono misurati su carichi resistivi. La maggior parte degli amplificatori non ha problemi a guidare carichi reattivi, quindi potete fidarvi dei numeri pubblicati, finché la specifica di distorsione è chiaramente definita.

La specifica CEA-2006A (ora chiamata CTA-2006A) per la misurazione della potenza definisce la massima distorsione del segnale durante la misurazione come 1%, e non più di 14,4 volt possono alimentare l'amplificatore. Confrontare le specifiche di potenza usando questo standard ha livellato il campo nel settore car audio.

Guarderemo altre specifiche molto importanti degli amplificatori in un altro articolo. Queste altre specifiche possono, in effetti, essere più importanti per scegliere l'amplificatore giusto per il vostro sistema di quanta potenza l'amplificatore fa. Fino ad allora, passate dal vostro rivenditore specializzato car audio locale per scoprire gli ultimi amplificatori disponibili per il vostro sistema. Ci sono nuovi amplificatori straordinari sul mercato con un sacco di funzioni interessanti.

Buon ascolto!