I watt sono watt o lo sono? Una spiegazione dettagliata per i ragazzi dell'autoradio

Quando le persone cercano di acquistare un amplificatore audio per auto, le specifiche che controllano più spesso sono quanta potenza può produrre. La potenza è valutata in watt, un'unità di misura universale della potenza. In questo articolo spieghiamo cos'è un watt e come viene misurato, sia nel modo corretto che errato.

Dizionario Tempo!

Prima togliamo di mezzo la definizione formale di watt. Un watt è un'unità SI (Systéme International) della misura della potenza. L'alimentazione non deve essere elettrica. In effetti, l'unità watt prende il nome da James Watt e creata per quantificare il lavoro che un motore a vapore potrebbe fare. In quell'applicazione cinetica, un watt era il lavoro svolto quando la velocità di un oggetto si muoveva costantemente a 1 metro al secondo con una forza di 1 newton opposta. Quando si fa riferimento a un motore elettrico, 1 cavallo equivale a 746 watt.

Per quanto sia divertente parlare di potenza, siamo appassionati di car audio, quindi torniamo in carreggiata con una spiegazione dei watt elettrici.

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 di misura SI e definisce la quantità di lavoro necessaria per spostare una carica di 1 coulomb attraverso un potenziale elettrico di 1 volt. Sì, la domanda ora si sposta sul coulomb:che diavolo è quello? Un coulomb è un'unità di carica elettrica ed è pari a -6,242 x 10^18 elettroni.

Perso ancora? Non preoccuparti; stiamo solo placando i nerd della matematica e della misurazione tra noi. Analizziamolo in ciò che conta.

Quando vogliamo usare l'elettricità per fare il lavoro, dobbiamo far fluire gli elettroni attraverso un dispositivo come un filamento, un motore o una bobina mobile. Il risultato sarà, nel caso di un altoparlante, che il campo magnetico creato dal flusso di elettroni farà sì che la bobina mobile venga attratta o respinta dal magnete fisso nel nostro altoparlante. Quando facciamo fluire più elettroni, viene svolto più lavoro e l'altoparlante si avvicina o si allontana dal magnete.

Matematica del potere

È qui che iniziamo a parlare di equazioni di potenza. Esistono 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 essere utilizzate per calcolare la potenza erogata in un circuito. Ecco le equazioni:
Se abbiamo un circuito con una resistenza di 4 ohm e gli applichiamo una tensione con un potenziale di 10 volt, quindi abbiamo 25 watt di potenza. Aumentare tale tensione a 20 volt significa che la potenza disponibile è ora di 100 watt. Possiamo sostituire e riorganizzare le variabili nelle equazioni sopra per capire qualsiasi altra variabile:è semplice algebra.

Misurare la potenza

Quando un tecnico ha un amplificatore su un banco di prova e vuole misurare la potenza, il tecnico in genere collega l'amplificatore a un banco di resistori di carico ad alta potenza, quindi misura l'uscita dell'amplificatore quando il segnale ha raggiunto un livello di distorsione dell'1% . La misura presa è la tensione. Molto spesso, assumiamo che il carico non sia variabile. Diciamo che misuriamo 44 Volt RMS da un amplificatore e abbiamo l'amplificatore collegato a un carico di 2 ohm. Funziona fino a 968 watt. È molto semplice e molto ripetibile, ma non funziona nel mondo reale. Vediamo perché.

Resistenza contro Reattanza

Questo diventerà 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 sua posizione di riposo, ma rendono la misurazione della potenza molto più complicata. Il modo in cui i conduttori e i carichi reagiscono ai segnali CA è diverso dai segnali in corrente continua (CC).

Poiché i segnali AC cambiano direzione, anche la polarità dei campi magnetici che creano cambia direzione. Il tentativo di cambiare la polarità dei campi magnetici devasta il comportamento del flusso di corrente. Una volta che la corrente scorre e crea un campo magnetico, non gli piace fermarsi. Immagina una tensione CC:tutti gli elettroni si muovono sempre nella stessa direzione. Sono felici e non hanno lamentele. Quando si tratta di segnali AC, però, quel flusso di elettroni deve cambiare direzione. Con un segnale a 20 k Hz, il cambio di direzione avviene 20.000 volte al secondo. Gli elettroni sono pigri:gli piace continuare a fare quello che stavano facendo. Per questo si oppongono a un cambio di direzione.

Un induttore non è altro che una bobina di filo. Vediamo gli induttori nelle reti crossover passive e gli stadi di filtro degli amplificatori di classe D. Quando gli elettroni fluiscono attraverso un induttore, creano un forte campo magnetico. Quando togli la sorgente di tensione, gli elettroni cercano di continuare a fluire. In effetti, se hai visto un relè con un diodo collegato ad esso, quel diodo è lì per dare quel flusso di elettroni da qualche parte, diverso dal ritorno nel circuito che controllava la funzione del relè.

Quando applichiamo un segnale CA a un induttore, maggiore è la frequenza, più difficile è cambiare la direzione del flusso di elettroni. La resistenza al flusso di corrente alternata è chiamata reattanza induttiva. Pensala come una resistenza, ma applicabile solo ai segnali AC. Gli induttori si oppongono a un cambiamento nel flusso di corrente. Se disconnettiamo la nostra fonte di corrente alternata e misuriamo la resistenza CC di un induttore con un multimetro, il numero che vediamo sullo schermo è la resistenza. Per misurare la reattanza di un induttore, abbiamo bisogno di un dispositivo in grado di applicare un segnale CA e misurare l'effettiva caduta di tensione attraverso l'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 henries e Xl è la reattanza induttiva in ohm. Puoi vedere che l'induttanza aumenta con la frequenza, come accennato in precedenza.

La bobina mobile di un altoparlante è e funge da induttore.

Corrente e tensione

Abbiamo altre brutte notizie per te. Poiché un induttore si oppone alla variazione del flusso di corrente, si verifica un errore di temporizzazione. Tempistica di cosa, chiedi? Il tempo relativo tra la tensione CA attraverso l'induttore e il valore CA della corrente che scorre nell'induttore. In un induttore perfetto (uno senza resistenza CC), la corrente attraverso l'induttore ritarda la tensione attraverso l'induttore di 90 gradi o ¼ della frequenza del segnale che viene attraversato.

Lascia che affondi per un secondo, poi ripensa alle nostre equazioni per il potere. La potenza è voltaggio moltiplicato per corrente. Ma cosa succede se il picco di corrente non si verifica contemporaneamente al picco di tensione? Non possiamo semplicemente moltiplicare i due numeri insieme per ottenere la potenza nel circuito. Peggio ancora, la quantità di tempo in cui la corrente ritarda la tensione dipende dalla resistenza CC dell'induttore e la reattanza induttiva:per la maggior parte degli altoparlanti per auto, la resistenza CC è generalmente compresa tra 2 e 8 ohm. L'induttanza è compresa tra 0,04 mH per un tweeter di alta qualità e più di 5 mH per un grande subwoofer.

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

Siamo sicuri che sei d'accordo:è tutto molto complicato, ma non mollare ancora.

Come misuriamo la potenza reale in un circuito CA? Ci sono un paio di modi. Possiamo misurare la corrente e la tensione istantanee a una frequenza di campionamento molto elevata e moltiplicarle insieme. La frequenza di campionamento dovrebbe essere 20 o 30 volte la frequenza che misuriamo per essere ragionevolmente accurata. Possiamo anche utilizzare misuratori convenzionali per misurare la quantità di corrente e tensione nel circuito, quindi utilizzare un misuratore di angolo di fase per trovare la relazione relativa tra i due. Praticamente nessuno di noi ha un misuratore dell'angolo di fase autonomo nella nostra cassetta degli attrezzi. Cosa non possiamo basta moltiplicare voltaggio e corrente l'uno per l'altro.

Quei ragazzi e Watt SPL

Se stai leggendo questo, è probabile che ti muovi in ​​Internet con una certa frequenza. Hai senza dubbio visto gli appassionati di SPL tentare di misurare la potenza prodotta dai loro amplificatori "bloccandola". Collegano una pinza amperometrica a uno dei cavi degli altoparlanti che escono dall'amplificatore e mettono un voltmetro sui terminali dell'amplificatore.

Questo crea tre problemi:

1. Dovrebbero collegare il voltmetro ai terminali degli altoparlanti. A causa dell'elevato flusso di corrente, la resistenza nel cavo dell'altoparlante può sprecare una quantità misurabile di energia.
2. Con un voltmetro e una pinza amperometrica, non conosciamo la relazione di fase tra la corrente che scorre attraverso le bobine vocali e la tensione attraverso la bobina mobile.
3. In genere eseguono questi test a livelli di potenza estremamente elevati. Le enormi quantità di energia riscaldano rapidamente le bobine vocali. Questo calore aumenta anche la loro resistenza rapidamente. Questo aumento della resistenza farà diminuire la corrente che scorre attraverso l'altoparlante. Se la pinza amperometrica collegata è in modalità "peak hold", memorizzerà una lettura di picco della corrente iniziale che scorre attraverso la bobina mobile. La riduzione del flusso di corrente alleggerisce il carico sull'alimentatore dell'amplificatore e gli consente di produrre più tensione. Quando la corrente diminuisce, la tensione in uscita dall'amplificatore può aumentare, fornendo una lettura falsa al voltmetro in modalità di mantenimento del picco. Questo aumento di riscaldamento e resistenza può avvenire in pochi secondi.

Se pensavi che la nostra definizione del watt fosse complicata, spiegare come calcolare la potenza in un carico reattivo ti spingerebbe oltre il limite, quindi non spiegheremo tutto. Questo è un argomento salvato per i corsi universitari o universitari sull'alimentazione CA. Cosa faremo do è fornire una soluzione per effettuare misurazioni di potenza complicate.

La realtà è che quando si tratta di misurare la potenza di un amplificatore collegato a un altoparlante, ottenere risultati accurati è molto difficile . Alcune aziende producono misuratori di potenza audio per auto. 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 di loro per fornire una misurazione precisa della potenza. L'AMM-1 ti mostrerà quanta potenza nel mondo reale sta producendo il tuo amplificatore. (Per favore, non piangere se è meno di quanto pensassi.)

L'AMM-1 può anche mostrare volt-ampere. I volt-amp sono calcolati moltiplicando la corrente per la tensione. Puoi anche vedere l'angolo di fase del carico su un'altra schermata. Se sei seriamente intenzionato a misurare la potenza quando un amplificatore sta pilotando un carico reattivo come un altoparlante, allora questo è lo strumento di cui hai bisogno.

Cosa devi sapere

When you are shopping for an amplifier, the numbers you usually see quoted are measured into resistive loads. Most amplifiers have no problem with driving reactive loads, so you can trust the published numbers, as long as the distortion specification is clearly defined.

The CEA-2006A (now called CTA-2006A) specification for power measurement defines the maximum signal distortion during measurement as being 1%, and no more than 14.4 volts can be supplying the amp. Comparing power specs using this standard has leveled the playing field in the car audio industry.

We will look at some other very important amplifier specifications in another article. These other specifications may, in fact, be more important to choosing the right amp for your system than how much power the amp makes. Until then, drop into your local car audio specialist retailer to find out about the latest amplifiers available for your system. There are some amazing new amps on the market with a lot of cool features.

Happy listening!