Реактивная мощность усилителя

Механическая работа
Сначала рассмотрим некоторые примеры механической работы. Представим, что имеется большое тяжелое тело, которое надо переместить вдоль плоской горизонтальной поверхности. Для этого необходимо приложить силу достаточной величины, проекция которой по направлению движения на данную поверхность должна равняться или быть больше силы трения покоя. Сдвинув тело, то есть, преодолев трение покоя, дальнейшее перемещение возможно с применением уже меньшей силы и равной или большей по величине силе трения скольжения. Что бы вычислить величину работы, произведенной по равномерному перемещению тела после начала движения и до полной остановки, необходимо знать его вес, коэффициент трения скольжения и время движения. В конечном итоге, энергия приложенной силы расходуется в виде нагрева трущихся поверхностей в процессе перемещения.

Рассмотрим другой пример механической работы - деформацию пружины. Величина произведенной работы при равномерном воздействии будет зависеть от коэффициента упругости и величины деформации пружины. Энергия приложенной силы запасается в виде потенциальной энергии упругого сжатия. В отличие от предыдущего случая, нагрева не происходит, вследствие потенциальной природы силы упругости (сила трения консервативная). Другое важное отличие состоит в том, что после снятия воздействия, пружина возвращается в первоначальное положение под действием той же упругой силы, против которой совершалась работа.

Электрический аналог
Рассмотрим некоторую аналогию между механической и электрической работами. Допустим, к источнику переменного (АС) или постоянного (DC) тока подключена активная нагрузка, например резистор. По закону Ома: электрический ток в цепи определяется величиной сопротивления нагрузки и разностью потенциалов напряжения участка цепи. Энергия электрического тока переходит в тепловую в виде увеличения внутренней энергии проводника при повышении температуры и рассеивается от нагрузки конвективными потоками воздуха и инфракрасным излучением. Например, высокотемпературный нагрев нити накала лампы фары автомобиля дополнительно излучает энергию светового потока.
Для нахождения количества работы электрического тока или общей энергии потребления, следует умножить значение напряжения на величину тока, что покажет потребляемую мощность. Затем полученное значение мощности умножить на время работы. В инженерной терминологии потребляемую мощность называют активной мощностью, которая измеряется в ваттах и оперируется для вычисления на активных нагрузках.

В области электричества применяются как активные, так и реактивные сопротивления нагрузок. Следует привести примеры механических аналогов: активный элемент - тело на плоскости, реактивный - пружина. Реактивная электрическая нагрузка состоит из цепей, которые содержат индуктивные и/или емкостные элементы. Точно вычислить потребляемую мощность таких нагрузок при прохождении переменного электрического тока достаточно трудно. Характерный пример с механической пружиной: потраченная энергия возвращается к ее источнику и на реактивном элементе не происходит поглощения или рассеивание потребляемой мощности. В электрических цепях можно измерить мгновенные значения силы тока и напряжения на реактивной нагрузке, но нельзя определить потребляемую мощность путем умножения их величин. В действительности применяется определение, известное как вольт-ампер. В инженерных расчетах так обозначается мнимое значение мощности или реактивная мощность.

Реактивная (мнимая) мощность
Почему важна реактивная мощность и что это дает автомобильному звуку? Как известно, обычная практика - измерять мощность усилителя в ваттах. Усилители тестируются на активных (омических) электрических нагрузках с величиной сопротивления эквивалентного соответствующим спикерам. Значение активной мощности экстраполируется от величин тока и падения напряжения на этих резисторах. Но спикер - совсем не резистор. Фактически, типичный автомобильный низкочастотный динамик с большой

индуктивностью звуковой катушки и мощным магнитом является реактивным устройством. Инертность диффузора, упругость воздуха в изолированном корпусе и подобный пружине подвес являются дополнительными факторами реактивности в работе спикера. При изменении направления движения диффузора, запасенная механическая энергия возвращается обратно в усилитель в форме, известной как обратная ЭДС (электродвижущая сила).
Все динамики выступают в роли небольших электрических генераторов, вследствие электромагнитного взаимодействия витков звуковой катушки с полем магнита спикера. Это можно продемонстрировать на примере подключенных вместе двух одинаковых динамиков: ручное перемещение вперед-назад диффузора одного спикера заставляет двигаться диффузор другого.
Если резистивная или активная нагрузка просто преобразовывает энергию электрического тока в тепловую, то подключение усилителя к реактивной нагрузке может вызвать дополнительные проблемы. Самоиндуктивность звуковой катушки спикера, в соответствии с правилом Ленца закона электромагнитной индукции (Фарадея-Максвелла) противодействует изменению тока в цепи, замедляя его убывание или возрастание. Пульсации электрического тока влияют на работу выходного каскада усилителя. Плюс к этому плохое рассеивание избыточного тепла в динамике иногда является причиной дополнительного нагрева в системе, повышения сопротивления и падения напряжения, потребляемой мощности и т.д.

Номиналы
Существует достаточное количество усилителей, которые превосходно работают на активных нагрузках, но не все из них, а фактически один из 50, аналогично функционируют с реактивными нагрузками. Когда публикуются номинальные характеристики усилителей от производителя или данные тестовых испытаний автозвуковых лабораторий, то важно уделить внимание показателям реактивной мощности. Правильная оценка этого значения обеспечивает соответствие подключаемой нагрузки, например сабвуферов, для высоких уровней мощности и продолжительной без искажений работы аудиосистемы автомобиля.

Сергей Нестеренко