Problem ten dotyczy wszystkich gitarzystów i basistów. Zdajemy sobie z niego sprawę, ale bardzo często lekceważymy, a solidnie wykonany wzmacniacz nam na to pozwala. Do czasu… W trakcie prac nad symulacją obciążenia dla wzmacniacza lampowego przy okazji wykonałem szybki eksperyment, którego wyniki, szczerze mówiąc, trochę mnie zdziwiły. Oczywiście, wszyscy wiemy, że teoretycznie tak jest, ale wiedzieć, to jedno, a zobaczyć na mierniku, to drugie 😉

Wzmacniacze tranzystorowe nie lubią zwarcia wyjścia. Mają zwykle podawaną nominalną impedancję obciążenia, i z niższą raczej nie powinny pracować (ale jak się bardzo chce, to można), a z wyższą bardzo chętnie, nawet lepiej. Moc zmienia się mniej więcej proporcjonalnie, jeżeli tylko wystarcza prądu z zasilacza, i zasadniczo jest tak, że dwukrotnie większa impedancja to dwukrotnie mniejsza moc.
Ze wzmacniaczami lampowymi jest inaczej. Generalnie powinny one pracować z obciążeniem nominalnym, a praca z wyższą czy niższą impedancją jest dla nich szkodliwa. Odwrotnie jednak, niż we wzmacniaczach półprzewodnikowych, szkodzi im zbyt duża impedancja obciążenia, a wręcz palą się przy braku obciążenia. We wzmacniaczach fendera wyjściowe gniazda głośnikowe bywały zwierne – to znaczy bez podłączonego głośnika wyjście było zwierane do masy! Okazuje się, że jest to bezpieczniejsze, niż ewentualne zostawienie wyjścia „w powietrzu”. Co się dzieje, gdy podłączymy wzmacniacz lampowy bez obciążenia? Generalnie nie warto próbować. W krańcowym przypadku leci transformator wyjściowy albo/i lampy, czasem zasilacz. Wzmacniacze lampowe mają zwykle przełącznik lub oddzielne gniazda wyjściowe i możemy w ten sposób obciążyć wzmacniacz odpowiednią impedancją głośnika. Czasem jednak albo o tym zapominamy, albo wzmacniacz i głośnik są „niekompatybilne”… Co wtedy się dzieje? Właściwie takie podłączenia są niedopuszczalne i wprawdzie prawidłowo wykonanemu wzmacniaczowi raczej nic się nie stanie, ale skąd wiemy, że producent nie zaoszczędził na izolacjach transformatora? Jeżeli musimy podłączyć „coś innego”, to warto pamiętać, że wzmacniacz lampowy woli za niską niż za wysoką impedancję obciążenia.

Przejdźmy do sedna. Przy okazji wielu prób postanowiłem wykorzystać fakt, że mój wielokrotnie przedstawiany testowy zestaw obciążający składa się z oporników połączonych szeregowo, a więc łatwo można zmniejszyć mu oporność, wykorzystując część oporników. Oczywiście, zmniejsza się też moc takiego zestawu, więc pomiar należy przeprowadzać szybko 😉 Mój wierny i niezniszczalny Bassman 50 ma, jak większość fenderów, nominalną impedancję obciążenia 4Ω i z takim głośnikiem powinien pracować. Tymczasem ja testuję go z głośnikiem 8Ω – czy mocno ryzykuję? Postanowiłem sprawdzić. Obciążyłem wzmacniacz opornością 8Ω, 6Ω i 4Ω (mniej więcej, z dokładnością do jednego opornika), za każdym razem podając identyczny sygnał wejściowy, i zmierzyłem, jak wyglądają napięcie i moc na wyjściu. Oczywiście wyniki są relatywne, bo cały system nie był w żaden sposób skalibrowany, w tym teście chodzi o proporcje. Poniższy rysunek proszę obejrzeć w pełnym rozmiarze:

Jak widać, wraz ze zwiększaniem impedancji obciążenia napięcie na wyjściu wzmacniacza ROŚNIE! Nie, nie pomyliłem się 😉 We wzmacniaczu tranzystorowym napięcie byłoby mniej więcej stałe…

Jak to wygląda konkretnie? Przeliczę, żeby łatwo było sobie to uzmysłowić. Dla częstotliwości 1kHz, tam, gdzie jest kursor, poziomy wyjściowe wynoszą 56,9dB dla impedancji obciążenia 4Ω, 59,6dB dla 6Ω i 62,3dB dla 8Ω. Oczywiście są to poziomy względne, ale widać, że przy impedancji obciążenia 6Ω poziom jest wyższy o 2,7dB, a przy 8Ω o 5,4dB. To oznacza, że napięcie na wyjściu wzmacniacza przy obciążeniu 6Ω jest 1,36 raza wyższe, a przy obciążeniu 8Ω 1,85 raza wyższe.  Gdyby to był wzmacniacz tranzystorowy, to napięcie na wyjściu byłoby mniej więcej stałe i przy dwukrotnie wyższej impedancji obciążenia moc byłaby mniej więcej dwukrotnie mniejsza, mniej więcej, bo mniej obciążony zasilacz pozwoliłby na nieco wyższe napięcie na wyjściu. A w naszym przypadku? Moc przy obciążeniu dwukrotnie wyższą impedancją wzrosła i jest 1,7 raza większa! Czyli zamiast dwukrotnie zmaleć, prawie dwukrotnie wzrosła!

Te przerażające zależności występują tak ostro tylko przy niewielkich mocach, czyli wtedy, gdy zasilacz daje radę a całość się nie pali. Przy pełnym wysterowaniu, czyli dla normalnych warunków pracy wzmacniacza gitarowego, już tak nie będzie, ale w tym doświadczeniu chodzi o to, jak wzmacniacz chciałby się zachować, i jak zachowałby się, gdyby mu dostarczyć dużo prądu.

Czy prawa fizyki nie zostały tu jakoś naruszone? Nie, spokojnie, wszystko jest OK. Rozwiązanie zagadki, bardzo uproszczone, tkwi w tym, że wzmacniacz tranzystorowy zasadniczo pracuje jak źródło napięciowe, to znaczy bez względu na obciążenie stara się utrzymać na wyjściu określone napięcie. W przypadku zwarcia płynie więc teoretycznie duży prąd i całość idzie z dymem (ale zwykle wzmacniacze tranzystorowe są przed tym zabezpieczone). Wzmacniaczowi lampowemu natomiast, przynajmniej w pewnym zakresie, bliżej jest do źródła prądowego, to znaczy stara się (w miarę możliwości) utrzymać stałe natężenie prądu płynącego przez obciążenie. Wynika z tego, że napięcie na wyjściu może wzrosnąć, gdy obciążenie będzie miało wyższą impedancję/oporność. W przypadku zwarcia wyjścia popłynie prąd jak przy maksymalnej mocy, i z dymem idzie może obciążenie, ale nie wzmacniacz. W przypadku wzmacniacza tranzystorowego do wyliczenia mocy wyjściowej przy w miarę stałym napięciu właściwszy jest wzór P=U²/R, natomiast dla wzmacniacza lampowego przy w miarę stałym natężeniu bardziej P=I²*R. Jak widać, moc wzmacniacza tranzystorowego jest odwrotnie proporcjonalna do impedancji obciążenia, a wzmacniacza lampowego wprost proporcjonalna do impedancji obciążenia. We wzmacniaczu tranzystorowym moc wyjściowa wraz ze zwiększaniem impedancji obciążenia maleje, w lampowym – rośnie. Oczywiście, nie jest to idealne przeciwieństwo, ale w pewnym zakresie mniej więcej tak to działa. Całe zjawisko ograniczone jest innymi czynnikami, między innymi wydajnością zasilacza. Maksymalna moc wyjściowa mojego fendera przy obciążeniu głośnikiem 8Ω wcale nie będzie wynosić 100W, tylko też jakieś 50W, bo przecież zasilacz nie da rady. Jednak wzmacniacz się „stara”, a przy mniejszych mocach wyjściowych zależności jak widać są dość niepokojące.

Dlaczego wzmacniacze lampowe bez obciążenia się fajczą? Przez to, że mają transformator 😉 Trzeba sobie uświadomić, że transformator zmienia napięcie – jeżeli na wyjściu wzmacniacza, od strony głośnika, jest wyższe napięcie, to spowodowane jest to proporcjonalnie wyższym napięciem na uzwojeniu pierwotnym transformatora, od strony lamp. Jeżeli dwukrotny wzrost impedancji powoduje prawie dwukrotny wzrost napięcia wyjściowego, to spowodowane to jest dwukrotnie wyższym napięciem dostarczanym przez lampy. Już dwukrotnie przekroczone napięcie na transformatorze jest groźne, a co dopiero przy braku obciążenia? Większość wzmacniaczy tranzystorowych ma zabezpieczenia przeciwzwarciowe i trudno je zepsuć, zabezpieczenie „przeciwrozwarciowe” wzmacniacza lampowego też jest możliwe, nie jest jednak  stuprocentowo pewne i wymaga szybkich wysokonapięciowych diod, nie wszyscy producenci je stosują. Wzmacniacze lampowe zasilane są napięciem w okolicach 500V, indukcyjność uzwojeń transformatora powoduje, że napięcie na anodach lamp, czyli na transformatorze, może wielokrotnie przekroczyć napięcie zasilania, a izolacja transformatorów i odporność lamp ma swoje granice. Wzmacniacz nie będzie miał wielokrotnie większej mocy, bo na to nie pozwoli zasilacz, ale zanim wzmacniacz zdąży się w ogóle wykazać mocą, zbyt wysokie napięcie na transformatorze głośnikowym może doprowadzić do widowiska z przewagą światła nad dźwiękiem 😉 Uważajmy!