מתח, עכבה, זרם והספק

מתח חשמלי (U) הוא ה”לחץ החשמלי” אשר גורם למטענים חשמליים לנוע, ממש כשם שלחץ הידראולי גורם למים לנוע.

עכבה (Z) של עצם היא התנגדותו לתנועת מטענים חשמליים דרכו.
עצם בעל עכבה גבוהה הוא מוליך גרוע, ועצם בעל עכבה נמוכה הוא מוליך טוב.
ככלל בנויה העכבה משני רכיבים – התנגדותי (R) והיגבי (X).
ישנם עצמים אשר היגבם אפסי, גוף חימום למשל, ולכן מכילה עכבתם רכיב התנגדותי בלבד.
מנגד עומדים הסליל (L) והקבל (C) אשר התנגדותם אפסית, ולכן מכילה עכבתם רכיב היגבי בלבד – השראי או קיבולי בהתאמה.
על כל פנים, עכבתם של רוב העצמים מכילה הן התנגדות והן היגב, קיבולי או השראי.
עכבתו של דרייבר דינאמי (ז”א אלקטרומגנטי) בנויה מהתנגדות ומהיגב השראי, אשר מצטרפים יחדיו לכדי הערך הרשום על הרמקול [8Ω ,4Ω או כל ערך אחר].
לעומת זאת עכבתו של פנל אלקטרוסטאטי בנויה מהיגב קיבולי בעיקרה, בעוד רכיבה ההתנגדותי נמוך יחסית.

זרם חשמלי (I) הוא כמות המטען שעוברת דרך עצם במשך שנייה אחת.
כשהמתח גבוה והעכבה נמוכה, הזרם גבוה.
אם המתח הוא מתח חילופין, כפי שהדבר באות שמע, הוא מתנודד בתדירות כלשהי ומשנה את ערכו ואת קוטביותו ללא הרף.
בהתאם עושה זאת גם הזרם – משנה את עוצמתו ואת כיוונו ללא הרף.
כאשר לעכבה רכיב התנגדותי בלבד (גוף חימום), מתוזמן הזרם עם המתח, ז”א לשניהם אותו המופע.
כאשר לעכבה רכיב היגבי-קיבולי בלבד (קבל טהור), מקדים הזרם את המתח ברבע מחזור, וכאשר לעכבה רכיב היגבי-השראי בלבד (סליל טהור), מפגר הזרם אחרי המתח ברבע מחזור.
עכבתם של רוב העצמים הינה שילוב של התנגדות והיגב, קיבולי או השראי, לכן יקדים הזרם את המתח או יפגר אחריו בפחות מרבע מחזור.

הספק (P) פירושו קצב העברה של אנרגיה, והוא שווה למכפלת המתח בזרם .
מאחר ואלה משתנים ללא הרף, משתנה גם מכפלתם ללא הרף ועימה ההספק.
נוח לכן לדבר על מתח וזרם אפקטיביים (rms), ועל הספק ממוצע (rms).
כשהמתח והזרם מתוזמנים (גוף חימום) מתקבל הספק ממוצע מרבי.
ככל שגדל הפרש המופע ביניהם (נוכחות גוברת של היגב) פוחת ההספק הממוצע, עד כדי אפס כשהפרש המופע מגיע לשיאו – רבע מחזור (עכבה היגבית טהורה).

בתרשים מתואר מגבר אשר מוצאו חובר למבואו של דרייבר.
בין הדקיו של מוצא המגבר מופיע מתח חילופין (U) אשר גודלו נמדד ביחידות “וולט” (V).
לשם הפשטות נניח שזהו מתח סינוסואידלי בעל תדירות f, ז”א אות מונוטוני.
מתח זה מופיע גם בין הדקיו של הדרייבר (בהנחה שהתנגדות החוטים זניחה), נופל על עכבתו  ומזרים דרכה זרם סינוסואידלי בעל אותה התדירות.
גודלו של הזרם נמדד ביחידות “אמפר” (A), ושווה למנת המתח בעכבה:  I=U/Z

גודלה של העכבה נמדד ביחידות “אוהם” (Ω).
יכול להיות לה רכיב התנגדותי בלבד, היגבי בלבד (קיבולי או השראי), או שילוב של שניהם כפי שהדבר בד”כ.
גודלו של הרכיב ההתנגדותי אינו תלוי בתדר אבל זה של הרכיב ההיגבי כן – הוא גדל עם התדר אם ההיגב השראי, או קטן עם התדר אם ההיגב קיבולי.
גודל העכבה הוא תוצאת חיבורם (הוקטורי) של שני הרכיבים ולכן תלוי בתדר, אלא אם מדובר בעכבה התנגדותית טהורה (ז”א נטולת רכיב היגבי).

הספק  משמעו כמות אנרגיה ליחידת זמן, והוא נמדד ב”וואט” (W) .
ההספק שווה למכפלת המתח בזרם. כל עוד מכפלה זו חיובית, הדרייבר הינו צרכן של אנרגיה חשמלית, וכשהיא שלילית, הדרייבר הינו ספק של אנרגיה חשמלית.
המכפלה הנ”ל חיובית כאשר הזרם זורם בכיוון שבו דוחף אותו המגבר, ושלילית כאשר הוא זורם נגד הכיוון שבו דוחף אותו המגבר.
ההספק הרגעי מוגדר כ”כמות האנרגיה שהייתה נצרכת במשך שנייה, לו הייתה מכפלת המתח בזרם נשארת כפי שהיא כרגע”.
ההספק הממוצע (Prms) הוא כמות האנרגיה החשמלית הנצרכת ע”י הדרייבר במשך שנייה, ושווה להפרש אשר מצטבר לאורך שנייה בין השטח החיובי והשלילי של גרף ההספק.
ההספק הממוצע אינו יכול להיות שלילי, משום שהדרייבר אינו יכול לספק יותר אנרגיה משקיבל.
הוא לכל היותר יכול לספק בחזרה את כל האנרגיה החשמלית שקיבל קודם לכן מהמגבר, ואז ההספק הממוצע הוא אפס.

כעת, לשם נוחיות, נכוון את כפתור העוצמה כך שמשרעת המתח הסינוסואידלי תהייה 1 וולט, ונבחן ארבעה מקרים אשר מתוארים בגרפים שלמטה:

1) עכבת הדרייבר היא התנגדותית טהורה (בת 1 אוהם כך שיתקבל זרם שמשרעתו 1 אמפר, לשם נוחיות).
הזרם מתוזמן עם המתח ולכן מניבה מכפלתם הספק שהינו חיובי במשך כל מחזורו.
משמעות הדבר היא שכל האנרגיה אשר נמסרת לדרייבר נצרכת על ידו.
ערך ההספק מתנודד סימטרית בתחום 1÷0 וואט, ולכן ההספק המוצע הוא: Prms=0.5W.

2) עכבת הדרייבר היא היגבית-השראית טהורה (ככל שגבוהה יותר התדירות מתחזק ההיגב ההשראי, ולכן נניח שערכו בתדר f הוא 1 אוהם כך ששוב יתקבל זרם שמשרעתו 1 אמפר, לשם נוחיות). הפעם מפגר הזרם אחרי המתח ברבע מחזור, ולכן מניבה מכפלתם הספק שהינו חיובי במשך מחצית מחזורו ושלילי במשך המחצית האחרת.
משמעות הדבר היא שכל האנרגיה אשר נמסרה לדרייבר במהלך מחציתו החיובית של מחזור ההספק, נמסרה בחזרה למגבר במהלך מחציתו השלילית.
ערך ההספק מתנודד סימטרית בתחום 0.5÷0.5- וואט, ולכן ההספק הממוצע הוא: Prms=0W.

3) עכבת הדרייבר היא היגבית-קיבולית טהורה (ככל שגבוהה יותר התדירות נחלש ההיגב הקיבולי, ולכן נניח שערכו בתדר f הוא 1 אוהם כך ששוב יתקבל זרם שמשרעתו 1 אמפר, לשם נוחיות). הפעם מקדים הזרם את המתח ברבע מחזור, ושוב מניבה מכפלתם הספק שהינו חיובי במשך מחצית מחזורו ושלילי במשך המחצית האחרת, ז”א Prms=0W כמקודם.

4) עכבת הדרייבר היא התנגדותית השראית.
בתדר נמוך מאוד זניח ההיגב ההשראי ולכן ההתנגדות דומיננטית לגמרי.
מתקבל מקרה א’: הזרם מתוזמן עם המתח.
ככל שגבוהה יותר התדירות מתחזק ההיגב ההשראי בעוד ההתנגדות נותרת קבועה, ופיגורו של הזרם אחרי המתח מחריף.
בתדר גבוה מאוד דומיננטי לגמרי ההיגב ההשראי ומתקבל מקרה ב’: הזרם מגיע לפיגור המרבי האפשרי – רבע מחזור.
אנו נניח כי בתדר f משתווה גודלו של ההיגב ההשראי לגודלה של ההתנגדות, ז”א אף לא אחד מהם דומיננטי.
במקרה זה מפגר הזרם אחרי המתח בשמינית מחזור, ולכן מניבה מכפלתם הספק שהינו חיובי במשך רוב מחזורו (לשם נוחיות נניח שגודלם השווה של ההתנגדות ושל ההיגב הוא 0.707 אוהם, כך שתתקבל עכבה התנגדותית השראית בת 1 אוהם ומשרעתו של הזרם תהיה שוב 1 אמפר).
משמעות הדבר היא שחלקה של האנרגיה אשר נמסרה לדרייבר נמסרת בחזרה למגבר, וחלקה הנותר נצרך על ידי הדרייבר.
ערך ההספק מתנודד סימטרית בתחום 0.85÷0.15- וואט, ולכן ההספק הממוצע הוא Prms=0.35W.

מקרה 4 מתאר את אשר מתרחש בדרייבר דינאמי מעשי.

יש לזכור כי רק מיעוטו של ההספק הממוצע, זה אשר נצרך ע”י הדרייבר, הופך להספק אקוסטי.
רובו מומר לחום בדרייבר, למרבה הצער.

ההספק המוחזר הופך כולו לחום במגבר ועלול לקצר את חייו.
מסיבה זו (בין היתר) נחשבים דרייברים התנגדותיים ל”ידידותיים” – הם באמת צורכים את ההספק שהמגבר מתאמץ כ”כ למסור להם ולא סתם מעבידים אותו קשה.

הדרייבר מציג עכבה התנגדותית כל עוד הוא מוזן בתדרים “נמוכים מספיק”, כאלה שבהם רכיבה ההיגבי-השראי של עכבתו קטן ביחס לרכיבה ההתנגדותי.
בדרייבר סאבוופר מודרני מדובר בתדרים נמוכים מ-150 הרץ, למשל.