音響器材的電源供應
文｜Raymond Wong
稍有工業常識的人都知道世界上所有固定電力供應都是交流電，所謂固定電力裝置的專業定義是指需要工具輔助才能接駁電源的裝置，相反就是流動性裝置，例如插頭和插座，用手插上就行了，不需要工具。另外，和直流電相比，交流電有一些專屬的特性，玩音響不可能完全不懂電，這裏就簡單介紹一番吧。
什麼是交流電？
交流電來自於發電機旋轉發電的局限，發電機是利用磁場旋轉來發電的，而磁場是有南北極的，南北極是不可分開的，因為在我們的宇宙中磁單極是不存在的，麥斯韋爾方程組清楚地定義了這一點。發電機旋轉時南北極會輪流掃過發電線圈，而南北極感應出來的電流是不同方向的，因此電流就會一會向前，一會向後，變化速度取決於發電機的旋轉速度，例如香港是50Hz，即每秒變化50次，那麼發電機的速度就必須是每秒轉50圈，這可是供電條例中的硬性規定。
交流電中另一個名詞叫正弦波，指的是發電機電壓變化的波形，所謂正弦波指的是其變化相等於㘣周運動，我們拿刀從中切開一個㘣形薄餅，切口長度就是直徑，如果切口偏向一邊，切口長度就會短於直徑，這個切口長度就叫做弦，因為它看上去就像一把弓上面勾著箭尾的那條弦線，如果我們要拉弓的話，手會自然地拉弓弦的中間，如果把這位置視為零點的話，那麼上半部弓弦的長度就可以當成正數，下半部就是負數，雖然實際上毫無意義，但在數學分析上卻是必須的。很顯然，如果這把弓是㘣形的一部份的話，那麼它變的最大時就是一個半㘣，此時弦線就是㘣形的直徑，所以當弓無限小的時候，弦線長度為零，這個弦線長度由零變化至直徑的過程逐點畫出來就是正弦波。有人可能會說這是弓垂直時的情況，那麼把弓放成水平時又怎樣呢? 其實放成水平又有什麼分別? 還不是一模一樣，仍然是那句話，實際上沒意義，但數學上還是有必要的，如果垂直方向上叫正弦的話，那麼水平方向就叫餘弦，兩者除相差90度外毫無分別。
知道了正弦和餘弦的定義後，我們就不難明白交流發電機的輸出必然是正弦波，磁極在旋轉，磁力線不斷地掃過外殼上的線圈，感應出來的不是正弦波又會是什麼波？
交流電的特性
以上正弦波的比喻只是讓非理科朋友瞭解一下概念，在交流電路中的電子因漂移速度極低，實際上是不移動的，它們只是在跳扭腰舞，一會兒撞向左邊，一會兒撞向右邊，一秒鐘來回撞50次而把能量送出去。由於交流電有大小和正負變化，那電流和電壓是怎麼計算的呢? 人們用的是有效值的方法，即直流電和交流電發出相等的功率和熱量的話，那它們的電流電壓就相等。
交流發電機簡圖：上為單相，下為三相，多了兩組線圈而已。（圖片來自GenServe 公司）
交流電用在配電系統和用電設備中有一個無可匹敵的好處，那就是可以輕易地改變電壓，做法是將來自電源的電線繞在一塊鐵上面，正弦波交流電就會在這鐵塊上感應出一個正弦波磁場，如果在這塊鐵上的另一邊，用另一條電線又繞上很多圈，那麼在鐵塊上的正弦波磁場就會在這個線圈上感應出另一個正弦波電流，其電壓和繞出來的圈數有關，圈數越多電壓就越高，當然能量是不變的，電壓高了電流就會少了，這個玩意就是變壓器，港人稱之為火牛，其中那塊鐵叫做鐵芯，正式材料是硅鋼片，或叫矽鋼片，用它是因為磁場在矽鋼中作南北極轉換時的損耗較少，因為矽鋼分子立場不堅定，隨時可以倒向南極或北極，學名叫矯頑力低，而與此相反的是釹鐵硼合金，其立場極為堅定，一旦倒向南極或北極就死也不肯改變，最適合製作永久磁鐵，因此揚聲器單元用的就是這個死硬派。至於為什麼鐵芯要用硅鋼片？因為我們不想鐵芯中的正弦波磁場在鐵芯中感應出電流，叫渦電流，這種電流會在鐵芯中亂串及發熱，完全是浪費能源，幸好這種感應電流的電壓非常低，我們只要把鐵芯切片後疊起來，無論壓的有多緊，鐵片間的薄薄的空氣層和氧化層就足以把渦電流切斷，從而減少能源浪費。
交流電還帶來兩個物理現象，從電力分配角度來說都不是好事，但在電子線路上它們卻有著相應的妙用，這容後再說，現在先說對電力能源不好的地方，這兩個物理現象一個叫電容，另一個叫電感。電容是指金屬導體貯藏電子的能力，當正負兩個金屬導體隔著絕緣層互相接近時，電壓差就會使電子在貼近絕緣層的金屬表面堆積，就像遊客堆在懸崖邊上的欄杆看風景一樣，懸崖越是險峻（電壓差越大），人（電子）就堆得越多，還有金屬面積越大，絕緣層越薄，電容效應越強。電容效應百分之百等同於一個電池，不同之處是電池用的是化學反應，使貯電量千百倍高於電容，但電容的反應速度則千百倍地快過電池。另外一個交流電現象是電感，指的是線路中某處產生磁場的能力，磁場來自於電力能源，所以電感效應也會像電容一樣貯藏能量。
從曲線最高處可以看出，電容器C的電流先於電壓，電感器L則相反，兩者電流的時間(相位 )差是180度。
提高用電效率
電容和電感貯藏能量的時間點，或者說充電的次序是相反的。其中電容和電池一樣，沒電時電壓為零，充電電流最大，而電感則相反，當電壓不變時電流才會最大，因為電壓不變磁場就不變，磁場不變對電流的抵抗力就最低，電流自然就會變大。對電容和電感來說，如果把電壓變化當正弦的話，電流變化就是餘弦，反之皆然。由於電壓和電流不是同一時間出現（不同步)，因此功率就發不出來，這就好比通過一根大彈簧去推車，眾人用力時彈簧收縮，此時司機偏偏踩下剎車，眾人鬆手後彈簧回彈，司機還踩著剎車，直到彈簧回彈時才鬆開剎車，這樣能推得動車子前進才有鬼，重覆推一千次也沒用。這種電流電壓的時間差叫做功率因數，數值由零至一，電流電壓完全不同步時是零，相反則為一。當然世事無絕對，實際線路中是有電阻的，它會拖慢電流變化的速度，因此功率因數不會完全等於零。對絕大部分用電設備而言，產生磁場會是主流，如變壓器和電動機等，就算把一條電線在手指上繞兩圈也會產生電感，一般來說，用戶端的電感最低會將功率因數降至0.3至0.4左右，對電力公司來說這是非常要命的，發電機拼命旋轉但用戶就是利用不上能量，而用戶利用不了你就不能收費，怎麼辦? 可以用電容器補償啊，當電流不能流過電感時可以讓它轉為向電容器充電啊，回頭當電流可以通過電感磁場時，電容器可以像電池一樣放電而減輕電力公司負擔，這個遊戲方式叫做功率因數補償，每座大廈的總電房都有這樣的電容器一大堆。按香港電力公司要求，功率因數只需要補償到0.85就夠了，補得太高的話技術上有些麻煩，成本高且容易出故障，不必強求。
音響器材的電源
開宗明義地說，世界上所有電子線路用的都是直流電源，無論膽機電晶體都是如此，因此交流電必須轉為直流電。轉換過程是電流先經變壓器降低電壓，再經過一個只讓電流單向流通的東西，在大廈供水系統中這東西叫單向閥或止回閥，而在電子線路中叫做整流器。以前用真空二極管，而到了本人入讀幼稚園低B班的六十年代初期已大量使用半導體二極管。
經整流後的電流只向一個方向流動，但正弦波是忽大忽小的，即使方向相同也是忽大忽小，怎麼辦？最簡單的方法還是用一個電池緩衝一下，大電壓時電池充電，小電壓時放電，這不就平穩了嗎? 但電池反應太慢了呀，那用快得多的電容又如何呢？這個想法不錯，後來的大水塘電容就是由此而來。有人可能會問，電感不是也能貯電嗎? 能不能取代電容呢？當然可以，但電感線圈太過笨重不好用，所以一般都用小線圈加大電容組成一個線路，叫整流濾波線路，能使電壓更加平穩。
平穩是平穩了，但音響器材是需要能源來工作的，大的音樂訊號需要大電流，而變壓器的容量有限，用家索取大電流必然會導致電壓下降，端看降了多少而已，這可不是整流濾波能應付得了的事情，所以人們又發明了一樣東西來應付，叫做穩壓線路，原理也不複雜，就是在設計之初就令變壓器加上整流濾波器的輸出電壓高於音響線路所需的電壓，然後穩壓線路中的主動元件，例如晶體管等的就會根據設定去調節電壓，使其穩定在某個數值，這就像大廈供水，水壓一定大於用戶最大需求，用戶需要擰水龍頭來調節水量一模一樣。這裏有一點非常重要，只有小功率音響器材，如前級，CD機和解碼器等才有穩壓線路，後級放大器，甚至是合併放大器的後級電路中都是沒有穩壓線路的，因為成本耗費實在太大，而且事實上只要加強整流濾波輸出能力，再加上各大廠家花樣翻新的補償線路，通常都是沒問題的。
※ 本文輯錄自【音響技術】2024年3月號第510期 ※
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