定電圧スピーカーシステム

定電圧スピーカーシステムとは、インピーダンス計算を簡素化し、スピーカーケーブルでの電力損失を最小限に抑えるために、昇圧トランスおよび降圧トランスを使用してオーディオアンプに接続されたスピーカーネットワークを指します。これらは、高電圧オーディオ分配システムと呼ばれる方が適切です。^[1]電圧が一定であるのは、フルパワー時にシステム内の電圧が駆動されるスピーカーの数に依存しないという意味でのみです（アンプの最大電力を超えない限り）。^[2]定電圧スピーカーシステムは、25ボルト、70ボルト、70.7ボルト、 100ボルト、または210ボルトのスピーカーシステム、分散スピーカーシステム、または高インピーダンススピーカーシステムとも呼ばれます。カナダと米国では、これらは最も一般的に70ボルトスピーカーと呼ばれています。ヨーロッパでは、100 Vシステムが最も普及しており、アンプとスピーカー製品には単に100 Vと表示されています。

定電圧スピーカー システムは、電力会社が長距離に電力を送電するために採用している電力伝送方法に似ています。通常、電力会社は伝送される電力の電圧を昇圧し、それに応じて電流を減らして、伝送中の電力損失を減らします。電圧は送信先で降圧されます。同様に、定電圧スピーカー システムでは、アンプがトランスを使用してオーディオ信号の電圧を昇圧し、スピーカー ケーブル上の電力損失を減らして、所定のワイヤ径でより多くの電力を伝送できるようにします。システム内の各スピーカーには、電圧を使用可能なレベルまで下げる降圧トランスがあります。

各スピーカーの降圧トランスは、単一の電力レベル用に設計することも、複数のタップを持つように設計することもできます。タップの 1 つは、スピーカーに適用する希望の電力レベルに合わせて選択されます。さまざまなタップを持つトランスを使用すると、設置者は個々のスピーカーで音圧レベルを上げたり下げたりすることができます。トランスがスピーカーの筐体内に収納された専用モデルも用意されています。スピーカーの降圧トランスの一次側は、定電圧ラインに並列に接続されています。^[3]

定電圧ラインは、外部昇圧トランスを備えた従来のアンプ、内部昇圧トランスを備えたアンプ、またはトランスレス出力を備えた高電圧アンプによって駆動できます。

一般的な低インピーダンス出力の汎用アンプが使用されています。その出力は外部昇圧トランスの一次側に接続されています。専用トランスを使用すると、プロジェクトの目標電力レベルに合わせてシステム設計を調整できます。複数のアンプをトランスを介して組み合わせることで、より高い電圧とより高い電流容量のラインを実現できます。たとえば、3 つの 70 ボルト アンプを、3 つの一次側と 1 つの二次側を持つ専用外部出力トランスに接続して 210 ボルト ラインを作成するために使用されています。^{[4] [検証失敗]}

70 ボルト出力トランス内蔵アンプには、低インピーダンスおよび高インピーダンス出力接続が用意されており、後者には通常「25 V」および「70 V」というラベルが付いています。これらは、過電流保護やフライバック電圧保護のための積極的なハイパス フィルタリングなど、多くのアプリケーション固有の設計機能を備えた堅牢な専用アンプです。一部のモデルでは、1 つのチャネルで 1 つまたは 2 つの低インピーダンス 8 オーム スピーカーを駆動し、もう 1 つのチャネルで定電圧のスピーカー ストリングを駆動するように構成できます。^[3]

パワー半導体の進歩により、アンプの出力段から高電圧を直接出力することが可能になりました。例えば、1967年にクラウンインターナショナルはDC300アンプを発表しました。このアンプは、総出力が500W ^[5]であるため、従来のスピーカー負荷だけでなく70ボルトラインを直接駆動することができます。 ^[6] 1987年にクラウンは100ボルトラインを直接駆動できるマクロテック2400を発表しました。^[3]それ以来、高出力アンプ技術のさらなる発展により選択肢が広がりました。多くのメーカーが、高インピーダンス定電圧スピーカーラインに直接接続できるアンプを製造しています。高電圧オーディオアンプは、ほぼワンチップソリューションになっています。例えば、ナショナルセミコンダクターのLME49810 ^[7]（および類似製品LME49811 ^[8]とLME49830 ^[9]）は100Vピークツーピーク信号を出力できますが、電流出力が比較的低いため、標準的な回路にはダーリントンまたはFETディスクリート出力段が含まれています。

高電圧定電圧システムは、選択した変圧器とアンプの接続トポロジーに応じて、140、200、210ボルトのラインを使用するように設計できます。このような高電圧システムは、細い配線がすでに設置されている場所、長距離配線が必要な場所、デイトナ・インターナショナル・スピードウェイ^[10]や2003年の再設計前のインディアナポリス・モーター・スピードウェイ^[11]などの特に騒音の大きい施設で使用されています。このような高電圧での安全上の考慮により、世界のほとんどの地域では スピーカーラインを導管内に設置する必要があります。

600ワットの変圧器は、定電圧設備で高出力スピーカーを必要とする請負業者向けに広く入手可能です。^[12] 50Hzまで下げて1250ワットを処理できる専用変圧器も入手可能です。^[4]高出力、高電流の変圧器の問題の1つは、1つの定電圧ラインで使用できる変圧器の数が少ないことです。より大きな直径のスピーカーワイヤーが推奨されます。高出力処理に必要なより大きな変圧器は、高周波応答を低下させます。

定電圧スピーカー システムの従来の代替手段は、低インピーダンス スピーカー システム (インピーダンスが 8 オームではないにもかかわらず、一般に「8 オーム スピーカー システム」と呼ばれます) です。このシステムでは、アンプとスピーカーがトランスを使用せずに直接結合されます。定電圧システムと比較した欠点は、スピーカー ケーブルを短くするか直径を大きくする必要があり、場所によって異なるリスニング レベルが必要な場合は、より多くのアンプが必要になることです。

もう一つの選択肢は、スピーカーの筐体にアンプが組み込まれたパワードスピーカーです。アンプはスピーカーと同じ場所にあるため、スピーカーの入力にはラインレベルのオーディオ信号のみが必要です。ラインレベルの信号は通常 1 ～ 2 ボルト程度で、はるかに細いケーブル (通常 20 ～ 26 AWG) で伝送できます。パワードスピーカーの主な欠点は、パッシブスピーカーにはそのような要件がないのに対し、パワードスピーカーにはAC 電源が必要になるという追加要件があることです。

従来の低インピーダンス スピーカー システムに比べて定電圧スピーカー システムを使用する主な利点は次のとおりです。

• 複数のスピーカー：複雑な直列/並列接続方式を使用せずに、1つのアンプで複数のスピーカーを駆動できます。^[13]
• 複数の出力レベル：単一のアンプを使用しながら、異なるリスニングエリアで異なる音圧レベルの目標を達成できます。 ^[13]
• 安価:信号の電圧が上昇し、電流が比較的低いため、追加の電力損失を招くことなく、より軽量で安価なケーブルを使用できます。一般的な8オームのスピーカーシステムでは12ゲージのケーブルが必要な場合がありますが、70ボルトのシステムでは18ゲージ以下のケーブルを使用できます。^[13]
• システム拡張: 70 ボルト システムは簡単に拡張できます。
• 簡単な音量調整:パッシブ ボリューム コントロールをインストールすると、単一のスピーカーまたは複数のスピーカー ゾーンのレベルを簡単に制御できます。

• 周波数応答：安価なトランスでは低周波と高周波の再生が不十分になる場合があります。 ^[13]
• 歪み：トランスが過剰に駆動されると、オーディオ信号にリンギング歪みが加わることがあります。低価格のトランスは、特に低周波応答に関して、高電力レベルで歪みが発生しやすい傾向があります。 ^[13]低レベル信号では、設計が不十分なトランスコアに十分な電力を供給できず、通常よりも高い高調波歪みを防ぐことができない場合があります。 ^[14]
• ばらつき：品質の悪い変圧器では、ユニットごとにばらつきが見られることがあります。^[14]
• 遅延:同じ定電圧ライン上のより遠くのスピーカーを遅延させて空気中の音速に一致させ、スピーカー列からのインパルスが遠くのリスナーの視点から同時に到達するようにすることはできません。
• 挿入損失:トランス自体がスピーカーに供給される総電力を減少させるのが一般的で、アンプはスピーカーに供給される予定の総電力よりも 10% ～ 20% 高い電力を必要とします。トランスの仕様を最適化するために、典型的なトランス挿入損失の測定は 1,000 Hz で行われます。 ^[4]この方法を使用すると、典型的な挿入損失は約 1 dB で、20% の電力損失となります。音声アプリケーション オーディオ システムの電力のほとんどは 400 Hz 未満であるため、低周波数での挿入損失は大きくなります。最高のトランスは中帯域周波数を 0.5 dB (約 10% の電力損失) 以下まで減少させ、その結果、10 ワットのスピーカーはアンプから 11.1 ワットを消費します。 ^[13]
• 静電容量:より高い電力レベルを達成するには、変圧器を物理的に大きくする必要があります。大型の変圧器（200ワット以上）は、自己静電容量による高周波減衰の影響を受け始めます。 ^[4]
• コストが高い:低周波応答を重視した高出力スピーカーを使用する場合、必要な変圧器ははるかに大きくなり、プロジェクトに多大なコストがかかります。一部の地域では、建築および電気コードにより、70ボルトのケーブルを導管内に配線することが義務付けられており、プロジェクトコストが増加します。^[3]
• より敏感：定電圧システムは比較的高いインピーダンスで動作するため、少量の漏れ電流や部分的な短絡に対してより敏感です。水が溜まる配管に70ボルトのスピーカーラインを配線すると、システム内でパチパチという音が発生する可能性があります。^[3]

• 定電圧オーディオ分配システム