トランスで電力はそのままとは具体的にどうなるのか

質問

オーディオにおいて、トランスで音を増幅した場合、電圧は上がっても電流は上がらないため、電力は保存されます。トランジスタで増幅する場合だと電圧だけでなく電流も増幅するため、電力は大きくすることができます。
では、トランスの場合だと具体的にトランジスタとどう違うのでしょうか？

一定まで増幅できるが、一定以上を超えると音が大きくならなくなるということでしょうか？
大音量が発生すると一時的に音量がさがってしまうということでしょうか？

回答No.9

HAL2（@HALTWO）

A No.8 HALTWO です。
補足、拝見しました(^_^)/

＞つまり、トランスによって音量が上がったように感じるのは、電圧を上げているからのではなく、インピーダンスが整合に近づくことで入力効率が上がっているからにすぎず、その後もトランスでインピーダンスを変え続けたらまた再度インピーダンス不整合になり反射波などが発生して歪むという認識で良いでしょうか？

＜違います(^^;)。

Impedance が整合すれば歪まない、整合しなければ歪むという根拠は何なのでしょうか(^^;)？

A No.4 で解説した通り、殆ど全ての Audio 機器に於いて音量の大小は電圧の大小で制御しています。
極一部には電流制御のものがありますが、電圧を一定にして電流の大小で音圧を制御しようとすると周波数毎に Impedance が変化する Speaker を Flat な周波数特性で駆動する事ができなくなりますので最終的に Speaker を駆動する Power Amplifier 部では電圧制御に変換しています。……電流制御 Amplifier としては BP (BAKOON Products) 社の SATRI Amplifier とかが知られていますし、現代の Audio DAC (Digital Analog Converter) は殆どが電流制御出力ですので Pulse Generator の後段に I/V 変換と LPF (Low Pass Filter) 及び Amplifier の IC (Integrated Circuit) Chip を繋いでいますよね。

因みに BP 社 Amplifier の動作原理は勉強していませんので聞かないでください(滝汗)。
Headphone 専用 Amp' の HDA-5210-SP に興味が湧いたものの、愛用している SONY MDR-7506 Headphone では周波数毎 Impedance 変化が大きく Tone Balance が滅茶苦茶になりそうで、かと言って Impedance 変化が Flat な SENNHEIZER の Headphone を買うのも気が引けて、未だに手を出してはいません(^^;)。

Transformer は一方の Coil で発生させた磁界変化を他方の Coil で受けて I/V (Intensity/Voltage：電流/電圧) 変換しているものですので、磁界変化を受ける効率が悪ければ変換 Loss も大きくなります。

効率の善し悪しで Transformer の型式や材質及び形状が異なりますが、変換効率が悪いからといって歪みが大きいというわけではなく、変換効率が悪くても出力波形が入力波形と相似形の低歪率で変換するものもあります。

歪みの発生は磁界や通電箇所の物質 (原子間隔等)、発音物質 (Speaker 等) が歪んで (ゆがんで) Energy 伝達 (或いは変換) を相似形に保てなくなる事によるもので、最終的に聴覚神経からの信号を脳が処理する段階でも人それぞれに異なる聴感 Algorithm を経ますので、無歪みだから音が良いとは限りません。

そもそも Microphone は無歪みではありませんし、Recording Studio の Monitor Speaker だって無歪みではないのですから無歪み再生が最良というわけではないのです。……大切なのは彼方此方で生じる歪みをどう手懐けて御機嫌な音に活用するかであり、Pos'Pro' (Post Production) 調理の腕次第というわけです。

素敵な Audio Life を(^_^)/

回答No.8

HAL2（@HALTWO）

A No.4 HALTWO です。
補足、拝見しました(^_^)/。

＞増幅が頭打ちになって急激に歪み (音の歪み) を発生します。
とのことですが、大元の電流が同じである以上、インピーダンスを変えて電流が流れやすくしても、いずれ変わらなくなる閾値があるということでしょうか？

＜そういう事です。

＞その場合、その閾値には電源デカップリングの容量は関係ありますか？

＜Decoupling とは Coupling の逆、つまり「切り離す」という意味であり、Decoupling Condenser とは Condenser の前と後との関係性を絶つ、必要以外の信号は絶つ事を目的にしたものです。

一方、電源 Buffer Condenser は Buffer (緩衝) 動作を行う Condenser で、Condenser の前に存在する電源の供給能力を上回る電力消費が Condenser の後ろで行われても Buffer に貯えられた電力で不足分を補うのが目的のものです。

御指摘の電源 Decoupling Condenser とは電源 Buffer Condenser の事と思いますが、Buffer 容量が不充分ですと Buffer 電力までも枯渇しますので、その容量が音に影響を及ぼすのは当然でしょう。

一般に電源 Buffer Condenser は大容量のものほど良い (但し Ripple が少ない事) と言えますが、ESR (等価直列抵抗) Noise や Ripple 等の問題もありますので System に適した範囲というものが自ずと定まります……大出力 Amp' ほど良いというわけではなく、能率の高い Speaker を大出力 Amp' で駆動しても Noise に悩まされるのと同じです。

＞また、ここでの「歪み」とはどういう原理で発生しますか？

Transformer に限った事ではなく、導電体 (半導体も含む) では大電圧小電流でも小電圧大電流でも同じ電力であれば内部構成原子に於ける電子の受け渡し量 (数) は同じです。

各々の原子内で原子核を周回する電子 (Energy) が次々と移動する事によって電気が流れるのですが、電子は一定方向に動いているのではなく原子核の周囲を巡っているのですから大電力が加われば加わるほど原子核は大きく揺さぶられます。

原子核同士は Ion 結合や共有結合で結晶構造を維持しているのですが、あまりに大きな電子力が加わると結晶構造が乱れ、遂には結晶構造が破壊されてしまいます。

充電池が充放電を繰り替えと充電能力が低下していく原因の一つには電極部分の結晶構造破壊が挙げられます……勿論、これだけではなく、様々な要因があるのですが、Lithium Ion 充電池の寿命は電極部の結晶構造寿命が大きな原因となっていますね。

電流速度は光速と同じですが、光速は真空中では 30 万km/sec ながら、媒体によって速度が変わります……屈折率とは光速の逆数ですので、媒体内の光速は屈折率に反比例した速度となります。

また Lens を通過する光が分光して赤から青に至る周波数の違いで焦点位置がずれてしまうように、電導体内部でも周波数によって通電速度が変わってしまい、伝送限界周波数付近では位相が大きく乱れることとなります。

導体結晶構造に変位が生じるという事はその部分で位相が乱れるという事であり、結晶破壊が進んで発火断線する以前の段階でも位相攪乱による歪が増大するわけです。

導体の通電歪は導体の形状によっても変化し、例えば Cable を折り曲げると途端に高周波が乱れてしまい、Audio 周波数に較べて遙かに高周波で Data 伝送を行っている Ethernet Cable 等は Cable を折り曲げたり踏ん付けたりすると伝送 Error が頻発して Data 伝送速度が極端に低下してしまいます。

Audio 周波数域である低周波域でも素子の材質や形状で音色感が変わる、例えば Polyethylene Condenser と Polystyrene Condenser といった材質の違いや大きさの違い、Coil Resister か Metal Film Resister かといった材質や構造の違いのみならず、同じ型式であっても 1/2W 型か 1/4W 型かの大きさの違いでも音色感が変わってきます。

静的物理計測特性では聴感で検知できる筈もない微少な違いしかないにも関わらず、音色感が大きく異なってしまうのは、こういう事も大きな要因の一つになっています。

「歪み」は「ひずみ」とも「ゆがみ」とも読みますが、導体の原子 Level での「ゆがみ」が通電信号の「ひずみ」となるわけですね。……まぁ振動の「ゆがみ」が音の「ひずみ」となる Speaker も同様ですが……。

素敵な Audio Life を(^_^)/

補足

つまり、トランスによって音量が上がったように感じるのは、電圧を上げているからのではなく、インピーダンスが整合に近づくことで入力効率が上がっているからにすぎず、その後もトランスでインピーダンスを変え続けたらまた再度インピーダンス不整合になり反射波などが発生して歪むという認識で良いでしょうか？

回答No.7

iBook 2001（@iBook-2001）

『高めの電圧で少ない電流」と「低めの電圧で多くの電流」の違いはなんですか？』

多くの電流を扱うためには、導線による抵抗（ロス）の影響が出やすく、このため十分余裕がある「太い電線」が必要になってしまいます。

少ない電流で済ませば、電流が少ない分、電圧をtかく設定します。

電力＝電圧×電流

例えば、１Vで１０Aなら、10Wですけれど、１０Vであれば、0.1Aで同じ電力が得られます。

送り出し側の前提条件と、接続先（受け取り側）の条件次第ですが、昇圧したり降圧させたりして、よりよい整合性を得たい場合などで「トランス」が用いられています。

回答No.6

FattyBear

トランスの場合を追加説明します。
例として１次巻線数：２次巻線数が１対１０のステップアップトランスの場合
１次巻線（入力側）に１Vの交流を０．１Aを流した場合、２次巻線（出力側）には
交流電圧１０Vが発生しますが取り出し得る電流値は０．０１Aになります。
ご存知の様に入力側と出力側の電力はほぼ同じです。（変換効率は１００％にはなりません）
仮に２次側から強引に０．０２Aを取り出すとすると、１次側には０.２Aが流れます。
トランスとしての部品は通過し得る電力量や巻線の電流容量の規格が定まっており規格
以上での使い方はできません。

回答No.5

iBook 2001（@iBook-2001）

はじめまして。

電気的な解説は、すでに先輩回答者様が解説してくださっていますので、「概念的」な解説をしてみたいと思います。

電気を水に置き換えてみますね。
電圧は水圧
電流は水流

ホースから出される水を、細いホースに繋ぐことで、勢い良く遠くまで撒き散らすことができますねぇ。
これは、同じ水量を出すために、水圧が高くなっています。
逆に、同じホースを太い水道管に繋ぎますと、ゆったりと流れ出てきます。これは水圧が下がっているからです。

でも、全体の「水量」は同じですね。

トランスは時期を利用して変換しているため、一定のロスは避けられませんが、ロス分を無視すれば、入力電力と出力電力はほぼ同じ。と言うことになるのです。

トランジスターなどの「能動素子」は、「電源」と言うエネルギーを得ています。

水の流れで言えば、ホースから入った水の量に応じてダムから流れ出るバルブを操作している。結果て的には、ダムからの水が出ていくので、元の水量とは違った、より多くの水量を得ることが可能になります。回路設計で「高めの電圧で少ない電流」にも、「低めの電圧で多くの電流」にもできます。

トランジスターも、それぞれ得意な能力を持たせた品種があって、オーディオ回路としては「主に電圧増幅」に多用され、スピーカーなどの電流を多く必要とする部分には、電圧増幅よりも電流増幅に適したタイプを用いるケースが多いようです。
（スピーカーを駆動するメインアンプ、パワーアンプなどの場合、電圧増幅段と電流増幅段の２段構成とか、中間段や入力バッファー段など、より複雑な構成など、製品ごとで設計方針などから多様なものだ存在します。）

『トランジスタで増幅する場合だと電圧だけでなく電流も増幅するため、電力は大きくすることができます。』

１個のトランジスターで、両方の増幅を求めた場合、高い電圧や、大電流などに制約が多くなります。小出力で済む範囲であれば、実用可能ですが。。。現代では「集積回路」と言うものを用いることが多くなっていて、１チップ内に電圧増幅とその後に電流増幅、とかがヘッドホンアンプなどで多用されています。

補足

「高めの電圧で少ない電流」と「低めの電圧で多くの電流」の違いはなんですか？

回答No.4

HAL2（@HALTWO）

「増幅 (Gain)」という言葉は「何を (電圧? 電流？ 電力？) 増幅するのか？」の指定が無い限り、Audio 界では一般に電圧増幅を指しますので混乱されていらっしゃるのでは？

Transformer は変換 Loss はあるものの電力は一定で電圧を上げれば電流を下げる (電圧を下げれば電流は増える) という「電圧と電流」を変換する装置で、電源は要りません。
電源がないので変換 Loss の分、電力が減ります。

Transistor は電源を供給しないことには動作できません。
電源から電力 Power を得て動作する Active (能動) 素子ですので電力増幅できるのです。
Transformer は電源電力を用いない Passive (受動) 素子ですので電力増幅はできません。
Transformer で増幅と言っているのは電圧増幅 (電流は下がる) の事です。
Audio 機器では Speaker 等を駆動する電力を作り出す Power Amplifier までは電圧だけで音量変化を捉えていますので Head Amplifier や Pre' Amplifier は Transformer による電圧増幅だけで済ませてしまう事も可能なのです……音が良いかどうかは別問題ですが(^^;)。

＞一定まで増幅できるが、一定以上を超えると音が大きくならなくなるということでしょうか？
＜幾らでも増幅できるというわけではなく、当然の事ながら限界があります。
発熱して回路が短絡 (Short)、焼け焦げるでしょうが、その前に増幅が頭打ちになって急激に歪み (音の歪み) を発生します。
この歪みを積極的に利用するのが Guitar Amp' の Distortion で、Transistor よりも真空管の方が御機嫌な Distortion 音を発するので Guitar Amp' には 12AU7 や 12AX7 等の小型三極管がよく使われます。

>大音量が発生すると一時的に音量がさがってしまうということでしょうか？
＜これは増幅素子の話ではなく、電源 Condenser の話と混同されているのではないでしょうか？
Transistor Amp' では電源 Condenser の容量が少ないと 極低周波音 (高周波よりも長時間電力を消費する) が持続すると電源 Buffer Condenser に貯えられた電源電力を使い切ってしまい、50/60Hz AC 電源から整流される電源電力で電源 Buffer Condenser に充電するのが追い付かなくなってしまう状況が発生、その結果、極低音が鳴っている間 (一時的) は音量がどんどん下がっていくという事が起きます。

IC (Integrated Circuit) Amp' の IC は中身が極小の Transistor ですので Class A や Class B (或いは A/B) 増幅回路ですと電源 Buffer Condenser の容量を大容量のものにしますが、Class D Amp' 方式の IC Chip は電力 (電圧電力) 一定の高周波 Pulse を On/Off しているだけなので極低周波出力が続いても安定して出力する事ができ、電源 Buffer Condenser に大容量のものを要さずに済みます……その代わり高周波の再現 (増幅出力) は Pulse の数が不充分となって粗い表現になる事から歪みが増大します。

素敵な Audio Life を(^_^)/

補足

電源デカップリングについては当然承知しています。

＞増幅が頭打ちになって急激に歪み (音の歪み) を発生します。
とのことですが、大元の電流が同じである以上、インピーダンスを変えて電流が流れやすくしても、いずれ変わらなくなる閾値があるということでしょうか？

その場合、その閾値には電源デカップリングの容量は関係ありますか？

また、ここでの「歪み」とはどういう原理で発生しますか？

回答No.3

FattyBear

トランジスタは能動素子です。入力電力を増幅して出力することができます。
ただし、増幅するためにはそのための電力も消費します。
トランスは受動素子になります。電圧はトランスの１次、２次の巻数により
昇圧も降圧も出来ますが電力を増やすことはできません。変換効率で電力は
若干減ります。

回答No.2

gunsin

トランス（変圧器）は、1次と2次のコイルの巻き数の比で、
電圧を変換するだけの役割です。
＞電力は保存されます。
「エネルギー保存の法則」から、保存される事は有りません、
トランスを電力（エネルギー）が通過するだけです。

トランジスターは入力（1次側）と出力（2次側）で、電圧を
変えて使用する事が出来ますが、トランス（変圧器）は、
出来ませんので、増幅素子としては、使用出来ないのです。

回答No.1

69015802

トランスというのは1次側に入ったものが2次側に出ていくだけです。鉄損や銅損（インピーダンス損）が減るだけで増えることはありません。
トランジスタは別に電源があってその電源から流れる電気量を制御していると思ってください。
ちょっと理論的には違いますが下記のイメージです。
同じ水面の高さの池があってバケツで水を移すときに一方から汲んだ分だけ他方が増えます。これがトランスです。
水面の高さが違う場合間に堰を設けて堰の開け具合という少しの力で水の流す制御できますよね。この堰をトランジスタと思ってください。

補足

つまりトランスでは最終的に水源が枯渇するると汲めなくなる（大元の電流が同じである以上、インピーダンスを変えて電流が流れやすくしても、いずれ変わらなくなる閾値がある）ということでしょうか？