Zosilňovače

základné fakty

Každý reproduktor potrebuje k svojej činnosti zdroj energie - niečo, čo ho rozhýbe. Takýmto zdrojom bývajú zosilňovače, a s nimi súvisí obrovské množstvo teórie. Keďže ale sám veľa z tej teórie neovládam, objasním aspoň nejaké základy, s ktorými človek môže často prísť do styku.

Parametrami, s ktorými sa človek u zosilňovačov stretne, bývajú:

Výstupný výkon
Ide o celkovú energiu, ktorú je zosilňovač zo seba schopný vydať. Táto energia je samozrejme VŽDY menšia ako energia, ktorú na to potrebuje (to, koľko si zosilňovač potiahne z elektrickej siete).
RMS
Najčastejšie uvádzanou hodnotou je RMS (Root Mean Squared) či sinusový výkon. Spravidla je RMS to isté čo sinusový výkon, z definície je ale RMS všeobecnejším pojmom, ktorý môže definovať efektívnu hodnotu výkonu pri akomkoľvek priebehu napätia (nie len sinusovom). V prípade audia je ale najdôležitejší práve ten sinusový (harmonický) priebeh napätia a teda sinusový výkon. Tento výkon by mal byť zosilňovač schopný dodávať dlhodobo.
Hudobný výkon
Hudobný výkon je takisto veľmi často zaužívaným pojmom, jeho definície sa ale líšia. V princípe ide ale o to, že zosilňovač by mal byť schopný pokryť krátkodobé špičky s vyššou úrovňou ako má zvyšok signálu. Otázne potom ale ostáva, ako dlho môže takáto špička trvať. Preto si myslím, že hudobný výkon nie je niečo, podľa čoho by sa dalo orientovať.
Výkon je vždy uvádzaný pri istej hodnote skreslenia a do istej impedancie.

Celkové skreslenie
Maximálny výkon zosilňovača nie je presne daná hodnota za ktorú by sa už nedalo ísť. Vždy totiž závisí od úrovní s ktorými zosilňovač pracuje (napríklad nastavenie zisku, resp. úroveň vstupného signálu). Maximálny výstupný výkon sa teda uvádza pri určitej hodnote skreslenia.
Zosilňovač má vždy istú hodnotu skreslenia, tá závisí aj od frekvencie, no aj od zaťaženia zosilňovača (vyšší výkon/menšia impedancia pripojenej záťaže - väčšie skreslenie). Keď už zosilňovač pracuje na hranici svojich možností, začína veľmi prudko narastať skreslenie - narastá podiel vyšších harmonických, zosilňovač začína "orezávať" špičky. Preto hovoríme o takzvanom harmonickom skreslení, THD (Total Harmonic Distortion - Celkové harmonické skreslenie). To dáva do podielu súčet výkonu vyšších harmonických (toho čo nechceme) k výkonu základnej harmonickej (tomu čo na výstupe naopak chceme) a vyjadrí to v percentách. Pri vyššej hodnote THD teda vieme dostať vyšší výstupný výkon.
Harmonické skreslenie v jednotkách percent je už pomerne zreteľne počuť, hlavne u tranzistorových zosilňovačov, kde prevládajú pre ucho menej príjemné harmonické (elektrónkové zosilňovače produkujú naproti tomu skreslenie, ktoré je pre ucho príjemnejšie). Pre kvalitné zosilňovače nie je problém držať celkové harmonické skreslenie v rádoch tisícin percenta.
Čim je THD vyššie, tým má signál, ktorý by mal mať sinusový priebeh, bližšie k obdlžníkovému priebehu, 100% THD teda znamená obdlžníkový priebeh napätia na výstupe.
Skreslenie je ale závislé aj od napájacieho napätia, čo je dôležité hlavne u autozosilňovačov. Ak totiž klesne napájacie napätie, napätie na výstupe zosilňovača má bližšie k obdlžníkovému priebehu a teda jeho efektívna hodnota je väčšia. To môže mať za následok aj prehriatie cievky reproduktora (reproduktor to totiž nedonúti viac kmitať, čo by pomohlo k jeho chladeniu, no prúdové namáhanie cievky je väčšie)

Prípustná impedancia záťaže
Výstupný výkon je vždy uvádzaný do istej impedancie. Zosilňovač má totiž schopnosť dodať na výstup isté napätie, napríklad 30V. A týchto 30V znamená iný výkon pri 4ohm záťaži a iný pri povedzme 8ohm záťaži. Teoreticky by mal byť rozdiel vo výkone dvojnásobný, v reále sa ale prakticky nikde nestretneme so zosilňovačom, ktorý by mal zdroj dostatočne tvrdý na to, aby dával pri rôznom prúdovom zaťažení stále rovnaké napätie. Práve to spomínané prúdové zaťaženie je limitujúcim faktorom pri zosilňovači. Ten 4ohm reproduktor totiž znamená pre zosilňovač väčšiu záťaž ako 8ohm reproduktor. A zosilňovač má samozrejme isté prúdové obmedzenia. Do 2ohm záťaže by bol teda schopný dodať opäť dvojnásobný výkon oproti 4ohm záťaži, no ak nie je schopný pracovať s prúdmi ktoré by takáto záťaž vyvolala, znamenalo by to pre neho rýchly koniec.
Zosilňovač má teda vždy uvedenú istú hodnotu minimálnej impedancie, do ktorej je schopný pracovať. Väčšia impedancia nepredstavuje žiadny problém, keďže pre zosilňovač to je menšia záťaž, no dodá do nej menší výkon. Menšia impedancia by pri vyššom výkone znamenala preťažovanie zosilňovača.

Trieda
Pracovná trieda zosilňovača hovorí o topológii zosilňovača a určuje niektoré z jeho základných vlastností. Najčastejšie používanými triedami sú:

Trieda A
Na zosilňovanie v tejto triede prakticky stačí jediný tranzistor, pracovný bod je totiž nastavený tak, že tento tranzistor je stále v otvorenom stave, v kľude (pri nulovej úrovni signálu) je približne v strede prevodovej charakteristiky. Keďže je tranzistor stále otvorený (stále ním tečie prúd), zosilňovač v tejto triede spotrebúva energiu aj v neprítomnosti vstupného signálu.
Z toho teda vyplýva základná a asi jediná nevýhoda takéhoto zosilňovača - veľmi nízka účinnosť. Jej maximálna hodnota je 25% (spotreba takéhoto zosilňovača je teda v priemere 4x väčšia ako jeho výstupný výkon)
Výhodou je nízke skreslenie, nehrá tu totiž rolu spínací čas tranzistora, a jednoduchosť zapojenia takéhoto zosilňovača.

Trieda B
Trieda B rieši problém s účinnosťou, v kľudovom stave teda tranzistor nie je otvorený. To je dosiahnuté tak, že s kladnou aj so zápornou polvlnou signálu pracujú osobitné tranzistory (komplementárny pár).
Účinnosť je teda vyššia, maximálne 78,5%; no nastáva tu problém s časom potrebným na zopnutie tranzistora. Z toho teda vyplýva vyššie skreslenie a za istých okolností aj problém pri zosilňovaní vyšších frekvencií.

Trieda AB
Výhody tried A a B sa dajú spojiť, z čoho nám vzniká asi najviac využívaná trieda AB. Pracovný bod tranzistorov je mierne posunutý tak, aby sa nedostávali do uzavreného stavu, no zároveň aby nimi v kľude netiekol veľký prúd.
Z toho vyplýva menšie skreslenie ako u triedy B, no zároveň vyššia účinnosť ako u triedy A.

Trieda D
Často mylne označované ako digitálne zosilňovače. Hlavným cieľom tejto triedy je riešiť účinnosť. Tranzistory teda pracujú len v oblastiach s minimálnymi stratami - plne uzavretý a plne otvorený stav.
Vstupný signál je prevedený na impulzy prostredníctvom PWM a PDM (pulzne šírková modulácia, a modulácia hustoty impulzov), v exotickejších prípadoch prostredníctvom sigma-delta modulácie, ktoré sú následne zosilnené (veľmi účinne) a na výstupe vyfiltrované dolnopriepustným filtrom.
S ohľadom na účinnosť a spínaciu frekvenciu tranzistorov (ta musí byť samozrejme vyššia ako je maximálna prenášaná frekvencia) sa v týchto zosilňovačoch používajú hlavne rýchle MOS FET tranzistory.
Z vyššej účinnosti vyplývajú menšie nároky na chladenie - menší chladič a na napájanie - menší zdroj.
Keďže návrh kvalitného zosilňovača pracujúceho v triede D je veľmi náročný, používajú sa takéto zosilňovače hlavne tam, kde nie sú nároky na kvalitu veľmi veľké, napríklad spotrebná elektronika. Použiteľné sú ale aj tam, kde nie je potrebné prenášať vysoké frekvencie - u subwooferov, kde sú schopné podávať ohromné výkony pri skromných nárokoch na chladenie a napájanie.
Ako som spomenul na začiatku, označenie "digitálny" je v tomto prípade scestné, písmeno D, ktoré by to možno evokovalo, je totiž dosadené len logickým nasledovaním po písmene C (Trieda C totiž takisto existuje, keďže je ale pomerne raritne využívaná, nespomenul som ju). Digitálne (v slovenčine číslicové) zariadenia sú totiž tie, kde jednotky a nuly (čo by mohlo zodpovedať otvorenému a zatvorenému tranzitoru), predstavujú nejakú informáciu. V tomto prípade ale otváraním a zatváraním tranzistorov dostávame len požadovanú analogovú výstupnú hodnotu.

Ďalšie parametre

Ďalším údajom, s ktorým sa u zosilňovačov môžeme stretnúť, je Damping Factor (činiteľ tlmenia). Tento údaj vypovedá o vnútornom odpore zosilňovača - čím je tento odpor menší, a teda Damping Factor väčší, tým je potom pohyb membrány pripojeného reproduktora viac brzdený.
Činiteľ tlmenia je podielom impedancie záťaže (reproduktora) a impedancie zdroja (vnútorného odpora zosilňovača). K impedancii zdroja sa pripočítava odpor vodičov medzi reproduktorom a zosilňovačov, väčší odpor vodičov (menší prierez, väčšia dĺžka) teda znamenajú zníženie DF. Naopak vyššia impedancia reproduktora znamená zvýšenie DF.
Ak je činiteľ tlmenia nízky, a teda pohyb membrány nie je tlmený, membrána sa pohybuje menej kontrolovane, čoho následkom je väčšia výchylka a zákmity membrány. A práve väčšia výchylka môže mať za následok aj zničenie reproduktora pri vyšších výkonoch.
Na činiteľ tlmenia má negatívny vplyv aj premosťovanie zosilňovača.

Mostíkový režim (Bridged Mode). Ide o špeciálny režim zosilňovača, kedy sa využijú dva z jeho kanálov, pričom jeden pracuje s opačnou fázou (polaritou) ako druhý. Takto sme teda schopní spojiť výkony obidvoch kanálov a teda dostať teoreticky dvojnásobný výkon do dvojnásobnej impedancie (opäť sa ale dostáva ku slovu zaťažiteľnosť zdroja). Zosilňovač v mostíkovom režime ale už nedokáže pracovať do záťaže do akej to dokázal v štandardnom režime, minimálna impedancia musí byť dvojnásobná (ak predtým dokázal jeden kanál pracovať do 2ohm, v mostíkovom režime musí mať pripojená záťaž aspoň 4 ohmy).

Pomer signál/šum (SNR) hovorí, ako to už z názvu vyplýva, o pomere signálu ktorý chceme k signálu ktorý nechceme (šumu). Čím je teda tento pomer nižší, tým viac budeme z reproduktorov pripojených k zosilňovaču počuť šum, čo vadí hlavne v tichých pasážach hudby, resp. keď hudba nehrá.

Ďalšie funkcie zosilňovačov

Low/High Pass Filter (LPF/HPF)
Ide o filtre, ktoré bránia prenosu pásma v závislosti od nastavenej frekvencie.
Low Pass Filter, alebo po slovensky dolnopriepustný filter, prepúšťa, ako to už z názvu vyplýva, len dolné pásmo frekvencií. Vhodné je použiť ho vtedy, ak zosilňovačom, resp. danými kanálmi zosilňovača ženieme subwoofer. Ten je určený na reprodukovanie len najnižšieho pásma a teda do neho budeme púšťať len to. Osobne ho nastavujem na cca. 80Hz, no je to závislé od reproduktorov, ktoré používame na zvyšok pásma.
High Pass Filter naopak prepúšťa len frekvenčné pásmo vyššie od nastavenej frekvencie, čo nám pomôže hlavne ak máme menšie satelity či reproduktory v dverách. Do reproduktorov takto nepôjdu frekvencie ktoré by ich najviac namáhali. Je dobré ho nastaviť približne na rovnakú frekvenciu, na akú máme nastavený LPF na zosilňovači subwoofera.

Subsonic filter
Subsonický filter je špeciálnym typom hornopriepustného filtra, ktorý sa ale používa u subwooferov. Rozdielom je ale väčšia strmosť (filter je "silnejší") a nižšie frekvencie v rozsahu. Opäť nám umožňuje vyfiltrovať frekvencie ktoré reproduktor zbytočne zaťažujú, tie ktoré nevie zahrať. Nastaviť ho môžeme tak, že si pustíme hudbu ktorú bežne počúvame a nastavenú frekvenciu postupne zvyšujeme až kým nebudeme počuť úbytok basov.

Regulácia fázy
Základom je možnosť zmeny 0/180°, to nám umožní odstrániť prípadné prepólovanie reproduktora (ak sa reproduktory navzájom nepodporujú, ale naopak rušia). Plynulá regulácia umožňuje korigovať aj vzdialenosť medzi reproduktormi (časové oneskorenie).

Ako taký autozosilňovač funguje?
Pozrime sa na jeho vnútro:


Mohli by sme si ho rozdeliť na dve časti, zelenou farbou je ohraničený napájací zdroj, červenou samotný zosilňovač.

Napájací zdroj
Napájacie napätie do zosilňovača privádzame cez svorky, pričom je vedené cez poistku. Jej hodnota je volená s ohľadom na maximálny možný odber zosilňovača.
Napríklad zosilňovač na obrázku, Alpine MRV-T505 má uvádzaný RMS výkon pri 14,4V 2x150W do 2Ohm, alebo 1x300W v mostíku do 4Ohm. Predpokladáme, že účinnosť zosilňovača je 70% a účinnosť napájacieho zdroja 95%, dostaneme sa na celkový príkon maximálne približne 450W. Pri danom napätí to teda predstavuje prúd 31A. Osadená poistka je pre prúd 30A. Ak na zosilňovači dôjde k nejakej abnormalite (napríklad prerazený tranzistor), väčšinou nastane väčší odber, poistka sa odpáli a tým zabráni väčším škodám (napríklad na zdroji).
Niektoré zosilňovače majú medzi (+) a zem pripojenú diódu, ktorá je normálne v závernom smere, no pri prepólovaní je v smere priepustnom a napájanie natvrdo vyskratuje. Samozrejme cez poistku, takže prepólovaním nezničíme zdroj, ale len poistku za pár centov.
Podľa poistky vieme aj približne odhadnúť výkon zosilňovača, vždy totiž platí P=U.I, teda výkon je rovný súčinu napätia a prúdu. Za napätie môžeme zobrať napríklad 14,4V, prúd si odčítame z poistky (či zo súčtu poistiek ak ich tam je viac). Dostaneme maximálny výkon ktorý cez tú poistku dostaneme, a ten v prípade klasických AB zosilňovačov vynásobíme 0,7; pre zosilňovače v triede D 0,9. Takto môžeme dostať približný RMS výkon zosilňovača. Tým že tam pichneme výkonnejšiu poistku samozrejme vyšší výkon nedostaneme. Takisto ak zosilňovač nehrá, len odpaľuje poistku, netreba tam pchať silnejšiu, už som opravoval pár zdrojov kde tak namiesto jedného tranzistora v zosilňovači bolo treba meniť aj tranzistory v zdroji.

Keď už máme napätie cez poistku privedené na dosku, nasleduje filtrácia (1), ktorá zabraňuje prenosu rušenia zo zdroja zosilňovača do rozvodnej siete. A samozrejme aj naopak. Táto filtrácia je väčšinou tvorená niekoľkými elektrolytickými kondenzátormi, tlmivkami a poprípade aj zvitkovými kondenzátormi.
Po tomto kroku nasleduje zvyšovanie napätia, keďže z 12V viac ako cca. 24W nedostaneme. To má na starosti integrovaný obvod, ktorý prostredníctvom niekoľkých tranzistorov (2) spína napájacie napätie do transformátora (3). To sa robí v dvoch etapách, v prvej je zopnutá prvá polovica tranzistorov a prúd do primárneho vinutia transformátora tečie jedným smerom, v druhej je zopnutá zas druhá polovica tranzistorov a prúd v primárnom vinutí transformátora tečie opačným smerom. Čím výkonnejší je napájaný zosilňovač, tým väčší výkon musia samozrejme zvládať tieto transformátory a transformátor, a teda tým je tam tých tranzistorov viac, resp. tým väčšie tie tranzistory (a transformátor) sú. Tranzistory spínajú niekoľko tisíc krát za sekundu, pre zachovanie čo najvyššej účinnosti je teda potrebné aby boli čo najrýchlejšie, preto sa používajú rýchle MOS FET tranzistory.
Z transformátora ide striedavé napätie, ktoré je na napájanie zosilňovača samozrejme nevhodné. Preto ho treba usmerniť a stabilizovať. Stabilizácia je riešená diódami, opäť ale nejakými rýchlejšími. Napätie ktoré ide z usmerňovača ale stále nie je vhodné pre zosilňovač, preto sa ešte stabilizuje ďalšími elektrolytickými kondenzátormi. Opäť musia byť rýchlejšie, teda musia mať malý vnútorný odpor. Čím výkonnejší je zosilňovač, tým vyššia musí byť ich kapacita, aby sa nevybíjali príliš rýchlo a teda aby bolo napájacie napätie zosilňovača čo najvyhladenejšie.

Výkonový zosilňovač
Ide o časť ohraničenú červenou farbou. Tu nie je veľmi čo rozoberať, keďže táto časť sa medzi zosilňovačmi dosť líši. Čo je ale pre všetky zosilňovače spoločné, sú tranzistory (6). Tie sú spojené s chladičom, ktorý od nich odvádza teplo. Tranzistory sú kritickou časťou zosilňovača a ak zosilňovač nefunguje, spravidla býva problém práve v nich. Výkonnejšie zosilňovače majú väčšie a silnejšie tranzistory, resp. môže byť ich počet zvýšený pre väčšie prúdové zaťaženie (a týmpádom nižšie možné pripojené impedancie).
Výstup zo zosilňovača je vyvedený na výstupné svorky.

Signálová časť (7)
Do nej privádzame vstupný signál a jej úlohou je prispôsobiť signál pre naše potreby - vyfiltrovať nepotrebné frekvencie, ekvalizovať, ... V tejto časti sa nachádzajú operačné zosilňovače, čím viac možností nastavenia a čím strmšie filtre zosilňovač má, tým tam bude týchto operačných zosilňovačov viac.






PC

Zvuk

Ďalšie