Zabezpieczenia, chłodzenie, złącza i regulatory - Wzmacniacze mocy cz. III

ZABEZPIECZENIA WZMACNIACZY MOCY

I o nich będzie, między innymi, mowa w trzeciej części naszych rozważań o wzmacniaczach. Zabezpieczenia, jak sama nazwa wskazuje, są po to, aby zabezpieczać. Przed czym? Przede wszystkim przed uszkodzeniem danego urządzenia (lub jego części), ale również przed pracą w bardzo niekorzystnych warunkach, które potencjalnie mogą prowadzić do uszkodzeń. W przypadku wzmacniacza sytuacji, które mogą uszkodzić zarówno sam wzmacniacz, jak i przyłączone do niego głośniki, jest kilka. Zacznijmy od najważniejszych, czyli od

ZABEZPIECZENIA PRZED ZWARCIEM WYJŚCIA

Jest ono stosowane w każdym wzmacniaczu, gdyż zwarcie wyjścia może nastąpić w razie uszkodzenia głośników lub przewodów głośnikowych. Jeżeli w takim przypadku wysterowany wzmacniacz nie ma odpowiedniego zabezpieczenia, mogą ulec uszkodzeniu tranzystory mocy. Stosowanie samych tylko bezpieczników topikowych jest niewystarczające, gdyż działają one stanowczo za wolno niż skutki lawinowego przebicia w złączu p-n tranzystora. Najprostszym zabezpieczeniem przeciwzwarciowym jest włączenie w szereg z obciążeniem dodatkowego rezystora o wartości 50-100% wartości impedancji obciążenia. Zaletą tego rozwiązania jest trywialna wręcz prostota oraz skuteczność, wadą jest ciągła utrata mocy podczas normalnej eksploatacji. Innym układem jest prosty ogranicznik prądowy. Nie powoduje on strat mocy podczas normalnej pracy, ale w przypadku przeciążenia działa jak ogranicznik obcinający wierzchołki przebiegów (przester), jak to pokazuje

Rysunek 1. Poza tym podczas zwarcia - pomimo ograniczenia - mimo wszystko na tranzystorach mocy wydziela się duża moc. Bardziej rozbudowane układy lepiej radzą sobie zarówno z powstawaniem zniekształceń, jak i wydzielaniem dużej mocy na tranzystorach. We współczesnych rozwiązaniach odchodzi się od opisanych wyżej zabezpieczeń, stosując układy, które w przypadku wystąpienia zwarcia na wyjściu czy znacznego przeciążenia stopni końcowych (np. choćby poprzez podłączenia głośników o zbyt niskiej impedancji) powodują odłączenie stopnia końcowego wzmacniacza (układ Protect). Często układ ten łączy się z układem opóźnionego załączania głośników, o czym za moment. Innym, równie ważnym jest

ZABEZPIECZENIE PRZECIW NADMIERNEMU WZROSTOWI TEMPERATURY

Podczas długotrwałej pracy w trudnych warunkach może zdarzyć się sytuacja, gdy nastąpi nadmierny wzrost temperatury na elementach (we wnętrzu) wzmacniacza, co może spowodować ich uszkodzenie, a w najlepszym wypadku znacznie wpłynie na skrócenie ich żywotności. Takie sytuacje mają miejsce w przypadku "zabudowania" bądź zasłonięcia radiatorów wzmacniacza albo otworów wentylacyjnych (o tym też jeszcze będzie mowa). Zabezpieczenie wzmacniacza polega w tym przypadku (w najprostszych rozwiązaniach) na umieszczeniu wyłączników termicznych w odpowiednich miejscach. W takich przypadkach, w wyniku przegrzania może nastąpić odłączenie bądź to zasilania, bądź obciążenia. Bardziej rozbudowane systemy umożliwiają dalszą pracę wzmacniacza, ale z ograniczeniem mocy do momentu ostygnięcia, kiedy układ zabezpieczający znów będzie mógł dać "całą naprzód". W najbardziej rozbudowanych (czytaj najdroższych) urządzeniach kontrola i sterowanie temperaturą odbywa się mikroprocesorowo. Można monitorować temperaturę wewnątrz urządzenia umieszczonego pod sceną ze stanowiska realizatora nagłośnienia. Pozwala to bądź na "ręczne" sterowanie mocą w przypadku przekroczenia maksymalnej temperatury, bądź zlecenie tego systemowi, który sam zmierzy, zadecyduje i będzie przeciwdziałał szkodliwym wzrostom temperatury.

ZABEZPIECZENIE PRZED OBCIĄŻENIEM REAKTANCYJNYM ORAZ SZKODLIWYMI OSCYLACJAMI

Oprócz układów zabezpieczających wzmacniacz przed zwarciem wyjścia stosowane są także pewne dodatkowe elementy ograniczające możliwość wzbudzeń wzmacniacza na częstotliwościach ponadakustcznych. Tego typu wzbudzenia są bardzo niebezpieczne zarówno dla samych tranzystorów końcowych, jak i dla głośników wysokotonowych w zestawach głośnikowych. Jedną z przyczyn samowzbudzania się wzmacniacza jest wzrost impedancji obciążenia dla wielkich częstotliwości. Aby wyeliminować to zjawisko włącza się równolegle do obciążenia dwójnik RC (Rysunek 2). Przyczyną wzbudzeń wzmacniacza może być także pojemnościowy charakter obciążenia, które może wystąpić w przypadku stosowania zestawów głośnikowych o rozbudowanych filtrach rozdzielających (zwrotnicach). Przeciwdziałanie temu zjawisku polega na włączeniu szeregowo z obciążeniem niewielkiej indukcyjności (5-10 μH) - Rysunek 3. Jeżeli pomimo stosowania wyżej opisanych zabezpieczeń wzmacniacz wykazuje tendencję do oscylacji, przyczyna leży w szkodliwych przesunięciach fazowych wewnątrz samego układu wzmacniacza oraz w pasożytniczych sprzężeniach na doprowadzeniu zasilania oraz masy. W tym przypadku stosuje się kompensację wzbudzeń za pomocą małych (w sensie pojemności) kondensatorów - zasadniczo 100 pF do 1 nF. Jednak, jak to w życiu bywa, nie ma nic za darmo. Stosowanie pojemności kompensujących powoduje zawężenie pasma przenoszenia wzmacniacza, dlatego stosuje się ją tylko w razie niezbędnej konieczności, gdyż zbyt mała korekcja może być równie szkodliwa, jak zbyt duża.

Rysunek 2. Przeciwdziałanie wzrostowi impedancji obciążenia za pomocą elementów RC.

Rysunek 3. Zabezpieczenia wzmacniacza przed przeciążeniem o charakterze pojemnościowym.

ZABEZPIECZENIE PRZED POJAWIENIEM SIĘ NA WYJŚCIU SKŁADOWEJ STAŁEJ I STANÓW NIEUSTALONYCH

W tym przypadku, oprócz standardowego kondensatora szeregowego na wyjściu, stosuje się układ chroniący nasze głośniki, a często i uszy, który załącza głośniki z opóźnieniem, pozwalającym na osiągnięcie przez układy wzmacniacza stanu ustalonego. Układ ten powoduje również natychmiastowe odłączenia głośników w momencie wyłączenia zasilania, chroniąc je przed pojawieniem się charakterystycznego "puk". To "puk" może uszkodzić głośniki, a nie należy też do zjawisk słuchowych o dużej estetyce odbioru. Często układ ten łączy się z układem odłączającym stopnie końcowe w momencie przeciążenia, co uwidacznia się zapaleniem, przeważnie czerwonej, diody opisanej jako Protect. Skoro mamy już jakie takie pojęcie co może znaleźć się wewnątrz urządzenia zwanego wzmacniaczem mocy, zajmijmy się tym, co może być widoczne na zewnątrz. Zacznijmy od

REGULATORÓW

opisanych najczęściej jako Gain, Level lub Attenuator. Nie będziemy wnikać w rozszyfrowywanie tych nazw, bo okazałoby się, że każda z nich znaczy co innego. Ale w każdym wzmacniaczu ich rola jest taka sama - polega na OSŁABIANIU czyli TŁUMIENIU sygnału. Właśnie tak, tłumieniu, gdyż wzmacniacz to urządzenie, które ma niejako narzucone wzmocnienie, dlatego profesjonalne wzmacniacze nagłośnieniowe nie mają w ogóle regulatorów lub też są one mało dostępne, np. z tyłu obudowy. A to z tego powodu, że zasadniczo powinny one być ustawione w skrajnym prawym położeniu.

Ktoś powie, ale ja mam wzmacniacz 500 W, a nie zawsze potrzeba mi aż takiej mocy? Oczywiście, ale w takim przypadku wszelkich "nastaw" dokonuje się na konsolecie, gdyż nie jest korzystne wprowadzanie dodatkowego tłumienia w torze. Dlatego w skrajnie prawym położeniu wzmacniacz osiąga czułość nominalną, tzn. podając na jego wejście sygnał odpowiadający tej wartości dysponujemy pełną jego mocą. W jakim więc celu umieszcza się te regulatory, skoro stosowanie ich nie jest zalecane? Otóż wykorzystuje się jej w przypadku, kiedy poziom wyjściowy miksera nie odpowiada poziomowi wejściowemu (czułości) końcówki. Np. końcówka pracuje z poziomem -10 dBV, a poziom nominalny na wyjściu miksera wynosi +4 dBu. Wtedy, wykorzystując regulatory czułości końcówki, można zmniejszyć jej wysterowanie albo dostosować poziomy obu urządzeń. Aby to ułatwić większość producentów wyposaża swoje wzmacniacze w regulatory kalibrowane w dB. Inna sprawa, że często dokładność tych nastaw pozostawia wiele do życzenia, a to z powodu rozrzutu parametrów stosowanych do tego celu potencjometrów.

Lepiej sprawdzają się w tym przypadku regulatory skokowe, zamiast zwykłych płynnych potencjometrów. Inną sytuacją, kiedy będziemy mogli trochę "pokręcić gałami", są proste systemy Bi-Amp. W systemie tym stosujemy dwie osobne końcówki do sterowania zestawów nisko- i średnio-wysokotonowych. W takim przypadku więcej mocy potrzebne jest na zasilenie basów, dlatego końcówka pracująca z zestawem średnio-wysokotonowym może być nieco "odczulona", czyli być nieco stłumiona, aby zapewnić odpowiednią proporcję między dołem a resztą pasma.

ZŁĄCZA

czyli gniazda wejściowe i wyjściowe. Jeszcze do niedawna panowała tu zupełna dowolność, dlatego "co kraj, to obyczaj" i co końcówka, to różne złącza. Obecnie, zwłaszcza w sprzęcie profesjonalnym, na wejściu stosuje się połączenia symetryczne, dlatego gniazda wejściowe to głównie złącza XLR, często zdublowane gniazdami Jack TRS (stereo). Największy problem był zawsze z wtykami wyjściowymi. Stosowano złącza bananowe - bardzo pewne, ale wymagające dużej staranności przy instalowaniu przewodu do takiego wtyku. Z innych rodzajów przyłączenia często też spotkać można było do niedawna (a nawet teraz - np. w sprzęcie instalacyjnym) złączki zakręcane. Do takiej złączki przykręca się "żywy" przewód, czyli bez żadnego wtyku, a tylko z usuniętą izolacją. Ten sposób połączenia jest również bardzo pewny, pod warunkiem że wykonany jest prawidłowo i bardzo starannie.Poza tym ten sposób podłączenia jest jeszcze w miarę akceptowalny w instalacjach stacjonarnych, kiedy podłączy się to raz a dobrze, ale robienie tego kilka razy na tydzień może faktycznie wywołać nerwicę. Natomiast zupełnym nieporozumieniem jest stosowanie, jako gniazd wyjściowych wzmacniacza, gniazd typu Jack (na szczęście obecnie w sprzęcie profesjonalnym, a nawet i półprofesjonalnym niestosowane), zwłaszcza dla mocy powyżej 100 W.

Gniazda i wtyki Jack są predestynowane do pracy z niskimi napięciami i mogą być stosowane wyłączenie na wejściach. Problem jednak został rozwiązany przez firmę Neutrik, która wymyśliła, opatentowała i produkuje złącza typu Speakon. Może ono przenosić prąd o wartości do 25 A, jest zabezpieczone przez specjalny zatrzask przed przypadkowym rozłączeniem. Poza tym podpina i odłącza się go banalnie prosto, choć tym, którzy spotykają się z tym złączem pierwszy raz sprawia nie lada kłopot. Gwoli ścisłości wspomnę, że ta sama firma produkuje również gniazda i wtyki przeznaczone do doprowadzenia zasilania, zwane Powerkon. Z wyglądu przypomina Speakona, jednak ma inne rozwiązania mechaniczne dla uniknięcia tragicznych w skutkach pomyłek. Teraz ostudzimy nieco atmosferę, rzecz będzie bowiem o

CHŁODZENIU

W przypadku wzmacniaczy mamy do czynienia z dwoma typami chłodzenia: konwencjonalnym, czyli przez oddawanie ciepła do otoczenia poprzez umieszczone na zewnątrz obudowy radiatory, oraz wymuszony, gdy ochładzanie tranzystorów jest wspomagane poprzez wentylatory. Oba sposoby mają swoje wady i zalety: chłodzenie konwencjonalne sprawdza się przy niezbyt dużych mocach, pod warunkiem zastosowania odpowiedniej wielkości radiatorów i odpowiednim umieszczeniu końcówki. Takie urządzenia są pożądane w studiach nagrań, wyciszonych pomieszczeniach czy teatrach, a więc pomieszczeniach, w których zależy nam na jak najmniejszym poziomie szumów i zakłóceń (wentylatory potrafią bardzo uprzykrzyć wtedy życie). Niestety, w przypadku wzmacniaczy o dużej mocy taki sposób chłodzenia może okazać się niewystarczający. Wtedy nie pozostaje nic innego jak skorzystać ze wzmacniacza z wentylatorem (na koncertach rockowych szum wentylatora nie ma najmniejszego znaczenia). Oczywiście, istnieją końcówki, zwłaszcza tzw. audiofilskie, o bardzo dużej mocy, gdzie nie ma mowy o stosowaniu wentylatorów. Jednakże do przeniesienia takiego monstrum potrzeba trzech chłopa, najlepiej z wózkiem golfowym.

W przypadku firm nagłośnieniowych taka "szafa" nie ma racji bytu - nie każdego stać na zatrudnienie "Pudziana" jako technicznego! Warto znać kilka żelaznych reguł dotyczących eksploatacji wzmacniaczy mocy, pod względem ich pracy i chłodzenia:

1. Utrzymywać w czystości zarówno filtry dolotowe powietrza (ich zanieczyszczenie powoduje zatykanie się, to zmniejsza ich przepustowość, a to z kolei wpływa na pogorszenie warunków wentylacji), jak i samo wnętrze urządzenia (pomimo filtrów nie unikniemy ich stałego zabrudzania, zwłaszcza gdy gramy dużo imprez w plenerze).
2. Zapoznać się z obiegiem powietrza wewnątrz urządzenia. Czasami fantazja producenta jest wręcz zaskakująca, kiedy np. wzmacniacz zasysa powietrze od dołu, a wypuszcza bokami. W takim wypadku umieszczenie takiego urządzenia w niskim raku to na dłuższą metę śmierć dla niego, a nie daj Boże poupychać kilka takich "cudeniek" w jednym raku. Najlepszym rozwiązaniem jest pobieranie powietrza od przodu, a oddawanie z tyłu (lub na odwrót - należy tylko pamiętać, aby nie umieszczać w jednym raku końcówek z takimi przeciwstawnymi obiegami powietrza, bo zamiast chłodzić będą się one wzajemnie ogrzewać).
3. Niezależnie jaki by ten obieg nie był, nigdy nie zasłaniać otworów wentylacyjnych, dotyczy to również urządzeń z chłodzeniem konwencjonalnym.
4. Nie stawiać wzmacniacza w pobliżu źródeł ciepła, a w plenerze unikać wystawiania ich na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.
5. Pracując z końcówkami umieszczonymi w raku zawsze ściągać zarówno przednią, jak i tylną klapę, i nie stawiać raków ani blisko siebie, ani blisko innych urządzeń (jeden za drugim) czy ścian.
6. Wzmacniaczy nie wyłączać w czasie przerw - praca jałowa wcale ich nie rozgrzeje, a wręcz przeciwnie, będzie okazja aby wentylatory usunęły nadmiar zgromadzonego wewnątrz ciepła. Można również "pomóc" wewnętrznym wentylatorom poprzez ustawienie na zewnątrz dodatkowego( ych) wentylatora(ów). Zwrócić należy jednak jeszcze raz uwagę na to, gdzie powietrze jest zasysane, a gdzie wypuszczane, aby wentylator zewnętrzny nie wpychał rozgrzanego powietrza z powrotem do urządzenia.
7. Jeśli pomimo zapewnienia prawidłowych warunków chłodzenia wzmacniacz nam się wyłącza (uaktywnia się zabezpieczenie termiczne) może to być spowodowane albo niewłaściwym napięciem zasilania z sieci, co się często zdarza w "dzikich polach" (prawidłowe chłodzenie zależy od obrotów wentylatora, a te z kolei od odpowiedniej wartości napięcia zasilającego), albo zbyt dużym obciążeniem stopnia mocy (np. z powodu zbyt niskiej impedancji zestawów głośnikowych) bądź też nieprzystosowaniem końcówki do pracy ciągłej z maksymalnym obciążeniem. Pamiętać też należy, że wzmacniacz najbardziej grzeje się przy ok. 65 % wartości nominalnej mocy. Jeśli więc pracujemy przy wykorzystaniu ok. 70 % mocy i zaczyna nam się z końcówki robić grzejnik, to zamiast skręcać lepsze efekty uzyskamy zwiększając jej poziom wysterowania, przynajmniej teoretycznie. Już na koniec słów kilka o odwiecznym problemie

BIPOLARNY CZY MOSFET

Od czasu pożegnania się z lampą elektronową przez długie lata niezastąpionym elementem "napędowym" wzmacniaczy był tranzystor bipolarny. Kilkadziesiąt lat temu pojawiły się na rynku tranzystory MOSFET-owe. Skoro pojawiła się "nowa twarz na rynku", szybko postanowiono wykorzystać ten fakt do zaprojektowania, a potem sprzedania z dużym zyskiem, wzmacniaczy opartych właśnie na tego typu elementach. Ten pośpiech, aby prześcignąć konkurencję, spowodował, że pierwsze takie konstrukcje były niedopracowane, o dużej awaryjności, a przez to sprawiały więcej problemu niż pożytku. Pomimo upływu czasu i dopracowania konstrukcji wzmacniaczy MOSFET które, pod względem parametrów, funkcjonalności, a także i ceny nie ustępują wzmacniaczom z tranzystorami bipolarnymi, w dalszym ciągu nie da się jednoznacznie zawyrokować, które z nich są bezsprzecznie lepsze. Tranzystory MOSFET mają pewne cechy, które stawiają je wyżej nad "zwykłymi". Są to: właściwość samoograniczania prądu wraz ze wzrostem temperatury (co może być zarówno zaletą, jak i wadą) oraz o wiele lepsze czasy narastania, co pozwala z powodzeniem stosować je w układach impulsowych. Poza tym wzmacniacze z takimi tranzystorami mają większą ilość parzystych harmonicznych w sygnale (w porównaniu ze wzmacniaczami na tranzystorach bipolarnych), co upodabnia je w brzmieniu nieco do wzmacniaczy lampowych, preferowanych przez wielu muzyków. Niestety, jak już wspomniałem, zdolność do samoograniczania prądu może być też wadą. Jeśli we wzmacniaczu zastosowano oszczędnościową ilość tych tranzystorów, będzie to powodowało nadmierny wzrost temperatury, a wraz z tym spadek mocy końcówki, właśnie z uwagi samoczynnego zmniejszania się prądu pod wpływem temperatury. W związku z nieco większą zdolnością do ciągłego przenoszenia dużych prądów przez tranzystory bipolarne można zasugerować stosowanie tego typu wzmacniaczy do zasilania zestawów niskotonowych (wymagają one dostarczenia dużych prądów, a więc i mocy).

Natomiast końcówki MOSFET-owe mogą zapewnić nieco lepsze odtwarzanie góry pasma (z powodu większej ich "szybkości"). Ale, jak zwykle, ostateczny wybór i tak należy do potencjalnego klienta, i bardzo dobrze. Zanim kupisz - pomyśl, zanim podłączysz - pomyśl dwa razy, i dodać należy - przeczytaj gwarancję. To skrócona wersja rad, jakich udzieliłbym osobie szykującej się do zakupu i eksploatowania wzmacniacza. Przy zakupie należy kierować się nie tylko marką - często firmy mniej znane oferują produkty o równie dobrych parametrach, ale za to o wiele niższej cenie. Warto natomiast zwrócić uwagę, czy sprzedawca oferuje serwis gwarancyjny i pogwarancyjny. Dobrze też jest mieć możliwość wypróbowania wzmacniacza, nie tylko w sklepie, na 1/10 mocy przez 5 minut, ale w miejscu i w warunkach, w których ma ona pracować. Warto też zabrać ze sobą na zakupy "będącego w temacie" kolegę, który będzie mógł odszyfrować dokumentację oraz wypyta sprzedawcę o szczegóły, które nam mogą nie przyjść do głowy. No i na koniec - szczerze odradzam samodzielne próby naprawiania uszkodzonego sprzętu. Po pierwsze, bo można stracić gwarancję (o ile się ją jeszcze ma), a po drugie - z doświadczenia wiem, że łatwiej naprawia się uszkodzenia naturalne niż poprawianie po kimś, kto nie bardzo ma pojęcie, co tak właściwie robi, choćby działał w jak najlepszej intencji.

autor: Piotr Sadłoń