Parametry - Wzmacniacze mocy cz. II

WSPÓŁCZYNNIK ZAWARTOŚCI HARMONICZNYCH

Jeżeli do wzmacniacza podamy sygnał np. o częstotliwości F, to na wyjściu, oprócz wzmocnionego podstawowego sygnału, otrzymamy także kilka słabszych sygnałów będących jego wielokrotnością. Są to składowe harmoniczne. Sygnały o wielokrotności 2F, 4F, 6F itd. (liczba oznacza wielokrotność częstotliwości podstawowej) to harmoniczne parzyste. Sygnały o częstotliwościach 3F, 5F itd. to harmoniczne nieparzyste. Każda następna harmoniczna jest z reguły słabsza. W sygnale wyjściowym mogą występować tylko parzyste, tylko nieparzyste harmoniczne albo jedne i drugie.

Harmoniczne parzyste są dla ucha bardziej "przyjazne" niż nieparzyste. Stąd, mimo sporej zawartości zniekształceń harmonicznych we wzmacniaczach lampowych, są one oceniane jako przyjemniej grające niż wzmacniacze tranzystorowe, w których współczynnik zniekształceń jest wielokrotnie mniejszy. Również wzmacniacze z tranzystorami MOSFETowymi charakteryzują się większą zawartością parzystych harmonicznych niż końcówki ze zwykłymi tranzystorami bipolarnymi, przez co brzmieniowo nieco upodobniają się do "lampowców".

Zawartość składowych harmonicznych podawana jest w postaci współczynnika THD. Jest on podawany w procentach i, oczywiście, powinien być jak najmniejszy. Zasadniczo we współczesnych konstrukcjach współczynnik zniekształceń zawiera się w granicach 0,01-0,0001%.

WSPÓŁCZYNNIK ZAWARTOŚCI INTERMODULACYJNYCH

We wzmacniaczu powstają także zniekształcenia kombinowane, gdy występujące obok siebie różne sygnały wpływają na siebie tak, że mogą powstać niejako nowe częstotliwości, wynikające z dodania i/lub odejmowania się tych sygnałów. Są one bardziej słyszalne niż zniekształcenia harmoniczne, bowiem stanowią nowe tony różniące się częstotliwością od tonów podstawowych, a nie będące ich harmonicznymi. Powstają, gdy sygnały o dwóch różniących się znacznie od siebie częstotliwościach i poziomach mocy są przenoszone równocześnie przez układ nieliniowy. Sygnał o częstotliwości większej jest modulowany sygnałem o mniejszej częstotliwości. W zależności od rodzaju modulacji, jaka ma miejsce sygnał o większej częstotliwości zostaje zmodulowany amplitudowo lub częstotliwościowo. Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych (IMD) powinien być możliwie jak najmniejszy. Wielu producentów podaje oddzielnie każdy współczynnik zniekształceń, aczkolwiek może też być podany jako jeden wspólny współczynnik zniek ształceń nieliniowychTHD+N.

ZNIEKSZTAŁCENIA TYPU TIM

W technice tranzystorowej pojawiały się jeszcze inne problemy. Podczas odsłuchów i porównań wzmacniaczy lampowych i tranzystorowych, mimo dużych zniekształceń dźwięk z "lampowców" był o wiele bardziej miły dla ucha słuchającego niż "tranzystorowców", które miały świetne parametry. Pojawiło się określenie "tranzystorowy dźwięk", co miało znamionować dźwięk o odcieniu "metalicznym", w odróżnieniu od "ciepłego" dźwięku wzmacniaczy lampowych.

Po badaniach stwierdzono, że przyczyną tego są zniekształcenia intermodulacyjne nieustalonego typu, które nazwano zniekształceniami typu TIM. Źródłem tych zniekształceń jest głębokie sprzężenie ujemne. Normalnie, bez sprzężenia, wzmacniacz ma stosunkowo wąskie pasmo przenoszenia. Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego zapewnia obniżenie poziomu zniekształceń harmonicznych i uzyskanie szerokiego pasma.

W dzisiejszych konstrukcjach problem ten może występować jedynie w tanich wzmacniaczach (lub konstrukcjach amatorskich), gdzie nadal stosuje się głębokie sprzężenia ujemne. W wysokiej klasy wzmacniaczach wykorzystuje się bardzo szybkie tranzystory, o wysokiej częstotliwości granicznej, co pozwala na zmniejszenie sprzężenia do rozsądnych wartości, nie powodujących zniekształceń typu TIM.

Każdy element toru wnosi jakieś zniekształcenia, które z reguły się sumują. Przesterowanie wzmacniacza, spowodowane np. niedopasowaniem któregoś elementu toru, przy głośnym słuchaniu muzyki prowadzi do drastycznego wzrostu poziomu zniekształceń. Wpływa to bardzo niekorzystnie na trwałość tak wzmacniacza (przegrzanie), jak i zestawów głośnikowych. Już niespełna 10-procentowe zniekształcenia powodują charakterystyczne "charczenie" zestawów, co może w bardzo krótkim czasie doprowadzić do ich uszkodzenia.

WSPÓŁCZYNNIK TŁUMIENIA (DAMPING FACTOR)

Membrana każdego głośnika ma pewną bezwładność mechaniczną, przez co nie porusza się idealnie w takt impulsów prądu. Cewka głośnika generuje wtedy szkodliwe prądy, które w pobliżu częstotliwości rezonansowej głośnika stają się szczególnie dokuczliwe. Prądy te można tłumić, zwierając elektrycznie głośnik. W jaki sposób? Czyni to wzmacniacz dzięki swojej niskiej impedancji wewnętrznej.

Jak widzimy, żeby tłumienie było szybkie i skuteczne wzmacniacz musi mieć jak najniższą impedancję wewnętrzną. I tu dochodzimy do współczynnika tłumienia. Jest to parametr podawany w postaci liczby niemianowanej (np. 20). Oblicza się go jako stosunek impedancji znamionowej zestawu (najczęściej 8 Ω lub 4 Ω) do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Im większy współczynnik tłumienia, tym lepiej, bowiem wzmacniacz szybko radzi sobie ze szkodliwymi oscylacjami głośników. Przykładowo wzmacniacz o impedancji 0,1 Ω ma Damping Factor równy 80 (dla obciążenia 8 Ω), a w przypadku impedancji równej 1 Ω Damping Factor osiąga już tylko wartość równą 8.

Współczesne wzmacniacze tranzystorowe mają współczynnik wysoki - rekordziści osiągają nawet kilka tysięcy. Wzmacniacze lampowe lub brzmieniowo upodobnione do lampowych mają Damping Factor w granicach 2-6 lub niewiele wyższy. Mimo tego że ogólnie przyjmuje się, iż lepszy jest duży współczynnik, nie zawsze przekreśla to wzmacniacz. Bo przecież wzmacniacze lampowe o niskim współczynniku często grają o niebo lepiej niż tranzystorowe o niebotycznie wysokim DF. Sęk w tym, że do współpracy z nimi potrzeba głośników o sztywniejszym zawieszeniu - i właśnie takie stosuje się np. we wzmacniaczach gitarowych.

Współczynnik tłumienia zmienia się w zależności od częstotliwości. Przyczyną jest nierównomierna charakterystyka przenoszenia tak wzmacniacza, jak i głośników. Ponadto impedancja kabla głośnikowego może mieć spory wpływ na wartość WT. Dlatego przyjmujmy go jako ogólną wskazówkę dotyczącą danego wzmacniacza.

PASMO PRZENOSZENIA

Ten parametr nie wymaga chyba szczegółowego opisu. Jest to zakres częstotliwości, w obrębie którego, przy danym współczynniku zniekształceń harmonicznych (np. 1%), moc wyjściowa spada na krańcach zakresu o 3 dB (czyli do połowy wartości mocy znamionowej). Co oczywiste, wzmacniacze powinny mieć szerokie pasmo przenoszenia.

Wiele wzmacniaczy ma pasmo przenoszenia od 0 Hz do 100 i więcej kHz. Czy ma to jakikolwiek sens, skoro wiadomo, że pasmo częstotliwości słyszalnych jest wyższe niż 20 Hz i nie przekracza 20 kHz? Odpowiem pokrętnie - i tak, i nie. Z jednej strony zbyt szerokie (zarówno w dół, jak i w górę) pasmo jest niepożądane. W praktyce estradowej rzadko kiedy pracuje się poniżej częstotliwości 40 Hz, a w zasadzie nigdy powyżej 20 kHz. Aby zabezpieczyć więc głośniki przed nadmiernym "rozbujaniem" przy niskich częstotliwościach, a także nadmiernym poborem mocy dla niskich częstotliwości (oczywiście kosztem reszty pasma) lub przeciążeniem gwizdków, np. w przypadku przesteru, stosuje się strome filtry górno- i dolnozaporowe, co teoretycznie stoi w sprzeczności z używaniem wzmacniacza o paśmie przenoszenia 0 Hz-100 kHz.

Jest jednak druga strona medalu - pasmo przenoszenia dużo wyższe niż 20 kHz może nam powiedzieć coś więcej o reakcji wzmacniacza na strome zbocza narastające sygnałów, czyli o tzw. szybkości wzmacniacza. Dokładnie mowa tu o parametrze zwanym slew rate. Oczywiście, jak można się domyślić, im szersze pasmo przenoszenia, tym większa szybkość wzmacniacza, a więc lepsze przenoszenie stromych sygnałów. Dla typowych celów w zupełności wystarcza slew rate ≥ 10 V/μs.

ODSTĘP SYGNAŁU OD SZUMU

Określa stosunek sygnału wyjściowego o mocy 100 mW dla monofonicznych końcówek mocy (lub 50 mW dla stereofonicznych) do wszystkich innych niepożądanych sygnałów na wyjściu (np. szumy, przydźwięk itp.), występujących w paśmie 31.5 Hz-20 kHz. Normy nie są ustalone, ale im odstęp większy tym lepiej.

ZNAMIONOWE NAPIĘCIE WEJŚCIOWE (CZUŁOŚĆ)

Jest to napięcie na wejściu wzmacniacza, które przy regulatorze wzmocnienia ustawionym na maksimum, przy określonej częstotliwości (np. 1 kHz), zapewnia na wyjściu moc znamionową. Czułość podawana jest w woltach

IMPEDANCJA WEJŚCIOWA

Jest to impedancja, jaka przedstawia sobą wejście wzmacniacza dla znamionowych warunków pracy. Wyjścia źródeł i wejścia wzmacniacza powinny być zbliżone tak, aby duża różnica pomiędzy nimi nie powodowała obciążenia dla źródła lub wzmacniacza. Bowiem jeżeli impedancja wzmacniacza jest zbyt mała w stosunku do źródła, będzie on obciążał źródło, powodując tłumienie sygnału.

Lepsza jest sytuacja odwrotna - niska impedancja źródła, a wysoka wzmacniacza. Dawniej stosowano poziomy nominalne 0 dBu, co odpowiadało napięciu wejściowemu 0,775 V rms. Obecnie w sprzęcie profesjonalnym pracuje się z poziomami +4 dBu, co jest odpowiednikiem napięcia na wejściu równemu 1,23 V (więcej o poziomach sygnału w numerze wrzesień/październik 2009 LSP).

POBÓR MOCY

Każdy wzmacniacz ma sprawność mniejszą niż 100%, czyli tylko część mocy pobieranej ze źródła energii zamieniana jest na moc oddawaną do obciążenia. Najmniej wydajne są wzmacniacze klasy A, gdzie nawet 90% pobieranej mocy jest tracone i zamieniane na ciepło. Najbardziej wydajne zaś są wzmacniacze klasy D i inne oparte na tej klasie (o klasach z kolei pisaliśmy szeroko w poprzednim numerze).

CHARAKTERYSTYKA FAZOWA

Każda końcówka mocy, wzmacniając sygnał o określonej częstotliwości, wnosi większe lub mniejsze opóźnienia. Powoduje to przesunięcia fazowe, co pogarsza lokalizację głosów czy instrumentów podczas słuchania muzyki. Największe zniekształcenia są na krańcach pasma - niskich i wysokich częstotliwościach. Dlatego ważnym jest, aby wzmacniacz miał jak najszersze pasmo przenoszenia, wtedy zniekształcenia fazowe będą przesunięte poza słyszalne pasmo. To kolejny plus wzmacniaczy o paśmie znacznie szerszym niż standardowe 20 Hz-20 kHz.

TŁUMIENIE PRZESŁUCHU MIĘDZY KANAŁAMI

Określane jest jako stosunek poziomu wyjściowego (napięcia lub mocy) kanału sterowanego sygnałem do poziomu wyjścia kanału niesterowanego, do którego sygnał przedostaje się poprzez szkodliwe sprzężenia.

OBCIĄŻENIE WZMACNIACZA NISKIMI IMPEDANCJAMI

Jeżeli mamy zestawy głośnikowe o impedancji np. 4 Ω, to wcale nie znaczy, że zawsze taka jest jej wartość. Producenci bowiem podają średnią impedancję. Jeżeli mamy możliwość przyjrzenia się przykładowej charakterystyce choćby samego głośnika 4-omowego zobaczymy, że impedancja zmienia się w zależności od częstotliwości.

Czasami jest wyższa niż podana, a czasami spada bardzo nisko, nawet do 3 Ω. Podczas słuchania muzyki, w chwili gdy impedancja jest niska, wzmacniacz będzie musiał dostarczyć o wiele więcej mocy niż przeciętna. Jeżeli wzmacniacz jest mało wydajny prądowo, pojawią się zniekształcenia.

Mówimy też, że wzmacniacz nie radzi sobie z dużym obciążeniem, jest mało dynamiczny. By temu zaradzić konstruktorzy montują wydajne transformatory zasilające, stosują duże pojemności kondensatorów w zasilaczu oraz łączą równolegle po kilka tranzystorów wyjściowych.

Jest jeszcze wiele parametrów opisujących wzmacniacze, ale w większości będą one interesować konstruktorów. Jak z poprzednich informacji wynika, nie wszystkie wzmacniacze o gorszych parametrach grają gorzej od tych z lepszymi.

Dlatego najważniejsza jest zasada: przed zakupem należy przesłuchać. A i tak wszystko okaże się dopiero "w boju", podczas długotrwałej, forsownej nieraz eksploatacji.

autor: Piotr Sadłoń