Vlastnosti zosilňovačov
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 sínusový výkon. Spravidla je RMS to isté čo sínusový výkon, z definície je ale RMS všeobecnejším pojmom, ktorý môže definovať efektívnu hodnotu výkonu pri akomkoľvek priebehu napätia (nie len sínusovom). V prípade audia je ale najdôležitejší práve ten sínusový (harmonický) priebeh napätia a teda sínusový 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.
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 sínusový priebeh, bližšie k obdĺžnikovému priebehu, 100% THD teda znamená obdĺžnikový 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 obdĺžnikovému 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 reály 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.
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 odporu 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) sú to 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.
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.
Základom regulácie fázy 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).
Spätná väzba (SV)
Je to jeden z najdôležitejších blokov v ľubovoľnom tranzistorovom nízkofrekvenčnom zosilňovači.
Záporná spätná väzba všeobecne potláča zosilnenie. Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že je nechcená, pretože potláča zosilnenie, a my chceme, aby zosilňovač zosilňoval tak ako chceme. Je to logická úvaha, ale keď si bližšie uvedomíme, aké vlastnosti má spätná väzba, pochopíme jej význam v každej regulovanej sústave, to jest aj v zosilňovači.
Záporná spätná väzba pôsobí na viacero vlastností NF zosilňovača. Niektoré z nich sú:
-potláča napäťové zosilnenie
-rozširuje frekvenčnú charakteristiku
-znižuje skreslenie
-rozširuje dynamiku prenosu
-vyhladzuje frekvenčnú charakteristiku
-vyrovnáva frekvenčnú charakteristiku
-znižuje výstupný odpor zosilňovača
Okrem prvej priaznivo vplýva skoro na všetky vlastnosti zosilňovača.
Pri výkonových zosilňovačoch sa všeobecne volí napäťové zosilnenie 10 – 30.
Dôležitá vlastnosť SV
Čím má zosilňovač vyššie zosilnenie, tzn. že tranzistorové bloky majú veľký rozkmit napätia pohybujú sa ich pracovné body nie po priamke ale (vo väčšom rozkmite) po krivke. Každý pohyb pracovného bodu je nechcený a pri jeho nelineárnom pohybe vzniká v ňom zhluk vyšších harmonických, ktoré spôsobujú nelineárne skreslenie. Z toho vyplýva jedna dôležitá vlastnosť:
Každá nelinearita elementárneho zosilňovacieho prvku spôsobuje vznik vyšších harmonických.
Preto pri návrhu zosilňovača sa snažíme rozdeliť napäťové zosilnenie na viac zosilňovacích blokov a znížiť celkové zosilnenie. To znamená použiť viac tranzistorov a tým stúpa aj zložitosť zapojenia. Ale uvedomme si, že extra jednoduchý zosilňovač nemôže dosiahnuť excelentných vlastností, či už chceme alebo nie. Preto nie je tajomstvom, že kvalitné koncové zosilňovače obsahujú aj 70 tranzistorov na kanál.
Rozdelenie SV:
1. podľa typu
· kladná
· záporná
2. podľa frekvencie
· frekvenčne nezávislé
· frekvenčne závislé (jednosmerná)
3. podľa obvodovej veličiny
· napäťová
· prúdová
4. podľa zapojenia
· paralelná napäťová
· paralelná prúdová
· sériová napäťová
· sériová prúdová
5. podľa použitého prvku
· kapacitná
· indukčná
· odporová
6. podľa pôsobenia
· priama (100 %)
· nepriama
V koncovom zosilňovači sa využíva: 100%-ná, záporná, frekvenčne závislá, paralelná napäťová. Samozrejme aby sme dosiahli najlepšie vlastnosti NF zosilňovača, snažíme sa pri návrhu okrem celkovej vonkajšej spätnej väzby použiť aj tzv. vnútorné, ktoré pôsobia priamo v zdroji skreslenia-to t. j. v tranzistore.
Koncový stupeň
Jeho úlohou je zosilniť signál prúdovo. V zapojení tranzistora SC (so spoločným kolektorom). Má tiež ako budiaci stupeň skoro jednotkové zosilnenie. Všeobecne je tvorený bipolárnymi alebo unipolárnymi tranzistormi v dvojčinnom zapojení. Bližšie o vlastnostiach je v časti: stabilizačný stupeň.
Koncové stupne sa rozdeľujú podľa zapojenia na:
· komplementárne
· kvázikomplementárne
· prúdové zrkadlo
Komplementárne
Sú tvorené minimálne dvomi komplementárnymi tranzistormi. To znamená že sú použité tranzistoty typu PNP a NPN. Toto zapojenie sa v súčasnosti veľmi často používa.
Kvázikomplementárne
Sú tvorené tak isto minimálne dvomi tranzistormi, ale rovnakého typu, teda 2*NPN alebo 2*PNP, ale väčšinou NPN, pretože toto usporiadanie vzniklo z dávnej minulosti, kde bol nedostatok komplementárnych dvojíc s rovnakými parametrami. Toto usporiadanie sa v súčasnosti už menej používa.