Fehér foltok a teljesítményerősítők körül

2008-03-29

 

Sok levél és fórumokon olvasott hozzászólás alapján úgy gondolom, sok embert fogott meg a kapcsolásaim egyszerűsége, pontosabban, hogy kis számú alkatrészből megépíthetők. Jól estek az erősítők hangját dícsérő levelek is. Külön jó érzés, hogy többen talán a kapcsolásaimtól felvillanyozódva:) ragadtak pákát, kezdtek komolyabban foglalkozni elektronikával. Ez nekem nagyon fontos, mert a redszerváltás során sikerült a hazai elektronikai-finommechanikai ipart felszámolni (BRG, BEAG, EMG, MEV, Telefon Gyár, HTSZ, Finommechanikai Vállalat, Orion, Tungsram és még sok más gyár, üzem), de mindig jönnek újabb emberek, fiatalok, akiket megérint az elektronika bűvölete. Megvehetné az áruház polcáról a legújabb kínai csodát, de inkább nekifog, és megcsinálja. A lelkes utánépítők, sőt továbbfejlesztők között van számos szakember, de van több kezdő is. Én most nekik szeretnék ezzel az írással segíteni, néhány fehér foltot tisztázni.

Számos éve már, hogy a Landlerben és utána a Kandóban koptattam a padokat. Talán akkor sem volt erősségem a matematika, de azóta sokat felejtettem:). Ezért a részletesebb elméleti számításoknak inkább Tietze és Schenk - Analóg és digitális áramkörök címü műben nézzetek utána. Nekem a 4. átdolgozott kiadás (1990. Müszaki Könyvkiadó) van a birtokomban, ennek 17. fejezete (472. oldal) foglalkozik a teljesítményerősítőkkel. Ez a könyv talán hiánytalanul, felöleli az elektronikai ismeretek teljes spektrumát. Csodálatos enciklopédikus mű, minden elektronikával foglakozó számára kötelező darab.

Ha az ajánlásom szerint egy 2 x 24V-os trafóról járatunk egy VF2-t, és szintén a leírtak szerinti 100mA nyugalmi áramot állítunk be, akkor egy végfok 2 x 34V x 0,1A= 6,8W teljesítményt termel. 6,8W-tal melegíti a hűtőbordát, ekkora hőteljesítményt kell leadnia a környezetének. Hiradástechnikában ezt úgy mondják, 6,8W-ot kell eldisszipálnia. Általában sztereó végfokot építünk, vagyis két végfokmodult, amelyeknek összesen 13,6W-ot kell eldisszipálni. Összehasonlításképpen megjegyezném, hogy gyártanak kisebb 20W-os forrasztópákákat is.

Hány lóerős a kocsim? Az örök kérdés. Habár azt, hogy milyen a kocsim, számos dolog meghatározza, benzines, turbós, szervók, autómata, váltó áttételezése, fékek... Azért adjuk meg az egyszerű érdeklődőnek ami megilleti őt, az egyszerű választ. A teljesítmény kiszámításának a képlete eléggé közismert, P = I x U (most maradjunk meg az egyszerű rezisztív terhelésnél, és hadd ne zavarodjak bele a váltakozó áramú körökben a komlex impedancián átfolyó komplex áram által létrehozott komplex teljesítmény kérdéskörébe). Ha az Ohm törvény kerül szóba a legtöbbször rávágják, hogy R = U / I. A valóságban az ellenállás és a rákapcsolt feszültség az adott, és az áram a változó érték, tehát helyesen I = U / R. Így a valóságban a terhelésen eső teljesítmény szintén a terhelés ellenállásától, és a rákapcsolt feszültségtől függ: P = U x ( U / R ) = ( U x U ) / R. (Elnézést, inkább nem kisérleteztem a négyzetre emelés jelölésével.) Ez idáig az egyenáramú teljesítmény. A váltóáramú feszültséget az úgynevezett effektív értékével jellemezzük. Nézzük csak, mi is ez az effektív érték? A váltóáram effektív feszültség értéke megegyezik azzal az egyenáramú feszültséggel, ami azonos teljesítményt ejt ugyanazon a terhelésen. Csináltak olyan nagyfrekvenciás feszültségmérőket, amelyek ezen az elven működtek. Volt bennük két ellenállás huzal. Az egyikbe belevezették a nagyfrekit, a másikon pedig addig szabályozták a egyenáramú feszültséget, mig mindkettő egyforma meleg nem lett. Nekünk azért egyszerűbb dolgunk van. Szinuszos feszültség esetén (márpedig amíg nem torzít az erősítőnk erről beszélhetünk) ez a tényező a négyzetgyök 2 = 1,41 (ezt mostmár tényleg jelölni kellene valahogy, elnézést, talán számítógépes programozás alapján SQR( 2)). A mai erősítők általában közel tápfeszültségig kivezérelhetők, ezért jóindulatú közelítéssel mondhatjuk, hogy a kimenő feszültségünk csúcsértéke megegyezik a tápfeszültséggel.

Tehát a korábbi képletünket kiegé szítve: Pki = ( Utáp / SQR( 2 )) x ( Utáp / SQR( 2 )) / Rt = Utáp x Utáp / 2 / Rt. Egyszerűsítve Pki = ( Utáp x Utáp ) / ( 2 x Rt). +/-34V tápfeszültség mellett, 8 Ohm-on, ideális esetben Pki = 34V x 34V / 16 Ohm = 72,15W-ot kapunk. +/-34V tápfeszültség mellett, 8 Ohm-on, ideális esetben Pki = 34V x 34V / 16 Ohm = 72,15W-ot kapunk.

Egy kicsit még hadd kínozzam a nagyérdeműt. Oszcilloszkóppal szemlélve a kimenő jelet, a képernyőn csúcstól-csúcsig tudjuk annak amplitúdóját megmérni. Ennek jelölése Upp. Nyilván a számításokhoz ennek a felére, Upp / 2 -re van szükségünk. A képletbe beírva: Pki = (( Upp / 2 ) x ( Upp / 2 )) / ( 2 x Rt). Ezt egyszerűsítve az alábbi képletet:

A valóságos erősítőknél a kimenő feszültség a tápfeszültségen kívül függ a végtranzisztorokon maradó úgynevezett szaturációs feszültségétől (teljes kinyitás estén is a C-E-en eső maradék feszültség, nagyságrendileg 0,2V - közben utánanéztem teljesítmény tranzisztoroknál ez elérheti az 1-2V-ot is, sőt többett), illetve, hogy a meghajtó fokozat mennyire tudja tápfeszültségig kivezérelni őket. FET-es kapcsolásoknál a FET-ek úgynevezett csatorna ellenálását kell figyelembe vennünk. Nagy áramok esetén ezeken jelentős feszültség eshet. Példaként megint nézzük a VF2 kapcsolást, +/-34V melett. 8 Ohm terhelés esetén kb. 4A a legnagyobb kimenő áram. Az IRF540 csatorna ellenállása 0,077 Ohm, így ezen 0,308V esik, az IRF9540 csatorna ellenállása 0, 117 Ohm, ezen 0,468V esik.

Komoly megfontolás után elmondhatjuk, hogy nagy:). Egy kicsit pontosabban? Nem nagy. A fent említett könyv számításai között egy kicsit elvesztettem a fonalat, de az van abban írva, hogy egy B osztályú kimenő fokozat hatásfoka teljes kivezérlésnél 78,5%. (Vigyázat! Kisebb kivezérlésnél nagyobb a veszteség!) Ez azt jelenti, hogy teljes kivezérlésnél 22,5%-ot kell eldisszipálni. Mondjuk számoljunk ezzel az értékkel, ez azt jelenti, hogy 100W kimenő teljesítmény esetén 28,6W-ot kell eldisszipálni, de szerencsénkre:) ez megoszlik két vég FET-en, vagyis FET-enként 14,3W! Azért ez meglepő, nem? A fentebbi könyv szerint, egy vég FET-re maximum a kimeneti teljesítmény 0,2 x -esét kell eldisszipálnia, tehát legrosszabb esetben 20W-ot. Persze van egy nyugalmi áramunk, amiről már a fentiekben írtam, talán ezt is bele kellen számítanunk? Itt következik a kettes számú meglepetés. Szinte abban a pillanatban, hogy a kimenet elmozdul a 0 pontról, az egyik vég FET lezár, és megszünik a nyugalmi áram. Ez az áram a 0-ponti átmenetnél nagyon komoly segítségünkre van, minden egyes pillanatban amikor a kimenő feszültségünk áthalad a 0 ponton melegíti is a hűtőbordát, de tényleges vezérlés mellett elhanyagolható az általa okozott disszipáció!

Készítettem egy érdekes táblázatot OpenOfficeOrg-ban. Ez egy VF2 kimenetén megjelenő sinus fél periódusát ábrázolja (mondjuk elég lett volna a negyedét is, de így szemléletesebb):

A grafika nem a kimenő feszültséget, hanem a vég FET-en fellépő veszteségi teljesítmény ( Pdiss) alakulását mutatja. Látható, hogy a legnagyobb disszipáció nem a legnagyobb kimenő feszültségnél adódik, hanem akkor, amikor a terhelésen és a vég FET-en egyenlően oszlik meg a tápfeszültség. Ennek az érdekes jelenségnek az az oka, hogy a legnagyobb kimenő feszültségnél, szinte nem is esik feszültség a vég FET-en. Kis kimenő feszültségnél ugyan nagy feszültség esik rajta, de nem folyik rajta át nagy áram. Én 5 fokonkénti léptetést választottam a táblázatomhoz, mert ez a szemléltetés szempontjából :) előnyösnek találtam, de finomabb osztással pontosabb értékeket kaphatunk. Letölthetővé tettem egy ZIP file-ban a táblázatot, mert többet is tud, mint ez a screen-shot. Változtatható Ut, Ukimax és Rt értéke. Így képet nyerhetünk arról, hogyan alakul a kimenő telejesítményünk, a kimenő áramunk és a veszteségi teljesítményünk egy végfokozatban. Pki és Pdiss értékeit átlagolással számítja ki a táblázatban kikalkulált értékekből.

Visszakanyarodva a címben feltett kérdésre, nézzük meg milyen FET-re van szükségünk. Bírnia kell a maximálisan fellépő csúcsáramot. Igazából a hangfalak nem igazán nevezhetők rezisztív terhelésnek, ezért előfordulhatnak nagyobb áramcsúcsok is mint ami a táblázatból kiderül. A VF2-ben felhasznált IRF540 28A folyamatos áramot visel el a katalógus adatok alapján, impulzus szerűen meg... inkább nem is írom le mert képtelenség (110A). Az IRF9540 23A folyamatos áramot visel el, impulzus szerűen csak :) 76A-t. Mindkét FET-re 100W feletti maximális disszipáció elviselését adják meg, ami megint nehezen hihető adat. Üzem közben a kimenő feszültség az egyik tápfesztől a másikig leng, így hol az egyik FET-re, hol a másik FET-re kerül a teljes, táptól-tápig feszültség. Mindkét FET 100V Uds feszültséget visel el. Ezért szerintem +/-40V tápfeszig biztonsággal használhatók, és még marad 20% biztonsági tartalék. Fontos paraméter még a FET-ek meredeksége. Ez határozza meg, hogy mekkora Ugs változás hatására, mekorát változik az Ids. Nagyobb meredekség esetén kisebb vezérlőjelre van szükségünk. Aztán sebesség szempontjából fontos a Gate kapacitás. A vezérlő jelnek a vezérlés során ezt hol fel kell töltenie, hol meg ki kell sütnie. Annál precízebb áramkört kapunk, minnél kisebb Gate kapacitású FET-et sikerül beszereznünk, vagy pedig egy erősebb meghajtó fokozatot kell alkalmaznunk. Fontos lenne, hogy a két FET egyforma paraméterekkel rendelkezzen (nyitó feszültség, meredekség). Ezt tranzisztoroknál komplementer pároknak hívták. Elvileg egy nagy kupacból lehetne kiválogatni megfelelő párokat, de erre valójában csak a gyártók képesek. Ha megnézzük az elérhető FET-ek katalógus adatait látható, hogy a P és az N csatornás MOS FET paraméterei teljesen eltérőek, még olyan típust sem tudok megadni, amelyeket megrostálva néhány párra akadnánk. Lehet, hogy léteznek FET-ekből is párbaválogatott darabok, de ezek biztosan nem a mi pénztárcánkhoz vannak kalibrálva. Én ezért megalkudtam az elérhető, eltérő paraméterű darabokkal, és inkább kapcsolástechnikával próbáltam a jó végfokot csinálni.

Még egy gondolat. Amennyiben az áramkörünk rövidzárvédett volna, akkor a FET-nek el kellene tudnia disszipálni rövidrezárt kimenetnél a fél tápfeszültségből (34V) és a maximális kimenő áramból (4,25A) adódó teljesítményt (144,5W). Ennek megoldása látható a VF5 kapcsolásban.

Voltak akik subbass erősítőnek használták a VF2-t. Hát, végül is miért ne? Felevetődött, hogy a hangsugárzók impedancia menete nem egyenletes, az alacson frekiknél leesik, és ezért nagyobb teljesítményű FET-et kellene beletenni az erősítőbe. A frekvencia függvényében tényleg változik a hangszórók impedanciája (vátóáramú komplex ellenállásuk). Kicsit mélyedjünk bele egy hangfal lelki világába.

Egy háromutas (három hangszóróból álló) hangfalat akartam bemutatni, azt, hogy az egyes hangszórókj hogyan fedik le lesugárzandó spektrumot. Általában a hangfalakban több hanszórót használnak a teljes hallható spektruk lesugárzásásra. Az egyes hangszórók egy-egy szűrő áramkörön keresztűl kapcsolódnak az erősítőhöz, hogy a spektrumnak (hangoknak) csak az a része jusson el a sarkaihoz, amit neki kell lesugározni. A hangszórók paramétereitől és ahangváltó konstrukciójától függ, hogy két szomszédos hangszóró milyen átfedéssel dolgozik. Direkt nem egyformára rajzoltam az átmeneteket. Példáúl, ahol alig érnek egymáshoz a görbék, ott valószinűleg a frekvenciamenetben egy völgy lesz. Viszont, ahol meg nagy az átfedés, ott kiemelés lesz. Ez csak a frekvencia menet oldala a dolognak. Nyilván, ahol mindkét hangszóró egyszerre dolgozik, ott párhuzamosan kapcsolódnak az erősítő kimenetére, és ugye a párhuzamosan kapcsolt két ellenállás (hangszóró) kisebb eredő ellenállást eredményez. Tanulságos egy hangfal frekvencia menetét végig mérni, az áramfelvétel alakulása sok mindenről árulkodik.

Nem értek az akusztikához, a hangfaltervezéshez és konstrukcióhoz. Van aki legyint, letölt egy hangfal méretező progamot, vesz néhány olcsó hangszórót, vesz egy előre elkészített tuti hangváltót. Beüti a gépbe az adatokat. Elmegy a lapszabászatba, összeszereli az egészet, és meg van győződve, hogy milyen barón szól. A boltokban kapható műanyag szappantartókba szerelt Szokol hangszórókhoz képest nyilván jobban, de szerintem ettől többről szól a hangfal konstrukció. Nem valami megfoghatatlan misztikus ideára, vagy csak egy élet alatt megismerhető zen bölcsességre gondolok. Egy hangszóró komplexebb rendszer mint egy tekercs, bár egy tekercs is lehet elég komplex. Az áramfelvételét nem csak az induktivitása, vagy az Ohm-os ellenállása szabja meg. Maga a tekercse mozog a mágnes légrésében, működése közben, munkát végez, megmozgatja a hangszóró membránját, ami megint felfogható egy rezgő rendszernek. És három ilyen rezgő rendszerünk van. Ezekhez kapcsolódnak a hangváltó szűrő áramkörei a maguk rezonanciáival. A hangszóróinkat beleteszzük egy akusztikus rendszerbe, aminek a határait a hangfalunk doboza képezi (vagy nem). Azután az egyes hangszorók ezen a rendszeren belűl is akusztikus csatolásba kerülnek egymással. Ettől vannak azután azok a szép szőrős átviteli görbék :).

A különböző magasságú hangok korántsem egyforma amplitúdóval fordulnak elő a zenében, vagy a természetben. A mély hangoknak általában nagyobb az amplitúdójuk, míg a magasabbaknak kisebb. Tehát egy 100W-os hangfalba mondjuk 60W-os a mélynyomó, 35W-os a közép, és 15W-os a magas kell (ezek nem konkrét adatok, csak hozzávetőleg akartam a teljesítmény viszonyokat érzékeltetni). Szokták mondani, hogy más valamit jóra mérni, meg jóra építeni, mert senki sem sinus-t akar hallgatni. A zenében egyszerre több hang szólal meg (van valami Furié tétel, akit érdekel nézzen utána). Az erősítő vezérlése számára is az a kihívás, hogy basszusgitár 25V-os sinus jellegű szép nagy pupszlijaira még rá kell ültetnie az 1V-os cineket.

Többféle érdekes megoldás is született hangfalakkal kapcsolatban. Példáúl igyekeznek csökkenteni a hangszórók számát, mondjuk kettőre, egy átmenetet megspórolnak. Nyilván igényesebb, szélesebb átvitelű hangszórók szükségesek hozzá. A magas hangszórók gyakran hátulról zárt konstrukciójúak, szóval nem kerülnek akusztikus csatolásba hangfal belével. Elég a dobozt csak a másik hangszoró igényeihez alakítani. De van olyan konstrukció is, amelyiknél mindegyik hangszórót külön dobozba teszik. Ilyet láthatunk koncerteknél is, bár itt elsősorban azért szedik szét több ládára a rendszert, hogy könyebben szállítható legyen. De mondjuk egy jobb példa, hogy ilyen volt a BEAG stúdió monitora. Háromutas rendszer volt, mindegyik hangszorónak külön doboza volt. Nem volt benne hangváltó, mindegyik hangszórót külön végfok hajtotta meg. A végfokok elött volt a jel szűrűkkel szétválasztva az egyes hangszorókhoz. Ezt a lehetőséget komolyabb hangfalaknál ma is megtalálhatjuk, kettős kábelezésűnek nevezik ezeket. Visszatérve a BEAG stúdió monitoraihoz maguknak a dobozoknak a kialakításuk is már kezdett egy hangszerhez hasonlítani. A dobozokon voltak légrések, és belűl perforált válaszlapok, amelyek az akusztikus rezonanciákat terelték a kívánt irányba.

Nem tudom sikerült-e érzékeltetnem ezeket a történéseket, amelyek szinte kaotikusan zajlanak egy hangfalban? Mondok egy szemléletes példát. Egy darab spárgára kössünk több különböző befőttes gumit, a gumikra kössünk különböző anyacsavarokat, kulcsokat, azután rángassuk a spárgát. Valmi ilyesmi komplex rezgő rendszer egy hagfal. Azért piszok nagy szerencsénk van. Ezek a lineáris motornak is felfogható hangszorók, akármilyen kutyaütő technológával és hulladék anyagokból eszkábálták is össze őket, azért tudják a fizikát. Legfeljebb alacsonyabb teljesítménynél már nem lesznek lineárisak, torzítanak, egyes frekvenciákon berezegnek, recsegnek, de egy gyengébb minőségű hagfalnál is sokat számít, ha egy rendes alacsony kimenő impedanciájú végfokról hajtjuk meg.

Hangtechnikában általánosan elfogadott, hogy egy vonal jelszinje 0dB (deciBell). Anélkül, hogy ezt most részletezném miért is jó, ez alatt 775mV (0, 775V) effektív értékű váltakozó feszültséget értünk. Tehát ennek a jelnek csúcsban 1V az amplitúdója. Ha mondjuk az erősítőnket +/-34V-ról járatjuk, és tegyük fel, ki tudjuk tápfeszig vezérelni, akkor 34 x -re kell a bemeneti jelet erősítsük ( tehát célszerűen egy 33k/1k visszacsatoló tagot alkalmaznunk). Otthoni berendezéseknek eltérő lehet a kimeneti jelszintje. Példáúl CD lemezjátszóknak általában ennek a kétszerese szokott lenni ( na bumm, legfeljebb nem tekeri annyira fel az ember :).

Nem tudom, mintha írtam volna már erről a kérdésről. Az erősítőimben a visszacsatolásban található egy 22uF-os elektrolit kondenzátor. Már több tíz éve téma a szakirodalomban, hogy az ilyen elektrolit kondenzátornak, amelyik nem kap előfeszítést szépen lebomlik a szigetelő oxidrétege, megváltozik a kapacitása, majd átüt. Szerencsére ennyire nem rossz a helyzet. Normálisan működő erősítő kimenete vezérlés mentes állapotban illik, hogy 0-án legyen. Mivel a kondi másik lába tényleg földön van, és a kimenetről is 0-át kap, tényleg nincs rajta feszültség. Annó, én azt tanultam, ahhoz, hogy egy elektrokémiai folyamat beinduljon, ahhoz bizony egyfajta potencál szükségeltetik. Egészen pontosan azt akarom ezzel mondani, hogy egy elkóra még fordított polaritású feszültséget is kapcsolhatunk, ha ez elég alacsony!

Itt elsősorban a VF2 kerülhet szóba, mert a VF3 és a VF4 eléggé kötött. A VF2-t viszont széles feszültségtartományban működésre bírhatjuk. Több feszültségre is meg lehet találni a rajzát. Nem kell szigorúan venni a tápfeszültség adatokat. Általában azt javaslom, hogy 24V-os trafóról üzemeltessük. Ezt egyenirányítva 34V körüli egyenfeszültséghez jutunk. Ezért nem kell rögtön újraszámolni az alkatrészeket. Ízlés szerint használható erről a feszültségről a 30, meg a 40V-os változat is.