13. februar, 2011

Elektronika za začetnike – Avdio ojačevalniki (7)

Slike EZZ NF7 NF - Elektronika za začetnike - Avdio ojačevalniki (7)Zvok lahko ojačimo. K sreči! To lahko praktično zelo dobro preverimo na kakšnem koncertu, ko organizatorji in tonski tehniki na kup zložijo več deset kubičnih metrov zvočnikov, ki jih napajajo z več deset kilovati električne moči. Tako lahko drobceno bitje na odru zabava več tisoč glavo množico poslušalcev na velikem stadionu in vsi doživljajo predstavo tako, kot bi stali pod odrom. Moč lahko enostavno povečajo z dodajanjem zvočnikov in ojačevalnikov.

Kvaliteta zvoka in vernost ojačenja (primerljivost z originalnim signalom) vhodnega signala spremljata zgodovino ojačevalnikov že od samega začetka. Pretolkla sta se prek faz šumenja, prasketanja in pokov ter v zlatem Hi-Fi obdobju (high- fidelity, visoka vernost), ) sredi 70-tih let prejšnjega stoletja dočakala standardizacijo minimalnih zahtev, ki naj bi jih dober ojačevalnik dosegal. V tem obdobju je moralo biti vse v zvezi z zvokom resnično naj-naj. Uveljavljalo se je prepričanje avdiofilov, da tako pač mora biti, že zaradi občutljivega človekovega sluha, ki takoj zazna vsako nepravilnost. To zaznavanje je še danes predvsem primerjalno in temelji na subjektivnem občutku vsakega posameznika.

Slike ni

V tem tisočletju, ko je vsa ta oprema vrhunske kakovosti dostopna v skoraj mikroskopski izvedbi, pa je mladim čisto dovolj dober že hreščeč zvok z zvočnika mobilnega telefona, ki je v monofonski tehniki in ima tako ozko frekvenčno območje kot telefon v času Alexandra Graham- Bella (izumitelj telefona, telefonskega prenosa govora s pomočjo toka, po žicah) ob prijavi patenta marca 1876. Vsi tisti, ki so vse svoje življenje posvetili temu, da lahko danes poslušamo res dober zvok, se upravičeno sprašujejo: »Zakaj smo se pa potem ves čas toliko trudili?«

Med rokerji se je že od prvih VOX-ov naprej (ojačevalnik, ki so ga uporabljali Beatli!) tudi pri nas udomačil izraz »feršterker«, kar je slovenska izpeljanka nemškega samostalnika Verstärker, ki pomeni ojačevalnik. Ampak – kako ta reč deluje? Zakaj nastanejo popačenja? Ali bo 100 W ojačevalnik tudi 100-krat močnejši kot 1 W? Kako bi lahko takšen ojačevalnik naredili sami v svoji delavnici, priključili nanj mikrofon ali kitaro in s tem vsaj za eno pesem postali zvezda večera? Vabim vas, da si preberete članek in izveste vse to in še kaj več!

Preprosto in kar se da razumljivo

Slike ni

Slike ni

Slike ni

Pri ojačevalnikih se težave začnejo takrat, ko želimo iz zelo majhnega vhodnega signala dobiti velik izhodni signal, s katerim bi potem krmilili zvočnike. Vemo, da imajo zvočniki relativno nizko impedanco (upornost pri izmeničnih frekvencah). To pomeni, da moramo pri ojačevalnikih velikih moči računati z relativno visoko napetostjo in tokom.

Ločimo med ojačevalniki malih signalov in močnostnimi ojačevalniki. Za ojačevalnike malih signalov lahko trdimo, da so napetostni ojačevalniki. Pri njih so pomembne tri glavne značilnosti: vhodna impedanca, izhodna impedanca in ojačenje. Ojačenje je faktor, s katerim ojačevalnik ojači vhodni signal in je razmerje med izhodnim in vhodnim signalom. Poznamo ojačanje napetosti, toka ali močnostno ojačanje, ki je produkt obeh. Vse tri enačbe lahko vidimo na sliki 1. Omeniti moramo še to, da gre tu za izmenične napetosti, tokove in moči.

Ojačenje nima enot, ker gre za razmerja, označujemo pa ga s črko A. Močnostno ojačenje ojačevalnika lahko izrazimo tudi v decibelih (dB). Bel je logaritemska enota z osnovo 10. Ker je sama enota zelo velika vrednost, jo v praksi podajamo v desetinkah osnovne enote, torej v decibelih. Za izražanje ojačenja ojačevalnika v decibelih moramo uporabiti naslednje enačbe:

Slike ni

Pozitivne vrednosti predstavljajo ojačenje, negativne slabljenje ojačevalnika. Tabela 1 prikazuje, kako so razmerja močnostnega ojačanja izražena v decibelih. Če rečemo, da je pri 0 dB ojačenje 1, predstavlja dvakrat večje ojačenje 3 dB in desetkrat večje ojačenje 10 decibelov. Polovica ojačenja pri 0 dB je -3 dB, desetina pa -10 dB.

Slike ni

Slike ni

Če pogledamo še malce naprej in na trak (slika 3), ki prikazuje stopnjo močnostnega ojačenja izraženo v decibelih, pomeni 1000 x večje močnostno ojačenje le 30 dB več! Krivulje odziva človekovega sluha in primerjalne ocene jakosti zvoka v primerjavi z drugo jakostjo si lahko ogledamo na spletu. Krivulje so bile narisane na podlagi statističnih ocen prostovoljcev. Če pustimo hudo teorijo in znanost ob strani, lahko rečemo sledeče: če želimo, da bo zvok slišati dvakrat bolj glasno, moramo povečati močnostno ojačenje za 10 dB. Iz tega sledi, da bomo zvok pri ojačenju 10 W slišali dvakrat močneje kot pri 1 W in pri ojačenju 100 W dvakrat močneje kot pri 10 W. Tudi pri ojačenju zvoka s 1000 W občutimo le dvakrat močnejši zvok kot 100 W. Vse to je zelo zanimivo in včasih tudi zapleteno opisano na mnogih internetnih straneh, za vse pa je kriv človeški sluh, ki ima logaritemsko »karakteristiko«. Prav zaradi tega imajo potenciometri za nastavitev glasnosti vedno logaritemsko karakteristiko, ki nam ob spreminjanju daje občutek, da se jakost zvoka spreminja linearno.

Ojačevalniki velikih signalov

Na začetku si vedno želimo idealni močnostni ojačevalnik, ki bi na svojem izhodu lahko dal 100% razpoložljive moči. V principu je ojačevalnik zgrajen tako, kot je prikazano na sliki 4. Ojačevalnike velikih signalov imenujemo tudi močnostni ojačevalniki. Delimo jih na različne razrede, v odvisnosti od tega, kako je izbrana njihova delovna točka.

  • A razred – izhodni elementi (BJT, FET) prevajajo ves čas, tudi ko ni vhodnega signala. To je najpogosteje uporabljeni ojačevalnik zaradi izredne linearnosti ojačenja. Izkoristek ojačevalnikov v razredu A je pod 40%,
  • B razred – izhodni elementi prevajajo le polovico (50%, pol periode) časa, kolikor traja vhodni (izmenični) signal. Kadar ni vhodnega signala, imajo zelo majhno porabo, vendar na žalost tudi velika nelinearna popačenja (popačenja zaradi nelinearne karakteristike polprevodnikov). Izkoristek ojačevalnikov razreda B je okrog 70 %. Če uporabimo Push-Pull izhodno stopnjo, lahko nelinearna popačenja znatno zmanjšamo,
  • AB razred – izhodni elementi prevajajo več kot polovico časa (nad 50%), vendar manj kot 100%. Že po imenu vidimo, da so to ojačevalniki, ki so po karakteristikah nekje med razredoma A in B, zato imajo tudi »vmesne« lastnosti: manjšo porabo kot razred A in manjša nelinearna popačenja kot razred B,
  • C razred – izhodni elementi prevajajo manj kot polovico časa (pod 50%). Dosežemo lahko izredno visoke izkoristke, vendar je popačenje signala v razredu C ogromno, zaradi tega se uporablja le za ojačenje signalov v radiofrekvenčni tehniki in oddajnikih. V avdio ojačevalnikih se ne uporabljajo,
  • D razred – izhodni elementi delujejo v stikalnem načinu, za kar poskrbi kontrolno vezje, ki glede na vhodni signal s pomočjo žagaste napetosti visoke frekvence (od 300 kHz do 2 MHz!) oblikuje PWM (pulzno-širinsko-moduliran) signal, s katerim vklaplja in izklaplja izhodni komplementarni par. Po filtriranju dobimo signal, ki je po obliki zelo blizu vhodnemu signalu, vendar s popačenji, ki so večja kot pri ojačevalnikih razreda AB. Stopnja izkoristka teh ojačevalnikov je nad 80% , dosežejo pa tudi do 96%! zato so najbolj »varčni« in idealni za prenosne, baterijsko napajane avdio naprave. Visok izkoristek tudi pomeni, da se zelo malo energije porabi za segrevanje, zato pri močeh tja do 10 W praviloma skoraj ne potrebujejo hladilnikov, so zelo majhnih dimenzij in imajo minimalno število dodatnih zunanjih elementov.