Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wzmacniacz

Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wzmacniacz klasy A, wady i zalety
Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wzmacniacz
klasy A, wady i zalety
Wzmacniacz m.cz., czyli wzmacniacz małej
częstotliwości sygnału audio, jest tak stary jak
elektronika. Pierwszym jej „terytorium” było Radio. W tym kierunku szły też wynalazki elementów mogących sprostać pojawiającym się na
horyzoncie zadaniom. Triodę wynaleziono, jako
element będący w stanie wzmocnić sygnał elektryczny. To historia sprzed ponad stu lat, i tak
stary jest również audio-amplifier. Tranzystor
miał triodę lampową zastąpić, i zrobił to bardzo
skutecznie, mimo że, dzisiaj tranzystor rzadko
pracuje, jako element liniowy, wzmacniacz sygnału. Częściej jest kluczem, włączonym lub
wyłączonym, mimo to, zadanie wzmacniania
sygnału realizuje jak się należy.
M.cz., mała częstotliwość oznacza tu częstotliwość akustyczną, i rzeczywiście zasługuje na
swą nazwę względem możliwości elementów/
układów elektronicznych. Mimo, że pokrywa trzy
dekady, od 20 do 20000 Hz, jest niska. Zadanie
„uzysku” odpowiedniego wzmocnienia, nie jest
ani najtrudniejsze, ani kluczowe. Pojawia się zaś
po drodze szereg nowych problemów, którym
trzeba sprostać, a sposób realizacji zaowocował
szeroką gamą klas wzmacniaczy, audio power
amplifier-ów.
Zadaniem wzmacniacza mocy, jest oczywiście dostarczenie mocy. Energii przetwarzanej przez głośnik na ciśnienie fali dźwiękowej.
Sprawność głośnika w tym zakresie nie jest
duża, a charakterystyka naszego ucha bardzo
nieliniowa. Przyjmuje się, że jest ona logarytmiczna, lecz jak to zmierzyć, skoro chodzi
o subiektywne wrażenie natężenia dźwięku?
Niestety, lub na szczęście ucho nasze ma
tak nieliniową charakterystykę, gdyż w przeciwnym wypadku narażeni bylibyśmy na szereg
problemów. Rozmawiając z odległości jednego
metra, „uszy by puchły”, a z drugiego końca
pokoju można by się już nie słyszeć, (ponieważ
natężenie fali akustycznej maleje z kwadratem
odległości). Dlatego, nie bez powodu, natężenie dźwięku określa się w „mierze względnej”,
w decybelach.
O ile, miara ta jest adekwatna dla ucha,
w przypadku wzmacniacza interesują nas konkretne waty. Narobienie „hałasu”, aby „uszy
spuchły” nie jest żadnym problemem. Ale
wzmocnienie sygnału wiernie, bez szumów
i zniekształceń, nawet dysponując współczesną
techniką, nie jest zadaniem łatwym. Dlatego też,
porównanie wzmacniaczy pod względem mocy/
hałasu, nie jest adekwatne do tego, czego od
audio power amplifier-a oczekujemy.
Skala logarytmiczna (naszego ucha) dla konstrukcji wzmacniacza, ma swoje dobre i złe
strony. Posłużymy się przykładem, iż poziom
86dB (fali dźwiękowej), można uzyskać już ze
wzmacniacza o mocy 1-go wata. Niewiele. Ale,
ile potrzeba, jeśli oczekujemy natężenia 90
decybeli? Ile to jest, te raptem cztery decybele
więcej? Odwrotnością funkcji logarytmicznej
jest funkcja wykładnicza. A ta, „szybko rośnie”!
Jeśli dla 86dB wystarczy 1 wat, to dla 90-ciu
trzeba 1W przemnożony przez 100.4 (10 do potęgi 0.4). W pamięci trudno policzyć, ale każdy
kalkulator pokaże, iż to już 2.5W. A ile trzeba
(mocy), gdy oczekujemy 100 dB (stu decybeli)?
To już łatwo policzyć w pamięci, iż to dziesięć
razy więcej, w więc 25W. Zbieżność 10-ciu dB
z czynnikiem 10 razy, jest trochę przypadkowa,
gdyż wynika ze zbieżności podstawy logarytmu
(dziesiętny), i czynnika “decy” (1/10). Kończąc
ten wstęp, zagadnień pozornie odległych od
„konstrukcji wzmacniacza”, a jednak decydujących o tejże konstrukcji, należy stwierdzić,
iż: przy podwojeniu ciśnienia fali akustycznej,
ucho nasze odczuwa wzrost natężenia dźwięku
o 6 decybeli, ale aby to uzyskać potrzeba mocy
zwielokrotnionej o czynnik x4. Dlatego, „całkiem
nieźle słychać” wzmacniacz jedno-watowy, ale
nagłośnienie sali wymaga już kilkuset wat, a nagłośnienie „na wolnym powietrzu”, wielu kilowat.
I tu rodzą się całkiem poważne problemy!
Ale, nie tylko o moc chodzi. Nasze ucho
jest organem bardzo czułym, choć zapewne
nie „u każdego”. Autor tego tekstu ma „ucho
drewniane”, ale są filomani zdolni wysłyszeć
SERWIS ELEKTRONIKI
Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wzmacniacz klasy A, wady i zalety
najmniejsze szumy i zniekształcenia, nawet na
tle silnego sygnału. Każde wzmocnienie sygnału, jest nieuchronnie związane ze wzrostem
poziomu szumów i zniekształceń! Na pewno
„w końcowej fazie” nie mogą one być niższe,
niż na wejściu wzmacniacza. To wydaje się
oczywiste, lecz rzutuje na to, iż we wzmacniaczu
największą wagę przykłada się, do jego stopnia
końcowego. I właśnie względem niego sklasyfikowane są „klasy”, które pokrótce i pobieżnie,
zostaną niżej omówione.
Do budowy „końcówki” wzmacniacza wykorzystywane są wszystkie możliwe (znane) tranzystory, zaś pominięto tu konstrukcje lampowe
z ich (wątpliwymi) audiofilskimi zaletami. Szumy
i zniekształcenia to dwa „utrapienia” konstruktora wzmacniacza m.cz.. Ale przynajmniej „na
to drugie” (utrapienie) znaleziono skuteczne
lekarstwo. To feedback, czyli ujemne sprzężenie
zwrotne. Sprzężenie ujemne zmniejsza wzmocnienie, a przecież ono jest „naszym celem”.
Dlatego autorzy tego pomysłu wypowiadali
się, iż chcąc go opatentować, spotkali się ze
zdziwieniem, jakby chcieli opatentować, co
najmniej Perpetuum Mobile. Mimo to, feedback
jest „patentem” i panaceum, „na wszystko”.
Bez niego, nie pracuje dzisiaj, nie mal żaden
układ elektroniczny (i nie tylko). Wzmocnienie
zmniejsza, lecz samo wzmocnienie sygnału jest
zadaniem, jak się okazuje najprostszym.
Natomiast wszelkie zniekształcenia wynikają
z nieliniowości. A te, feedback skutecznie niweluje. Jednak, ujemne sprzężenie zwrotne, wnosi
też zagrożenia. Niewiele trzeba, aby stało się
dodatnim. A to już niestabilność. Nie będziemy
rozwijać dalej tego tematu. Jednak, nie powinno
być zdziwieniem, iż kluczową rolę w „wypunktowanych” niżej klasach wzmacniaczy m.cz.,
pełni feedback, sposób zamknięcia ujemnego
sprzężenia zwrotnego, i kształtowanie jego
charakterystyki.
Z szumem, sprawa jest nawet bardziej skomplikowana. W każdym razie, on też podlega zasadzie, iż „entropia w przyrodzie zawsze rośnie”.
Rzadko operujemy pojęciem mocy samego
szumu, zwykle, stosunku sygnału do szumu.
Ale ten, w każdym procesie wzmacniania, też
rośnie, a przynajmniej, nie maleje. Zasadnicza
różnica jest natomiast taka, iż za zniekształcenia jest głównie odpowiedzialny ostatni stopień
wzmacniacza, a za szum, pierwszy. W dalszej
klasyfikacji kierujemy się pracą „końcówki”.
„Tak czy inaczej”, zadanie dobrego wzmacniacza można skwitować jednym wymownym
zdaniem „ „dużo więcej mocy, a tylko trochę
więcej zniekształceń i szumu”. Ale, dużo więcej mocy, to też „dużo energii”. A więc „kłania
się” trzeci problem, sprawności układu. I choć
najmniej zależy nam na sprawności w sensie „ekonomii”, to problemy strat mocy, czyli
„niechcianego ciepła”, wychodzą czasem na
pierwszy plan. W telewizorach LCD nie ma już
wzmacniaczy, które się grzeją. I choć nie ma
też „porządnych” głośników, jakość dźwięku ma
być, na co najmniej, dostatecznym poziomie.
W pracy konstruktora układu elektronicznego
jest, jak zwykle w życiu, „pewne racje”, są wzajemnie sprzeczne.
Najmniejsze zniekształcenia oferuje klasa A,
ale najgorszą sprawność. Pomysłowość w zakresie koniecznych kompromisów, to naczelna
zasada, „którą lawiruje” konstruktor. Zobaczmy,
jak to wygląda w zakresie klas wzmacniaczy
m.cz. fonii. „Pozycja litery w alfabecie”, pokrywa
się na ogół z chronologią konstrukcji „końcówki
mocy”. Wczesne wzmacniacze/radia/telewizory zawierały zwykle transformator głośnikowy.
Można go było jeszcze znaleźć w ostatnich
telewizorach CRT (aczkolwiek „niedobitki”). To
zadanie dopasowania impedancji obciążenia
(głośnika) do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Niska impedancja głośnika, i nieodparta
chęć pozbycia się transformatora głośnikowego,
także rzutują na budowę power amplifier-a.
Klasa A
Klasa A jest najprostszą z możliwych, i pierwszą, w jakiej wzmacniacze mocy pracowały,
aczkolwiek należy dodać, w wersji lampowej.
Charakteryzuje się prostotą i bardzo niską
sprawnością, ale ma też nieodparte zalety. Zupełny brak zniekształceń crossover distortion,
o których powiemy w następnym punkcie. Rysunek 1 na następnej stronie.
Wzmacniacz w klasie A ma bardzo niską
sprawność, ale jest też zupełnie pozbawiony
zniekształceń typu „crossover”
Na rysunku 1, tranzystor pracuje, jako wtórnik
emiterowy. Jest, więc wzmacniaczem prądu, nie
napięcia. Tranzystor musi pracować z dużym
prądem spoczynkowym, co skutkuje stratami
SERWIS ELEKTRONIKI
Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wzmacniacz klasy A, wady i zalety
+UB
+UB
RL
0
Rys. 1
mocy nawet wtedy, gdy sygnał wejściowy jest
bardzo mały, lub go brak (w momentach ciszy).
Maksymalna sprawność wzmacniacza klasy
A, to 25%, i osiągana jest tylko przy pełnym
wysterowaniu. Co prawda osiągalna jest sprawność 50%, w konfiguracji symetrycznej z dwoma
tranzystorami. Lecz jest to „max”, przy pełnym
wysterowaniu, pełnej mocy, jaką wzmacniacz
oferuje. Średnia sprawność jest dużo niższa.
Mimo to, klasa A broni się swoimi zaletami,
i do dzisiaj pozostaje atrakcyjna w urządzeniach
high-quality. Pod względem „marnowania energii”, można ją jednak porównać obrazowo do
sytuacji, w której kierowca „reguluje” prędkość
samochodu pedałem hamulca, mając pedał
gazu, wciśnięty cały czas „do dechy”.
Karol Świerc
SERWIS ELEKTRONIKI