A végerősítő-fokozatok első megjelenése a 1920-as évek közepére tehető, amikor – ha kezdetleges formában is – szinte észrevétlenül épültek be az akkor csodaként emlegetett rádió-hírmondó, majd rádiókészülékekbe. Együttélésük jó negyed századig is eltartott, amikor is a legmerészebb tervezőmérnökök önálló élet adtak ennek a berendezésnek. Az eltelt idő alatt a végerősítők jelentős változáson mentek át, amely a kapcsolástechnikában és a szerkezeti felépítésben egyaránt megmutatkozik.
Az újabb erősítő megoldások a rádió hangjának tolmácsolásán kívül a hanglemezek széles körű elterjedését is elősegítettek. A hifi minőségű lemezjátszók, magnetofonok és különféle digitális készülékek hangjának élethű megszólaltatása elképzelhetetlen jó minőségű csöves, tranzisztoros vagy éppen digitális erősítő használata nélkül. Bár az erősítőt — mint alapáramkört — szinte minden elektronikai berendezésben megtaláljuk, legyen szó akár számítógép-tápegységről, vagy videomagnóról, most az erősítők egy speciális típusával, a teljesítményerősítőkkel foglalkozunk.
De először tisztázzunk néhány alapvető fogalmat! A teljesítményerősítő a bemenő teljesítményt megsokszorozza, vagyis a teljesítményerősítés fogalma alatt a kimenő és bemenő teljesítmény arányát értjük. Mivel az emberi fül logaritmus érzékenységű, ezért a kimeneti és bemeneti teljesítmény számszerű aránya (pl. 100-szoros) helyett ezek 10-es alapú logaritmusával, dB-ben szokták kifejezni. Bár egzakt módon ez írja le a készülék erősítését, a hétköznapi leírásokban csak a kimeneti teljesítményét adják meg, és tudjuk, hogy ilyenkor a bemenő jelszint a szabványos vonalszintnek felel meg.
Az erősítés minőségi követelményének három legfontosabb jellemzője:
- Az amplitúdóhűség, amely a kivezérelhetőségi tartományon belül biztosítja, hogy ha a bemeneti jel „n-szeresére” növekszik, úgy a kimeneti jel is hasonlóan változzék.
- Frekvenciahűségről vagy frekvencia független erősítésről akkor beszélhetünk, ha egy állandó bemeneti feszültséghez tartozó kimeneti feszültség értéke az egész átviteli sávban azonos értékű. Az alsó és felső —3 dB-es értékcsökkenéshez tartozó sávhatárértékek egyben az erősítő sávszélességét is jelentik, pl. 40 Hz -18 kHz.
- Az alakhűség követelménye, hogy a kimeneti görbe alakjának meg kell egyeznie a bemenetre adott jel alakjával. Az erősítő aktív elemeinek görbült karakterisztikája sajnos torzításokat okoz. Az alaktorzítás, a torzítási tényezővel, „k-val” (klirr-faktor) jellemezhető, amely a felharmonikusnak az alap-harmonikushoz viszonyított arányát jelenti. A k2 torzítási tényező (a második harmonikust viszonyítva az elsőhöz) és hasonlóan a k3.k8 is meghatározható, Az egyes harmonikusok torzítási értékének összegezéséből a teljes harmonikus torzítási tényező kiszámolható, amely a szokásos THD (total harmonic distorsion) jelöléssel százalékos arányban adják meg. Napjaink hifi erősítői az 1 százalékos, vagy még kisebb torzítási értékkel jellemezhetők.
A kezdetek: az elektroncső
Az elektroncsöves teljesítmény-erősítők működésük szerint két fő csoportba sorolhatók. Az első csoportba az egyetlen csövet tartalmazó ún. Szimpla vagy együtemű teljesítményfokozat, a másikba a két, ellenkező fázisban vezérelt ún. ellen-ütemű végfokozat tartozik. Időben először az egyszerűbb változat, a szimpla végfokozat jelent meg. A csöves erősítőfokozatból kivehető teljesítmény és annak torzítása függ a tápfeszültségtől és a bemeneti jelfeszültségtől, de még jobban függ a terhelő ellenállástól. A gyakorlatban használatos végerősít csövek optimális terhelő ellenállása 5—10 kohm közé tehető. Mivel a hangszóró ellenállása 3—15 ohm közötti érték, így csak közbülső elemmel, a kimenő transzformátorral lehet „összehozni” a kétféle értéket. A végerősít frekvenciamenetének kialakításáért döntően a kimenő transzformátor a felelős. Ha a kimenő transzformátor primer induktivitása (L) nem elég nagy, kisebb frekvenciákon romlik az átvitel, ám túl nagy sem lehet, mert az a nagy frekvencián okoz csökkenést.
Az A osztályú erősítő
A torzítási értékek minimalizálásában, az optimális illesztés mellett a cső statikus A osztályú munka ponti beállításának is döntő szerepe van. Hogy mit is jelent az A osztály? Talán úgy lehetne legszegyszerűbben megközelíteni, hogy a csövet a karakterisztika közepén, vagyis a karakterisztika viszonylag egyenes szakaszán működtetik. Ez fizikailag azt jelenti, hogy egy közepes – nyugalmi -áramhoz, mint a nullához viszonyítva, a váltakozó bemenő jel csökkenti vagy növeli a kimeneti áramot. Az A osztályú beállítás hibája a magas nyugalmi áram, amely növeli a fogyasztást, így túlzott melegedést és rossz hatásfokot eredményez. Ha meggondoljuk, hogy a maximális áram fele nulla bemenőjelnél is folyik a csövön, azt jelenti, hogy ha nincs más veszteségünk, akkor sem érhetünk el 50 százaléknál jobb hatásfokot.
A kimenő transzformátor tekercsén átfolyó nagyobb egyenáram jobban előmágnesezi a vasmagot, amelynek során romlik annak hangja. A felsorolt hibák csökkentésére az erősítő fokozatokban negatív visszacsatolást alkalmaznak, a vasmagot légréssel látják el, így javítható a torzítás, a frekvencia menet és az általános stabilitás.
Ellenütemű végfokozat
Ez a két csővel működő végerősítő kedvelt megoldás. A nevét – ellenütemű – ütemű — a technikai megoldásból kapta. Amíg az együtemű fokozat mindkét fél periódust (pozitív és negatív) erősíti, addig az ellen ütemben működő változatnál
az adja az alapötletet, hogy az egyik cső csak a pozitív, a másik csak a negatív félperiódust erősíti. A munkaponti beállítás szempontjából is itt megtalálható az A osztályú beállítás, ahol mindkét cső dolgozik a jel pozitív és negatív periódusa alatt egyaránt, így ennek a megoldásnak hasonlóan rossz a hatásfoka, de a torzítása kicsi, és az egész erősítő nagyobb teljesítményre képes. Ezeket az erősítőket sokszor illetik a „puh-pull” elnevezéssel.
B osztályú működés
A másik változatban, a B osztályú beállításban a csöveken vezérlés nélkül (nulla bemenőjel) nem folyik áram. Ez nagyon jó a hatásfok és a melegedés szempontjából, azonban van egy kis üröm is az örömben. Az egyik cső csak a pozitív, a másik a negatív vezérlőperiódusba nyit, azaz üzemel. Ám a csőkarakterisztika alja sem egyenes, így a kis jelszinteknél — pont a null átmenet közelében — jelentősen torzít az így beállított erősítő. Az effajta torzítás jellegzetes hangokat produkál, sokszor nevezik „átkapcsolási” torzításnak (mivel ilyenkor „veszi át” az egyik fokozat a másiktól az erősítés feladatát).
Az AB osztályú működés
Az A osztályú működés tehát kis torzítással, ám rossz hatásfokkal jellemezhető, míg a B osztály ennek pont az ellentéte. Nem nevezhetnénk a mérnököket mérnököknek, ha nem oldották volna meg ezt a problémát. A megoldás – ki hinné – az AB osztály. Ennek lényege, hogy akkora nyugalmi áramot biztosítunk, hogy a cső a karakterisztikájának egyenes szakaszán működjön. Ez a pont persze ilyenkor az egyenes szakasz legalja. Ha alacsony a jelszint, akkor a készülék inkább A osztályban dolgozik, míg nagyobb jelszint esetén a B osztály dominál. Ez a váltás az áramkörben szinte észrevétlenül történik. Így a nyugalmi áram a maximális teljesítményhez képest elég kicsi, tehát jó lesz a hatásfok, és a torzítási érték is viszonylag alacsony szinten marad.
Tranzisztoros végfokozatok
A tranzisztor alapvető működési tulajdonsága 1948-ban vált ismerté. Az elektroncső feltalálása óta a híradástechnika világában még nem született ehhez fogható, nagy jelentőségű találmány, amely ilyen forradalmian kijelölte volna a fejlődés vonalát. A tranzisztoros erősítők elvi felépítés és munkapont-beállítás szempontjából tulajdonképpen a fent leírt csöves fokozatoknak felelnek meg, csak néhány áramköri (az eszköz felépítéséből adódó) változtatás fedezhető fel.
De melyek a különbségek? A csövek – ha eddig nem említettük volna – magas anódfeszültséggel (200—500 V) és viszonylag kis árammal (10—100 mA) működnek. Működésük során a rácsra adott feszültség vezérli a katódon-anódon átfolyó áramot. Itt tehát – szaknyelven szólva – egy feszültségvezérelt áramgenerátorral állunk szemben.
A tranzisztor egy szilíciumkristály, amelyben a kollektoron – emitteren – folyó áramot egy másik, a bázison (emitteren) keresztülfolyó árammal szabályozhatjuk. Ez az úgynevezett áramvezérelt áramgenerátor. A tranzisztoros erősítők tápfeszültsége viszonylag alacsony (12—50, nagy ritkán 80—100 V), ám a rajtuk folyó áramok jóval nagyobbak, mint a csöveken (5—25 A).
Az együtemű tranzisztoros erősítő kimenetén nyugalmi állapotban valamilyen mértékű egyenfeszültség amelyet rendszerint nagy értékű kondenzátorral választanak le a hangszóróról. (Bár az első tranzisztoros erősítők is tartalmaztak kimeneti transzformátort, ezt a megoldást a már ismertetett hibái miatt még az első időkben száműzték a tranzisztoros kapcsolástechnikából.) Az ellen-ütemű tranzisztoros fokozat kimenete azonban nyugalmi helyzetben földpotenciálon van, így semmilyen illesztő eszközre nincs szükség, a tranzisztorok kimenetére közvetlenül csatlakozhat a hangszóró. Hát ez az egyik olyan dolog, amely miatt a konstruktőrök nagyon szeretik a tranzisztoros technikát.
Meg kell említeni azt is, hogy míg cső csak egyféle felépítésű van (az anódon pozitív tápfeszültség van, a katód negatív), addig tranzisztorból kétféle is akad: „pnp” és „npn”, mely pozitív és negatív tápfeszültséggel egyaránt alkalmazható. Ami a hatásfokot illeti, tudjuk, hogy a hót az ellenállásokon folyó áram termeli. Míg a csöveken kis áram folyik, addig a tranzisztorokon jóval nagyobb. Ez a hőtermelésre is hatással van, a csövek kevésbé melegszenek – már az amúgy is forró fűtött katódhoz képest – mint a tranzisztorok. A cső viszonylag hóálló konstrukció, hűtésre csak extrém felhasználáskor van szükség, addig a tranzisztor érzékenyebb jószág. Úgy 100-150 C fölött már (persze anyagszerkezettől függően) a tranzisztort alkotó szilíciumkristály szerkezete megváltozik, ami az eszköz tönkremeneteléhez vezet. A tranzisztorokat tehát nagyon jól kell hűteni, ha nagy teljesítményen (különösen A osztályban) üzemeltetjük. Fontos még tudni, hogy a csövek karakterisztikájából adódóan torzításuk páros felharmonikusokat termel. A tranzisztorok ezzel szemben a páratlan harmonikusokat termelik. Ezzel, azt hiszem, fel is soroltuk azokat az okokat, amelyekkel magyarázni „próbálják” a tranzisztoros vagy csöves, örök kérdést. Az egyik igen jól sikerült, mára legendává vált, valóban rendkívüli hifi végfok-konstrukció a Quad 405-ös, a 80-as évekből. A kiegyenlített hídkapcsolású erősítő 250 V tápáramforrást igényel. Egyenáramú szempontból a hangszóró kimenete földpotenciálon van, így a hangszóró kondenzátor nélkül csatlakoztatható az erősítőhöz. Az erősítőnek 100 W kimenő teljesítményig füllel hallható torzítása nincsen. Nemcsak hangjáért, hanem egyszerű megépíthetősége miatt is nagy népszerűségnek örvendett – örvend ma is – az amatőrök körében.
Ám napjainkban is születnek csodák, konstrukciós műremekek mint például a Theta Citadel monoblokk típus, amely kiváló elektromos paraméterekkel rendelkezik. A frekvencia-átvitele 0,2 Hz—400 kHz, kimenő teljesítménye 2 100 W, 2 ohmon földfüggetlen hangszóró-csatlakozással. Természetesen torzítása, jel-zaj viszonya és egyéb adatai is a felső kategóriára jellemző értékekről tanúskodnak, megfelelő felső-kategóriás árral egyetemben.
.
A tranzisztoros erősítők fejlődése
A nagy teljesítményeken különleges tranzisztorokra volt szükség, amelyekhez speciális, úgynevezett Darlington felépítésű eszközöket kezdtek gyártani. Emellett számos olyan megoldás született, amely már túlmutat az általunk – hétköznapi nyelven – leírható műszaki megoldásokon. Számtalan módszerrel próbálkoztak, hogy a tranzisztort – ezt a végül is elég egy szerű szerkezetű szilícium-eszközt – minél jobb paraméterekkel ruházzák föl. Nagy mérföldkő volt a tranzisztoros technikában a FET azaz a térvezérlésű tranzisztor feltalálása. Ez az eszköz a „gate” elektródára kapcsolt feszültséggel szabályozza a „drain” és „source” elektródák áramát. A FET-nek rengeteg változata van, a tranzisztorhoz hasonlóan lehet pozitív vagy negatív típusú. Olyan változatok is vannak, amelyek a vezérlő feszültség hatására növelik vagy éppen csökkentik a drain-source áramot. Mivel ez a csőhöz hasonló módon feszültségvezérelt áramgenerátornak tekinthető, nagyon közel áll a csövekhez. (Gyártanak például „fetron” néven olyan FET-et, mely elektroncső tokozású és felépítésű, bizonyos csövek helyére közvetlenül betehető, csak nem igényel fűtóáramot!) Ám az igazi „vájt fülű” hifista azonnal meghallja, hogy nem cső szól. Persze a nemes küzdelemből a szórakoztatóipar prominens képviselői sem maradhatnak ki. A csöves-tranzisztoros szemléletváltás egyik példáját a Technics szolgáltatta, amikor megalkotta az SE-A 3000 típusú 2×160 W-os sztereó erősítőjét, „csöves” jellemzőkkel. A Technics laboratórium fejlesztőmérnökei felismerték azt a tényt, hogy egy erősítő kimenőfokozatát a legcélszerűbb a MOS-FET-tel (fémoxid térvezérlésű tranzisztorral), és az áramvezérelt bipoláris tranzisztorpárt (npn-pnp) speciális, A osztályú hídkapcsolásban összehozni. A saját laboratóriumában kifejlesztett MOS-Class A típusjelű végerősítő egység, különösen a „lineáris szakaszban szuper hangminőséget ad, ahol a MOS-FET kiemelkedő átviteli jellemzői dominálnak. Nagyobb kivezérlésnél a hídkapcsolás másik eleme, a bipoláris tranzisztorpár is jó hangzást biztosít. A váltást hasonlónak érzem, mint a csöves erősítőknél az AB osztályú minőségi átmenetnél.
D osztályú működés – Cél a legjobb hatásfok!
A végerősítők legújabb és legmodernebb, leggazdaságosabb változatát a kapcsolóüzemű (digitális vagy D osztályú) erősítők alkotják. A kiváló hatásfokú erősítő veszteségmentesen vezérelhető eleme – mint ideális kapcsoló – a tápforrás egyenfeszültségéből állítja elő a kimeneti feszültséget. A gyakorlatban a kapcsolókat helyettesítő tranzisztorok véges ellenállása kapcsolási ideje és maradék feszültsége okoz veszteséget. Ezzel együtt a hatásfok jobb, mint 90 százalék és nemcsak a maximális kimenő jelszintnél, de akár 1-2 W-nál is. A másik érdekes adat, hogy a digitális elven működő végerősítő jel-zaj viszonya is stabilabbnak mondható, nemcsak a maximális kivezérlésnél, de —46 dB-él is változatlan értéket mutat. A többi paramétert illetően nem tapasztalható lényeges különbség. Ez az erősítőtípus, jól, vagyis nagyon egyszerűen illeszthető a modern digitális rendszerekbe. Nincs szükségük a hagyományos értelemben vett D/A átalakítóra, az erősítő közvetlen digitális jellel táplálható. A D/A átalakítás valójában nagy teljesítményű kimeneten, egy speciális szúrótagon megy végbe.
Integráljunk!
Az integrált áramkör a 70-es években még különlegességnek számított, mára már nincsen elektronikai berendezés nélkülük. Miről is van szó? Az elektromos – félvezetős – áramköröket egyetlen szilíciumlapkára viszik fel. Ennek a megoldásnak az előnye, hogy gyorsan és üzembiztosan gyártható nagy sorozatban, de a klasszikus végerősítőkben csak ritkán alkalmazzák őket. Ennek oka, hogy nagy teljesítményű fokozatok nem jellemzők ebben a kategóriában. Elsősorban az olcsó készülékben (pont ezért olcsók) találhatunk olyan, 10-20 W teljesítményű, integrált végerősítő áramköröket, amelyek mérete egy-egy nagyobb tranzisztoréval egyezik meg. Az igényes berendezésekben viszont csak a diszkrét elemekből álló áramköröket találunk.
Hozzászólás
You must be logged in to post a comment.