Elmélkedő az erősítőkről

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:

  1. Az amplitúdóhűség, amely a kivezérelhetőségi tartományon belül biztosítja, hogy ha a bemeneti jel „n-szeresére” növekszik, úgy a kimeneti jel is hasonlóan változzék.
  2. 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.
  3. 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.

Ízelítő erősítő kinálatunkból