archiv.hangaruhaz.hu

Úgy kell kezdenem, ahogyan az atomfizika c. nagyszerű tárgy előadója az egyetemen: amit eddig a fizikáról tanultatok, felejtsétek el! Tehát amit eddig az erősítőkről tudtok, azt felejtsétek el!

A hazai erősítőipar számára eretnek gondolatok következnek (amit viszont a világ vezető végfokgyártói már régen vallanak), úgyhogy a gyengébb idegzetűek itt hagyják abba az olvasást.

Szaladjunk neki kicsit messzebbről! A hangtechnikai mérnökök világszervezete (AES) készített egy átfogó anyagot, melyben a rádióadások kompresszált zenei jeleit vizsgálták. (Az FM jelek sugárzásához össze kell nyomni a jelek dinamikáját.) Megdöbbentő eredmény született: a kimenő csúcsteljesítménynek csak 15%-a az átlagos teljesítmény! Tegyük hozzá gyorsan: ez már egy összenyomott jel! Az egyszerűség kedvéért maradjunk ennél az aránynál. Lefordítva ezt számokra, azt jelenti, hogy 1000W-os csúcsok mellett az átlagos (ha úgy tetszik szinuszos) teljesítmény mindössze 150W. Ha nem lennének a zenében csúcsok, elég lenne egy 150W szinuszos teljesítményű végfok. A zenei jel azonban szinte kizárólag csúcsokból áll! (Leszámítva néhány extrém kivételt, pl. egy orgonán hosszan kitartott szólóhang) Azt már régről tudjuk – de hiszen éppen pár sorral feljebb írtam felejts el mindent!- , hogy az 1000W-os csúcsok átviteléhez éppen 1000W-os erősítő kell, mert különben torzítani fog a jel. A fentiekből viszont az következik, hogy egy átlagos zenei jelnél erősítőnk kihasználtsága csapnivaló. A megoldás szinte kézenfekvő: olyan végfok kell, ami 150W-os hosszantartó (szinuszos) teljesítmény leadására képes biztonsággal, emellett azonban az 1000W-os csúcsokat is torzítatlanul produkálja. Mielőtt örömmámorban fetrengenénk a világmegváltó felfedezéstől le kell lohasztanom mindenkit, a meghatározó végfokok már régen ilyenek. Nem az a lényeg tehát, hogy a vasalót milyen hosszan lehet üzemeltetni vele, hanem hogy a csúcsokat mennyire „viszi”.

A másik meglepő dolog, hogy erősítőnket hangszórók meghajtására használjuk! Ez a nem elhanyagolható tény újabb követelményeket állít a használatos elektronikák elé: az nagyon kevés, ha műterhelésen kiváló paramétereket mérünk egy erősítőn. A hangszóró ugyanis abban a pillanatban, ahogy jelet kap, mozogni kezd. Ez a mozgás a lengőcsévében viszont pont ellentétes áramot indukál, amit a végfoknak „be kell nyelni”. Minél jobban elnyeli ezt az áramot, annál jobban fékezi a hangszóró mozgását, így a membrán nem fog elrepülni. (Egy tévhitet gyorsan oszlassunk el: a hangszóró pilléje és a membránszélnek nem a kirepülés megakadályozása, hanem a lengőrendszer középpontban tartása az elsődleges feladata.) A végfoknak ezt a tulajdonságát csillapítási tényezőnek, azaz damping faktornak hívják. Ez az érték minél nagyobb, annál jobb a csillapítás. A nagy dampind faktor eredménye rendkívüli: feszes, dinamikus hangzás, határozott mélyek, és rendkívüli részletgazdagság a mély frekvenciákon. (Itt érhető tetten a legjobban a különbség még laikusok számára is. Összehasonlítva két végerősítőt az egyiknél nagyon jónak minősítjük a mélyhangátvitelt, a másiknál, amelyiknek nagyobb a dampingja ott azt is haljuk, hogy ez a nagyon jó mély három különböző hangszerből származik.) Vigyázni kell azonban a kábelezéssel, mert a vezeték ellenállása (keresztmetszete, hossza, anyaga, a csatlakozók…) jelentősen leronthatják kezdeti jó eredményünket.

Erősítőnket, miután munkaeszközünk, nem csak a hangja alapján ítéljük meg. Fontos a megbízhatósága (hiszen ha állandóan javítják, nem tudjuk használni), a súlya, a mérete, a hatásfoka. Ez utóbbi tekintetében rendkívül rossz a helyzet. Az elterjedt kapcsolásoknál a bevitt teljesítménynek a fele hővé alakul, s csak a másik fele lesz hasznos hangteljesítmény. Ezért az erősítők folyamatosan fűtenek, s ettől a felesleges hőtől ráadásul meg kell szabadulni. Eredmény: hatalmas hűtőbordák, ventillátorok, kétszeres méretű tápegység, a hasznos hangteljesítmény szempontjából fölösleges súly és méret.

Joggal merül fel a kérdés: ha mindezt tudják a mérnökök, miért nem tesznek ellene? Kicsit megint messze kell mennünk. A műszaki élet (de talán máshol is) egy-egy részterületen dolgozó szakember az eltöltött idő arányában a szakma foglyává válik. Az ismert megoldásokból indul ki, „zsigerből” utasítja el a drasztikus módosításokat. Nem azért, mert ő egy gonosz rossz ember, hanem azért, mert ez a gondolkodásmód ivódott bele. Nagyon nehéz ebből a csapdából kilépni. (Gondoljon csak bele mindenki, hány és hány olyan apró gondolat, vélemény szövi át egész életünket, amiből nem vagyunk hajlandóak engedni, még akkor sem, ha ész érvek sokaságát vonultatják fel ellenünk!) Nem véletlen, hogy a számítógépek „forradalmát” fiatalok vívták, akiket nem kötöttek a konvenciók.

Legnagyobb problémát a hatásfok jelentette, hiszen a többi műszaki feladatra jó megoldások születtek. A digitális erősítő elve már régóta ismert. Az impulzus szélesség moduláció (PWM: Pulse Width Modulation) elvén működő végfok felépítése sok mindenben különbözik a hagyományos megoldásoktól. PWM erősítőnél a bejövő jelet egy magas frekvenciájú (250kHz fölötti) kapcsolójellel modulálják. A kimeneti négyszögjel szélessége a bemeneti hangjellel lesz arányos. Innen az elnevezés is: impulzus szélesség moduláció. A négyszögjelet erősíteni veszteség nélkül már egyszerű feladat, s a felerősített jelből aluláteresztő szűrővel visszakaphatjuk a felerősített hangfrekvenciás jelet. Ez az „egyszerű” feladat a gyakorlatban azért bonyolult áramköri megoldásokat takar. Ha a kapcsolófrekvenciát nem állandó értéken tartják, hanem folyamatosan változtatják egy függvény szereint, akkor megakadályozható, hogy a kapcsolófrekvencia az erősítőből kikerüljön. Ez nem kis gond máskülönben, mert az erősítőre kapcsolt hangszóróvezeték antennaként működik, így helyi rádióadót üzemeltethetünk 540kHz-es kapcsolófrekvencia esetén pont a Kossuth rádió helyén, zavarva azt a környéken. Az állandóan változó kapcsolófrekvencia „elmossa” ezt a csúcsot, így gyakorlatilag megszűnik a zavarás. Egy PWM erősítőkapcsolás tipikusan 95% hatásfokú, ami annyit tesz, hogy 1000W esetén mindössze 50W a veszteség, amit el kell melegítenünk.

Jó hatásfok esetén kisebb tápegység is elegendő. A nehéz transzformátor kiváltása elvileg kapcsoló üzemű táppal megoldható, azonban ezek kényesek a statikus terhelésre. Meg is születtek az öszvér megoldások: hagyományos végfok kapcsoló üzemű táppal, digitális végfok hagyományos táppal. Ki-ki a szemléletbeli korlátainak megfelelő fejlesztési utat választott. (Murphy-törvény: Ha kalapácsod van, mindent szögnek nézel!) További korlátok omlottak le az újabb félvezetők megjelenésével.

A tökéletes megoldás most is a műszaki élet más területéről érkezett. (Világméretekben a professzionális audió üzlet annyira kicsi, hogy komoly, nagy pénzeket igénylő kutatásokat nem éri meg fizetni. Ezért az új anyagok más szakterületről szoktak beszivárogni.) Nagy teljesítményű vezérelt hajtások táplálására kapcsolástechnikailag végfokokat használnak. A több ezer wattos motorok meghajtásánál fontos szempont a hatásfok, s talán még lényegesebb a készülékek visszahatása a hálózatra. (Pár szóban: szélsőséges terhelések esetén a vezetéken folyó áram és a feszültség fázisban eltér egymástól. Ha nagyon eltér, akkor összeomolhat a hálózat: leáll az erőmű. Kisebb mértéknél megnő a meddő áram mértéke, ami terheli ugyan a vezetékeket, de hasznos munkára nem használható. Üzemek telepítésekor ez egy fontos, nehezen megoldható probléma. Az erőmű a tiszta rezisztív (pl.: rezsó, hősugárzó) terheléseket szereti.) Kifejlesztettek tehát egy olyan kapcsolóüzemű tápegységet, ami nem érzékeny a feszültségingadozásra, nem vesz fel meddő teljesítményt a hálózatról (cosj=0,95), jól bírja az extrém terheléseket. A motorok hajtására olyan PWM kapcsolást készítettek aminek kiemelkedő a hatásfoka (<95%), jól birja az induktív terhelést, nagy teljesítményű és gyors, ráadásul nagy a sávszélessége. (Ma már nem furcsa, ha egy nagy léptetőmotort 20kHz-es jellel vezérelnek.) Természetesen nem csak nekünk tűnik fel, hogy az elmondottak egy kiváló hangfrekvenciás erősítő jellemzői. A motorhajtások tervezőit nem befolyásolták a régi beidegződések, nem voltak az akusztika rabjai: megszületett a korszerű digitális végfok. A kapcsolásokat „kiélezték” hangfrekvenciára, s egyre inkább úgy tűnik, olyan forradalmat fog okozni a digitális végfok, mint a CD annak idején.

A XXI. század erősítője kimagasló paraméterekkel bír. Akár 2x10 000W teljesítmény 1U magasságú (44mm) 19”-es RACK dobozban, s mindezt mindössze 12kg tömeg mellett. (Hagyományos végfokok esetén ez a tömeg legalább 50-100kg.) 95V-265V-ig változhat a hálózati tápfeszültség, miközben a kimenő teljesítmény változatlan marad! A kapcsolóüzemű táp rezisztív terhelést jelent a hálózatnak (cosj=0,95). A nagyintegráltságú áramkörök nem csak nagyobb megbízhatóságot jelentenek, hanem a létező összes védelemmel ellátottak. (Túláram, túlfeszültség, rövidzár, hő, limiter…) A modern áramköri megoldások kitűnő paramétereket eredményeznek: intermodulációs torzítás <0,01, frekvenciaátvitel: 5-30 000Hz, jel-zaj viszony > 105dBA, dampind faktor 600. Számos szolgáltatás beépítésére van lehetőség, pl. távszervíz, beállítás modemen keresztrül számítógéppel, crossover, zajzár stb. És ez még csak a kezdet. Vajon hol lehet a vég?

S ha valaki nem tudja még, hogy miért a jövőnk záloga a digitális végfok, az ha a régi végfokrack emelgetése közben elhagyja a tojásait, hamar rá fog jönni…

Ha bővebben szeretnél foglalkozni a témával, többet megismerni a hangosítás alapjairól, válaszd valamelyik tanfolyamunkat

© Hermann János