08 pojaČala snage - audiologsaudiologs.com/ozrenbilan/08_poj.pdf22.9.2013. 1 pojaČala snage ozren...

22.9.2013.

1

POJAČALA SNAGE

Ozren Bilan 2011

1 Uvod u elektroakustiku 2 Fiziološka i psihološka akustika 3 Buka i karte buke 4 Akustika prostorija 5 Mikrofoni 6 Elektrodinamički zvučnici 7 Zvučnici u kutiji i filtri 8 Pojačala snage 9 Digitalna elektroakustika 10 Analogno i digitalno snimanje zvuka 11 Projektiranje sustava ozvučenja 12 Mjerenja u elektroakustici

U PDF inačici nisu vidljive animacije

Što je pojačalo snage?

Linijski signal pretpojačala ima vrlo malu snagu. Potrebno ga je dovesti na pogodnu razinu za pobudu zvučnika. Dovođenje signala pretpojačala na tu razinu zove se pojačanje snage. Snaga se može pojačati jednim od tri moguda načina, odnosno njihovom kombinacijom:

Izlazna struja treba biti veda, nego ulazna struja. To je strujno pojačanje.

Izlazna impedancija pojačala treba biti mnogo manja od ulazne impedancije (što je u principu isto kao i zahtjev za strujnim pojačanjem).

Izlazni napon treba biti vedi od ulaznog napona. To je naponsko pojačanje.

Potreban je još jedan važan uvjet:

pojačalo treba imati produkt naponskog i strujnog pojačanja uvijek vedi od 1. Taj produkt naziva se faktor pojačanje snage.

100W pojačalo ulazne impedancije 20 k i osjetljivosti 1V de s 1V na ulazu dati 100W snage na izlazu. Pojačanje snage je dva milijuna puta, jer je ulazna snaga Pu= U2 /R = 1/20000 W, a izlazna snaga Pi= 100 W.

22.9.2013. Ozren Bilan 2

22.9.2013.

2

Koje prioritete treba zadovoljiti? Pri konstrukciji pojačala javljaju se određeni prioriteti koje projektant treba zadovoljiti jer oni značajno djeluju na kvalitetu rješenja. Ti funkcijski faktori su:

izbor aktivnih elemenata rješenje ulaznog sklopa pojačala rješenje izlaznog sklopa i izlazna snaga korekcija greške, tip povratne veze tehnologija materijala i konektora rješenje ispravljača rješenje sklopova zaštite i karakter termalne disipacije konačna izvedba, težina i dimenzije objektivne značajke zvuka, šum i izobličenja jamstva i pouzdanost Konačno ispitivanje je procjena: subjektivnih osobina zvuka pojačala snage


Izbor aktivnih elemenata Prednosti tranzistora su mnoge i očite: Dobro: Dimenzije omogudavaju malu masu realiziranih uređaja i prenosive verzije uređaja. Tranzistorizirani uređaji su lagani i ne zahtijevaju vrlo velike transformatore snage i glomazne kutije. Tranzistori se ne griju kao cijevi i nemaju žarne niti pa su radni naponi mnogo niži. Zbog toga su i štedljiviji jer troše manje energije. Tranzistori su jeftiniji pa vedi broj korisnika može imati pojačalo s tranzistorima. Izobličenja su umanjena do najnižih mogudih razina. Gornja granična frekvencija znatno je podignuta, kako zbog same prirode poluvodičkog spoja, tako i zbog toga što tranzistorska pojačala ne trebaju izlazne transformatore, koji su bili i ostali jedan od limitirajudih faktora konstrukcije pojačala snage. Tranzistori imaju mnogo duži vijek trajanja, a izlazne elektronske cijevi treba periodički mijenjati. Izlazna impedancija poluvodičkog pojačala je izuzetno niska pa je zbog toga damping faktor izuzetno visok. Loše: Damping faktor kvari impedancija voda, impedancija zavojnice zvučnika i prijelazni otpor kontakata. Na kvalitetu bas reprodukcije posebno djeluje kapacitet u ispravljaču. Opdenito gledajudi, izobličenja tranzistora imaju vedi sadržaj izobličenja tredeg harmonika, nego triode, ali zato triode imaju vedi sadržaj izobličenja drugog harmonika. Unutrašnji kapacitet poluvodičkog tranzistora ili FET-a predstavljaju probleme. Realizirani kapacitet je poluvodičkog tipa s vrlo lošim vodljivim materijalom i lošim izolatorom. Kao posljedica javlja se vrlo visoki dielektrički apsorpcijski faktor i vrlo visoki disipacijski faktor. Iako je ovaj kapacitet vrlo niskog iznosa, predstavlja značajno slabljenje karakteristika pojačala. Spojevi različitih materijala npr. željezo i silikon ili dopiranje materijala na spojevima poluvodiča također uzrokuje štetne efekte. Pored toga, konstrukcija sa spojevima dva, tri i više različitih metala također čujno djeluju na ukupni rezultat.


22.9.2013.

3

Usporedba bipolarnog i MOSFET tranzistora Bipolarni tranzistor je strujno upravljani element kojemu je tok struje između kolektora i emitera posljedica toka struje između baze i emitera. MOSFET funkcionira na potpuno različitom principu bududi da pripada naponski upravljanim elementima poput elektronskih cijevi. Bez naponske pobude na upravljačkoj elektrodi nede tedi struja između odvoda i uvoda. Nakon što se primijeni napon na upravljačku elektrodu, potedi de struja između odvoda i uvoda. Što je napon na upravljačkoj elektrodi vedi, tedi de to veda struja između odvoda i uvoda MOSFET-a. Bududi da je struja koja teče kroz upravljačku elektrodu praktički neznatna, definicija pojačanja je bez smisla pa govorimo o vodljivosti MOSFET-a jer se izlazna struja dijeli s ulaznom naponskom pobudom. Pogledamo li prijenosnu karakteristiku MOSFET-a uočit demo na njoj dva područja. U prvom području tzv. konstantne otpornosti struja odvoda raste upravo proporcionalno naponu između odvoda i uvoda. Nakon koljena nalazi se područje konstantne struje u kojemu, nakon prijelaza napona praga, odnos napona upravljačke elektrode i struje odvoda postaje izuzetno linearan. To je veoma poželjna osobina za realizaciju pojačala snage. MOSFET je izuzetno brz i može se uključiti i isključiti daleko brže, nego bipolarni tranzistor iste snage. Kašnjenje bipolarnog tranzistora iznosi oko 2 mikrosekunde. To uzrokuju nositelji naboja u pojasu baze. Iako se to vrijeme može minimizirati pravilnom konstrukcijom, ono je osnovni uzrok javljanja preskočnih izobličenja pri radu pojačala snage u klasi B. MOSFET tranzistori su barem 20 puta brži od bipolarnih tranzistora i vrijeme odziva određeno im je ulaznim kapacitetom. Rješenja izlaznog stupnja s MOSFET tranzistorima maksimalno olakšavaju projektiranje, iako rješenja izlaznog sklopa mogu biti vrlo složena uz primjenu sustava ispravka greške. MOSFET ima vrlo veliku ulaznu impedanciju pa se pobuđuje naponski. Uz to, ima negativan temperaturni koeficijent pa ne postoji opasnost termičkog bijega. Pored velikih prednosti MOSFET ima i nedovoljno poznate nedostatke. 22.9.2013. Ozren Bilan 5

MOSFET je brži od bipolarnih tranzistora, pa zbog toga lakše oscilira. Rezonantni krugovi mogu nastati kombinacijama 700 pF kapaciteta između upravljačke elektrode i uvoda MOSFETA i 2.5 cm vodljive linije na tiskanoj pločici. Sama vodljiva linija dužine 2.5 cm ima induktivitet 0.02 mH i ta vrijednost s kapacitetom od 700 pF dovodi do rezonancija na oko 42 MHz. Minimiziranje induktiviteta vodljive linije nedovoljno je za gušenje ovih oscilacija pa se namjerno na upravljačku elektrodu MOSFETA postavlja otpornik vrijednosti od 50 do 500 oma. Otpornik u kombinaciji s kapacitetom drastično smanjuje brzinu MOSFET-a. Za povedanje brzine, kapacitet treba brzo puniti i prazniti, a to omogudavaju samo vede struje pobude. Izazov projektantima predstavlja rješenje ovog problema bez primjene otpornika, a spajanje MOSFET-ova u paralelu dodatno pogoršava opasnost na rezonancije jer se kapaciteti povedavaju. Otpor između uvoda i odvoda MOSFET-a je temperaturno ovisan i djeluje kao zaštita. Viša temperatura poluvodičkog spoja uzrokuje viši otpor pa se izlazna snaga smanjuje. Vanjska temperatura kudišta i hladnjaka mijenja se relativno sporo jer je velikoj masi hladnjaka potrebna velika količina topline za promjenu temperature. Na drugoj strani imamo MOSFET čip zanemarive mase kroz kojeg protječu vrlo velike struje. Čip se prolazom strujnih tranzijenata brzo zagrijava, a temperaturna promjena u realnom vremenu uzrok je ograničenja izlazne struje. Rezultat je čujni efekt dinamičkog sažimanja za vrijeme dužeg trajanja bas reprodukcije.


22.9.2013.

4

Sklopovska rješenja Dijagram izrađen u MicroSim Shematics-u prikazuje pojednostavljenu shemu tipičnog tranzistorskog audiofrekvencijskog pojačala snage. Pojačalo se sastoji od tri stupnja u kaskadi.

Prvi stupanj predstavljen je transkonduktancijom –GT, drugi je kompenzirani stupanj, u funkciji kompleksne frekvencijske varijable s, -RT/(1 + sC1RT), a posljednji je stupanj s naponskim pojačanjem Av. Negativna povratna reakcija ima naponski faktor B, pri čemu su zanemareni efekti kondenzatora C2, C3 i C4.

Od samih početaka konstrukcije elektroakustičkih uređaja, konstruktori su pokušavali realizirati optimalni ulazni stupanj pojačala. Pri tome su korišteni različiti pristupi. Danas prevladava rješenje s diferencijalnim parom ili operacijskim pojačalom. Uvjetno rečeno, u rješenju ulaznog stupnja osnovni zahtjev je pojačati ulazni signal na razinu dovoljnu za pogon tranzistora pretpobude i pobude izlaznog stupnja.


Aktivni i pasivni simetrični ulazi

Ks – korisni signal

Sm – signal smetnje


22.9.2013.

5

Sprezanje zvučnika i pojačala Klasični visoko kvalitetni zvučnici u principu imaju vrlo nisku efikasnost. Efikasnost je mjera pretvaranja energije i kod dinamičkih zvučnika se krede od 0,5 do 1,5 %. (Sustavi ozvučenja s lijevcima mogu imati i desetke puta vede efikasnosti) Zadovoljavajuda glasnoda postiže se primjenom snažnih pojačala snage. Pojednostavljenim primjerom prikazat demo odnose. Npr. želimo li u prostoriji postidi 1 W akustičke snage, sa zvučnikom efikasnosti 1% neophodno je primijeniti pojačalo snage 100W. Pri tome de se 99% snage, a to je 99 W, pretvoriti u toplinu u elektrodinamičkom sustavu zvučnika. Analiza i projektiranje izlaznog stupnja pojačala snage temeljeno je na pretpostavci kako de na izlazu pojačala biti stalan omski teret. Isto tako, zvučnici i zvučnički sustavi specificiraju se za zadanu snagu i definiraju se s jednim brojem kao vrijednosti impedancije, npr. 4 ili 8 ohma. Međutim, ključna riječ je impedancija jer uključuje mogudnost aktivne i reaktivne vrijednosti komponente, a time i promjenu faze. Njena složenost uvodi izuzetne zahtjeve za izlazne karakteristike pojačala snage (maksimalna izlazna struja, amplitudna i fazna pričuva itd.). Nadalje, pojačalo snage je smješteno na nekoj udaljenosti od zvučnika i javlja se potreba povezivanja spojnim vodovima. Tada svakom elementu sustava treba posvetiti pozornost u cilju realiziranja ujednačenog lanca za reprodukciju zvuka.


Utjecaj modula impedancije zvučnika Prilikom klasičnog projektiranja izlaznog pojačala snage ili prilikom ispitivanja nikada se pojačalo ne spaja na neki stvarni zvučnik, nego se podrazumijeva kako se zvučnik uspješno može zamijeniti omskim otporom (vrijednosti 4 ili 8 oma). Isto tako specificiraju se i pojačala snage (npr. izlazna snaga 100W na otporu od 8 ). Napon i struja ostaju u fazi na omskom otporu. Također se i zvučnici, bilo kao pojedinačne komponente ili kao složeni sustavi, specificiraju s nazivnom impedancijom u omima. Razne norme DIN, IEC i druge predlažu da se impedancija ne smije mijenjati više od 20% od nazivne vrijednosti. To znači da 8 omski zvučnički sustav ne bi smio imati vrijednost manju od 6,4 OMA, a 4 omski manju od 3,2 OMA. U praksi su vrlo rijetki zvučnici čija je impedancija linearna, ved nailazimo na vrlo nelinearne vrijednosti, a te nelinearnosti uzrokuju reaktivne komponente. Reaktivne komponente električne impedancije zvučnika izazivaju višestruko povedane zahtjeve pojačalu snage u odnosu na rad s čistim omskim otporom. Porastom faktora snage raste disipacija izlaznog stupnja i dolazi u pitanje stabilnost rada pojačala. Kombinacija sustava s 3 ili više različitih zvučnika uz pasivnu skretnicu dodatno otežava situaciju.

Sinusoidal 27. 09. 02 12:16:59

CH A Ohm Unsmoothed Stepped Delay [ms] 0.000 Dist Rise [dB] 30.00 File: modul bez mase.sini 10 100 1k 10k 20k 10 Hz

100.0

Ohm

180.0

Deg

80.0 108.0

60.0 36.0

40.0 -36.0

20.0 -108.0

0.0 -180.0

CLIO


22.9.2013.

6

Utjecaj modula impedancije zvučnika Osjetljivost zvučnika specificiramo u obliku razine zvučnog tlaka na udaljenosti od 1 m pri ulaznoj pobudi od 1 W. Ulazna snaga je napon2/otpor. Zvučnici nemaju istu impedanciju na svim frekvencijama pa de specifikacija osjetljivosti vrijediti samo na jednoj ili nekoliko frekvencija, a nede vrijediti na svim ostalim.

Prikazan je primjer modula impedancije 8 ohmskog zvučnika koji ima vrijednost modula od 8 ohma samo na četiri frekvencije. Na frekvenciji ispod 100 Hz vrijednost modula je samo 3 ohma pa de se pri konstantnoj naponskoj pobudi na istoj frekvenciji od pojačala zahtijevati 2,7 puta veda snaga.

Sasvim je očito kako procjena osjetljivosti pri konstantnoj naponskoj pobudi ne opisuje dobro stvarno stanje. Kako pojačalo snage na izlazu daje konstantni napon na dvostruko manjoj impedanciji snaga de se podvostručiti itd… Dakle, pojačalo treba biti optimizirano za kratkotrajno davanje vrlo velike struje na izlazu.

Frekvencija [Hz]

Impedancija

[ohm

]

Snaga na zvučniku pri

pobudi od 2,83V

2,832V/8 Ω = 1 W

Nazivna imp = 8 ohm

Impedancija = 4 ohm


Velik broj mjerenja na zvučnicima i skretnicama vrši se sinusnim signalima tj. na jednoj frekvenciji pa se procjena impedancije zvučnika može napraviti samo grubom procjenom. Novijim istraživanjima pokušala se mjeriti impedancija zvučnika odjednom na više frekvencija primjenom posebno odabranih impulsnih signala, te se pokazalo kako zvučnik specificiran kao 8 ohm-ski, može pokazati tipične vrijednosti dinamičke impedancije oko šest puta manje od nazivne impedancije.

Tako zvučnik s nazivnom impedancijom od 8 ohm može pokazati dinamičku impedanciju manju od 2 ohm. Uzrok tome su paralelne sekcije skretnice višepojasnog zvučničkog sustava. Priroda niskofrekvencijskog zvučnika i pripadajude skretnice je vrlo reaktivna. Pobudi li se bas zvučnik impulsom vrlo velike snage, sama priroda sustava zahtjeva nakon prolaza impulsa negativnu struju pojačala. Ako se u tom trenutku pojavi signal negativne struje, koju slučajno u tom trenutku zahtijevaju srednjetonski i visokotonski zvučnik, rezultantne struje de se sumirati u trenutnu vršnu vrijednost koja daleko nadilazi vrijednosti izmjerene pobudom sinusnim signalom.

Statistička analiza programskih signala pokazuje vjerojatnost da se tako nešto dogodi ali ne prečesto. Projektant pojačala mora vrlo dobro poznavati tu problematiku te projektirati pojačalo tako da bez problema može isporučiti zvučniku potrebnu vršnu struju. Izvršena su subjektivna slušna ispitivanja velikog broja raznih pojačala, a izmjerene su i vršne struje koje pojačala mogu isporučiti zvučnicima.

Rezultati ispitivanja pokazali su podudaranje subjektivne kvalitete zvuka s vrijednostima vršne struje. Za pojačala snage 50 W za dobru kvalitetu zvuka potrebne su vršne struje do 15 A, 100W - 25 A, a 200 W pojačala moraju dati minimalno 50 A. Vrijednosti su trenutne i kratkotrajne, a ne stalne.

Asimetrični valni oblik koji

može generirati zahtjev za

višestrukom izlaznom strujom

zvučnika. Sekvenca ABCDE

Generira negativni strujni

vrha. Međutim, glazbeni

signali ne sadrže pravokutne

valne oblike ni trapezoidne

aproksimacije. Tako je

vjerojatnost njihove pojave

vrlo mala.


22.9.2013.

7

Maksimalna izlazna struja

Pri određivanju pojačala, mnogo važniji podatak od potrebne snage je maksimalna impulsna struja na izlazu. Klasičnom analizom pretpostavimo da su zvučnici impedancije 8 , s minimalnom impedancijom cca. 6.4 . Pri snazi od 100W na impedanciji od 8 napon de biti 28.3 V, a efektivna vrijednost struje na 6.4 bit de 4.4 A. To je vršna vrijednost od 6.25 A. Suvremeni višepojasni dinamički zvučnici s pasivnim skretnicama mogu pokazati dinamičku impedanciju višestruko manju od nazivne pa uzmemo li i faktor sigurnosti, vrlo lako demo se približiti struji vršne vrijednosti od 25 A. Snaga pojačala zasnovana na stalnoj snazi pojačala potpuno je irelevantna za vrhunsku vjernost reprodukcije. S inženjerskog stajališta treba posebno naglasiti da pojačala treba projektirati za male stalne snage, uz mogudnost vrlo velikih struja trajanja 2 - 20 ms. U tu svrhu konstruirani su posebni ispravljački sklopovi koji, kad to zatreba, mogu trenutno isporučiti vrlo velike struje. Subjektivna ispitivanja su pokazala da takva pojačala i rade najbolje uz relativno nisku cijenu. Međutim, to je daleko od visoke vjernosti, jer takva pojačala mijenjaju linearnost prijenosne funkcije pri promjeni napona napajanja. Na drugoj strani imamo posebno konstruirana pojačala s mogudnosti stalnog davanja vrlo velikih struja na izlazu, ali ta pojačala zbog vrlo složenih i skupih konstrukcija nisu dostupna širokom krugu potrošača iako danas pružaju najvišu kvalitetu reprodukcije. Dakle, pri realizaciji izlaznog stupnja pojačala jedan od vrlo važnih podataka koje treba znati je izlazna vršna struja pojačala pri impulsu trajanja od 2 - 20 ms.


Klase rada pojačala

Po načinu rada pojačala se dijele u klase. Za pojačala snage poznate su klase A, B, AB, C, D, E, G, H i S. 99% pojačala snage izrađuje se u klasi B. Klasu A definiramo onom u kojoj izlazni tranzistori pojačala uvijek rade između granica kolektorskog odrezivanja i saturacije. Drugim riječima, radna točka izlaznih tranzistora je uvijek u linearnom području, jer struja mirovanja teče cijelo vrijeme rada. Najveda prednost ovakvog načina rada je izbjegavanje preskočnih izobličenja koji se javljaju pri radu pojačala u B klasi. Izvori ovih izobličenja vide se na slici.


22.9.2013.

8

Prijenosna karakteristika u klasi B, umjesto da bude idealna (prikazana crtkano) ima cik-cak oblik (prikazano punom crtom). Vodoravni segment je mrtva zona, koja je uzrok poznatih crossover ili preskočnih izobličenja koji se tako zovu, jer u tom području izlazna struja preskače s jednog izlaznog tranzistora na drugi (mijenja predznak). Vodoravni segment u okolišu napona napajanja posljedica je saturacije izlaznog tranzistora i uzrok je odrezivanja izlaznog napona, ako je amplituda signala previsoka.

Pozitivni i negativni period signala spajaju se upravo na mjestu na kojem je prijenosna karakteristika izlaznog stupnja nelinearna – u području kolektorskog odrezivanja. Zbog toga nastaje diskontinuitet prijenosne karakteristike što dovodi do izobličenja.


A, B, AB Pojačala u klasi A nemaju ova izobličenja jer izlazni tranzistori uvijek vode. Međutim, upravo zbog toga, iskoristivost takvih pojačala je vrlo niska te zahtijevaju izuzetno velike hladnjake za odvođenje topline, te vrlo velike ispravljače koji osiguravaju potrebnu struju. Bududi da su izlazni tranzistori pojačala snage u klasi A uvijek uključeni, ta pojačala su spremna u svakom trenutku momentalno odgovoriti na ulaznu pobudu. To nije slučaj s pojačalima u B klasi. Bududi da im struja kroz izlazne tranzistore teče samo dok postoji pobudni signal na ulazu, pojačala u klasi B prvo moraju dovesti izlazne tranzistore u stanje vodljivosti, a tek onda pojačati ulazni signal. Dovođenje tranzistora iz zapornog područja u aktivno područje je proces koji traje, pri svakoj naponskoj pobudi, takva pojačala izgubit de dio signala pobude. Npr. pri valnom obliku frekvencije 20 kHz, 2% ulaznog signala nede uspjeti dodi na izlaz, jer je to vrijeme koje de biti potrebno tranzistorima da se uključe. Pored navedenog, pojačala u klasi A imaju jako nisku izlaznu impedanciju, visok damping faktor (prosječno 10 puta bolji od pojačala u klasi B ili AB) što omogudava vrlo jaku kontrolu nad dinamičkim zvučnikom pri tranzijentnoj pobudi velikim strujama. Rad u linearnom dijelu prijenosne karakteristike omogudava vrlo niska izobličenja svih tipova, a ona koja mogu nastati obično su niskog reda npr. 3. harmonik. Izobličenja se lako mogu smanjiti vrlo malim iznosom negativne povratne reakcije. Za razliku od pojačala u klasi A, pojačala u klasi B generiraju 5. i 7. harmonik koji je subjektivno vrlo neugodan. Međutim, ova izobličenja pojačala u klasi B nije lako reducirati negativnom povratnom reakcijom jer se javljaju u dijelu karakteristike pri kojem tranzistor prestaje voditi, a u takvim uvjetima negativna povratna reakcija ne funkcionira. Visoke struje mirovanja omogudavaju pojačalima u klasi A vrlo široki frekvencijski spektar snage, a time i mala slew izobličenja, u čemu im nisu ravna pojačala u klasi B ili AB.


22.9.2013.

9

Nedostaci AB

Pojačala u klasi A imaju veliku disipaciju, a pojačala u klasi B imaju lošu impulsnu karakteristiku. Pojačala u klasi AB, ovisno o struji mirovanja (koja kod raznih konstruktora varira od nekoliko desetaka do više stotina miliampera) u prvom dijelu karakteristike rade u klasi A, a nakon toga u klasi B. Mirna struja se može povedati ako su ispunjena tri uvjeta. tranzistori moraju imati dovoljnu snagu; ispravljač mora biti projektiran tako da može dati dovoljnu struju i hladnjak mora imati dovoljnu površinu za disipiranje viška topline. U radu takva pojačala stalno prelaze iz klase A u klasu B i obrnuto, pri čemu se aktiviraju razni nelinearni mehanizmi, svojstveni primijenjenom tipu izlaznog sklopa. Rezultat je porast izobličenja pri srednjim razinama snage. Ovdje treba naglasiti kako se pojačala u klasi AB ponašaju odlično dok rade u klasi A ili u klasi B. Problemi nastaju samo pri prijelazu rada iz jedne klase u drugu.


Klasa AB


22.9.2013.

10

Opdi izlazni stupanj

Osnovna shema izlaznog stupnja prikazana je na slici kao i idealizirana prijenosna karakteristika. Razlika u pojačanju posljedica je prijelaza rada iz klase A u klasu B. Uzrok je promjena izlazne impedancije. U klasi B istovremeno vodi samo jedan izlazni tranzistor, a u klasi A istovremeno vode oba izlazna tranzistora.

Može se pokazati da izobličenja koja nastaju pri prijelazu iz klase A u B imaju vrijednost od 0.5 do 10%. Izobličenja de biti maksimalna pri izlaznoj struji jednakoj četverostrukoj vrijednosti struje mirovanja. Porastom izlazne snage, ova izobličenja se smanjuju. Izvršenom analizom vidimo kako de vrijednost THD izobličenja padati, smanjujemo li vrijednost emiterskog otpornika Re


Ispravak greške negativna povratna reakcija


22.9.2013.

11

Ispravak greške unaprijedna reakcija


Spajanje pojačala snage u most


22.9.2013.

12

Proračun ukupnih harmonijskih izobličenja

Neka je ulazni signal pojačala snage xa(t) = sin(2πF0t). izlaz ustaljenog stanja je:

ya(t) = 100 sin(2πF0t + Φ1) − 2 sin(4πF0t + Φ2) + cos(6πF0t + Φ3)

(a) Je li pojačalo linearni ili nelinearni sustav i zašto?

(b) Koliki je faktor naponskog pojačanja?

(c) Odredi srednju snagu izlaznog signala!

(d) Koliko je ukupno harmonijsko izobličenje pojačala?

Rješenje

(a) Pojačalo je nelinearno jer mu ustaljeni

izlaz sadržava harmonike.

(b) Faktor pojačanja je K = 100.

(c) Izlazne snaga pojačala snage jednaka je:

(d) ukupno harmonijsko izobličenje je

Idealnom pojačalu di=0 za i≠0


MATLAB proračun harmonijskih izobličenja PRIMJER 1

>> % generiramo signal fundamentala + 2 harmonika

t = linspace(0,1,1e3);

x = cos(2*pi*60*t)+0.05*sin(2*pi*120*t)+0.01*cos(2*pi*180*t);

% konstruiramo objekt spektralne analize

hper = spectrum.periodogram;

% računamo srednji kvadrat spektra – kvadrati magnituda

mspec = msspectrum(hper,x,'Fs',1e3,'NFFT',length(x));

% kreiramo vektor podataka fundamentala i dva harmonika

datavec = mspec.Data(61:60:181);

% Računamo THD

THD = sqrt(sum(datavec(2:end)))/sqrt(datavec(1))

% množimo sa 100 za postotak.

THD=100*THD

% isto primjenom funkcije fft

xdft = fft(x);

datavec = xdft(61:60:181);

THD = norm(datavec(2:end),2)/norm(datavec(1),2)

THD = 0.0499

THD = 4.9936 %

THD = 0.0499

PRIMJER 2

>> % generiramo signal fundamentala + 2 harmonika

t = linspace(0,1,1e3);

x = 100*sin(2*pi*60*t) - 2*sin(4*pi*120*t) + cos(6*pi*180*t);

% konstruiramo objekt spektralne analize

hper = spectrum.periodogram;

% računamo srednji kvadrat spektra – kvadrati magnituda

mspec = msspectrum(hper,x,'Fs',1e3,'NFFT',length(x));

% kreiramo vektor podataka fundamentala i dva harmonika

datavec = mspec.Data(61:60:181);

% Računamo THD

THD = sqrt(sum(datavec(2:end)))/sqrt(datavec(1))

%množimo sa 100 za postotak.

THD=100*THD

%isto primjenom funkcije fft

xdft = fft(x);

datavec = xdft(61:60:181);

THD= norm(datavec(2:end),2)/norm(datavec(1),2)

THD = 0.0016

THD = 0.1622 %

THD = 0.0016


22.9.2013.

13

Rješenje ispravljača pojačala snage Ispravljač je jedan od izuzetno važnih i skupih sklopova svakog pojačala, a na njemu proizvođač može najviše uštediti. Posebno su zanimljivi marketinški pristupi definiranju snage pojačala i snage transformatora. Potpuno je prihvatljivo kako transformator nede stalno raditi s punom ustaljenom snagom, iako se tu može prigovoriti kako suvremena glazba s bogatim basovima za realnu reprodukciju od pojačala zahtijeva istu količinu kontinuirane snage kao i ustaljeni signal pune snage. Mnogi proizvođači specificiraju kako njihova pojačala u mostu daju. npr. 2000 W efektivne snage na 2 ohm, a ugrađuju transformator od 600 W efektivne snage. Dakle, ako želite na izlazu pojačala imati 2000 W efektivne snage potrebno mu je privesti više od toga. U klasi B bar 50% više, a u klasi AB do klase A potrebno je oko 75 % do 1000 % više od 2000W. Drugi mit govori nam kako de pojačalo s npr. 45000 μF kapaciteta zvučati bolje od onoga s, recimo, 20000 μF. To može, ali u najvedem broju slučajeva ne mora biti točno. Ovdje treba napomenuti kako elektroliti imaju najkradi životni vijek (u funkciji radne temperature) od svih komponenata koje se ugrađuju u pojačalo snage, a vrlo su skupi ako su kvalitetni. Osim ukupnog kapaciteta, postoje i mnogo važnije karakteristike. Npr. vrlo je važno znati koliki je ekvivalentni serijski otpor elektrolitičkog kondenzatora i maksimalna dopuštena struja. Za različite proizvođače ove vrijednosti imaju ogromne razlike, iako su elektroliti po kapacitetu i nazivnom naponu identični. Pored toga, potrebno je znati stalnu i vršnu maksimalnu struju primijenjenog transformatora, presjek i tip spojnih vodova unutar i izvan pojačala, tipove primijenjenih konektora na putu signala i struja napajanja itd. Dakle, potrebno je poznavati rezultirajudu totalnu impedanciju ispravljača; Nijedan proizvođač je ne specificira, jer nakon definiranja ove impedancije kvaliteta ispravljača postaje jednoznačno definirana.


Impulsna izobličenja pojačala s negativnom povratnom reakcijom

1970 godine M. Ottala je koristedi analizu Dughertyija i Greinera analizirao impulsna izobličenja pojačala i došao do značajnih postavki i zaključaka: 1) U cilju minimiziranja impulsnih izobličenja potrebno je pretpojačalom ograničiti frekvencijski odziv čitavog pojačala snage. 2) To znači da frekvencijski odziv pojačala snage bez povratne reakcije određuje željeni frekvencijski odziv pretpojačala. Nakon toga primjena negativne povratne reakcije ne mora poboljšati korisni frekvencijski odziv cjelokupnog pojačala snage. 3) Ako visokokvalitetno pojačalo snage zahtijeva gornju graničnu frekvenciju od 20 kHz, ono je treba dosegnuti bez primijenjene negativne reakcije. 4) To znači da gornja granična frekvencija pojačala snage bez primijenjene negativne reakcije mora iznositi 20 kHz pomnoženo s pojačanjem petlje povratne reakcije (npr. za pojačalo s 30 dB negativne reakcije to iznosi 630 kHz; a za 40 dB negativne reakcije gornja granična frekvencija pojačala snage treba biti 2 MHz). 5) Za svako pojačalo snage postoji optimalni iznos negativne povratne reakcije. Svaka promjena iznosa negativne povratne veze od optimalne vrijednosti povedat de subjektivni osjet impulsnih izobličenja. 6) Uobičajena lag kompenzacijska tehnika kojom se realizira stabilno pojačalo s negativnom reakcijom je nepreporučljiva. Snižavanjem gornje odrezne frekvencije pojačala snage, rastu impulsna izobličenja.

Značaj analize koju je proveo Otala, je u tome što je ona naglasila analizu pojačala snage u vremenskom području, a ne u frekvencijskom području, koja se do tada tradicionalno koristila. Nadalje, autori su naglasili značaj slew-rate ograničenja, a to je mehanizam izobličenja kojemu se do tada, prilikom projektiranja pojačala, nije dovoljno poklanjala pažnja


22.9.2013.

14

Slew rate izobličenja Slew rate elektroničkog sklopa je mjera brzine kojom taj sklop linearno mijenja izlazni signal pri promjeni ulaznog signala. Pretpostavimo kako je na ulazu pojačala primijenjena jedinična funkcija. Izlazni signal ne može momentalno promijeniti stanje pa de njegov odziv na pobudu biti realiziran unutar konačnog vremenskog intervala. Međutim, ako odziv na momentalnu promjenu prelazi vrijeme potrebno aktivnim elementima sklopa da realiziraju tu promjenu, riječ je o slew rate ograničenjima.

Mjerimo li ovu promjenu, možemo je izraziti vremenom koje je potrebno promjeni napona tj. V/s. Dakle, ako je brzina pojačala npr. 100V/s i na ulazu imamo promjenu napona, izlaz de pratiti promjenu ulaza brzinom od 100V/s. Ova promjena je vrlo brza i omogudava pojačalu punu snagu na vrlo visokim frekvencijama.

TIM izobličenje pojavljuje se u trenucima u kojima tranzijentni ulazni signal preoptereti ulazni stupanj pojačala, što za posljedicu ima kratkotrajno nelinearno ponašanje ili odrezivanje tranzistora ulaznog stupnja upravo u trenutku prije dolaska signala negativne povratne reakcije. Ako ulazni stupanj odrezuje, pojačalo de dati tvrdo TIM izobličenje. Ako ulazni stupanj postaje nelinearan ali ne odrezuje kaže se da pojačalo daje lako TIM izobličenje


Kako se pojavljuje TIM? Razlika ulaznog napona vi i napona negativne reakcije vf je napon greške: ve (vi - vf = ve). Napon greške pobuđuje otvorenu petlju pojačala. Ako je pojačanje otvorene petlje vrlo veliko, napon greške ustaljenog stanja je vrlo mali pa ulazni stupanj nije preoptereden. Međutim, pretpostavimo na ulazu pojačala jediničnu step funkciju (vi=1, t=0). Ulazni napon de se momentalno povedati od 0 do 1V u beskonačno kratkom vremenskom intervalu. Izlazni napon ne može se momentalno promijeniti pa je izlazni napon (u trenutku pojave jedinične funkcije na ulazu pojačala) jednak nuli; vo = 0. U istom trenutku (pojave jedinične funkcije), kad nema izlaza, nema ni negativne povratne reakcije tj. vf = 0. Signal greške onda je (vi - vf = ve), tj. 1 - 0 = ve = 1 V. U idudem trenutku, izlazni napon vo počinje rasti, pa počinje rasti i signal negativne reakcije vf zbog čega ve počinje opadati (jer je jednak razlici ulaznog signala i signala negativne reakcije). Pretpostavimo sada kako je ulazni stupanj pojačala obično diferencijalno pojačalo s bipolarnim tranzistorima. Jedan od tranzistora diferencijalnog para odrezuje kad napon diferencije prijeđe oko 57 mV. Diferencijalni napon je signal greške pa de step od 1V na ulazu sklopa izazvati veliko preopteredenje. Ovaj problem može se riješiti na dva načina. Prvim načinom postavljaju se serijski emiterski otpornici, a drugim načinom bipolarni tranzistori zamjenjuju se FET-ovima. Ovdje postoje različita mišljenja projektanata jer jedni daju prednost bipolarnim, a drugi FET tranzistorima. Međutim, najvedi broj pojačala vrhunske audio kvalitete riješen je s bipolarnim tranzistorima, posebno zbog nepredvidivih karakteristika FET-ova i njihovog izraženog tzv. flicker šuma. Kašnjenje potrebno signalu negativne povratne reakcije da prevali put od izlaznog do ulaznog stupnja određeno je frekvencijskom širinom pojasa otvorene petlje pojačala. TIM se ne može pojaviti ako je frekvencijska širina pojasa pojačala, mnogo veda od frekvencijske širine pojasa signala, pa je to ujedno i kriterij minimiziranja TIM izobličenja. Međutim, produkt pojačanja otvorene petlje i frekvencijske širine pojasa otvorene petlje ne smije biti prevelik. Poveda li se frekvencijska širina pojasa otvorene petlje, pojačanje otvorene petlje istovremeno se mora smanjiti kako bi pojačalo ostalo stabilno.


22.9.2013.

15

Darlington i Szklai Darlington par: emiter prvog tranzistora T1 priključen je na bazu drugog tranzistora T2, a kolektori su povezani zajedno. Oba tranzistora ponašaju se kao jedan tranzistor čija baza je baza T1, emiter je emiter T2, a čiji kolektor je spoj kolektora tranzistora T1 i T2. Ako su faktori strujnog pojačanja tranzistora T1 i T2: ß1 i ß2; strujno pojačanja Darlingtona bit de ßDarl = (1 + ß1)(1 + ß2) - 1 što se približno aproksimira izrazom ß1 ß2 za velike vrijednosti ß. Sziklai par: kolektor T1 spojen je na bazu T2, dok je emiter T1 spojen na kolektor T2. Oba tranzistora ponašaju se kao jedan čija je baza, baza tranzistora T1, čiji kolektor je emiter T2, i čiji emiter je spoj emitera T1 i kolektora T2. Faktor strujnog pojačanja ß Sziklai para je ßSzik = ß1(1 + ß2). I u ovom slučaju to se približno aproksimira izrazom ß1 ß2 za velike vrijednosti ß.


Sličnosti i razlike: Darlington par ima dva spoja baza-emiter u seriji, pa de napon baza-emiter Darlingtona biti 2VD , umjesto VD . Darlington par i Sziklai par, imaju napon VCE tranzistora T1 u seriji s naponom VBE tranzistora T2, pa je ukupni napon VCE(sat) (ili VEC(sat) pnp-ekvivalentnog para) vedi od napona VD. Darlington par i Sziklai par mogu se koristiti u svim osnovnim modovima rada (zajednički emiter, zajednički kolektor i zajednička baza). Sziklai par često se naziva i komplementarni Darlington ili kolektorski povezani Darlington, a ponekad i super-beta par. Međutim, izraz super-beta češde i točnije opisuje pojedinačni tranzistor s vrlo visokim faktorom strujnog pojačanja ß. Pojedinačni super-beta tranzistori proizvode se s vrlo tankom bazom zbog čega ne trpe visoke napone između kolektora i emitera. Sziklai par simulira vrlo visoke ß, ali trpi visoke napone kolektor-emiter. Najčešdi izbor je Darlington jer pruža najnižu izlaznu impedanciju u najširem frekvencijskom području. Međutim, nepovoljno je što se sada na izlazu javljaju tri spoja baza-emiter u seriji.


22.9.2013.

16

Kolika je potrebna snaga?

Analitički izraz za potrebnu snagu


Subjektivne razlike zvuka

DVOSTRUKA SUBJEKTIVNA GLASNOĆA ≈ DESETEROSTRUKA SNAGA

Podvostručenje razine zvučnog tlaka (SPL u dB) nije isto kao i podvostručenje

subjektivne glasnode koja se mjeri u Sonima, a ne dB.

Otprilike, podvostručenje subjektivne glasnode zahtijeva 10 dB umjesto 6 dB porasta razine zvučnog tlaka. Uz isti zvučnik to zahtijeva deseterostruko povedanje snage, a ne učetverostručenje, kako bi postigli dvostruku subjektivnu glasnodu. Promatramo li situaciju sa stajališta subjektivne glasnode i pojačala snage među pojačalima opdenito nema velike razlike obzirom na izlaznu snagu. Tako je potpuno irelevantno ima li pojačalo 75 ili 100W. Razlike koje se ponekad čuju posljedica su mnogih drugih razloga.


22.9.2013.

17

Zaključak

Suvremeno audio pojačalo za vrhunsku reprodukciju zvuka s bilo kojim zvučnikom i bilo kojim zvučničkim vodom treba imati modernu koncepciju rješenja elektroničkih sklopova. Koncepcija treba biti bezuvjetno stabilna. Pojačalo treba imati više stupnjeva pojačanja s lokalnim povratnim vezama za smanjenje izobličenja. Treba biti primijenjena vrlo mala negativna povratna veza u cilju stabiliziranja pojačanja i definiranja radne točke pojačala. Taj pristup minimizirat de problem brzine prijenosa signala. Pojačalo ne smije imati izlazni kondenzator, a mora imati beskonačno veliki kapacitet povratne petlje. To je istosmjerna servo petlja pojačala koja simulira beskonačno veliki kapacitet. Takvo pojačalo pokazuje momentalni oporavak od preopteredenja.

Poželjna je potpuno simetrična topologija pojačala od ulaza do izlaza. Prednost takve topologije je poništavanje izobličenja i identično grupno kašnjenje signala za svaku polovinu pojačanog signala. Uz to ova konfiguracija omogudava vrlo jednostavnu kompenzaciju, ekstremno širok frekvencijski odziv otvorene petlje i zanemariva tranzijentna izobličenja intermodulacijskog tipa.

Najčešda konfiguracija ulaznog stupnja ovakvih pojačala je kaskoda u strujnom modu vrlo širokog prijenosnog pojasa. Izlazni stupanj ovakvih pojačala često je komplementarni Darlington s ekstremno brzim bipolarnim tranzistorima. Kvazikomplementarna simetrija i MOSFET tehnologija ovdje ne dolaze u obzir.


Takva pojačala najčešde imaju tzv. tvrdi stabilizirani ispravljač minimalne serijske impedancije, uz to mora biti bezuvjetno stabilan i treba imati što vedu mogudnost davanja stalne i vršne izlazne struje. Takvim načinom rada pojačalo se maksimalno približava idealu rada čistog naponskog pojačala, koje može uz konstantni napon isporučiti teretu bilo koju zahtjevanu struju bez obzira na impedanciju tereta. Takva pojačala zvuče znatno glasnije od onih pojačala koja imaju na papiru vedu izlaznu snagu.

Klasa rada takvih pojačala najčešde je AB klasa sa visokom mirnom strujom, koja zahtjeva masivni izlazni stupanj i masivni ispravljač. Takva pojačala često ne trebaju nikakve sofisticirane sklopove zaštite osim onih termalnog tipa. Kao posljedicu takvog projekta imaju ekstremno široku frekvencijsku karakteristiku otvorene petlje (s odspojenom negativnom povratnom reakcijom) što je uzrok odsustva izobličenja, posebno onih slew tipa.

Ekstremni zahtjevi za strujama takvih pojačala uvjetuju potpuno različiti pristup ožičenju, konektorima i tiskanim pločicama, kako po izgledu rasporeda elemenata, tako i po tipu primijenjenih materijala. Tiskane pločice sa signalnim, napojnim i vezama na potencijalu zemlje trebaju imati što manje induktivitete. Pored zvjezdastog uzemljenja kojeg primjenjuje vrlo mali broj proizvođača, jedno od rješenja dokazanih u praksi je vođenje uzemljene vodljive trake paralelno s vodljivom plohom na tiskanoj pločici koja je na nultom potencijalu, ali tako da se ne dodiruju. Mnoge firme su primijenile ovaj način tzv. ground bus sistem niske induktivnosti koji u praksi zvuči kvalitetnije od ostalih na srednjim i niskim frekvencijama. Napomenimo kako ovaj pristup može lako ugroziti stabilnost pojačala s nedovoljnom faznom pričuvom jer minimiziranje induktiviteta spojnog voda maksimizira kapacitet.

Broj pojačala konstruiranih prema ovim principima je izuzetno mali, ali ipak postoje pojačala koja navedene principe zadovoljavaju pružajudi korisnicima najvišu mogudu reprodukciju.


22.9.2013.

18

Digitalna pojačala snage

Učinkovitost pojačala može biti vrlo važna u audio sustavima, npr. uređaji koji koriste kemijske izvore ili imaju vrlo veliku instaliranu snagu. Tada se koriste tzv. digitalna pojačala snage.


Pojačala u klasi-D

Pojačala u klasi-D postigla su vrlo veliku popularnost jer ta klasa ima najvišu učinkovitost od svih poznatih klasa iako druge karakteristike, posebno linearnost, nisu tako dobre. Područje primjene pojačala u klasi-D može se podijeliti u dva područja: mala izlazna snaga velika izlazna snaga. Područje male snage prostire se od nekoliko mW (za digitalna slušna pomagala) do oko 5 W, a velika pojačala snage od 80W do 1400 W. Trenutno postoji središnji jaz koji je posljedica razloga koje demo opisati. Područje primjene pri maloj snazi uključuje: mobilne telefone slušna pomagala prijenosne elektroakustičke naprave za snimanje i reprodukciju elektroakustičke sustave u prijenosnim računalima.


22.9.2013.

19

Svi nabrojeni uređaju su prijenosnog tipa sa baterijama za napajanje te im je najvažnija ekonomična potrošnja snage. Glavno područje primjene klase-D je dobivanje korisnih iznosa snage pri napajanju jednostrukim niskonaponskim napajanjem. Vrlo dobar suvremeni primjer je National Semiconductor LM4671, jednokanalno IC pojačalo izlazne snage 2.1W na zvučničkom teretu od 4Ω s 5 V napajanjem primjenom prekidne frekvencije od 300 kHz. Napajanje je vrlo nisko po standardima pojačala snage pa se koristi u tzv. H-most konfiguraciji, koju demo naknadno objasniti. Primjene za veliku snagu su razglasna pojačala, sustavi kudnog kina snažni sub-basovi.


U svim nabrojenim primjenama koristi se mrežno napajanje pa ekonomična potrošnja nije najviši prioritet. Ovdje se klasa-D koristi jer je potrošnja minimalna, pa su zbog toga napajanje i hladnjaci minimalne veličine. Zbog toga je proizvod mnogo manji i jeftiniji. Snažna pojačala klase-D koriste se i u automobilima gdje im snaga može prijedi 1000W uz terete od 2Ω; ovdje je minimiziranje potrošnje vrlo važno jer su mogudnosti alternatora i akumulatora relativno ograničene. Negdje u sredini između ova dva opisana područja primjene nalazi se situacije u kojima se pojačalo napaja iz mreže ali nema vedu izlaznu snagu – recimo stereo pojačalo snage 30W na 8Ω po kanalu. Njegovi hladnjaci nisu veliki ni skupi, pa ako ih izbjegnemo primjenom klase D ne može se mnogo uštedjeti. Ispravljač de se vjerojatno realizirati toroidom i graetzom pa de ukupna ušteda primjene klase D biti zanemariva. U takvim situacijama prednost klase D uz prihvadanje svih ograničenja koja nosi, trenutno nisu dovoljna za opravdanje primjene. Pojačala u klasi-D najčešde su u obliku jednog IC sa ili bez odvojenog izlaznog stupnja. Bududi da su sklopovi složeni najčešde u aplikacijama nisu detaljno opisani, te nisu prikladni korisnicima koji namjeravaju napraviti svoje vlastito diskretno pojačalo u klasi D.


22.9.2013.

20

Temeljni principi

Pojačala klase D temeljno se razlikuju od svih ostalih klasa pojačala (A, B, AB, C, G i H) jer u klasi-D izlazni tranzistori nikad ne rade u linearnom režimu. Umjesto toga oni prekidaju napajanje vrlo visokom ultrazvučnom frekvencijom pa se izlazni teret naizmjenično priključuje na grane napajanja. Kako se mijenja ulazni signal pobude, tako se mijenja i usrednjeni izlazni napon. Usrednjavanje obavlja niskopropusni filtar ili induktivitet zvučnika. Pri tome je potrebno uočiti kako je izlazni napon direktno proporcionalan naponu napajanja. U takvoj konfiguraciji opde ne postoji potiskivanje napajanja kao u izlaznom stupnju klase B. Tada primjena negative povratne reakcije može znatno pomodi. Područje prekidnih frekvencija prostire se od 50 kHz do 1 MHz. Što je prekidna frekvencija viša to je izlazni filter jednostavniji i manji ali se povedavaju gubici i izobličenja. Klasični postupak generiranja pobudnog signala je diferencijalni komparator. Jedan ulaz komparatora pobuđuje se ulaznim audio signalom, a drugi ulaz pilastim valnim oblikom prikladnom frekvencijom prekidanja.


Temelj pojačala u klasi-D prikazan je na slici 1, a postupak PWM na slici 2. PWM proces izvodi diferencijalni komparator Pilasti valni oblik mora biti ekstremno linearan tj. s konstantnim nagibom kako se ne bi unijela izobličenja. Jedno od mogudih rješenja prikladnog valnog oblika je sigma-delta modulator.

Pojačalo klase D s PWM komparatorom, FET

izlaznim stupnjem i izlaznim LC filtrom drugog

reda


22.9.2013.

21

H-most ili BTL

Ako je potrebno dobiti što više snage primjenom jednostrukog niskonaponskog napajanja, primjenjuje se H-most.

Omogudava četverostruku snagu na teretu bez potrebe za izlaznim kondenzatorom.

Konfiguracija je poznata i pod imenom Bridge-Tied Load ili skradeno BTL.

Izlazna konfiguracija

u H-mostu bez

prikazanog izlaznog

filtra


Zaštita pojačala u klasi D Vedina pojačala u klasi-D posjeduju unutarnju zaštitu od nadstruje i nadtemperature. Međutim, neka pojačala vrlo velikih izlaznih snaga za profesionalnu primjenu nemaju nikakve sklopove zaštite – dakle, popravci nisu predviđeni, a postignuta je vrlo visoka pouzdanost. Najvedi broj pojačala klase-D posjeduje i zaštitu od niskog napona napajanja jer u takvim situacijama napon gate elektrode nije dovoljan za potpuno otvaranje FET-a pa de disipirati preveliku snagu. Najčešde se primjenjuje sustav samoisključenja do porasta napona napajanja koji u pripravnom stanju ima vrlo malu potrošnju.


22.9.2013.

22

Učinkovitost i gubici Teoretska učinkovitost pojačala klase D uvijek je 100%, pri svim izlaznim razinama. U praksi matematičke idealizacije ne funkcioniraju pa je stvarna učinkovitost između 80% and 90%. Pri vrlo niskim razinama izlazne snage učinkovitost rapidno slabi bududi da postoje neizbježni gubici koji kontinuirano disipiraju snagu i u situacijama bez ulaznog signala. (vidi sliku 6). Nekoliko elektroničkih pojava uzrokuju gubitke u izlaznom stupnju pojačala u klasi D. 1. Izlazni FET-ovi u zasidenju nemaju nultu vrijednost otpora. Tipična vrijednost je oko 100 do 200mΩ, a podvostruči se na temperaturu od 150°C, što predstavlja maksimalnu radnu temperaturu. Ovaj otpor uzrok je I2R gubitaka. 2. Izlazni tranzistori trebaju vrijeme za prijelaz iz zapornog stanja u stanje vođenja. U međustanju između zapornog stanja i vođenja postoji značajni otpor koji također uzrokuje I2R gubitke. 3. Induktivni teret, kao što je zvučnik, uzrokuje impulse koji mogu otvoriti parazitne diode koje su sastavni dio konstrukcije FET-a. One imaju relativno dugo reverzno vrijeme oporavka pa de potedi veda struja od potrebne. Za sprječavanje ove pojave koriste se pritezne Schottky diode između izlazne linije i napona napajanja. Schottky diode imaju mnogo brže reverzno vrijeme oporavka.


Najštetnija pojava

Posljednja pojava je ujedno i najopasnija, a naziva se propucavanje (shoot-through). Neuobičajeni termin opisuje stanje pri kojem jedan FET ne prestaje voditi nakon što drugi počinje voditi. Zbog toga u vrlo kratkom vremenskom intervalu nastaje kratki spoj između pozitivnog i negativnog napona napajanja pa dolazi do vrlo velikog zagrijavanja. Kako bi se opisana pojava spriječila vremenski se zategne signal gate elektroda FET-a koji treba početi voditi. Opisano kašnjenje signala na gate elektrodi povedava iznos izobličenja pa vremensko zatezanje mora biti što krade. Praksa je pokazala kako zatezanje od samo 40 nsec može za posljedicu imati izobličenje vede od 2% ukupnog harmonijskog izobličenja pri signalu frekvencije 1 kHz.

Pojačala klase-D moraju

imati pritezne Schottky

diode


22.9.2013.

23

DIGITALNA POJAČALA SNAGE Pojačala snage imaju ekrane koji prikazuju kvarove i podešena stanja. Oprema može biti samostojeda ili ugrađena u ormar 19''.

Primaju digitalne ulazne signale preko Ethernet mreže ili preko audio ulaza. Pojačalo 1 x 500 W ima 2 audio ulaza uz izbornik razine mikrofon / linija kao i pojačala 2 x 250 W i 4 x 125 W.

Pojačalo 8 x 60 W ima 4 audio ulaza, izbornik između mikrofona i linije. Audio ulaz pojačala snage može se podesiti za automatsku kontrolu jačine zvuka ili za lokalni audio do priključenih zona u konfiguraciji softvera. 8 x kontrolni ulazi se mogu slobodno programirati za bilo koju akciju sistema, a tim ulazima mogu se dodijeliti prioriteti.

Zaslon od 2 x 16 znakova i rotacijska kontrola na prednjoj ploči koriste se za upite o statusu i funkciji nadgledanja. Zaslon također pokazuje čitanja VU mjerača kada se odabere rad audio nadgledanja ili ukazivanje stanja kada nema kvarova u jedinici. Audio se može pratiti uporabom slušalica.

Jedinica se neprekidno nadzire, a promjene statusa prijavljuju se kontroleru mreže za izvješda o kvarovima i statusu. Svaki kontrolni ulaz ima sposobnost nadgledanja kabela između kontrolnog ulaza i vanjskog prekidača za otvorene strujne krugove i kratke spojeve.

Digitalna pojačala snage

Philips PRESIDEO

1 x 500 W (LBB 4421 / 00)

2 x 250 W (LBB 4422 / 00)

4 x 125 W (LBB 4424 / 00)

8 x 60 W (LBB 4428 / 00) 22.9.2013. Ozren Bilan 45

Sheme digitalnih pojačala

Pojačalo snage dizajnirano je za redundantno postavljanje kabela u mreži. Mreža može biti ili pojedinačna grana ili redundantni krug. Pojačalo snage nadzire rad i ima mogudnost zamjene s pričuvnim pojačalom snage. Relejna stanica za promjenu uključena je u uređaju. Primjenjena DSP može obavljati parametarsko ekvaliziranje.

Sučelja 2 x priključak na sistem mreže Ulazi 8 x kontrolni ulazi Audio ulazi LBB 4421 / 00, LBB 4422 / 00, LBB 4424 / 00 – 2 audio ulaza LBB 4428 / 00 – 4 audio ulaza Svi audio ulazi imaju izbor između mikrofona i linije. Izlazi Izbor od 100V 1 x kontrolni izlaz za svaki kanal pojačala 1 x izlaz za slušalice 1 x pričuvni prekidač za svaki kanal pojačala


22.9.2013.

24

Matlab Switching Audio Power Amplifier elec_audio_amp1.mdl

Matlab Simulink model elec_audio_amp1.mdl

Switching Audio Power Amplifier

Switching audio power amplifiers are more efficient than conventional power amplifiers. However, the switching frequency

and output fi lter parameters must be chosen carefully. This example shows an audio power amplifier that uses a 1MHz

switching frequency, and a PI feedback controller to ensure that output voltage tracks the 2kHz and 2.5kHz sine wave inputs.

The power spectrum is plotted when the simulation has run, and can be used to inform selection of controller and fi lter

parameters.

v _m+

- v

Voltage

& power

f(x)=0

Solver

Configuration

Sine Waves

SP

S

Scope1

15

Offset

s

d

N-Channel

MOSFET/2

sd N-Channel

MOSFET/1

- +

L4

- +

L2

meas

ref

PWML

PWMH

Feedback controller -T-

-T-

-+

C3

-+

C1

-+

8ohm

load30V

Output voltage

Pulse duration

Tracking error


08 pojaČala snage - audiologsaudiologs.com/ozrenbilan/08_poj.pdf22.9.2013. 1 pojaČala snage ozren...

Documents