Titulní strana

Dynamická saturace u elektronek

Pozor, otevřeno v novém okně. TiskEmail

Nf. technika - Topologie Federmann

Napsal uživatel Bobby_Federmann Neděle, 03 květen 2015 15:44

 

 

Úvod

 

V článku Dynamická saturace s BJT vs. FET tranzistory jsem se věnoval srovnání vlastností tranzistoru, v článku Dynamická saturace, příčina Tranzistorového zvuku! jsem popsal děje odehrávající se ve vstupní diferenciální dvojici. Originální popis jsem publikoval v Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. Přestože byl text vydavatelem omezen na pouhých 8 stran, je z něj dostatečně patrné, že zásadní vliv na vlastnosti zesilovače má vstupní diferenciální napětí, které je nepřímo úměrné rezervě zisku. Rezerva zisku je dána zesílením otevřené smyčky, uvědomíme-li si, že následuje zlom a zesílení klesá se strmostí 20dB/okt, je tímto zesílením otevřené smyčky limitován i mezní kmitočet. Mnohé bylo popsáno i v článku Hi-Fi zesilovače a milníky jejich topologii  

 

Čas plyne a stále je kolem Dynamická saturace mnoho neznámého, stále přetrvává chybný názor, že elektronky jsou na tom, co se týče zkreslení mnohem hůře jak tranzistory, podívejme se tedy, jak to bude s dynamickou saturací u elektronek.

 

Popis zapojení

Zapojení je pro BJT a FET tranzistor, stejně jak pro elektronku obdobné, každou diferenciální dvojicí teče proud 10mA, tranzistory jsou měřeny při 30Voltech a elektronky při 100Voltech. Pro rychlejší srovnání je přepočten výsledek změny proudu tak, aby byla maximální hodnota 100mA/V, tuto hodnotu je možno považovat za 100% a od ní odvozovat její pokles v závislosti na vstupním diferenciálním napětí.

Dynamická saturace u elektronek, vacuum tube amp

 

Popis grafu dynamické saturace

Z grafu je patrné, že BJT tranzistor má velmi úzkou pracovní oblast vstupního diferenciálního napětí, pokles proudového zesílení o 10% zapříčiní již cca 10mV vstupního diferenciálního napětí, kdežto pro stejný pokles proudového zesílení FET tranzistoru potřebujeme vstupní diferenciální napětí cca 40mV. 

Kdo by čekal, že elektronky na tom budou hůře, bude silně překvapen, neboť pokles proudového zesílení elektronkového diferenciálního stupně o 10% zapříčiní až vstupní diferenciální napětí o velikosti cca 500mV.

 

Dynamická saturace u elektronek, vacuum tube amp

Dynamická saturace u elektronek, vacuum tube amp

 

Srovnání BJT vs. FET vs. Elektronka

Vyjdeme-li z podobnosti BJT a FET tranzistorových zesilovačů a obdobné strmosti FETů a elektronek, pak nám vychází, že elektronkové zesilovače mají díky svým vlastnostem kvalitnímu zvuku stále co říci. Dynamická saturace zapříčiňuje stav, kdy se vstupní diferenciální dvojice dostává do nelineární oblasti, což je příčinou vzniku řady vzájemných modulací mezi jednotlivými signály. 

Z měření linearity vstupní diferenciální dvojice pak vychází, že FET tranzistory jsou ve vstupní diferenciální dvojici cca 4 x lineárnější a odolnější než BJT tranzistory, elektronky jsou pak při stejném srovnání až 50 x lineárnější a odolnější, pokud někdo tvrdí u nějakého zesilovače opak, pak není chyba v elektronkách, ale v jejich zapojení.  

Naměřené rozdíly mezi BJT, FET a elektronkami dávají jasnou odpověď, proč je poslech na slušných elektronkových zesilovačích vesměs příjemnější, než na zesilovačích s BJT tranzistory a vůbec nezáleží na naměřených hodnotách zkreslení, které se stále neumí měřit v oblastech a podmínkách pro lidský sluch důležitých.

 

 

 

Jak měřit Hi-Fi zesilovače a jejich pracovní oblast

Pozor, otevřeno v novém okně. TiskEmail

Nf. technika - Topologie Federmann

Napsal uživatel Bobby_Federmann Neděle, 27 květen 2012 10:28

  
  

 

Úvod

Často se setkáváme s pošetilým názorem, že zesilovače musí dodat trvalý maximální výkon v celé šířce přenášeného pásma a nejsou ani názorové výjimky, že Hi-Fi zesilovač musí být schopen pracovat v celé šířce pásma při trvalé limitaci +3 či dokonce +6dB!

Abychom si udělali v pracovní oblasti zesilovače trochu jasno, musíme přesně definovat rozsah vstupních signálu a tím i oblast, kde chceme a budeme parametry zesilovače měřit, tak aby měření alespoň částečně korespondovalo s poslechovými vlastnostmi zesilovače a nejenom s marketingovými záměry jeho konstruktéra či prodejce.

 

Limitace a Hi-Fi

Žádný zesilovač a Hi-Fi již vůbec ne by se neměl do limitace vůbec dostat či dokonce opakovaně dostávat! Jak již bylo zmíněno v článku Hi-Fi zesilovače a výkony, ale i v článku Fyziologický regulátor hlasitosti, každý zesilovač si musí umět poradit se středním výkonem, ale i s výkonem špičkovým a přitom si zachovat dostatečný odstup od šumu, při co největší věrnosti k původnímu signálu, odtud i název Hi-Fi tedy High Fidelity, česky vysoká věrnost! 

Jakákoliv limitace je jev nežádoucí a v kategorii Hi-Fi naprosto nepřípustná, proto je nutné konstruovat zesilovače s opravdu velkými špičkovými, krátkodobými výkony, často značenými jako hudební. Jak vyplývá z následujícího textu, je maximální - špičkový, krátkodobý, hudební výkon největší slabinou většiny Hi-Fi zesilovačů, je často maskován zbytečnou a zavádějící marketingovou honbou za velkým výkonem trvalým, středním. Podívejme se však na samotné úrovně a jejich rozsah.

 

Energie zvuku

Zvuk je mechanické vlnění, které je vyvoláno energii, stále platí zákon o zachování energie a zánik zvuku, mechanického vlnění nastává odevzdáním mechanické energie a přeměnou na energii jinou.

 

Práh slyšení

Práh slyšitelnosti či slyšení je nejnižší hladina, kterou začíná člověk slyšet, je jim hladina akustického tlaku 0dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10-12Wm-2, čemuž odpovídá akustický tlak 2*10-5Pa.

 

Práh bolesti

Práh bolesti je již taková hladina zvuku, která vyvolává bolest, je jim hladina akustického tlaku 130dB, což odpovídá intenzitě zvuku 10Wm-2, čemuž odpovídá akustický tlak cca 63Pa, vyšší intenzity akustického tlaku již mohou poškodit sluch, případně i další orgány.

 

Počítání s intenzitou a akustickým tlakem

Pro přepočet intenzity zvuku můžeme použít I=10log(I1/I0). Prahu slyšitelnosti I0 odpovídá intenzita zvuku 10-12Wm-2

Pro přepočet akustického tlaku můžeme použít X=20log(P1/P0). Prahu slyšitelnosti P0 odpovídá akustický tlak 2*10-5Pa." 

 

Úrovně při reprodukci

Abychom se mihli co nejvíce přiblížit původnímu, nahrávanému zvuku, musí být úrovně při reprodukci totožné s úrovněmi při záznamu.

Střední úroveň akustického tlaku nastavíme na hranici 90dB, tedy hlasitost 90fónů, elektroakustický řetězec musí být schopen s dynamického rozsahu +26dB nad střední úroveň hlasitosti, tedy zvládá akustické špičky na úrovni 116dB! 

 

Výkonové poměry

Podívejme se jaké budou panovat výkonové poměry. Máme rovnostranný trojúhelník o straně 1,4m, kde ve dvou rozích máme reproduktorové soustavy a ve třetím, zbývajícím rohu je posluchač. Reproduktorové soustavy mají citlivost 90dB a vytvoří při výkonu 2x1W akustický tlak v místě posluchače 90dB.

Pro zvládnutí dynamického rozsahu +26dB nad střední úroveň výkonu 2x1W, potřebujeme zesilovač, který disponuje minimálním hudebním či špičkovým výkonem minimálně 2x400W! Například dva Moduly zesilovače HQQF-55-506W-5-1.

 

 

 

 

Zrychlení hmotného bodu

Zrychlení hmotného bodu jako parametr? Ano a=Δv/Δt, i když se to nezdá a nikdo to zatím takto neuvádí, ale všichni s ním vědomě či podvědomě pracují, právě zrychlení je jedním z velmi důležitých elektroakustických parametrů, který má své nezastupitelné místo v signálu akustickém, ale i v signálu elektrickém.  

 

Energie zvuku

Zvuk je mechanické vlnění vyvoláno energii a nejde o nic jiného než mechanickou energii, která pohybuje hmotným bodem. Vyjdeme-li ze samotné podstaty vzniku jakéhokoliv zvuku, kde na hlasivky, strunu či jakýkoliv jiný hmotný bod působí síla, pak tato síla vyvolá zrychlení hmotného bodu, které je úměrné síle a nepřímoúměrné hmotnosti hmotného bodu.

 

Amplituda zvukové vlny

Z výše popsaného je patrné, že při konstantní síle působící na hmotný bod, dosáhneme konstantního zrychlení hmotného bodu. Pokud však zvýšíme frekvenci, změníme směr působení síly na hmotný bod častěji, bude frekvence kmitání hmotného bodu vyšší, ale současně bude amplituda kmitání hmotného bodu nižší.

 

 

Závislost amplitudy na frekvenci

Vyjádřením mezní síly působící na hmotný bod, dostaneme i mezní zrychlení hmotného bodu, odtud získáme i závislost amplitudy na frekvenci a zjistíme, že akustické signály s frekvencí slábnou, stejné zjištění se prokázalo u vývoje SACD a DVDaudia, stejné mechanismy platí při záznamu na Vinyl, viz text SACD, blíže vinylu?.

 

 

 

SACD realita

SACD jednobitový převodník byl vyvinut právě na základě poznatků, že amplituda akustického signálu s frekvencí klesá. SACD jednobitový převodník ctí velmi přesně mezní konstantní zrychlení hmotného bodu a výsledkem je, že mezní výstupní napětí je nepřímo úměrné frekvenci. SACD převodník vzorkován frekvencí 2,8MHZ má na vykreslení 1/4 10Hz periody 2.800.000/4/10=70.000kroků, na vykreslení 1/4 1kHz periody již jenom 700kroku a na vykreslení 1/4 100kHz periody pouhých 7kroků.

 

 

Podíváme-li se na rozbor záznamu SACD, jak jej pořídil Pavel Macura na slovanetu, pak vidíme, že vpravo nahoře je nedosažitelná oblast. Oblast kde se nikdy nemůže ani teoreticky signál vyskytovat a je zcela pošetilé abychom právě na takové pásmo zesilovač dimenzovali, ne tak v této oblasti seriozně měřili.

 

 

Tabulky frekvencí, amplitud a potřebných rychlostí přeběhu

Hodnoty pro výstupní amplitudu 50V a zlomovou frekvenci 1kHz

 

frekvence

amplituda

strmost

1,00E+03

5,00E+01

1,57E+05

2,00E+03

2,50E+01

1,57E+05

4,00E+03

1,25E+01

1,57E+05

8,00E+03

6,25E+00

1,57E+05

1,60E+04

3,13E+00

1,57E+05

3,20E+04

1,56E+00

1,57E+05

6,40E+04

7,81E-01

1,57E+05

1,28E+05

3,91E-01

1,57E+05

2,56E+05

1,95E-01

1,57E+05

 

Jak je patrné pro výstupní amplitudu 50V a zlomovou frekvenci 1kHz nepřekročí rychlost přeběhu, SR 160mV/µs, při frekvenci 100kHz bude výstupní amplituda pouhých 500mV

 

 

Hodnoty pro výstupní amplitudu 50V a zlomovou frekvenci 10kHz

 

frekvence

amplituda

strmost

1,00E+04

5,00E+01

1,57E+06

2,00E+04

2,50E+01

1,57E+06

4,00E+04

1,25E+01

1,57E+06

8,00E+04

6,25E+00

1,57E+06

1,60E+05

3,13E+00

1,57E+06

3,20E+05

1,56E+00

1,57E+06

6,40E+05

7,81E-01

1,57E+06

1,28E+06

3,91E-01

1,57E+06

2,56E+06

1,95E-01

1,57E+06

 

Jak je patrné pro výstupní amplitudu 50V a zlomovou frekvenci 10kHz nepřekročí rychlost přeběhu, SR 1,6V/µs, při frekvenci 1MHz bude výstupní amplituda pouhých 500mV, což přesně koresponduje s Měřením zesilovače HQQF-55-506W_ULN pro vysoké frekvence.

 

Závěr

Závěrem je nutno říci, že každý zesilovač má svůj mezní, hudební výkon, měl by bezpečně přežít jeho překročení, například limitací, ale není povinen jej trvale dodávat, proto se může například odpojit, stejně jak při jakékoliv jiné poruše. Každý zesilovač však při provozu běžně dodává střední výkon, který je pouhým zlomkem výkonu hudebního, maximálního.

 

Dále je nutno napsat, že každý zesilovač má mít dostatečnou šířku pásma, která by měla být větší jak 200kHz a není na závadu mnohem více. Reálný provoz však nikdy nenavodí stav, kdy by na výstupu byla při vysokých frekvencích plná amplituda, proto postačí měření na 100kHz při 1% hudebního výkonu. Každý zesilovač takové měření musí bezpečně zvládnout, třeba i do řádu několika MHz, které se mohou kdykoliv v řádu mV naindukovat na vedení, aby nedošlo k panice, jak tomu bylo u Aldax SPV 250P či jak dodnes elweb pošetilé popírá šířku pásma nad 20kHz a dynamický rozsah hudby nad 6dB!

 

Je třeba vždy mít na paměti, že zesilovač od cca 5÷10Hz do cca 200÷500Hz je často namáhán plným výkonem, který by měl krátkodobě zvládat až k hranici limitace, reálný provoz stejně jak měření je nutno dále provádět za s frekvencí snižujícího se výkonu, vždy tak aby nedošlo k poškození zesilovače a měření obsáhlo všechny možné v provozu vyskytnuvší se stavy. Pro seriozní měření postačí od 10kHz snižovat úměrně výkon až za mezní kmitočet.

 

 

Diskuse

 

 

 

 

 

 

 

Dálkové ovládání audio zesilovačů HQQF-55-900

Pozor, otevřeno v novém okně. TiskEmail

Nf. technika - Topologie Federmann

Napsal uživatel Bobby_Federmann Úterý, 17 únor 2015 17:14

 

 

Úvod

 

Zesilovače Topologie Federmann mají špičkové vlastnosti a jsou již v mnoha audio sestavách a aby byly srovnatelné s řadou konkurenčních produktů dnešní doby, přišel čas je vybavit dálkovým ovládáním s označením HQQF-55-900.

 

Dálkové ovládání audio zesilovače HQQF-55-900

 

Popis

Dálkové ovládání audio zesilovače HQQF-55-900 je určeno pro přepínání čtyř a více vstupů s možností odpojení všech, je vybaveno funkcí zapnuto a vypnuto, umí ovládat motor-potenciometr s možností indikace připojeného vstupu a polohy potenciometru. Aby byl modul dálkového ovládání audio zesilovačů HQQF-55-900 zcela samostatný, nechybí mu ani vlastní síťový zdroj. Přepínání vstupů je realizováno relátky mimo modul HQQF-55-900.

 

 

 

 

Dynamická saturace s BJT vs. FET tranzistory

Pozor, otevřeno v novém okně. TiskEmail

Nf. technika - Topologie Federmann

Napsal uživatel Bobby_Federmann Neděle, 21 prosinec 2014 17:58

 

Úvod

V článku Dynamická saturace, příčina Tranzistorového zvuku! jsem popsal děje odehrávající se ve vstupní diferenciální dvojici. Originální popis jsem publikoval v Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. Přestože byl text vydavatelem omezen na pouhých 8 stran, je z něj dostatečně patrné, že zásadní vliv na vlastnosti zesilovače má vstupní diferenciální napětí, které je nepřímo úměrné rezervě zisku. Rezerva zisku je dána zesílením otevřené smyčky, uvědomíme-li si, že následuje zlom a zesílení klesá se strmostí 20dB/okt, je tímto zesílením otevřené smyčky limitován i mezní kmitočet. Mnohé bylo popsáno i v článku Hi-Fi zesilovače a milníky jejich topologii    

 

Převodní charakteristiky

Převodní charakteristiky vstupní diferenciální dvojice s BJT vs. FET tranzistory mluví samy za sebe. Podíváme-li se na vodorovnou osu s vynesením symetrického vstupního diferenciálního napětí, pak je hned na první pohled patrné, že pokles zesílení BJT tranzistoru je mnohem významnější jak pokles u FET tranzistorů.

 

 Linearita vstupní diferenciální dvojice s BJT vs. FET tranzistory

 

Linearita vstupní diferenciální dvojice s BJT vs. FET tranzistory

 

Linearita vstupní diferenciální dvojice s BJT vs. FET tranzistory

Linearita vstupní diferenciální dvojice s BJT vs. FET tranzistory je s uvedených grafů patrná. BJT či-že bipolární tranzistory se již při vstupním diferenciálním napětí řádu jednotek mV dostávají do nelineární oblasti, kde dochází krom poklesu zesílení a zkreslení signálu i ke křížové modulaci všech přítomných kmitočtů, kdežto FET či-že polem řízené tranzistory mají tuto hranici mnohonásobně vyšší.  

 

V konečném důsledku jsou zesilovače osazené  na pozici vstupní diferenciální dvojice MOS FETy mnohem méně náchylné ke vzniku nežádoucích křížových modulací, což se rovněž projeví i v konečné kvalitě zvuku, v kombinaci s menším zkreslením, nemůže být lepší volba, což je jeden z důvodů, proč zesilovače HQQF krom extrémně vysokého zisku otevřené smyčky, bývají většinou osazeny J-FETy.

 

Závěr

Popis Dynamické saturace rázem změnil pohled na vstupní diferenciální dvojici a zesilovače jako celek, konkurence rázem překotně překopává své zesilovače na J-FETy a zbytek osazuje rychlými tranzistory, přitom zapírá a zapírá, popírá 50let slepé cesty a maže všechny stopy.