Jak změřit vstupní odpor na větvích zesilovače

Vstupní odpor je ekvivalentní odpor viděný ze vstupního konce zesilovacího obvodu a je ukazatelem výkonu používaným k měření vlivu zesilovače na zdroj signálu. Čím větší je vstupní odpor, tím menší je proud odebraný zesilovačem ze zdroje signálu a tím vyšší je signálové napětí získané ze vstupního konce zesilovače. Tedy tím menší útlum napětí zdroje signálu.

Proto by měl mít zesilovací obvod přístrojů, jako jsou osciloskopy a voltmetry používané k měření napětí signálu, velký vstupní odpor. Vstupní odpor zesilovače hraje roli z důvodu možného ovlivnění vstupními kabely a výstupním odporem zdroje signálu. Vstupní kapacita se může při spojení s nevhodnými kabely chovat jako zkrat pro vysoké kmitočty, které potom budou v reprodukované hudbě chybět.

U dnes konstruovaných zesilovačů se nejčastěji volí vstupní odpor řádově jednotky až desítky kohm. Je vhodné provést měření pro celý kmitočtový rozsah, neboť vstupní impedance je kmitočtově závislá.

Co přesně se při měření zjišťuje

Měřením, které je popsané výše, změříme pouze reálnou část vstupní impedance - tedy vstupní odpor. Pokud by nás zajímala i imaginární část, tedy vstupní kapacita, bude měření složitější, neboť budeme nuceni měřit i fázi.

Výstupní odpor je zdánlivý odpor patrný z výstupu zesilovače. Pokud je zesilovač chápán jako zdroj signálu, jedná se o vnitřní odpor zdroje signálu. Výstupní odpor se používá k měření síly únosnosti zesilovače. Schopnost zesilovače udržovat konstantní výstupní napětí signálu (nebo proud) za různých podmínek zatížení se nazývá únosnost.

Naopak, pokud je výstupní odpor RO velký a splňuje podmínku RO Větší nebo roven RL, pak při změně RL ve velkém rozsahu lze udržet konstantní proud výstupního signálu. Tento odpor lze také považovat za odpor omezující proud, protože ve skutečnosti není potřeba omezování proudu.

Postup měření vstupního odporu

Zesilovač na výstupu zatížíme jmenovitou impedancí. Na vstup připojíme sinusový generátor, do série s ním rezistor Rg s odporem asi 1/10 předpokládané vstupní impedance a zesilovač vybudíme. Nízkofrekvenčním milivoltmetrem změříme napětí na vstupních svorkách zesilovače - U1 a na pomocném rezistoru - U.

Vstupní odpor zesilovače je potom : Rvst= (U1/U).Rg.

Praktické body postupu

• Zesilovač na výstupu zatížíme jmenovitou impedancí.

• Na vstup připojíme sinusový generátor.

• Do série s generátorem zapojíme rezistor Rg s odporem asi 1/10 předpokládané vstupní impedance.

• Zesilovač vybudíme.

• Nízkofrekvenčním milivoltmetrem změříme napětí na vstupních svorkách zesilovače - U1.

• Nízkofrekvenčním milivoltmetrem změříme napětí na pomocném rezistoru - U.

• Vstupní odpor zesilovače je potom : Rvst= (U1/U).Rg.

Proč měřit v celém pásmu

Je vhodné provést měření pro celý kmitočtový rozsah, neboť vstupní impedance je kmitočtově závislá. 3) Kmitočty vhodné pro měření zesilovačů16, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000 Hz.

Měření na jednotlivých větvích

Je vhodné provést měření pro celý kmitočtový rozsah, neboť vstupní impedance je kmitočtově závislá. Pokud by nás zajímala i imaginární část, tedy vstupní kapacita, bude měření složitější, neboť budeme nuceni měřit i fázi.

Na vstup pak přivedeme obdélníkový signál vyššího kmitočtu (např 10-15kHz ), na osciloskopu nesmí být patrné žádné zákmity. Jakékoli zákmity pak indikují nestabilitu zesilovače. Kvality zesilovačů lze nejlépe posuzovat poslechem. I měření může ale hodně napovědět o kvalitě zesilovače, a to hlavně stabilita při komplexní zátěži.

Jako zátěž můžeme použít pararelní kombinaci odporu 2R a kondenzátoru 2u (pozor ale na max. povolený proud koncovými tranzistory), někdy se používa jen kapacitní zátěž. Stabilitu zesilovače zvětšíme např. kompenzačními kapacitami, ale tím zároveň snížíme rychlost přeběhu SR zesilovače a zvětší se zkreslení na vysokých kmitočtech. Je proto vhodné volit kompromisní řešení.

Souvislost vstupního odporu s dynamickým chováním zesilovače

Podmínkou pro vznik zkreslení TIM je záporná zpětná vazba a zkreslení SID, v zesilovači dochází k limitaci při přechodných jevech vysokých kmitotočtů a velkých výstupních úrovních. Pokud na vstup zesilovače přivedeme skokovou změnu napětí na výstupu dostaneme max napětí se spožděním t1, úměrným rychlosti přeběhu SR zesilovače (zkreslení SID).

Záporná zpětná vazba se snaží eliminovat vzniklé zkreslení a na vstupu se napětí zvětší. Působením záporné ZV dojde ke zkrácení doby t1 na t2. Zvětšením ZV se prodlouží doba po kterou signál sleduje přímku SR. Zpětná vazba snižuje zkreslení ale jen do strmosti signálu SS menší než je SR zesilovače, pak se zkreslení prudce zvyšuje.

Vetší záporná ZV vyžaduje větší kompenzační kapacity z důvodu zajištění stability (zesílení musí být <1 dřív než je natočení fáze tak velké že dojde k rozkmitání zesilovače) a tím se zmenší SR. Někteří výrobci proto realizují zesilovače s malou nebo žádnou zápornou ZV. Takovéto zesilovače jsou odolnější na různé kritické situace ale mají vyšší základní zkreslení.

Je proto vhodné u takto řešených zesilovačů nastavovat pracovní bod v max. lineárním režimu pro co nejmenší zkreslení. Zmenšení zisku se může například realizovat emitorovými odpory u vstupního diferenciálního zesilovače, čímž také vzroste linearita tohoto stupně. 1% zkreslení signálu nastává zhruba tehdy,pokud je strmost přiváděného signálu rovna SR zesilovače, toto zkreslení je již pozorovatelné při srovnávacím testu, projevuje se jako menší brilance, příp. jako ztráta výšek.

Pro 100W/8ohm zesilovač se považuje dostatečná hodnota SR 25 V/us,běžně uvažujeme SR asi 0,5 V/us na každý špičkový volt výstupního napětí. V poslechových testech se ale dobře umisťují i zesilovače které mají SR nižší než by vycházelo dle uvedených vzorců, mnoho velmi rychlých zesilovačů má totiž sklony k nestabilitě při napájení složitých reproduktorových vyhýbek (projeví se zde kapacitní zátěž).

Proč nestačí sledovat jen vstupní odpor

Výkon je jedním z nejdůležitějších parametrů zesilovače, i když to tak na první pohled tak nevypadá. Význam výstupního výkonu Nedostatek výkonu znamená nebezpečí limitace, kde zkreslení dosahuje řádu desítek procent. Potřeba vyššího výkonu nastane hlavně když vzhledem k parametrům reprosoustav používáme korekce.

Každé 3dB znamenají zdvojnásobení výkonu. Vytažení korekcí kolem 9 dB na okrajích pásma vypadá na první pohled neškodně, ale jde o osminásobný výkon, při 12 dB již o šestnáctinásobný !!!. Takže ryze teoreticky zesilovač budící kompakty na 1kHz 100 Watty dosahuje musí mít pro uvedenou hodnotu korekcí špičkový výkon 1,6 kW !

Naštěstí se v přirozeném signálu vyskytují signály výšek nad 10kHz s velmi malou amplitudou a jejich výskyt je jen krátkodobý. V oblasti basů ale dostáváme značné déle trvající hodnoty výkonu. Proto nemá smysl šetřit na citlivosti výškových a basových reproduktorů, než se snažit sehnat zesilovač s minimálním zkreslením, vyjde to levněji.

Související měření, která doplňují obraz o zesilovači

Měření výstupní impedance

Toto měření lze provést tak, že mezi vstupní svorky zesilovače zapojíme jmenovitý odpor. Na výstupní svorky zapojíme sinusový generátor v sérii s rezistorem -Rg, který zabraňuje přetížení generátoru a z úbytku na něm lze určit proud. Nastavíme napětí na generátoru, odečteme nízkofrekvenčním milivoltmetrem napětí na výstupních svorkách - U a na rezistoru - U1.Výstupní odpor je potom : Rvyst=(U/U1).Rg.

Tím ovšem zjistíme pouze reálnou, činnou, složku impedance. Pokud by nás zajímala i imaginární, jalová složka, musíme opět měření doplnit o měření fáze. Pokud bude jalová složka malá (většinou je), lze měření výstupního odporu provést následujícím způsobem.

Na vstup zesilovače zapojíme generátor, zesilovač vybudíme a změříme nízkofrekvenčním milivoltmetrem napětí na výstupních svorkách zesilovače - U20. Potom zapojíme na výstupní svorky jmenovitý odpor a opět změříme výstupní napětí - U2. Výstupní odpor je potom : Rvyst=(U20-U2)/U2.

Snahou je, aby hodnota výstupního odporu byla minimální. Potom se bude méně uplatňovat parazitní kapacita a indukčnost reproduktorových kabelů. U tranzistorových zesilovačů v lze dosáhnout výstupního odporu menšího než 0.01 ohmu (u single ended - SE, konstrukcí to bývá více). U elektronkových zesilovačů je tato hodnota podstatně vyšší (až jednotky ohmů).

Tyto potom kopírují impedanční průběh reproduktorové soustavy, protože zesilovač se nechová jako tvrdý napěťový zdroj. S výstupní impedancí souvisí také hodnota činitele tlumení, která udává poměr mezi jmenovitou impedancí připojovanou na výstup (4, 8 ohmů) a výstupním odporem. U tranzistorových zesilovačů se tato hodnota pohybuje v hodnotách větších než 100. U elektronkových a SE zesilovačů je to podstatně méně. Hodnota činitele tlumení ovšem ještě nezaručuje sama o sobě kvalitu reprodukce.

Odstup signál/šum

Určující parametr pro dynamický rozsah reprodukovaného signálu. Horní hranice výstupního signálu je dána přebuzením zesilovače - limitace, prudký nárůst zkreslení. Dolní hranice úrovně výstupního signálu je dána hladinou šumu a brumu.

Pokud tedy chceme, aby s¨zesilovač přenášel i nejjemnější detaily o malé úrovni, je nutné zajistit minimální hladinu šumu a brumu. Šum je v zesilovačích způsoben mnoha zdroji. Tyto se částečně liší u polovodičových a elektronkových konstrukcí. Jmenijme tedy alespoň některé z nich : výstřelový šum, blikavý šum, tepelný šum, šum rezistorů (obzvláště uhlíkové > správná volba jsou metalizované rezistory), ………..

Brum je způsoben indukcí rušivého napětí do užitečného signálu. Nejčastěji se jadná o rušivý signál kmitočtu 50 Hz - tedy síťový kmitočet a jeho celistvé násobky. Velikost brumu je dána zejména konstrukčním uspořádáním zesilovače (zemní smyčky) a vlastnostmi komponentů (transformátor, vodiče). Znatelného potlačení brumu se dosáhne řádným zkroucením párových vodičů, které se potom nemají tendenci chovat jako citlivá anténa.

Kvantitativní vyjádření brumu a šumu (většinou se popisují dohromady) se nejčastěji vyjadřuje tzv. odstupem signál/šum (SNR , signal to noise ratio), který je definován jako 20log podílu šumu a výstupního signálu. Výstupním signálem se rozumí maximální výstupní napětí (pro jmenovitý výkon zesilovače nebo max. výstupní napětí předzesilovače) a šumem je zde míněno výstupní napětí při odpojeném vstupním zdroji.

Vstupní svorky se potom zkratují, nechávají rozpojené nebo se mezi ně zapojuje rezistor. Toto by mělo být u měření vždy uvedeno. Na výstup zesilovače se někdy zapojuje filtr s charakteristikou typu A, která určitým způsobem zohledňuje charakter lidského ucha. Hodnoty získané při měření s tímto filtrem pak vycházejí příznivější.

K měření je potřeba generátor sinusového signálu, nízkofrekvenční milivoltmetr a někdy i výše zmíněný filtr. Postup je takový, že vybudíme zesilovač na maximální výkon (nejčastěji se volí vybuzení 1 dB pod limitací) a na milivoltmetru zapojeném na výstupu, odečteme výstupní napětí. Poté generátor odpojíme, vstup zkratujeme nebo mezi vstupní svorky zapojíme požadovaný odpor a opět odečteme výstupní napětí na milivoltmetru. Podíl těchto napětí, zlogaritmovaný a vynásobený 20 nám udává hodnotu odstupu S/Š.

U dnes konstruovaných výkonových zesilovačů není problém dosáhnout hodnot odstupu S/Š 100 dB. U předzesilovačů je to horší. Je možné těchto hodnot dosáhnout, ale již to není tak snadné. Opět je nutné si uvědomit, že šumové napětí dosahuje hodnot řádově desítek či stovek mikrovoltů a tomu je potřeba přizpůsobit měřící techniku a obzvláště pak propojení přístrojů.

Další možností jak měřit odstup S/Š je pomocí již několikrát zmiňovaného Audio Precision. Pokud nás zajímá spektální složení šumu (obzvláště pokud chceme znát hodnotu brumového napětí 50 Hz - při laborování se zeměním a připojovacími vodiči) je výhodné použít spektrální analyzátor. Hodnota odstupu S/Š je u dnes konstruovaných zesilovačů velmi důležitý parametr, neboť u záznamů na CD je běžně dosahováno odstupu S/Š 105 dB a zesilovač by neměl tuto hodnotu snižovat. U DVD to bude ještě horší, neboť předpokládaná dynamika bude vyšší než 120 dB.

Přeslechy

Měření přeslechů připadá v úvahu pouze u vícekanálového zesilovače (tedy alespoň stereofonního). Hodnota přeslechů nám určuje jak ovlivňuje signál jednoho kanálu kanál druhý, tedy jak se nám signál jednoho kanálu nechtěně dostane do kanálu druhého. Toto je samozřejmě nežádoucí z důvodu znehodnocení stereofonního efektu.

Dochází ke ztrátě prostoru a vzdušnosti, zvuk se slévá a degraduje se prostorová lokalizace z důvodu nedodržení fázového posuvu mezi zvukem jednoho a druhého kanálu. Měření se provádí tak, že jeden kanál zesilovače vybudíme na max. výkon (obvykle 1 dB pod limitaci), druhý kanál na vstupu zkratujeme nebo připojíme mezi vstupní svorky rezistor (nebo necháme rozpojený) a na výstupu obou kanálů změříme výstupní napětí (nízkofrekvenčním milivoltmetrem).

Poměr těchto napětí zlogaritmujeme, vynásobíme 20 a toto je kýžená hodnota přeslechů. Výhodné je toto měření provést v celém frekvenčním rozsahu a získat tak frekvenční závislost přeslechů. Měření se musí samozřejmě provádět pro všechny kanály (oba kanály u stereofonního zesilovače.)

U výkonových zesilovačů jsou na tom pochopitelně jsou nejlépe monobloky, potom bimonaurální konstrukce kdy přeslechy běžně dosahují hodnot přes 100 dB. U zesilovačů se společným zdrojem (trafo, filtrace) je to horší. Totéž prakticky platí i u předzesilovačů, kde může ještě přeslechy ovlivňovat přepínač vstupů a regulace hlasitosti (lepší je pochopitelně oddělené přepínání vstupů a regulace hlasitosti pro oba kanály samostatně).

Jak tedy vyplývá, přeslechy lze příznivě ovlivnit mechanickým a elektrickým oddělením kanálů. Další alternativy měření jsou pomocí systému Audio Precision a nebo spektrálním analyzátorem.

Souvislost s napájením a zatížením

Dimenzování zdroje: Výkon je přímo úměrný druhé mocnině napájecího napětí a nepřímo úměrný odporu zátěže. Pro výpočty nás bude zajímat maximální hodnota výstupního napětí. Vypočteme ji jednoduše odečtením od absolutní hodnoty napájecího napětí kladné nebo záporné větve úbytků na koncovém stupni a vyrovnávacích emitorových odporech v limitaci.

U uvedených zapojení vzhledem ke konstrukci emitorových sledovačů (darlingtonova trojice) jsem úbytek v saturaci naměřil asi kolem 5 V při napájení 70V. Při nižším napájecím napětí by byl úbytek samozřejmě o něco nižší, ale u uvedených konstrukcí nemůže klesnout pod 3 volty. U klasických kvazikomlementárních zapojení jsou úbytky o něco nižší, mají tedy mírně vyšší účinnost a tak se hodí pro vyšší výkony.

Pro napájení 500 W modulu činí optimální hodnota napájecího napětí 86 V a maximální hodnota tedy dosáhne: Umax = Un - Usat = 86 - 5 = 81 V Umax - maximální napětí Usat - saturační napětí koncového stupně Předpokládáme -li buzení zesilovače sinusovým signálem, dostaneme na výstupu efektivní hodnotu napětí: Uef = Umax /1.41 = 81 /1.41 = 57,5 V Uef - efektivní hodnota výstupního napětí.

Hodnota výstupního výkonu pak bude: P = Uef2/Rz P - výstupní sinusový výkon Rz - zatěžovací odpor Zatěžovacím odporem bude pravděpodobně 4 ohmový reproduktor: P = 57.52 /4 = 826 W Při tomto výstupním výkonu nebude ještě výstupní napětí zkresleno.

Výrobci integrovaných obvodů ale udávají výstupní výkony při zkreslení 10 %. Průběh výstupního napětí ale nebude sinusový a proto jeho efektivní hodnotu nezměříme obyčejným přístrojem ani nevystačíme s jednodchými výpočty bez použití integrálů. Dle naměřených katalogových údajů výrobců integrovaných obvodů zřejmě musíme sinusový výkon vynásobit číslem 1.5 až 1.6. Tedy při zkreslení 10% by zesilovač měl výkon asi 1250 W. Podobné úvahy vedou ale k poněkud přehnaným údajům výstupních výkonů.

V praxi používáme pro napájení zesilovačů jednoduchý nestabilizovaný zdroj. Výkon transformátoru by měl být alespoň roven požadovanému výstupnímu výkonu, kondenzátory by měly mít kapacitu alespoň 2x10G ve větvi pro 500W a 2x5G pro 200W verzi.

Velmi zjednodušený návrh zdroje: Zdroj při požadovaném výkonu by měl být dimenzován vzhledem k účinnosti zesilovače skoro na dvojnásobek. Takto musíme postupovat, navrhujeme -li napájení spínaným zdrojem. Své opodstatnění má v případě napájení z baterie, například v automobilu. Nesmíme však zapomenout na ekonomické hledisko, protože zdroj bude pravděpodobně nejnákladnější součástí zesilovače.

Naproti tomu klasický transformátorový síťový zdroj si můžeme dovolit přetěžovat, zesilovač nebudíme stále sinusovým signálem. U zdroje s toroidním transformátorem 600 VA pak klesne při sinusovém buzení napětí na 2 x 72V a výstupní výkon asi na 550 W.

Sekundární napětí transformátoru: Sekundární vinutí transformátoru musí mít vyvedený střed, a napětí naprázdno stanovíme dle vztahu: Us = 2 x (Un /1.41) Us - sekundární napětí Un - napájecí napětí naprázdno Ve výpočtu jsme zanedbali úbytek napětí na usměrňovacích diodách.

Dimenzování výkonových rezistorů: Při 400W výstupního výkonu prochází zátěží efektivní hodnota proudu 10A. během půlperiody efektivní hodnota proudu procházejícího rezistorem bude činit 3,34A. Při hodnotě rezistoru 0,47 ohmu bude výkonová ztráta odpovídat součinu tohoto odporu a druhé mocniny proudu, tj. 5,24 W. Během celé periody ale tranzistory pracují při sinusovém signálu s úhlem otevření 180 stupňů. Efektivní výkon během periody klesne na polovinu, tj. na 2,62 W. Zesilovač v provozu však nikdy není zatížen tolik, jak při sinusovém buzení.

Přehled nejdůležitějších vztahů

tags: #zmerte #vstupni #odpor #na #vetvich