| |
 |
| |
H πηγή σταθερής
τάσης |
| |
Aν μπορούσαμε να φτιάξουμε έναν τελικό ενισχυτή "by the book"
αυτός θα ήταν μία πηγή σταθερής τάσης. Ενας
τέτοιος ενισχυτής, υπάρχει μόνο στα βιβλία που ταλαιπωρούν τους
φοιτητές του κλάδου, και είναι σε θέση να διατηρήσει σταθερή τάση
στα άκρα μίας αντίστασης ανεξαρτήτως της τιμής της. |
| |
|
| Μία πηγή σταθερής τάσης είναι μία ιδανική
πηγή, η οποία είναι σε θέση να διατηρήσει την τάση στην έξοδό της
αμετάβλητη, ανεξάρτητα από τις απαιτήσεις του φορτίου σε
ρεύμα. Επειδή τα ηχεία είναι μετατροπείς ρεύματος σε ακουστική
πίεση, έχουμε από τον τελικό ενισχυτή την απαίτηση να συμπεριφέρεται
ως πηγή σταθερής τάσης. |
|
|
Στο σχήμα φαίνεται μία
τέτοια πηγή η οποία συνοδεύεται πάντοτε από μία εσωτερική αντίσταση
Ζ, της οποίας τις επιπτώσεις θα εξετάσουμε στην συνέχεια).
Ενας τέτοιος ενισχυτής με τάση εξόδου 1V θα άντεχε σε ένα φορτίο 1Ω,
τροφοδοτώντας το με 1Α (όπως προβλέπει ο νόμος του Ωμ) αλλά δεν θα
είχε πρόβλημα να διατηρήσει το 1V αν το φορτίο γινόταν 0.5Ω (οπότε
θα είχαμε ρεύμα 2Α) και θα παρέμενε ακλόνητος αν το φορτίο γινόταν
0.25Ω (δηλαδή στα 4Α) και πάει λέγοντας. Αυτό θυμίζει την
απαίτησή μας από έναν ενισχυτή να διπλασιάζει την ονομαστική του
ισχύ από τα 8Ω στα 4Ω και δεν είναι τυχαίο. Οσο πιο κοντά
βρίσκεται ο τελικός στην επίδοση αυτή και μάλιστα για όσο
περισσότερους υποδιπλασιασμούς, τόσο περισσότερο προσεγγίζει την
πηγή σταθερής τάσης. Γιατί επιμένουμε στην δυνατότητα να αντέχει ο
ενισχυτής μας σε κάθε λογική ή παράλογη αλλαγή της αντίστασης
παρέχοντας το προβλεπόμενο ρεύμα; Γιατί είναι η σταθερότητα
του ρεύματος που μας απασχολεί στο ηχείο. Σταθερό ρεύμα,
σημαίνει σταθερή μετατόπιση των κώνων δηλαδή σταθερή ηχητική πίεση
ανεξάρτητη της αντίστασης του πηνίου φωνής (ή/και των
φίλτρων). Και γνωρίζουμε, βέβαια, ότι αντίσταση αυτή αλλάζει
με την συχνότητα. Αν ο ενισχυτής μας "γονατίσει" και δεν μπορέσει να
δώσει ρεύμα σε κάποια δεδομένη τιμή αντίστασης (δηλαδή σε κάποια
συχνότητα) απλώς το ηχείο δεν θα αποδόσει την δέουσα ηχητική πίεση
στην συχνότητα αυτή.Πίσω από την κατανόηση της λειτουργίας και των
προβλημάτων στην υλοποίηση ενός καλού τελικού ενισχυτή υπάρχει η
εξής απλή πρόταση: Ο τελικός ενισχυτής πρέπει ανά πάσα στιγμή
να μπορεί να υποστηρίξει την τάση εξόδου του με το ανάλογο ρεύμα
ώστε, με δεδομένη την αντίσταση του φορτίου να ικανοποιεί το νόμο
του Οhm.
|
| Η τάση τροφοδοσίας του τελικού ενισχυτή
καθορίζει την μέγιστη τάση που μπορεί αυτός να εμφανίσει στην έξοδό
του. Με σταθερό συντελεστή ενίσχυσης, αν μία τάση εισόδου
οδηγεί την έξοδο σε τάση έξω από τα όρια της τάσης τροφοδοσίας, η
μορφή του σήματος δεν διατηρείται και έχουμε το φαινόμενο του
clipping (ψαλιδισμού) |
 |
|
Πώς καθορίζονται οι
δυνατότητες (και κατ' επέκτασιν τα όρια) ενός τελικού
ενισχυτή; Με τρείς κυρίως τρόπους: Την τάση
τροφοδοσίας του, την θερμική αντοχή των
ημιαγωγών του και την αντίσταση του δευτερεύοντος πηνίου
του μετασχηματιστή του.
Η τάση τροφοδοσίας ενός
ενισχυτή καθορίζει την μέγιστη τάση εξόδου που μπορεί αυτός να
αποδόσει. Αφήνοντας προς στιγμήν έξω από τους υπολογισμούς μας τo
δυναμικό περιθώριο (dynamic headroom) στο οποίο θα αναφερθούμε σε
άλλο σημείο, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η διακύμανση της τάσης
εξόδου από κορυφή σε κορυφή, δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη της
τάσης τροφοδοσίας. Πέραν του ορίου αυτού, επέρχεται το
φαινόμενο του ψαλιδισμού. Η κυματομορφή εξόδου δεν
μεταβάλλεται γραμμικά σε σχέση με την κυματομορφή εισόδου.
|
| Σε αυτόν τον στοιχειώδη τελικό ενισχυτή
(single ended, class A) η διακύμανση της τάσης εισόδου προκαλεί μία
αντίστοιχης μορφής αλλά υψηλότερης τάσης διακύμανση στην
έξοδο. Το ρεύμα που διαρρέει το φορτίο, διαρρέει και τον
ημιαγωγό, επάνω στον οποίο υπάρχουν θερμικές απώλειες που θέτουν
όρια στις δυνατότητες του σταδίου εξόδου. |
|
|
|
|
Η θερμική
αντοχή των ημιαγωγών ισχύος, των εξαρτημάτων δηλαδή που
ελέγχουν την τάση και το ρεύμα εξόδου δεν είναι βεβαίως
άπειρη. Οσο μεγαλύτερη είναι η τάση λειτουργίας τους, τόσο
μικρότερο ρεύμα μπορεί να τους διαρρέει (γιατί οι θερμικές απώλειες
εξαρτώνται από το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα). Το σχήμα
δίνει μία εξήγηση. Η χρήση ακριβών εξαρτημάτων, συστοιχιών από
πολλούς ημιαγωγούς (που μοιράζονται το ρεύμα της εξόδου) και μεγάλων
ψυκτικών επιφανειών είναι βεβαίως λύσεις. Αλλά λύσεις ακριβές
που θέτουν όρια.
Παρ' όλα αυτά, οι παραπάνω παρατηρήσεις θα
έπρεπε λογικά να μας καθησυχάζουν. Αν θέλουμε μεγάλη ισχύ,
θέλουμε κατ' αρχήν μεγάλη τάση και στην συνέχεια μεγάλη αντοχή σε
θερμικές απώλειες. Αρα, με εξαίρεση την οικονομική πλευρά, τίποτε
δεν μας εμποδίζει να φτιάξουμε μία πηγή σταθερής τάσης. Κι
όμως. Οπως σε κάθε θεωρητικό μοντέλο έτσι κι εδώ υπάρχουν
αποκλίσεις από την πραγματικότητα. Η τάση και το ρεύμα που
καλούνται να ελέγξουν οι ημιαγωγοί εξόδου, προέρχονται από μία
τροφοδοτική διάταξη. Στην πράξη, η διάταξη αυτή βρίσκεται σε
σειρά με το φορτίο εξόδου αφού και τα δύο βρίσκονται στον ίδιο
βρόγχο και διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα. Ωστόσο, απλές μετρήσεις θα
δείξουν ότι η τάση του τροφοδοτικού ενός ενισχυτή μειώνεται όσο
αυξάνεται το ρεύμα που αυτό παρέχει. Αυτό ισχύει σε όλες τις
πηγές τάσης και οφείλεται στην εσωτερική αντίσταση
της πηγής αυτής. Στην δική μας περίπτωση, ο βασικός
υπεύθυνος είναι ο μετασχηματιστής. Το πόσο βυθίζεται η τάση (συνήθως
κάποια βόλτ) εκφράζεται από μία παράμετρο που ονομάζεται
Load Regulation και μπορούμε να την γενικεύσουμε
για το σύνολο της τροφοδοτικής διάταξης (περιλαμβάνοντας δηλαδή την
ανορθωτική διάταξη και τους πυκνωτές εξομάλυνσης). Στην θεωρία, η
σχεδίαση του ενισχυτή ξεκινά από το τροφοδοτικό: Με δεδομένη την
απαιτούμενη ισχύ εξόδου, προσδιορίζουμε τις ανάγκες σε τάση και στην
συνέχεια σχεδιάζουμε ένα τροφοδοτικό, με τέτοια συμπεριφορά ώστε
στην δυσμενέστερη πιθανή περίπτωση φορτίου να παρέχει επαρκή τάση.
Αποτέλεσμα αυτής της προσέγγισης είναι σε γενικές γραμμές η τάση
τροφοδοσίας, η οποία σημειωτέον φορτίζει και τους πυκνωτές
εξομάλυνσης, να είναι για το μεγαλύτερο χρόνο υψηλότερη αυτής του
μέγιστου φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι στην κρίσιμη στιγμή έχουμε
στη διάθεσή μας περισσότερη ενέργεια από αυτήν που στατικά μπορεί να
παρέξει ο μετασχηματιστής. Η ενέργεια αυτή προέρχεται από τους
πυκνωτές εξομάλυνσης (οι οποίοι δρούν στιγμιαία ως συσσωρευτές,
παράλληλα με το δευτερεύον του μετασχηματιστή και την ανορθωτική
διάταξη, ενώ η βασική τους αποστολή είναι αποστολή βαθυπερατού
φίλτρου) και είναι αυτός ο λόγος που ένας μεγάλος τελικός ενισχυτής
έχει μεγάλη χωρητικότητα στο τροφοδοτικό του. Η δυνατότητα της
πρόσθετης ισχύος σε στιγμιαία βάση, ονομάζεται
"δυναμικό περιθώριο" (dynamic
headroom).
Από όλα τα παραπάνω, γίνεται προφανές το γιατί ένας καλός
τελικός ενισχυτής είναι μεγάλος και βαρύς: Απαιτεί μεγάλο
μετασχηματιστή (για μεγάλο load regulation), πολλούς πυκνωτές (για
μεγάλο δυναμικό περιθώριο) πολλούς ημιαγωγούς και μεγάλες ψύκτρες
και μείωση της θερμικής καταπόνησης. Αλλά, βεβαίως εκτός της
τροφοδοτικής διάταξης υπάρχει και το υπόλοιπο κύκλωμα. |
|
|
|
|
|
| |
|
