 |
| H Μυστηριώδης Σχέση
Ενισχυτή – Ηχείου |
Εισαγωγή
Ένα
απλό μοντέλο: Κέρδος, Αντιστάσεις, Τάσεις και Ρεύματα
Σύνθετη Αντίσταση: Πιο σύνθετη από όσο
νομίζετε...
Πηγές Τάσης, Συντελεστής Απόσβεσης,
Απόδοση και Ευαισθησία |
|
|
| Ένα απλό
μοντέλο: Κέρδος, Αντιστάσεις, Τάσεις και
Ρεύματα |
| Σκεφθείτε λίγο το cd
player σας: Είναι μια συσκευή της οποίας η έξοδος είναι εξαιρετικά
προβλέψιμη. Στα χαρακτηριστικά που δίνει ο κατασκευαστής αναφέρεται
η μέγιστη στάθμη εξόδου του (σε Vrms με αναφορά την μέγιστη ψηφιακή
στάθμη 0dBFS), άντε το πολύ-πολύ και η αντίσταση εξόδου η οποία
είναι μερικές εκατοντάδες Ω. To σύνολο σχεδόν μιας αλυσίδας audio,
από το μικρόφωνο της ηχογράφησης μέχρι την πηγή αυτή, υπάγεται σε
έναν τεχνολογικό παράδεισο χαμηλών ρευμάτων και μεγάλων αντιστάσεων.
Το μόνο που διαχειρίζονται οι συσκευές αυτές είναι τάσεις που
εφαρμόζονται σε υψηλές αντιστάσεις και απαιτούν πολύ χαμηλά ρεύματα.
Όλα είναι εύκολα, δροσερά και μικρά σε μέγεθος καθώς η ισχύς
παραμένει σε αμελητέα επίπεδα και οι θερμικές απώλειες είναι
ανεπαίσθητες. Τι συμβαίνει στο σύστημά μας από τον τελικό ενισχυτή
και μετά και όλα μεγαλώνουν και θερμαίνονται; Ένα απλό μοντέλο
τελικού ενισχυτή-ηχείου μπορεί να μας βοηθήσει να καταλάβουμε τι
γίνεται. |
| Η έξοδος ενός
προενισχυτή είναι αντίστοιχη με αυτήν ενός cd player ή κάποιας άλλης
πηγής: Συνδέεται με την είσοδο ενός τελικού ενισχυτή και η είσοδος
αυτή έχει συνήθως μεγάλη αντίσταση (Rin), απαιτεί δηλαδή πολύ μικρό
ρεύμα από τον προενισχυτή. O τελικός ενισχυτής ξεκινά, συνήθως, από
ένα στάδιο με μεγάλη ενίσχυση τάσης (G),
πολλαπλασιάζει δηλαδή την τάση του σήματος εισόδου επί κάποιον
συντελεστή (το κέρδος) και εμφανίζει το σήμα που προκύπτει στην
έξοδό του. Το στάδιο αυτό έχει μια αντίσταση εξόδου (Rout) και
οδηγεί ένα δεύτερο κομμάτι του τελικού, το οποίο προσφέρει κέρδος
ρεύματος (G). Η έννοια του κέρδους ρεύματος είναι
λίγο πιο λεπτή από το κέρδος τάσης επειδή στην κλασική ηλεκτροτεχνία
το ρεύμα είναι ευκολότερα αντιληπτό ως επακόλουθο της εφαρμογής
τάσης σε μια αντίσταση. Στην πραγματικότητα, λοιπόν, το στάδιο
ισχύος (διότι περί αυτού πρόκειται) δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας
ενισχυτής με μηδενικό (ή ελάχιστο) κέρδος τάσης ο οποίος διαθέτει τα
απαραίτητα εξαρτήματα ώστε να διαχειριστεί το ρεύμα που απαιτεί το
ηχείο όταν στα άκρα του εφαρμοστεί η τάση που δημιουργήθηκε από το
πρώτο στάδιο. Από την πλευρά του νόμου του Ωμ, ένας τελικός
ενισχυτής μπορεί, κάπως απλοϊκά αλλά όχι εσφαλμένα, να
περιγραφεί με έναν πολλαπλασιασμό και μια διαίρεση ως εξής:
Η τάση εξόδου του ενισχυτή τάσης είναι το γινόμενο της τάσης εισόδου
επί το κέρδος (ας πούμε 1Vx80=80V) και το ρεύμα εξόδου του ενισχυτή
ρεύματος (του σταδίου ισχύος δηλαδή) είναι η τάση εξόδου του (που
είναι ίση με αυτήν της εισόδου αφού δεν έχουμε κέρδος) προς την
αντίσταση του ηχείου (για το συγκεκριμένο παράδειγμα, με ένα ηχείο
8Ω, 80/8=10A). |
 |
 |
| Ένα απλό μοντέλο που συνδέει την είσοδο ενός τελικού
ενισχυτή, τα ενδιάμεσα στάδια και το ηχείο. Όλες οι
αντιστάσεις είναι καθαρά
ωμικές. | |
| Ενώ όλα τα κυκλώματα
μέχρι το τελικό στάδιο διαχειρίζονται σχεδόν μηδενικά ρεύματα, ο
τελικός ενισχυτής διαχειρίζεται ένα σεβαστό ρεύμα και αυτό οφείλεται
στο γεγονός ότι η αντίσταση ενός ηχείου είναι τρεις τάξεις μεγέθους
μικρότερη από τις αντιστάσεις εισόδου όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων
(τα οποία κινούνται στην περιοχή των δεκάδων kΩ). Τα πολύ μεγάλα
ρεύματα που κυκλοφορούν στο στάδιο εξόδου απαιτούν από την
αντίσταση του σταδίου αυτού (Rout) να είναι πολύ μικρή,
κάτι που όπως θα δούμε αργότερα έχει την δική του σημασία. Ένα
κομμάτι του απλού μοντέλου μας περιλαμβάνει την ζεύξη του ενισχυτή
τάσης με τον ενισχυτή ρεύματος. Την αναφέρουμε όχι επειδή έχει σχέση
με ό,τι θα ακολουθήσει αλλά επειδή την ζεύξη αυτή, την προσαρμογή
δηλαδή της αντίστασης εξόδου του ενισχυτή τάσης με την αντίσταση
εισόδου του ενισχυτή ρεύματος την αναλαμβάνει ένα μέρος του
κυκλώματος που συζητείται συχνά όταν αναφερόμαστε σε τελικούς
ενισχυτές, τα drivers. |
| Το επόμενο βήμα στην
ανάλυσή μας θα πρέπει να είναι μια εξήγηση για το τι
σημαίνει “ενίσχυση ρεύματος”. Ένας ενισχυτής ρεύματος
είναι ένα κύκλωμα με μεγάλη αντίσταση εισόδου, ώστε οι τάσεις που
εφαρμόζονται σε αυτήν να δημιουργούν ασθενή ρεύματα, πολύ μικρή
αντίσταση εξόδου (ώστε το “ενισχυμένο” ρεύμα να μην προκαλεί μεγάλες
απώλειες) μια διάταξη από την οποία μπορεί να αντληθεί το ρεύμα αυτό
και -εννοείται- ένας τρόπος να ελέγξουμε τις μεγάλες τιμές ρεύματος,
όπως επιθυμούμε. Πράγματι, ένα στάδιο ισχύος έχει μεγάλη αντίσταση
εισόδου (και αν δεν έχει την προσαρμόζουν σε μεγάλες τιμές τα
drivers), συνδέεται με ένα τροφοδοτικό που μπορεί να παρέχει
επαρκείς για την εφαρμογή ποσότητες ενέργειας και διαθέτει κάποιο
ενεργό εξάρτημα μέσω του οποίου γίνεται ο έλεγχος των υψηλών
ρευμάτων που θα κληθεί να χειριστεί. Μια πολύ απλή εκδοχή
ενός σταδίου ισχύος, λοιπόν, θα περιλαμβάνει ένα
τροφοδοτικό, έναν ημιαγωγό (ένα διπολικό τρανζίστορ ας πούμε) και
την αντίσταση του ηχείου (Rls) σε έναν κοινό βρόχο. Υποθέτοντας ότι
ο ενισχυτής μας έχει μηδενικό κέρδος τάσης και πολύ μεγάλη αντίσταση
εισόδου, ότι η τάση τροφοδοσίας του είναι 100V και το φορτίο στην
έξοδο 8Ω, η λειτουργία του έχει ως εξής: Με τάση εισόδου 80V, η
έξοδος -η τάση στα άκρα του ηχείου δηλαδή- θα είναι 80V και το ηχείο
θα διαρρέεται από ρεύμα 10A. Τα 10Α περνούν μέσα από τον ημιαγωγό
και παρέχονται από το τροφοδοτικό. Επειδή η συνολική τάση (Vps)
είναι 100V και η τάση εξόδου (Vout) είναι 80V στα άκρα του ημιαγωγού
υπάρχει τάση 20V η οποία σε συνδυασμό με τα 10Α που απαιτεί το
φορτίο μας προκαλεί μια ισχύ θερμικών απωλειών 200W (τα νούμερα
φυσικά είναι εικονικά, για να γίνονται εύκολοι
υπολογισμοί). |
 |
|
| Απλό μοντέλο ενός σταδίου ισχύος, όπου φαίνεται το
τροφοδοτικό, ο ημιαγωγός ισχύος και το φορτίο καθώς και οι
τάσεις και τα ρεύματα που επικρατούν στο
κύκλωμα. | |
| Τις θερμικές απώλειες
στα στάδια εξόδου τις γνωρίζουμε. Αυτό που δεν συνειδητοποιούμε
είναι ότι με την απλή αυτή ανάλυση, η ισχύς απωλειών είναι αυστηρά
καθορισμένη: Αυξάνεται όσο αυξάνεται η ισχύς που απορροφά το φορτίο
μέχρι την μέση τιμή της διαθέσιμης τάσης (όπου και παίρνει την
μέγιστη τιμή της) και εν συνεχεία μειώνεται και πάλι όσο αυξάνεται η
ισχύς στο φορτίο. Έξοδος 20V (δηλαδή ρεύμα 2.5Α) προκαλεί απώλειες
200W (2.5Αx80V) όσες δηλαδή και η έξοδος των 80V! Φυσικά, αυτό
γνωρίζουμε ότι δεν συμβαίνει στην πράξη. Όλοι
έχουμε την εμπειρία ότι ο ενισχυτής θερμαίνεται με έναν τρόπο που
εξαρτάται από το ίδιο το ηχείο και όχι από έναν πολλαπλασιασμό και
έχουμε δίκιο, επειδή το ηχείο δεν συμπεριφέρεται ως μια απλή ωμική
αντίσταση αλλά ως σύνθετη αντίσταση. |
|
| |
){kind=small}
){kind=small}