Interface |
Mamoru Sekiya és Matti Otala:
Kommersz hangfrekvenciás
teljesítményerősítők
kimenőteljesítmény-kapacitása
*
Az erősítő-hangsugárzó "Interface"-ről közreadott első cikkünk
eredeti címe: "Output power capability of commercial audio power
amplifiers". A cikk szerzői: Mamoru Sekiya az amerikai Harman/Kardon
cégnél az erősítőkért felelős főkonstruktőr; dr. Matti Otala
elektroakusztikai szakíró, akinek nevét a különféle tranziens
torzításokkal foglalkozó tanulmányai tették nemzetközileg ismertté. Ez
a tanulmány (amelyet a szerzők hozzájárulásával, szöveghű fordításban
közlünk) vélhetően segít rendezni mindazok gondolatait, akik
összefüggést igyekeznek találni az erősítők műszaki jellemzői, illetve
hangminősége között.
*
Tartalom
A legtöbb hangfrekvenciás teljesítményerősítő kitűnő
paraméterekkel bír, ha ohmikus terhelésen mérik. A szubjektív tesztek
viszont azt mutatják, hogy némely erősítő kimenőteljesítménye
drasztikusan korlátozódik és viszonylag magas torzítást produkál, ha a
valóságos hangsugárzóknak megfelelő komplex terhelésre dolgozik.
Jelenleg erre nézve még nincs általánosan elfogadott mérési módszer,
sem pedig támpont a minőség megítéléséhez.
Ez a tanulmány öt modern teljesítményerősítő tesztjét írja le; a
komplex terhelés impedanciája 28 ohm, a fázisszögtartomány mínusz
60-tól plusz 60 fokig terjed. A kimenőteljesítményt valamennyi
terhelésen addig növeltük, míg az erősítő által produkált THD (teljes
harmonikus torzítás) el nem érte az 1%-ot. Az eredményt háromdimenziós
ábrák szemléltetik, és azt mutatják, hogy a komplex
hangsugárzó-impedanciát csak kevés erősítő viseli el anélkül, hogy
kiadós torzítást ne produkálna. Egyszersmind némely erősítő
kimenőteljesítménye a töredékére esett vissza a névleges értékéhez
képest, amint a terhelés fázisszöge meghaladta a néhányszor tíz fokot.
Bevezetés
Általános gyakorlattá vált, hogy az erősítők tesztelésekor csak
egyetlen, specifikált, többnyire 8 ohmos terhelést alkalmaznak, mert
ez így kényelmesebb. Egy ellenállás ugyanis könnyen beszerezhető és
jól kezelhető, ezzel szemben a valóságos hangsugárzók impedanciájára
emlékeztető komplex terhelés összeállításához ormótlan tekercsek és
kondenzátorok szükségesek, és előbb még el is kell készíttetni őket.
Mi több, a rezisztenciák és reaktanciák többféle kombinációjával való
mérés fáradságos és hosszadalmas. Az, hogy csupán egy rezisztív
terheléssel végzett mérés adatait publikálják, egyszersmind tervezői
kompromisszumokra is módot ad: megjavíthatják az adatlapot az erősítő
terhelhetőségének rovására, minek folytán a közepes készülék
specifikációja felülmúlhatja a nála jobb készülékekét.
Mindez sok szükségtelen ellentétet szított a "műszakilag
orientált" és a "meghallgatás-orientált" audiofilek között. A
műszakilag orientáltak gyakran minősítették képtelenségnek az alábbi
szubjektív teszteredményeket:
"Az A erősítő nem bírja meghajtani a D hangsugárzót."
"A D hangsugárzóval az A erősítő gyengébben szól, mint a B
erősítővel."
"Az A erősítő, noha specifikációja kifogástalan, aggasztó torzan
(fátyolosan, ködösen, színezetten stb.) szólt a mi berendezésünkön."
Hasonlóképpen, számos audiofil "ökölszabály" ismeretes, amely
ugyanilyen elképzelést tükröz és nyilvánvaló műszaki paradoxont
tartalmaz:
"Egy erősítőt csak akkor érdemes kipróbálni 8 ohmos
hangsugárzóval, hogy a teljesítményét 4 ohmra is specifikálják."
"Figyeld az erősítő specifikációját. Ha a teljesítmény
megkétszereződik, valahányszor a felére csökken a terhelőimpedancia,
éspedig legalább 2 ohmig, akkor az erősítő oké."
Számos helytálló műszaki ok is előidézhet hasonló auditív
effektusokat, mint a fentebb leírtak, indokolva az alábbi tapasztalati
szabályokat:
"A bőséges negatív visszacsatolást alkalmazó erősítőkön járulékos
torzítást idéz elő az IIM (Interface Inter-Modulation*) (* M. Otala és
J. Lammasniemi: Intermodulációs torzítás az erősítő-hangsugárzó
találkozásánál, első rész: Wireless World, 1980. november, 45-47.
oldal, második rész: Wireless World, 1980. december.)
az erősítő és a hangsugárzó találkozási tartományában, a
hangsugárzó reaktív természete következtében."
A legtöbb erősítő nem képes rá, hogy rövid idejű, nagy dinamikájú
zenei passzázsokban is elegendő kimenőáramot produkáljon a "makrancos"
hangsugárzók számára, ugyanis a pillanatnyi áramszükséglet a
legrosszabb esetekben akár hatszorta is meghaladhatja azt, ami egy 8
ohmos ellenálláson folyna át.* (* 1. Martikainen. A. Varlo és M.
Otala: Magasminőségű hangsugárzó rendszerek bemenő áramszükséglete.
Előadás az Audio Engineering Society 73. ülésszakán, 1983-ban, a
hollandiai Eindhovenben; 1987. számú közlemény, 10. oldal. A
szerkesztő megjegyzése: ez a tanulmány, ha lehet, még érdekesebb a
számunkra. Szó van róla, hogy ezt is közreadjuk, természetesen a
szerzők hozzájárulásával.)
Némely erősítő olyan védőáramkört tartalmaz, amely (ha a
hangsugárzó impedanciája bonyolult) idő előtt vagy véletlenszerűen lép
működésbe.
Némely erősítőnek felboríthatja a stabilitását az erősen reaktív
terhelés, és ennek hatása is hallható lehet.
A fenti effektusok egyikét sem lehet kimutatni, ha a mérést a
szokványos módon, rezisztív (tisztán ohmos) terheléssel végzik. Mi
most egy újabb, lényeges paraméterrel bővítjük ki a listát, és ez nem
más, mint az erősítő kimenőteljesítménye a komplex terhelés
függvényében.
Hangsugárzó-impedancia
A hangsugárzóknak megadják a névleges impedanciáját;
hifi-hangsugárzóra ez általában 8 ohm. A nemzetközi IEC-szabvány
előírja, hogy a hangsugárzó-impedancia a megadott frekvenciatartomány
semelyik részében sem süllyedhet névleges értékének 80 százaléka alá.
Eszerint azt várhatjuk, hogy a jónevű gyárak hangsugárzóinak
impedancia-minimuma 6,3 ohm legyen.
Ámde egy tipikus hangsugárzó-impedanciagörbe (1. ábra) 4 ohmos
minimumot mutat. És körülbelül 120 hangsugárzó-teszt alapján (ezeket
az Egyesült Államokban és Japánban publikálták az elmúlt három év
folyamán) azt a tanulságot vonhatjuk le, hogy a hangsugárzók mintegy
60 százalékának 5 ohm, 25 százalékának 4 ohm alá esik az
impedanciaminimuma. Sőt, az utóbbi csoportban számos ezoterikus
audiofil-hangsugárzónak (miként a 2. ábrán láthatónak is) egészen
2-2,5 ohmig esik az impedanciája, gyakran igen alacsony vagy igen
magas frekvencián. Minthogy tehát az ennyire alacsony impedanciák a
gyakorlatban normálisnak tekinthetők, azt a következtetést kell
levonnunk, hogy a hangfrekvenciás teljesítményerősítőknek nem túl
magas torzítással is elegendő teljesítményt kell szolgáltatniuk 4
ohmon a normál hifi-hangsugárzók és akár 2 ohmon is az audiofil
hangsugárzók számára.
Nincs szabvány vagy ipari gyakorlat, amely meghatározná, mekkora
lehet a hangsugárzó-impedancia fázisszöge. A fentebb említett
hangsugárzó-tesztek adatai arra utalnak, hogy a hifi-hangsugárzók
fázisszög-tartománya plusz 50-től mínusz 50 fokig, a "makrancosabbaké"
plusz 60-tól mínusz 60-ig, az audiofil hangsugárzóké plusz 80-tól
mínusz 80-ig terjed. Az 1. és 2. ábra egy tipikus kommersz, illetve
egy audiofil hangsugárzó fázisszög-menetét is szemlélteti.
Mérési módszer
A kommersz hangsugárzók fentebb leírt impedancia-tulajdonságai
alapján nyilvánvaló, hogy a teljesítményerősítők torzítását komplex
terhelés alatt kell mérni, melyen belül az impedancia 2 és 8 ohm, a
fázisszög mínusz 60-tól plusz 60 fokig folyamatosan változik. Ez meg
fog felelni a valóságos terhelések nagy részének, kivéve talán
bizonyos ezoterikus hangsugárzókat. Ezek viselkedését kívánatos volna
szélesebb fázisszög-tartományban is megvizsgálni.
A fényképen a méréshez tervezett műterhelés látható.
Indukciószegény, nagy terhelhetőségű ellenállások, igen jó minőségű,
fémezett polipropilén kondenzátorok, légmagos tekercsek és 20 amperes,
nagy terhelhetőségű kapcsolók - összeállítható belőlük csaknem
bármiféle terheléskombináció, amit a vizsgálat megkövetelhet. A teszt
során használt terheléskombinációk egy ellenállással sorbakötött
kapacitásból vagy induktivitásból álltak. Magának a műterhelésnek a
mérhető teljes harmonikus torzítása 0,03% alatt van bármely
teljesítményszinten, egészen 250 wattig, vagyis elhanyagolható e
méréssorozat szempontjából. A Hewlett-Packard számítógépes
mérőrendszert a túloldali fénykép mutatja.
A mérést mindvégig névleges tápfeszültségen és szobahőmérsékleten
végeztük. A mérések előtt mindegyik erősítőt az IEC268-3 szabványnak
megfelelően előkészítettük, vagyis 30 percen át 1kHz-es jellel
működtettük, a névleges kimeneti teljesítmény 1/8 részéig kivezérelve,
8 ohmos terhelésen.
Azt az eljárást követtük, hogy a jelet nullától kezdtük növelni
egészen addig a kimenőszintig, amelyen az erősítő 1% teljes harmonikus
torzítást produkált. Ezt a szintet feljegyeztük, és folytattuk a
mérést, a soron következő terhelő-impedanciaértékkel. Hogy elkerüljük
az alacsonyimpedanciás terhelés miatt fellépő esetleges túlmelegedést,
gondunk volt rá, hogy a mérés ideje soha ne lépje túl a 60
másodpercet. Az eredmény a legtöbb esetben 15 másodperc alatt
megszületett, ez megfelel a zene valamely hangosabb motívumának. Az
egymást követő, alacsony impedancián végzett mérések között az
erősítőnek néhány perc pihenőt engedélyeztünk.
A mérési eredményeket háromdimenziós diagram formájában nyomtattuk
ki, számítógépes rendszer segítségével. A terhelés fázisszögét a
vízszintes, a maximálisan mérhető effektív kimenőfeszültséget a
függőleges tengely mentén olvashatjuk le. Az ideális eredmény egy
kockát ábrázolna, t. i. az erősítő kimenőfeszültsége azonos maradna,
függetlenül a terhelőimpedanciától és a fázisszögtől. Ez azt jelezné,
hogy az erősítő minden terhelésre egyformán dolgozik, "nem látja" a
terhelés jellegét, nem transzformálja azt a saját torzítási karaktere
szerint. Egy csaknem ideális példát láthatunk a 3. ábrán.
A mérést elővigyázattal kell végezni. Ha az erősítő afféle
háztartási fajta, és nem hifi-hangsugárzókhoz tervezték, tönkremehet,
ha hosszabb időn át alacsony impedanciára dolgozik.
A vizsgálatokhoz tervezett műterhelés (felül) és kapcsolása (alul).
Igen jó minőségű alkatrészek és nagy terhelhetőségű kapcsolók képezik
a komplex terhelést, amely a valóságos hangsugárzók impedanciáját
szimulálja
Műszerösszeállítás. A műterhelés jobbról, a tesztpéldány középen, az
asztalon látható
A tesztmezőny
Öt magas minőségű, közepes teljesítményű, más-más gyárból származó
erősítőt mértünk a fent leírt eljárással. Ezek ábécé-sorrendben:
------------------------------------
Gyártó Típus Névleges
teljesítmény
------------------------------------
Harman/Kardon PM 665 2x100 W
Luxman L-510X 2x100 W
Sansui AU-D970X 2x160 W
Yamaha A-1000 2x100 W
Yamaha M-50 2x120 W
------------------------------------
A teszteredményeket tetszőleges sorrendben, a típus azonosítása
nélkül prezentáljuk; e tanulmány célja csupán az, hogy az alapvető
mérési módszert ismertessük.* (* Mindazonáltal gyaníthatjuk, hogy
melyik lehet a Harman/Kardon diagramja. A szerkesztő megjegyzése.)
A 3-7. ábra az 1kHz-es mérőjellel kapott teszteredményt mutatja.
Négy erősítő kimenőteljesítménye alacsony impedancián többé-kevésbé
visszaesik; többségük a terhelés fázisszögére is érzékeny. Az egyik
erősítő különösen gyatrán szerepelt; még az is kétségbe vonható, hogy
vajon kielégítően hajtana-e egy igazi 8 ohmos hangsugárzót. Csak
egyetlen példány viselkedett közel ideálisan.
A teszt más jelfrekvenciákon is megismételhető. A gyakorlat azt
bizonyítja, hogy ha az erősítő alapáramkörei egészségesek és
komponenseit korrekt módon méretezték, akkor csekély a különbség a
különféle frekvenciákon felvett ábrák között. A legnagyobb eltérést
általában mélyfrekvenciákon figyelhetjük meg, ahol is a teszt
kimutatja a tápegység hibáit vagy a különféle áramköri trükkök
hatását. Tipikus példa erre a 8. ábra, ez a 7. ábrán látható erősítő
viselkedését mutatja 50Hz-es frekvencián. Az erősítő itt valósággal
összerogy, ha a terhelés fázisszöge növekszik.
A diagramok összehasonlításakor bizonyos óvatosság ajánltatik, ha
meg akarjuk határozni a maximális kimenő teljesítményt. Az erősítő
"névleges kimenő teljesítménye", amit a gyár specifikál, "garantált"
kimenő teljesítményt jelent egy torzítási határon, tipikusan 0,01%
teljes harmonikus torzításon belül. Az itt közreadott mérési
eredmények viszont 1% torzításra vonatkoznak. E két torzítási szint
között tekintélyes teljesítmény-differenciák adódhatnak, az erősítő
felépítésétől függően.
Ajánlások
A fenti tapasztalatok alapján fontosnak látszik, hogy az erősítők
mérésekor szabványosított, komplex terheléskombinációkat
alkalmazzanak. Az alábbi táblázat felsorolja az általunk ajánlott
terhelésértékeket, azon erősítők méréséhez, amelyeknek névleg 8 ohmos
hangsugárzókat kell hajtaniuk:
-----------------------
Impedancia Fázisszög
ohm fok
-----------------------
8 -80, 0, +80
4 -60, 0, +60
2 -60, 0, +60
-----------------------
Következtetések
A különféle terhelőimpedanciák és fázisszögterhelések alatt mért
erősítők torzítási sajátságai azt mutatják, hogy:
Látszólag azonos specifikációjú erősítők nagyon is eltérő módon
viselkedhetnek, ha valódi hangsugárzókra emlékeztető terhelésnek
tesszük ki őket.
Sok esetben a terhelés fázisszöge az a domináns faktor, amely
meghatározza az erősít viselkedését.
A legrosszabb esetben egy 100 wattos erősítő csupán 5 wattnak
megfelelő áramot adott le a "makrancos" terhelésre, számottevő
torzítás nélkül.
Az erősítő maximális kimenő teljesítménye bizonyos esetekben
erősen függ a jelfrekvenciától.
Ennélfogva kívánatos, hogy az erősítőket komplex terhelések
ésszerű sorozatával teszteljék.