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.