Most hogy az legutóbbi részt elolvasva a virtuális tekinteteken megcsillant a katódfűtés fénye, időszerű ugrani egyet a tér-időben, és meglátni a jót abban is, ami talán nem ennyire szép. Viszont…

Gondolkodtam azon, vajon egy véletlen egybeesés műve, vagy tényleg az asztrológusok által is tárgyalt vízöntő korszak eljövetele hozza magával, ami történik. (2012.12.12.-én lezárult a maja naptár, amely a régi korszak végét jelölte. Ettől a naptól már a vízöntő kora zajlik, a letisztulás, a szellemi szintlépés, az egyén, mint önálló, saját erőből fejlődésre képes létezési forma előtérbe kerülése a korszak, az elkövetkező 2160 év fő spirituális irányzata) Eddig évtizedeken át jó elektronikát csak a régi módon, csőből (értsd, fémből és tűzből ) lehetett építeni. Aztán, úgy a 80-as évek derekán a japánok ( akik az amerikaiak által feltalált tranzisztor gyártási jogait eredetileg azért vették meg, mert bár nem tudták mihez fognak kezdeni vele, de bíztak benne, hogy majd jó lesz valamire… Morita Akio: Made in Japan ) rájöttek, hogyan lehet a tranzisztorból hangot csinálni. Kellett hozzá 40 év tapasztalata. És újabb 40 évre volt szükségünk, mire manapság kezdjük igazán megérteni ennek az új elektronikai kornak az üzenetét.

A félvezető, az nem egy őselem, mint a tűz, a víz, a föld, és a levegő. A félvezető – maga a tudomány. Nem csak eszköz, szimbólum is egyben. A gondolkodó, a világot uralni vágyó, a magasabb értelemmel bíró, immár nem földhözragadt, hanem szárnyalni tudó ember szimbóluma, elvont fogalmi értelemben mindenképp. Most, a vízöntő korában, a magasabb szintű tudomány időszakában azt látjuk, hogy kibontakozóban van egy új minőség, egy letisztultabb, használhatóbb, szinte minden tulajdonságában jobb technológia által. Lassanként megtanulunk bánni vele, ahogy a japánok idővel gazdasági csodát csináltak egy szilícium-lapkából, amiről kezdetben azt sem tudták, mire jó.

Bocsánat a kis asztro-spiritualizmusért, térjünk vissza eredeti kerékvágásunkba, és beszéljünk a

Félvezetős végfokozatok –ról.

Mindahányszor egy félvezetős (angolul solid-state, rövidítve SS ) erősítő szóba kerül, az első, amire még a témában legjáratlanabb hifista is rákérdez, hogy az milyen osztályú…? Nem mintha tudná, pontosan miről is érdeklődik, de azért rákérdez. Rend a lelke mindennek. Ha már rákérdez, jó ha tudunk rá érdemben válaszolni is.

Erősítő-osztályok.

Valamilyen ős-logika alapján, az osztályba sorolást ABC sorrendben találták jónak annak szellemi atyjai, ez egy igazi örökség, ne szakítsunk minden régi hagyománnyal, ezt az egyet nyugodtan megtarthatjuk. Általánosságban, az osztályba sorolással azt mondjuk meg, hogy az adott erősítő fokozatot milyen áram és vezérlési beállításban használjuk. Végfokozatok esetében ezt a besorolást tipikusan a végső, áramerősítő részre szokták értelmezni, ha azt halljuk, hogy egy A-osztályú végfok, az nem feltétlenül az erősítő minden részére, csak az áramerősítő részre lesz jó eséllyel igaz.

A-osztály.

Ebben a beállításban a végfok áramerősítő része (!) tulajdonképpen egy (vagy több párhuzamos) teljes hullámban működő szabályozó tranzisztor,  legtöbbször sorba kötve egy áramgenerátorral. A kettő között van a kimenet. Alaphelyzetben, az  áramgenerátoron mindig a teljes teljesítményhez tartozó maximális áram átfolyik, és ugyanez átfolyik a szabályozó tranzisztoron is. Ilyenkor az erősítő a teljes kimenő teljesítményét hővé alakítja, ami a hűtőbordákon távozik a környező levegőbe (eldisszipálódik). Vezérléskor a pozitív félperiódusban a szabályozó tranzisztoron növekszik az áram, amelynek egy része a kimenetre, egy része pedig a fix áramú áramgenerátorra jut. Lefelé futó ágon a szabályozó tranzisztoron csökken az áram, míg el nem éri a nyugalmi (teljes kimenő teljesítményhez tartozó) áramértéket. Negatív félperiódusban a szabályozó tranzisztor zárás irányba vezérelt, tovább csökken a rajta folyó áram, azaz a plusz tápoldalról egyre kisebb áram tud az áramgenerátor felé folyni, így a terhelés felől, a hangszórón keresztül kezd folyni a generátor felé az áram, amely ilyenkor akusztikus teljesítménnyé alakul, és nem melegíti a tranzisztort számottevően. Ilyenkor az erősítő sokkal kevésbé melegszik.

Összességében, a kapcsolás előnye, hogy a szabályozó tranzisztor mindig nyitott állapotban van, azaz a legkisebb vezérlő jel is áramváltozást hoz létre. Emiatt nagyon kicsi jeleket is erősíteni tud. Vezérlés nélkül a teljes kimenő teljesítmény hővé alakul. Teljes kivezérlésnél, max. teljesítményen negatív félhullámban a teljes teljesítmény a hangszóróra kerül, az erősítő alig melegszik, míg pozitív félhullámban a teljes kimeneti teljesítményt a két végtranzisztor hővé alakítja, PLUSZ a szabályozó tranzisztoron dupla áram folyik, amiből az áramgenerátor felé folyó áram hővé, a hangszóró felé folyó áram akusztikus teljesítménnyé alakul.

Létezik ennek a technikának egy ellenütemű változata is, de a megvalósítás módja nem változtat a technika használhatóságán, vagy általános jellemzőin, audio erősítésre való alkalmasság szempontjából.

Mint mindennek, ennek a beállításnak is vannak pozitív és negatív hozadékai. Az első számú pozitívuma, hogy a végtranzisztorok magas hőmérsékleten üzemelnek. Ez az alacsony hőtorzítás záloga. (Lásd lejjebb) A másik pozitívumként szokták felhozni, hogy azért jó az A-osztály, mert ott nincs keresztezési (null-átmeneti) torzítás, de látni fogjuk, hogy ez egy smafu, óhéber süket duma, mert ennek a torzítás fajtának az eltűnéséhez egy ennél sokkal kisebb nyugalmi áram is bőven elegendő, már egy AB-osztályú erősítőben sincs. Bármilyen (!) kimenő -trafós erősítőhöz képest nagy előnye az A-osztályú erősítőknek, hogy a kimeneten az impulzus-szerű terhelésekhez – a maximális teljesítmény mértékéig! -  azonnal meg tud jelenni a szükséges áram, hiszen az állandóan ott folyik a végeken. Egy kimenőtrafó fojtó tekercsként viselkedik ezeken az impulzusokon, a magyar népmesében sincs olyan, hogy egy hirtelen áramugrás azon torzítatlanul, fékezetlenül átmenjen. ( Csak a műszakilag gyengén felvértezett csőpárti csapat szokta habzó szájjal cáfolni ezt a kijelentést, mert szerintük ez nem így van. Kár, hogy ezt a fizika másképp látja, tessék szíves utána olvasni a Lenz-törvénynek, meg a fojtó tekercsek működésének hogy összeálljon a kép. Minél nagyobb a kimeneti áram impulzus, annál jobban fojt a trafó) Az azonnali áram képessége egy nagy előny, de sajnos csak kis teljesítmény szinteken tud megtörténni, távolról sem akkorában, amekkora a piacon levő hangszórók széles vertikumának a kiszolgálásához kellene. Lásd a lenti kiemelt részt! ( A-osztályú erősítőt tipikusan 10-30W környéki teljesítménnyel szoktak építeni. Voltak 100W-ot elérő típusok, amelyekből egyetlen egy emelkedik ki a minőségével, a többi valahogy nem szerzett nevet magának) Emiatt egy A-osztályú végfokot csak magas érzékenységű, lapos impedancia-menetű hangdobozzal célszerű párosítani. Tulajdonképpen, azt mondhatnók, a félvezetős A-osztályú erősítők elvi párhuzamba állíthatók a csöves SE triódás végfokokkal. Csak itt kisebb a torzítás, de minden egyéb rendszerépítési szempont nagyon hasonló.

További előnye a többi tranzisztoros erősítőhöz képest, hogy a kis teljesítményhez kis kimeneti feszültség tartozik. A kis kimeneti feszültséghez kisebb nyílt hurkú (mintha kikötnénk a visszacsatolást) erősítés is elegendő. Emiatt, bár az impulzus-torzítások kialakulási mechanizmusa ezekben az erősítőkben éppúgy jelen van, a kimenet és a bemenet közötti pillanatnyi feszültség különbség kisebb, mint egy nagyobb teljesítményű erősítőben, így az impulzus-torzítások csak kisebb mértékűek. Ennek ára van, a kis teljesítmény és a szűkös illeszkedő hangdoboz választási lehetőség. Harmonikus torzítási szempontból (erre a hallásunk kevésbé érzékeny ) az A-osztályú erősítők jellemzően az alacsonyabb harmonikus tartományban torzítanak (2.harmonikus) ami szubjektíve kellemesebb, ad egyfajta hangzásbeli tonális hasonlóságot a csöves hanghoz.

Hiraga 20W Class-A végfok

Ha van ok, amiért valaki jobbnak hall egy A-osztályú végfokot egy nagyobb teljesítményű átlagos tranzisztoros erősítőnél, akkor ez az ok. Ennek a szubjektív jobb minőségnek semmi köze az A-osztályú beállításhoz, csakis ahhoz, hogy kicsi a fokozat feszültségerősítése, és relatív áramváltozása. Ha építünk egy 10 Wattos, kis nyílt hurkú erősítésű,  AB-osztályú végfokot, ugyanakkora táppal, mint azt az A-osztályúhoz építenénk, az épp ugyanígy fog szólni.

Hátránya viszont van bőven. Először is, az áramfelvétel. Erősítőnk nem egy öko-barát darab, pörgeti a villanyórát ezerrel. Még szerencse, hogy általában az A-osztályú dolgok kis teljesítményűek. Ennek az az oka, hogy nagyon nehéz annyi meleget egy erősítőből elvezetni, hatalmas tápegység kell hozzá, ami drága, és a hőleadáshoz is sok végtranzisztorra, óriási hűtőfelületekre van szükség, ami drága is, meg helyigényes is. Itt szeretném hozzátenni, hogy egy 100W-os A-osztályú pontosan ugyanolyan kutyául tud szólni, mint bármely más hagyományos elvű AB osztályú erősítő, hiszen itt visszatérünk a magasabb kimeneti feszültségekhez, és a magas impulzus-torzításhoz. ( Kevés rosszabb drága erősítőt hallottam életemben, mint a Krell KSA-100, hallgathatatlanul rossz. )  Annyi, hogy a hangkaraktere a nagy tápok és az alacsony fokszámú harmonikus torzítás miatt vastagabb, olyan „nagy erősítős” lesz, ami a kevés tapasztalattal bírókat becsapja, azt gondolják, itt valami olyasmit hallanak, ami „nagyon ott van”, pestiesen szólva.

Másik hátrányáról, a kis teljesítményről, már beszéltünk. Mérnöki szemmel nagyon nem célszerű egy olyan erősítőt alkotni, ami ugyan fülre kellemes, de messze nem kielégítő a teljesítménye, és ezer pár dobozból kettő lesz hozzá igazán jó.

További hátránya, a hatalmas tápegység ára.  Ha megnézzük egy 20W / csatorna teljesítményű Jean Hiraga által jegyzett, közismert A-osztályú erősítő tápegységét, abban 6 db puffer kondenzátor van, tápoldalanként (!) 230 000 uF kapacitással… 20 gyenge Watthoz….köszönjük, Emese…

Egy 8W-os A-osztályú erősítő tápegysége

Lásd: http://sound-au.com/tcaas/hiraga.htm

Napjainkban az A-osztály imádatát Nelson Pass erősítői motiválják a leginkább, erről többet olvashatunk itt:

https://www.passdiy.com/project/amplifiers/construct-a-class-a-amplifier

B-osztály

Ebben a beállításban a végtranzisztorokon nem folyik nyugalmi áram, vagy csak nagyon kicsi. A végtranzisztoron csak akkor kezd el áram folyni, amikor a vezérlő jel kinyitja a tranzisztort, majd amikor a jel megszűnik, az lezár. A szinusz jel két félhullámát két ellentétes polaritású ( PNP és NPN ) tranzisztorral erősítjük, hol az egyik, hol a másik lesz nyitva, a jel polaritásától függően. A baj a 0 átmeneteknél keletkezik, amikor a tranzisztor előbb lezár 0,5-0,6V környékén (nyitófeszültség) mint ahogy a jel elérné a nulla szintet, durva torzítás, ú.n. keresztezési-torzítás keletkezik.

Nem is nagyon találunk B-osztályú erősítőt zenei jel erősítésére, így önmagában. Azonban más erősítőkkel kombinálva, egy B-osztályú végfokozat mint áram-rásegítő erősítő nagyon jó eredménnyel lehet használható. Ahogy azt a Quad-405 erősítő alapelveiben látjuk, egy kis teljesítményű A-osztályú erősítő fokozatot párosítanak össze egy nagy teljesítményű B-osztályú fokozattal, amely csak a nagyobb áramigények esetén lép működésbe, mintegy rásegítve az A-osztályú erősítőre egy komolyabb árammal. A Quad cég ezt az elvet a „Current dumping” névvel illette, találó. Lásd erről az erősítőről írt cikksorozatomat.

AB-osztály

Elérkeztünk a jól használható audio erősítők territóriumába! Tulajdonképpen, amikor fogunk egy B-osztályú erősítőt, és azt úgy állítjuk be, hogy azon vezérlés nélkül is átfolyjon annyi nyugalmi áram, ami nyitva tartja a végtranzisztorokat, akkor ez egy AB osztályú erősítő. Ilyen formán egyik végtranzisztor sem fog a nulla átmenetnél lezárni, mert mire az megtörténne, a másik oldal már vezet, azaz tisztán fogja átvinni a szinusz jelet, de a nyugalmi áram az erősítő teljes teljesítményén kivehető áramnak csak egy kis töredéke. Emiatt nincs az az őrült hőtermelés, mint egy A-osztályú erősítőnél, és a feszültségekkel is fel lehet menni olyannyira, hogy teljes kivezérlésnél sok száz, vagy akár ezer Wattot is ki tudunk adni a hangszórókra.

Kell ez? IGEN, kell. Mert a világ hangdobozainak többsége kis és közepes érzékenységű ( 80-90 dB/ 1W/1m) amihez már csak az érzékenység miatt is nagyobb erősítő teljesítmény kell egy átlagos méretű szobában is. Ehhez adódik hozzá egy plusz teljesítmény igény. Mint azt korábban tárgyaltuk, egy csöves erősítő a kimenő trafó miatt nem nagyon szokott 30 Hz alatti jeleket erősíteni. Azonban a félvezetős végfokunkban nincs kimenő trafó (Istennek legyen hála…) és így képesek vagyunk ebben a tartományban is teljesítményt leadni. Ha megnézzük egy átlagos hangsugárzó impedancia értékeit (ez lesz a végfokozatunk terhelése) a különböző frekvenciákon, azt fogjuk látni, hogy az nem állandó, hullámhegyek-hullámvölgyek követik egymást. Különösen a legmélyebb hangok tartományában, ahol a mélysugárzó rezonancia pontja alatt az impedancia meredeken esik. Lásd a mellékelt képen, a Harbeth P3ESR doboz méréseit a Stereophile magazinban. Lásd itt: https://www.stereophile.com/content/harbeth-p3esr-loudspeaker-measurements

Amikor a mély tartományban az impedancia a névleges impedancia cirka felére esik vissza, arra az erősítőnek úgy kell tudni dupla teljesítményt kiadni, hogy közben nem fogy el az áram.  Ilyenkor egy szokványos erősítő ( pláne egy kis teljesítményű A-osztályú) felugrik a belőle kivehető teljes teljesítmény maximuma környékére, ami viszont magával hozza a jel durva torzulását a teljes frekvencia-sávban. Vagyis, egy végfok erőteljes terhelése a mély tartományban eltorzítja a többi tartomány jeleit is, HA az erősítőnk ekkora terhelésre a saját maximuma közelébe kerül.

 A 20 Wattos Hiraga A-osztályú erősítő torzítási gráfja.

Látható, hogy az erősítő csak az alsó 5 Watton képes alacsony torzításra, fél teljesítmény felett a torzítás előbb tíz, majd teljes teljesítményen százszoros érték közelébe ugrik. A szöveg szépítgeti, dehát mai szemmel ez egy szánalmasan rossz eredmény. Mai fejlett AB osztályú félvezetőseink nagyságrendekkel jobbak ennél.

Ide majd még visszatérünk, de még van két osztályunk, lássuk előbb azokat.

C-osztály

Ezt az erősítő típust nem alkalmazzuk audio erősítőkben. A C-osztályú beállításban az erősítő a teljes jel fél-periódusának csak egy kis részében erősít. Emiatt csak speciális feladatokra használható, jobbára hangolt körökben, rádiófrekvenciás alkalmazásokban. Audio erősítési szempontból teljesen érdektelen.

D-osztály

A D-osztályú erősítőben a kimeneti erősítő fokozat immár nem mint lineáris(hoz közelítő) erősítő elem működik, hanem impulzus üzemben. Ez az erősítési forma közeli rokonságot mutat a PWM D/A konverterek működésével. PWM = Pulse Width Modulation, impulzus szélesség moduláció. A D-osztályú erősítők egy bizonyos fix feszültséget gyors egymásutánban, nagy frekvenciájú, de változó időtartamú (szélességű) impulzusokban adnak ki magukból, amit a kimeneten elhelyezett aluláteresztő szűrő áramkör konvertál szinusz (közeli) jellé.

A korai D-osztályú erősítők először az aktív subwooferekben (mélyládákban) kaptak helyet. Mivel a „sub” csak egy alacsony frekvencia-tartományban üzemel, a kimeneti szűrők magas tartományokban tapasztalható minőségi problémái itt nem jelentkeznek érdemben. Viszont a D-osztályú erősítők nagyon jó hatásfokúak, azaz a felvett teljesítmény szinte teljes egészében hasznosul, és csak nagyon kis része válik járulékos hővé. Nagy teljesítményt lehet kivenni, csaknem hűtés nélkül. A nagy frekvenciájú kapcsoló üzem miatt a tápegységeik is sokkal kisebb méretűek lehetnek. Mindez a 3 tulajdonság ideálissá teszi ezeket az erősítőket egy sub meghajtásához.

Gyakori tévedés a D-osztályt, mint „digitális” erősítőt emlegetni, valószínűleg a D kezdőbetű zavarja meg az érintetteket. Ez alapvetően egy impulzus-modulált analóg erősítő. Az egy másik történet, hogy ha egy ilyen erősítőre PWM digitális jelet vezetünk, annak az analóggá alakítását ez a fajta erősítő ugyanúgy elvégzi, mintha lenne egy közbülső D/A konverter, vagyis egy plusz fokozat kihagyásával elvben jobb hangminőséget lehet elérni. Itt azért van egy nagy HA. Ebben az esetben az erősítőnek egy olyan tápegységgel kell rendelkeznie, ami nagyon nagy sebességű és szinte limit nélküli áram kivétet tesz lehetővé. Ilyen tápokkal napjainkban folynak kísérletek, a szuperkondenzátorok alkalmazásával, ahol több száz amper is rendelkezésre tud állni szinte azonnalra, nagyon alacsony belső ellenállás mellett. Nem tart majd nagyon sokáig, és meg fognak jelenni az ilyen, minden egyben erősítők, ez az egyik lehetséges jövőbeni fejlődési útja az audio elektronikának. Nyilván, itt is el kell majd telnie egy időnek, mire ezt az erősítési formát is kifinomítjuk annyira, hogy High-End vonalon is használni lehessen, de maga a technika nagyon ígéretes.

Léteznek további erősítő osztályok is, mint E ( rádiófrekvenciás ) ill. F és G. Ezekről további információt lehet találni (angolul) itt: https://en.wikipedia.org/wiki/Power_amplifier_classes

Allegro Flow - tiszta hang félvezetővel

Más megközelítésből is lehet szemlélni a félvezetős erősítőket. Nézzük a szintén közszájon forgó felosztást, a kimeneti áramerősítő eszköz szerinti osztályozást.

1. Tranzisztoros végfokozatok.

A tranzisztor előnye a kis belső kapacitásaiban és a relatív alacsony szaturációs (maradék) feszültségben van, mint audio erősítő eszköz. A kis belső kapacitások könnyebben hajthatóvá teszik ezeket a félvezetőket, miközben az alacsony szaturációs (telítési, vagy maradék ) feszültség miatt a kivezérelhetőségük magasabb, mint pl. egy MOS-FET-é. Na várj ezt tárgyaljuk meg kicsit mélyebben. Amikor egy félvezetőt rákötünk egy tápegységre, és a bemenetére vezérlő jelet kapcsolunk, a vezérlő jel elméletben addig növelhető, amíg a kimeneten el nem érjük a táp feszültségét. Onnantól a kimeneti jelszint nem tud tovább nőni,  a szinusz hullám tetejét lecsapja az erősítő, ami ilyenkor egyenáramú, DC kimenő jelként jelenik meg a kimeneten. Ezt a hangszóró nem szereti, mert mozdulni nem tud, csak az áram folyik rajta teljes teljesítményen. Mit tehetne az istenadta…melegszik. Aztán meg leég. Így lehet tönkretenni egy kis teljesítményű erősítővel egy bármilyen hangdobozt. Mindig megmosolyogtat az a hídrobbantó duma, amikor azt ecsetelik néhányan, hogy egy 100 Wattra specifikált hangdobozhoz vegyél fele akkora erősítőt… Vazz! Ekkora marhaságot!  Egy 100 Wattra specifikált dobozhoz legalább 150 W-os erősítő kell. Bocs, eltértem a témától.

Szóval, a fenti elmélet nem teljesen igaz. Annyiban nem, hogy a kimeneti jel nem nőhet a tápfeszültségig szabadon, mert a tranzisztornak szüksége van egy minimális feszültség különbségre a táp és a vezérlés között a lineáris működéshez. Ezt a különbséget szokták szaturációs, vagy telítési feszültségnek nevezni ( akit a pontos működési mechanizmus érdekel, keressen rá az interneten, millió helyen olvashat róla). Általában tranzisztorok esetében ez olyan 0,4-0,5 V környéke.MOS-FET-nél jóval több.

2. MOS-FET –es végfokozatok

Félvezetőknél az eszköz áramerősítési tényezője ( hfe, vagy béta) határozza meg, hogy a teljes kimenő áramhoz mekkora vezérlő áram tartozik. Egy szokványos végtranzisztor a 20 és a 100 –as érték közötti bétával rendelkezik. Ebből az jön ki, hogy egy átlagos végfokban a 7-8 Amper max kimenő áramhoz 25-ös béta esetén 8/25 = 0,32 Amper maximális vezérlési (bázis) áram tartozik. Ez egy relatív magas érték, emiatt külön meghajtó fokozatokat szoktak a végtranzisztorok elé tervezni, kifejezetten ennek a meghajtó áramnak a létrehozására. Az ezt megelőző feszültség erősítő fokozatot nem lehet nagyobb áramokkal terhelni, szükség van egy közbülső áramerősítésre. Lásd később a Darlington kapcsolás leírását.

Gauss Optheron - 2 x 250 W MOS-FET végfok, a saját gyártmányom ( ez volt a reklám helye... )

A MOS-FET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) egy nagyon kis bemeneti árammal vezérelhető eszköz. Elméletben nem volna szükség a feszültség erősítő és a MOS-FET áramerősítő fokozatok között külön meghajtó fokozatra, mert a MOS-FET (elméletben) szinte feszültséggel vezérlődik. Gyakorlatban más a helyzet. A MOS-FET –nek magas a bemeneti kapacitása, vezérlési szempontból úgy viselkedik, mint egy jó hosszú árnyékolt kábel. Itt is érvényes lesz, amit korábban az előfokok kábel-meghajtásáról már kitárgyaltunk. Bizonyos gyors jelű, nagy feszültségű vezérlési helyzetekben a meghajtásához elég jelentős, és gyorsan kivehető áramra van szükség. Emiatt jó tranziens viselkedésű MOS-FET erősítőt csak alacsony kimeneti impedanciájú, nagy áramú meghajtó fokozattal lehet építeni. Most szólok, hogy ha bármikor olyan kapcsolási rajzot láttok, ahol nincs a feszültség erősítő fokozat és a MOS-FET között meghajtó erősítő, az MIND kuka. Ráadásul, MOS-FET-et csak tranzisztorral érdemes meghajtani, mert különben csak egy fokozattal odébb toljuk ugyanazt a problémát.  

Egy jó példa, ahogy NEM szabad MOS-FET-es végfokot építeni

A MOS-FET-ek többfélék lehetnek, az idők során számos fajtáját fejlesztették ki, ezek nem is egyformán viselkednek, de ennek részletezésére itt helyszűke miatt nem térnék ki. Audio végerősítőkben gyakran alkalmazott fajtája a laterális MOS-FET, egy negatív hőmérsékleti együtthatójú eszköz. Ez annyit jelent, hogy ha a chip melegszik, az egységnyi áramhoz tartozó nyitó feszültsége is növekszik, azaz az eszköz melegedésre zár. Nagyon jó tulajdonság, mert nem kell hozzá precízen beállított szabályozó elektronika, ami megakadályozná, hogy hőmegfutás lépjen fel. Tranzisztorok esetében ez fordítva működik, a nagyobb áram jobban nyitja a tranzisztort, ami még nagyobb áramhoz vezet, ami még jobban nyitja, stb. A MOS-FET saját magát szabályozza vissza. Ez is egyfajta dinamika-kompresszió, bár ennek a mértéke messze nem akkora, mint az egy kimenő trafónál történik, és nem annyira hirtelen. Vagyis a MOS-FET képes a hirtelen jelváltozásokat nagy áramokkal is átvinni, de kicsit késve és nem is túl gyorsan visszaszabályoz, amíg a hőállapota az áramának megfelelően ismét egyensúlyba kerül. Ezt a folyamatot a MOS-FET intenzív hűtésével jelentősen csökkenteni lehet. Sajnos a nagy méretű hűtőborda nem elegendő ehhez, rafinált megoldásokat kell alkalmazni, hogy a dinamikus hőváltozás kis értéken maradjon. Más típusok másképp működnek, nem mennék itt bele mélyebben.

Minden tranzisztor torzítása erősen függ a benne lezajló áramváltozás által generált hőmérsékleti folyamatoktól, ÉS a működési hőmérsékletétől. Tulajdonképpen, ennek a két hőmérsékleti értéknek az arányától. Erre csináltunk egyszer még régen méréseket, egy BC 182-es kis jelű tranzisztor torzítását mértük 20 és 60 fokon. Ugyanaz a tranzisztor 20 fokon 0,24% míg 60 fokon 0,04 % harmonikus torzítást produkált 5 mA áramváltozásra. Minél nagyobb az áramváltozás, annál inkább jelentkezik ez a hatás. A-osztályú erősítőknél a magas nyugalmi áram nagyon melegen tartja a bordákat és a tranzisztorokat, ott ez a fajta torzítás jóval alacsonyabb, mint a hűvösebb erősítőknél.

Ne felejtsük el, hogy ez egy harmonikus torzítás forma, amit a visszacsatolás relatív sikeresen csökkent.

A MOS-FET másik jellemzője a relatív magasabb maradék feszültség. Jellemzően teljes áram mellett 5-10V közötti maradék feszültség lesz jelen, szerencsére a teljesítmény MOS-FET-ek jól bírják a magasabb tápfeszültséget, úgyhogy ez a probléma részben így, részben a végfetek párhuzamosításával jól kezelhető.

Darlington végfokozatok

A darlington kapcsolás kifejezetten a végtranzisztorok meghajtási problémájára adott válasz. A meghajtó tranzisztor teljes emitter árama a végtranzisztor bázisáramaként funkcionál, ezáltal a két tranzisztor bétája, azaz áramerősítési tényezője összeszorzódik. Egy tipikusan 200-as körüli bétájú MJE350 egy  80-körüli bétájú 2SA1943-al összekötve 80x200= 16000. Ez a 1943-as maximális kimeneti áramán még az ilyenkor alacsonyabb béta értéken is legalább 4-5000-es áramerősítés, vagyis 3 mA vezérlő áramot igényel, ami már könnyedén kivehető egy egyszerű AB-osztályú meghajtó fokozatból is.

IGBT-végfokok.

Az IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ) egy MOS-FET-tel hajtott végtranzisztor, amely egyesíti a kis szaturációs feszültség, a nagy áramterhelhetőség és a könnyű meghajtás előnyeit, egyetlen eszközben. Az IGBT-k bár audio célra is alkalmazhatóak lehetnének, mégis inkább a motorvezérlő és teljesítmény elektronikában terjedtek el jobban. Egyszer úgy 1996 vagy 97 táján Németországban volt alkalmam meghallgatni egy IGBT-s végfokot. Nem volt rossz hangja, de semmivel sem nyújtott többet mint egy normál tranzisztoros erősítő.

Hibrid végfokozatok

Hibridként a félvezetős kimenetű, de csöves meghajtású erősítőket említjük. Fordítva nem volna a dolognak semmi értelme, ilyen erősítő tudtommal nem is épült soha. A hibrid technikának az volna az elméleti célja, hogy a bemeneten a cső karakterisztikája az egész erősítő torzítási jellegét a második harmonikus felé tolja, azaz egy, a szokásos tranzisztoros erősítő hangnál lágyabb, hallgathatóbb hang birtokába szeretnénk jutni. Anélkül, hogy a kimeneten kimenő trafót kelljen alkalmazni, és a kimenő teljesítményünk is magas értékű lehet. A dolog működik, ma már jónéhány így épített igazán jó minőségű erősítőt ismerünk.Ezek abszolút csúcsa az Absolare hibridje, fantasztikus erősítő. Soha életemben nem hallottam ennél jobb, zenei értelemben kifejezőbb hangot. Ára is van, de az ezen a szinten természetes.

A jó tippekre mindig éhes DIY közösség számára szeretnék egy nagyon szépen kimunkált hibridet közzé tenni, ezt nyugodt lélekkel ajánlom bárkinek, aki elsőrangú erősítőt építene magának, és elég felkészült hozzá. A cső utáni illesztő kondenzátor hangkaraktere nagyon benne lesz a végeredményben, azzal érdemes kísérletezgetni, de ha megúsznánk ezt a plusz költséget, ide is van egy javaslatom: Mundorf Supreme Silver-oil.

https://www.audiodesignguide.com/Ibridone/index5.html

A félvezetős erősítők hibái

Általánosan elmondható, hogy szinte minden félvezetős erősítő mérve sokkal alacsonyabb (harmonikus) torzítású mint egy átlagos csöves gép. Azonban ezek a torzítások nem csak a páros harmonikusoknál jelentkeznek, hanem a páratlanoknál is, amit a fülünk kevésbé kedvel. De a félvezetős erősítők nagy baját mégsem ezek, hanem az erőteljes impulzus-torzítások jelentik. Egészen a legutóbbi időkig nem volt kidolgozott elmélet ennek a torzításformának a létrejöttéről, annak kiküszöbölési módjairól. Akik rájöttek ( Japán 1970-1980 ) azok tudtak nagyszerű erősítőket építeni, de őrizték a titkot, mert jelentős ütőkártya a félvezetős erősítők közötti versenyben. Később ez az egy-két cég is „leszokott” a jó erősítők építéséről, mert az túl sokba kerül, és a marketingre költött pénz sokkal több profitot produkál, mint a valós minőség.

Jellemző hibája a legtöbb félvezetős erősítőnek az alultervezettség. Az az elmélet, hogy egy 80-100 Wattos teljesítmény minden helyzetben elegendő, oda vezet, hogy ezek a végfokok nem tudják elegendően kézben tartani a hangszórókat, a teljesítmény hamar elfogy. A sokszor hallásra nem egyértelmű, de bekövetkező túlterhelés miatt a torzítások sokkal magasabbak, mint kellene lenniük, ezek pedig egy zavaró, kicsit kusza, mosott, felbontás hiányos, érdes hangképhez vezetnek.

Az átlagos félvezetős erősítő technika, bár potenciálisan sokkal jobb minőségre volna képes, mint a csöves erősítés, nem elég kifinomult a technikában rejlő teljes potenciál kiaknázására.

Ha nem csapjuk be magunkat, és reálisan nézzük a két erősítő technikát, azt látjuk, hogy száz csöves és száz félvezetős erősítőt összehasonlítva, csőből 25% kutyaütő, 70% elfogadhatóan, hallgathatóan, de nem kiemelkedően jól szól, és 5% nagyszerű. Tranzisztorból mások az arányok, százból 70% kutyaütő, 25% hallgatható és kellemes, és szintén 5% nagyszerű. Igazuk van azoknak, akik azt mondják, mindkét technikából lehet jót és rosszat is építeni. Csövesből magasabb a hallgathatók aránya. Nem lehet letagadni.

Ugyanakkor ezzel együtt jár a csövesek korábban tárgyalt számos problémája, MINDEN csöves erősítőben. A tranzisztorosok problémáinak legtöbbje csak a 70% rossz megvalósításra jellemző, a 25% hallgatható már nagyon jó, legalább annyira, mint a legtöbb csöves, azok megbízhatósági, neutralitási és teljesítmény problémái nélkül. Az 5% top kategória pedig hangra legalább olyan jó, mint az 5% top csöves, de sokkal olcsóbb, és sokkal hosszabb élettartamú, megbízhatóbb, és a csőcsere sem fog újabb közel egy millióba kerülni. Nem változik meg a hangja egy másik csőre cseréléskor, és nagyon sokkal univerzálisabban használható szinte minden hangdobozzal, a magas kimeneti teljesítmény miatt.

A cél az, hogy eljuss a félvezetős erősítők felső harmadához. A felső 5 százalékban pedig az egész eddigi világnézeted alapjaiban változik meg.

A mai kiemelkedő félvezetős erősítők nagy teljesítményűek, nagyon alacsony impulzus és harmonikus torzításúak, dinamikailag nem fojtottak, bármilyen hangdobozzal jól párosíthatók, nagyon kevéssé színezettek, sokkal szélesebb a frekvenciasávjuk mint bármilyen csöves gépé, és sokkal-sokkal megbízhatóbbak, jóval hosszabb élettartamúak.

Ma igazán jó félvezetős erősítőhöz kétféleképpen lehet jutni. Vagy megveszünk egy nagyon drága, de kiemelkedő minőségű ( HANGSÚLYOS!!!)  külföldi készüléket a befutott, híres, jól csengő márkanevű cégektől (óriási a választék, mégis kevés ilyen van, ha nem ezt gondolnád, a látszat csal ). Vagy pedig körülnézünk a feltörekvő kis cégek között, akik csak a nagyon jó minőség hátán tudnak egyáltalán piacra kerülni. Jellemzően sokkal olcsóbban kínálva nagyon hasonló hangminőséget, mint a nagy márkák. Ma Magyarországon kifejezetten jó helyzetben vagyunk, mert arányait tekintve meglepően szép számmal van hazai, nagyszerű hangú félvezetős elektronika.

Záró gondolatként, hadd említsek meg néhányat. A felsorolás nem minőségi rangsor, ABC sorrend, mindenkinek a saját ízlése és pénztárcája szerint lesz jó egyik vagy másik. De az itt felsoroltak mindegyike kiemelt figyelemre érdemes.

Core Audio  –  Etalon  –  Flow  –  Gauss  –  Heed  -  Soner 

Nagy Gábor Pál @ AudioWorld

2020 Április

Utóirat: Sajnos a fenti témák szinte mindegyike a leírtaknál sokkal mélyebben és műszaki értelemben pontosabban is tárgyalható volna, amire ennek a cikknek sem a keretei sem céljai miatt nincs szükség. Ez nem egy egyetemi jegyzet-kiegészítés, vagy tankönyv. Így is a közérthetőség határán mozgó ismeret-anyag, amely nem  a témában járatosabbak továbbképzésére készült. A félvezetős audio elektronika műszaki összefüggéseinek egyszerű kivonata, amely szándékosan tartalmaz nem teljes, de célszerűen elegendő rész-információkat.