Ismét egy technikai témájú cikkel jelentkezem. Közkívánatra, mert ezt a cikket mértékadó helyen kifejezetten kérték tőlem, hogy ha ráérnék, ugyan írjam már meg, mint hiánypótló összefoglalót.
Jó téma, mert talán nem volt eléggé kifejtve korábban ezen a blogon, nemkülönben azért is, mert időről-időre visszatérő kérdéskör, érdeklődést kelt, vitákat generál. Ezek a viták legtöbbször oda vezetnek, hogy mindenki visszatér a kályhához, és rövidesen ezeréves, beidegződött, legtöbbek által csak hallomásból ismert, s a saját ismeretek hiánya miatt automatikusan elfogadott tézisek, klisék kerülnek elő, viszont a gyakorlati tapasztalaton alapuló tanulságok vajmi ritkák.
Megpróbálok közérthetően, és a lényegre koncentrálva egy összképet adni erről a témáról, de ez olyan lesz, mint egy mp3 file a DSD-hez képest, szerény kivonata a nagy egésznek. Szakemberek, avatott audio konstruktőrök kéretnek itt befejezni az olvasást, Isten őrizz, hogy untassam a Kollégákat. A Kedves Olvasó számára ennek az ismeretterjesztésnek az értékét az fogja adni, hogy egy egész más, egészségesebb, valósághoz közelibb szemszögből próbálom meg láttatni a dolgot, mint azt a hagyományos, közszájon forgó szemlélet teszi.
Végül úgyis ott fogunk tartani, hogy mindenki abban hisz, amiben akar...
Mi az a keresztezési torzítás?
Nagyon pici kis elektronikai ismeretre szükség lesz a továbbiakhoz. NE IJEDJ MEG !!!
Idézzük fel az Ohm-törvényt: I ki= Uki / Rt azaz a kimeneti áram = a kimeneti feszültség osztva a terhelő ellenállással.
Egyszerűsített példa: Van egy erősítőnk, ami 20V effektív kimeneti feszültséget ad ki teljes kivezérléskor. Ezt rákötjük egy ideális hangdobozra (elmélet) ami csak ellenállás jellegű terhelést ad. Az ellenállás értéke 8 Ohm. Ebből a kimeneti áram: I=20/8 =2,5 azaz 2,5 Amper. A teljesítmény P=U*I azaz 20*2,5= 50W. Ez törvény, szentírás, 20V-on, 8 Ohmra 2,5 Amper fog folyni. Ekkora áram KELL, hogy működjön a dolog, hangdobozunk boldogan tegye a dolgát. Célunk, hogy ez tényleg meg is legyen. Feszültség is, áram is.
Félvezetős teljesítmény erősítőkben az erősítést két részre, jellege szerint feszültség és áram erősítési fázisokra bontjuk. Az erősítők felépítése is ezt a logikát, két egymást követő erősítési fázis elvét követi. Először feszültséget (hangosságot, jelszintet) növelünk az erősítő bemenetétől a kijárata felé haladva a „jelútban” ( a jelút valójában nem ez, de a közvélekedés teljesen hibásan így tartja, erről később még szó lesz ). Majd a -jellemzően több fokozaton keresztül elért- feszültség erősítés megtörténte után, amikor már elértük a megfelelő jelszintet, az erősítő kijáratán (ez minden erősítőre igaz, a kis jelűekre is) a rá kötött majdani terhelés által ezen a feszültség szinten igényelt áramokat is biztosítani kell. (lásd fent, Ohm törvény) A majdani terhelés kis jelűeknél a következő fokozat bemeneti ellenállása, végfokoknál a hangszóró maga.
A példa szerinti esetben az erősítő végén egy olyan elektronikai megoldásra van szükség (áramerősítő fokozat) ami feszültséget már nem erősít, de képes a terhelés által igényelt áramot a tápegységből a terhelés felé a vezérlő jel által szabályozottan átengedni.
Minden erősítő nem más, mint egy modulált tápegység.
Félvezetős erősítőkben nagyjából a 60-as évek végétől kezdődően lassanként egyeduralkodóvá vált (még akad néhány kivétel, pl. Ion Obelisk, Heed) a szimmetrikus tápok használata, azaz az erősítőt a föld potenciálhoz képest plusz és mínusz feszültségről tápláljuk.
Ennek az az előnye a korábban szokásos egy oldalas tápláláshoz képest, hogy az erősítő kimenete 0V körüli értékre áll be, így ha azt közvetlenül rákötjük a hangdobozra, nyugalmi helyzetben nem folyik a hangdoboz felé áram. Nem szimmetrikus táp esetén az erősítő kijáratán fél-tápfeszültségnyi egyen-feszültség van jelen, ami leválasztás nélkül károsítaná a hangszórót. A hangdoboz csak a váltakozó jelet tudja kezelni, az egyen-feszültség kitolja egyik véghelyzetbe a membránt, és ott tartja. A teljesítmény ugyanúgy kimegy oda, de így nem tud mozgási energiává alakulni. Mivé fog? Hővé. Melegíti a lengőtekercset, ami ettől hamarosan izzik, leég. Nem jó. Megoldás: a kimenetet egyen-feszültségű szempontból egy nagy kapacitású csatoló kondenzátorral le kell választani a hangszóróról, ez az egyen feszültséget leválasztja, de váltakozó áramra rövidzárként viselkedik – elvben.
A kimenet kondenzátoros leválasztása aszimmetrikus (csak + ) táp esetén. A két végtranzisztor emitterein, a kimeneti ponton a tápfeszültség fele mérhető.
Gyakorlatban ennek az áteresztő képességnek frekvencia és jelszint függése van, távolról sem homogén. A kimeneti kondenzátor a 60-as években az akkori alkatrész minőség fényében egy szükséges rossz volt, ami befolyásolta, korlátozta az elérhető hangminőséget. Mai szemmel a kimenő kondenzátor nem tűnik feltétlenül rossznak, több előnnyel is járhat egy ilyen kimenet – manapság elérhető legjobb alkatrész minőség mellett. Ebbe most ne menjünk bele.
A szimmetrikus táplálás magával hozta, hogy a zenei jel pozitív és negatív félhullámait a végfokok immár szimmetrikus felépítésű áramerősítő részében külön-külön, ellentétes polaritású (NPN-PNP) tranzisztorokkal erősítjük (azaz a hangszóróra hol a pozitív, hol a negatív tápot engedjük rá, a vezérlő jel által meghatározott mértékben).
A kérdés ilyenkor az, hogy mi történik akkor, amikor a jel a null-átmenet közelében van - amikor pozitívból negatívba vált? Ugyanis a tranzisztornak van egy ú.n. nyitó feszültsége, egy olyan kis feszültségű tartomány, amin belül a tranzisztor nem működik. Amíg a vezérlő jel el nem éri a jellemzően 0,5-0,65 V értéket, addig a tranzisztor „zárt” állapotban van, szakadásként viselkedik, a kimenetén nem történik feszültség vagy áram változás, holott a vezérlő lábon (bázis) nulláról 0,5 V-ig már változott a jel. Ez a fajta működés az úgy nevezett „B” osztály, ahol a nyitófeszültség alatti tartományban a kimenet nem követi a bemeneti jelet, azaz torzítás, elektronikai köznyelvben null-átmeneti torzítás jön létre.
A sárga a bemeneti jel, míg a kék gráf a B-osztályban jelentkező keresztezési torzítást mutatja
Szögezzük le, már most így az elején, hogy B-osztályú erősítőt szinte soha senki sem használt önmagában audio erősítésre, a fenti probléma soha nem jelentkezett egy sürgető, megoldandó hibaként, hiszen az effektus jól mérhető, logikailag is egyértelmű, a mérnökök az első pillanattól kezdve tisztában voltak vele, és kezelték ezt a jelenséget.
Érdekesség, hogy a fentiektől függetlenül, ma Magyarországon rengeteg ember használ B-osztályban működő erősítőt, úgy, hogy fogalma sincs róla, mert nem okoz problémát. A szintén a 60-as években tervezett Quad-405 erősítő „Current-dumper” impulzus-áramerősítő fokozata (a két nagy végtranzisztor) valójában egy B-osztályú fokozat, aminek a null-átmeneti problémáját az elé kötött A-osztályú fokozat orvosolja. Ebből az elektronikából ma legalább több ezer darab van üzemben idehaza, köszönhetően a néhai HiFi Magazinnak, akik ezt az erősítőt választották a tesztjeikhez. Amelynek nyomán amatőrök ezrei építették meg a 405-ös publikussá vált rajza alapján saját változatukat, az akkor itthon elérhető minimum kérdéses minőségű alkatrészekből, amelyeknek így végül kevés közük volt az eredeti Quad-hoz, de ez egy másik történet.
Hogyan lehet kezelni a null-átmeneti torzítás problémáját?
A megoldás teljesen kézenfekvő, és logikus. Hogy az erősítő a nyitófeszültség tartományban ( +/- 0,6V) is lineáris legyen, azaz hűen kövesse a vezérlő jelet a kimenet, nem szabad megengedni, hogy nullához közeledve az éppen működő tranzisztor lezárjon, mielőtt még a másik félhullámot kezelő tranzisztor vezérelhető mértékig ki nem nyitna, és át nem venné tőle a stafétát, a jelvezetést.
(Leegyszerűsítem, a jobb érthetőség kedvéért. Azt szeretném, ha a szoba mindig szellőzne. Megoldás: vagy az ajtót, vagy az ablakot, esetleg egyszerre mindkettőt nyitva kell hagyni, annyira hogy a kellő mennyiségű friss levegő bejöhessen. Ha az ablakot kinyitom, ezzel párhuzamosan az ajtót be lehet csukni, hisz az ablakon már jön be elég levegő. Aztán amikor elered az eső, becsukom az ablakot, de csak akkor csukhatom be teljesen, ha az ajtót előtte már kinyitottam. Lényeg, hogy vagy ez, vagy az, vagy egyszerre mindkettő résnyire nyitva legyen. Ennyi, csak mindez tranzisztorral.)
Ez a megoldás csak így leírva, papíron tűnik bonyolultnak, technikailag egy elég egyszerű dolog, a kimeneti tranzisztorokat úgy kell beállítani, hogy vezérlés nélküli állapotban, amikor nincs zenei jel, egyszerre mindkettő kis mértékben állandóan nyitva legyen, és folyjon rajtuk egy állandó, megfelelő mértékű, alaphelyzeti (ú.n. nyugalmi) áram. Zéró bonyolultság, és bingó, eltűnt a null-átmeneti torzítás. Ebben az állapotban, alaphelyzetben a két végtranzisztor messze nincs teljesen nyitva, csak épp annyira, hogy vezérelhetők legyenek a nyitó feszültség tartományban. Itt konstans áramú, azaz A - osztályban üzemelnek. Amikor a vezérlő feszültség növekszik, a tranzisztorok árama is növekszik, hol a plusz, hol a mínusz oldalon, azaz a működési tartomány nagyobb hányadában változó áramú B-osztályban üzemelnek. Ezt a beállítást AB-osztálynak nevezzük, amelynek az a technikai lényege, hogy a végtranzisztorok árama változik, a vezérlésnek megfelelően (mint egy B-osztálynál), de annyira mindig nyitva maradnak, A-osztályban konstans árammal, hogy a null-átmeneti torzítás ne jöhessen létre. Teljesen megoldódott a probléma.
Kijelenthető, hogy a null-átmeneti torzítás körüli mindenféle további okoskodás egy szimpla hiszti, téveszme, kreált magyarázat a (hibásan tervezett) félvezetős erősítők hallható, de egészen más okból keletkező torzításainak vélt keletkezési mechanizmusára. A rossz erősítőkre jellemző „tranzisztoros hang”-nak az égvilágon SEMMI KÖZE a null-átmeneti torzításhoz. Az impulzus-torzításokhoz sok köze van, de ennek a valós keletkezési mechanizmusát csak nagyon kevesen ismerik, mert nem, vagy nagyon nehezen mérhető. Még kevesebben ismerik a megoldási módszereket. Rengeteg „szakember” él abban a szánalmas hitben, hogy amit nem tud mérésekkel kimutatni, az nincs is. Ami pedig nincs, azt nem kutatja, sem elméletben, sem gyakorlatban. Ennek hiányában, téves magyarázatot adnak a „tranzisztoros hang” jelenségre, ami a szépen mérhető keresztezési torzítással jól szemléltethető, csak épp a kettőnek nincs köze egymáshoz.
Ide kívánkozik egy kis történeti kitekintés, hogyan tud bebetonozódni a köztudatba egy tévedés.
Az imént tárgyalt, valamiképpen még mérnöki körökben is közhiedelemmé vált tévhit vezetett el a 70-es évek végén oda, hogy átestek a ló túloldalára. Az áramerősítő fokozat AB-osztályba állítása mérhetően, látványosan linearizálta az erősítőket. Úgy hitték, megtalálták a tranzisztorok Szent Grálját, és ennek alapján úgy vélték, minél inkább közelítjük az áramerősítő fokozatot az A-osztály felé, annál jobban szűnik a probléma. Divatba jött az A-osztály. Számos példát lehet említeni ebből az időből, Krell KSA-k, Luxman M-05, Hiraga Class-A, J.L. Hood, Sugden, Treshold, Musical Fidelity A1, A100, stb.
Luxman M05 - 2x100W A-osztályban. A szükséges méretű bordák nem fértek el, helyette ventilátorok hűtik
Az igazi, teljesen A-osztályban működő erősítők jellemzője, hogy a teljes kimeneti teljesítményhez tartozó teljes áram állandóan, még alapállapotban is átfolyik az erősítőn. Azaz, az áram mennyisége konstans, állandó. Az erősítő annyit tesz, hogy ezt az áramot a vezérlő jel arányában hol a kimenetre, hol pedig a táp másik ága felé vezeti. Teljes vezérlés során az A-osztályú erősítő kevésbé melegszik mint alaphelyzetben, mert a teljes teljesítmény nem az erősítőben válik hővé, hanem a hangdobozon válik mozgási energiává. Ennek a működési módnak van néhány hozadéka.
Az A-osztálynak , reálisan szemlélve pont ugyanúgy megvannak a maga pro-i és kontrái, mint minden másnak. Kezdjük a hátrányokkal.
- Iszonyúan melegszik, emiatt hatalmas hűtőbordákra van szükség.
- Hihetetlen áramfogyasztása van, szépen pörgeti a villanyórát
- A tápegységet durván túl kell méretezni az erősítő kimeneti teljesítményéhez képest
- A nagy áramterhelés jelentősen rövidíti az alkatrészek élettartamát
- A nagy hőterhelés miatt a kimeneti teljesítmény praktikusan 100W alatt kell maradjon, ennél feljebb nem nagyon tudunk menni. Technikailag persze lehetséges, pláne ha Paksról ingyen jön a nafta, és egy hangárt szeretnénk kellemesre kifűteni, de nem célszerű, drága és értelmetlen.
Kapunk azért előnyöket is cserébe.
- Az állandó áram miatt a végtranzisztorok moderált vezérlési tartományban közel azonos hőmérsékleten üzemelnek. Magasabb vezérlő jeleknél már nem, de mivel a hűtőbordát az erősítő már felfűtötte, annak van egy hőtehetetlensége, s ez a tranzisztort azonos hőállapotban tartja, vagy ezt közelíti. Érdemes tudni, hogy a tranzisztorok vezérlés hatására létrejövő torzítása hőmérséklet-változás függő. (Ne keresd az interneten, nincs ott...) Minél nagyobb a vezérlő jel által kiváltott áram-változás, s annak hőhatása a vezérlést megelőző hőmérséklethez képest, annál nagyobb lesz a torzítás. Ha a tranzisztort magas hőmérsékleten tartjuk, közel stabil hőállapotban, ez a fajta torzítás nagyon le tud csökkenni. Ez az A-osztály nagy előnye. A dinamikus hőtorzítás lecsökkenése. Ez hallható, egyfajta simább, melegebb megszólalás az eredmény, (ezt az effektust tulajdonították korábban a null-átmeneti torzítás megszűnésének) de ettől a teljes erősítő „tranzisztor-hang”-ja még ugyanúgy létre tud jönni, mert más a keletkezési mechanizmusa, lásd a szinte teljesen hallgathatatlan Krell KSA-50-et.
- A trafó energia betáplálási „ablaka” megnövekszik, azaz a vasmag el tudja érni a felmágnesezettség olyan mértékét a betáplálási idő-tartományban, ahol áramot tud szolgáltatni. Ez plusz energiaként jelentkezik, ami a fenti hőtorzítás csökkenéssel együtt adja az ismert vastagabb, energiadúsnak ható A-osztály hangot. (Ezt se keresd a neten, ez sincs ott, és sajnos nem is szándékozom itt részletesebben elmagyarázni, elégedjetek meg ennyivel, egy későbbi termékembe bele lesz tervezve, A-osztály nélkül, már kitaláltam a módját.)
Végezetül pár szó a jelútról. Egy korábbi erősítős cikkemben már leírtam részletesen, de mégiscsak beszéljünk róla, ha már fentebb megígértem. Remélem le tudom érthetően írni, hogy kitisztíthassam a fals képet.
Gyakran halljuk némely elektronikával kapcsolatos leírásokban, marketing szövegekben, hogy „rövid jelutak” meg hogy „nincs kondenzátor a jelútban”. Szeretném, ha mindenki megértené, hogy ez mekkora téveszme. Akik ilyeneket írnak le, azok vagy szándékosan állítanak valótlanságot, vagy nincs túl sok rálátásuk a valóságra. Ne adjatok hitelt ezeknek a városi dumáknak, „bocsáss meg nekik Uram, nem tudják mit cselekesznek”....
Minden erősítő egy áramkör. Azaz, van áramforrása, szabályozó köre, vezetékei és fogyasztója (terhelése), testről indul és oda kell záródjon, a körnek be kell záródnia. Az áramforrás esetünkben a tápegység. A fogyasztó a kimeneten található lezáró ellenállás (ez lehet a hangszóró vagy a következő fokozat bemenetén levő földre menő bemeneti lezárás). SOHA ne elölről nézzetek egy erősítőt, mert nem a bemenetét hallgatod, hanem mindig azt a jelet, ami a kijáraton van. Nézd meg, a kimeneti jelnek hogy épül fel az áramköre!
Minden erősítő kimeneti köre, áramerősítő fokozata, és annak tápja az elsődleges jelút. A kimeneti jel, amit hallgatsz, itt jön létre.
Pl. egy előfok esetében, a kimeneti áramkör (Emlékszel? Táp nullától ugyanide, a nulláig kell záródnia) a táp földpontján indul, keresztül megy a puffer kondenzátoron (!!!) - jaja, tudjuk, nincs kondenzátor a jelútban, Istenem, el ne hagyj... – majd innen a tápkábeleken keresztül („rövid jelutak”) rákerül a kimeneti tranzisztorokra, amin keresztül a kimenetre, onnan a kimeneti kábelen keresztül („rövid jelutak” ???) a következő erősítő (pl.végfok) bemenetére. Ott átfolyik a bemeneti lezáró ellenálláson, a bemeneti földre, ahonnan az iménti kábelen visszafelé („rövid jelutak”...) visszajut az előfok kimeneti csatlakozójának testpontjára, s onnan, erősítőn belül, egy újabb kábelen („rövid jelutak”) az előfok tápjának testpontjára. Ebben a pillanatban záródott az áramkör. Innentől működőképes az egész. Volt benne kondenzátor (anélkül nem működik) és volt benne jó hosszú jelút, ad hoc kábelekkel. Semmi sem teljesült, amit ígértek Neked, rövid jelutak, kondenzátor nélküliség...mert NEM TUD.
Nyilván, a kimeneti fokozatot megelőző fokozatokat is lehet ugyanígy szemlélni, és kell is. Mindig, amikor egy erősítő fokozatból átadjuk a jelet egy újabb fokozatnak, egyszersmind egy újabb jelút (áramkör) jön létre, annak a fokozatnak a tápján, kimeneti körén és terhelésén keresztül. Az ebben a körben létrejövő frekvencia függő energetikai, és spektrális viszonyok határozzák meg az adott blokk (jelút) minőségét, jellegét. Ahány erősítő fokozat van egy erősítőben, az mind-mind egy önálló egység, egy önálló jelút.Ezek kimeneti jelei modulálják a következő kört. A legfontosabb a vége, mert ott durvulnak el a dolgok igazán.
Összefoglalva a fentieket, a keresztezési torzítás mai modern AB-osztályú erősítőkben nem igazán jön létre, emiatt hatása sincs azok hangjára. Hogy ennek bármi köze volna a hibásan tervezett félvezetős erősítők „tranzisztoros hang”-jához, az egy városi legenda.
Az A-osztályú beállítás módosít egy erősítő hangzási jellegén, de szintén nem oldja meg a rossz hang létrejöttének problémáját. Az idegesítő, rossz félvezetős hangot impulzus-torzítások okozzák. Erről nem fog (legalábbis a közeli jövőben) ismeretterjesztő cikk születni (legalábbis tőlem) mert bár jó néhány oldalt teleírhatnék a keletkezési mechanizmus ismertetésével, és a probléma kezelésének háromféle lehetséges módszerével (a negyedikkel még kísérletezek), ezek pillanatnyilag az üzleti titok kategóriájában vannak, „know-how” amit évtizedek alatt tanultam meg.
Az eredmények nem öncélúak, bele lettek tervezve a Gauss erősítők felépítésébe, munkapontjaiba, s így bárki számára elérhetőek, egy Seven, Optheron, de leginkább egy csúcsra járatott Neuron által. Energetizált, sima, torzítatlan, természetes hang – félvezetővel, impulzus torzítások nélkül. Ez volt itt egy kis reklám helye, de ezúttal a reklám legalább igazat szól.
2023. Október
Nagy Gábor Pál AudioWorld / Gauss Audio Electronics - gaussaudio.hu
