Mamoru Sekiya és Matti Otala:Kommersz hangfrekvenciás teljesítményerősítők kimenőteljesítmény-kapacitása
Forrás: HiFi-Magazin 18. 1985/2.
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.
TartalomA 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.
BevezetésÁltalános 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 módszerA 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 alacsony impedanciás 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
---------------------------------------------------------------------------
KövetkeztetésekA 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. Ennél fogva kívánatos, hogy az erősítőket komplex terhelések ésszerű sorozatával teszteljék.
Belépés
Regisztráció
GyIK
Egy átalakított cérnametélt készítő tésztagéppel 
Mindenesetre elmondom, hogy ha az átvitel nálam 20Hz-n nem 0dB, akkor kezdek ideges lenni. Ezért forszírozom, hogy kis jeles mérésnél a -3dB-es pont 2-5Hz környékén legyen. Ha nem viszem telítésbe a vasat, (azaz adott vashoz alacsony a gerjesztés az üzemi körülmények között) akkor ilyen szép freki átvitelt lehet mérni egy erősítőbe épített trafón, mint az én ARC koppincsom. Az 50-es csúcs a mérőrendszer zaja.
