A digitális erősítők
Mind gyakrabban találkozhatunk házi-mozi erősítőkben a D-osztályú, vagyis digitális erősítőkkel. A jó hatásfoknak köszönhető kis méretek és a szinte teljesen digitális hanglánc miatt sikeres konstrukciónak ígérkeznek. Lássuk hogy is működnek.
Az analóg erősítők két tulajdonságát érdemes megemlíteni, melyek a digitális erősítőkre nem, vagy legalábbis másként érvényesek. Az egyik a torzítás, a másik a hatásfok illetve az ezzel összefüggő melegedés.
A működés során láttuk, hogy az analóg erősítő munkapontja körüli „munka-egyenesen” bekövetkező bemeneti jelváltozás hozza létre a kimeneti jelváltozást. Ha ez a munka-egyenes nem „tökéletesen” egyenes (márpedig nem az), akkor a kimeneti jel hullámalakja sem lesz tökéletes, azaz torzulni fog. A torzítás miatt az eredeti jel összetevőihez olyan nem kívánt felhangok (un. harmónikusok) adódnak, melyeket a hallgató zajként értékel. A torzítás mértéke ráadásul többnyire attól függ, hogy mekkora teljesítményt „veszünk ki” az erősítőből. Ha egy analóg erősítőt a névleges maximális teljesítményén használunk, akkor az általa okozott %-ban mért úgynevezett teljes harmonikus torzítás akár a háromszorosára is nőhet ahhoz az értékhez képest, amit a fél-teljesítményen történő használatkor mérhetünk.
Mindenki, aki látott már közelről ilyen erősítőt és meg is érinthette, azt tudja, hogy elég „forró élmény”. És ez nem csak azért van, mert a cső katódját „fűtik” – mert a fűtést nem igénylő tranzisztoros analóg erősítők is melegszenek – hanem azért, mert bizony az analóg erősítők a betáplált elektromos energia jelentős részét nem hasznosítható hővé alakítják. Ennek oka, hogy az analóg erősítők aktív elemén (az elektroncsövön, a bipoláris vagy térvezérlésű tranzisztoron) keresztül mindig folyik áram és végpontjai (a triódánál például az anód és katód) között van valamilyen feszültségkülönbség. Ennek az áramnak és feszültségnek a szorzatával megegyező teljesítménymennyiség alakul át hővé. Ennek a hőnek az elvezetéséhez van szükség a nagyméretű hűtőbordákra, ventillátorok által mozgatott lebegőre és mindehhez sok-sok helyre. Ráadásul a javarészben haszontalanul betáplált energia előállításához is nagyobb tápegységre, transzformátorra stb. van szükség.
A digitális erősítők.
Az analóg illetve digitális erősítő működésének összehasonlítása érdekében képzeljük el a következőket:
Van egy tartályunk, amiből a vizet egy csövön keresztül engedjük ki, de szabályozni szeretnénk a kifolyó víz elfolyási sebességét. Ezt kétféle módon tehetjük meg. Az egyik megoldás, hogy egy „csapot” teszünk a csőre, melyet záró irányba forgatva szűkíthetjük, illetve nyitó irányba forgatva tágíthatjuk az átfolyási keresztmetszetet. Ha azt akarjuk, hogy gyorsabban folyjék le a víz, nyitjuk, ha azt hogy lassabban, zárjuk a csapot (ez az analóg szabályzás). A másik megoldás szerint a csőbe egy gyorsan kapcsolható nyitó-záró „szelepet” iktatunk, melyet mondjuk egy másodperc alatt egyszer nyitunk és egyszer zárunk. Ha gyorsan akarjuk elfolyatni a vizet, az egy másodpercen belül hosszabb ideig nyitott a szelep mint ameddig zárt (hosszabb a nyitási és rövidebb a zárási időszakasz), míg ha lassabb elfolyást akarunk elérni rövidebb a nyitási és hosszabb a zárási időszakasz (ez a digitális szabályzás).
Nagyjából az előző „vizes példa” digitális szabályzásához hasonlóan működik a D-osztályú digitális erősítő is. A működést az alábbi ábra alapján érthetjük meg. A hanghullámokat alkotó szinusz hullám digitális mintavett megfelelőjét, a pulzus kód modulált (PCM) jelet mutatja az ábra legfelsőbb idődiagramja. A PCM jelben minden egyes mintának van egy egész számmal leírt amplitúdója. Az ugyanazon hullámnak megfelelő, azonos mintavételi gyakoriságú (frekvenciájú) impulzusszélesség modulált (PWM) jelet mutatja az ábra alsó idődiagramja. A PCM jel impulzus magasságával szemben minden egyes PWM minta nagyságát az impulzus szélességével írunk le.
A működés során láttuk, hogy az analóg erősítő munkapontja körüli „munka-egyenesen” bekövetkező bemeneti jelváltozás hozza létre a kimeneti jelváltozást. Ha ez a munka-egyenes nem „tökéletesen” egyenes (márpedig nem az), akkor a kimeneti jel hullámalakja sem lesz tökéletes, azaz torzulni fog. A torzítás miatt az eredeti jel összetevőihez olyan nem kívánt felhangok (un. harmónikusok) adódnak, melyeket a hallgató zajként értékel. A torzítás mértéke ráadásul többnyire attól függ, hogy mekkora teljesítményt „veszünk ki” az erősítőből. Ha egy analóg erősítőt a névleges maximális teljesítményén használunk, akkor az általa okozott %-ban mért úgynevezett teljes harmonikus torzítás akár a háromszorosára is nőhet ahhoz az értékhez képest, amit a fél-teljesítményen történő használatkor mérhetünk.
Mindenki, aki látott már közelről ilyen erősítőt és meg is érinthette, azt tudja, hogy elég „forró élmény”. És ez nem csak azért van, mert a cső katódját „fűtik” – mert a fűtést nem igénylő tranzisztoros analóg erősítők is melegszenek – hanem azért, mert bizony az analóg erősítők a betáplált elektromos energia jelentős részét nem hasznosítható hővé alakítják. Ennek oka, hogy az analóg erősítők aktív elemén (az elektroncsövön, a bipoláris vagy térvezérlésű tranzisztoron) keresztül mindig folyik áram és végpontjai (a triódánál például az anód és katód) között van valamilyen feszültségkülönbség. Ennek az áramnak és feszültségnek a szorzatával megegyező teljesítménymennyiség alakul át hővé. Ennek a hőnek az elvezetéséhez van szükség a nagyméretű hűtőbordákra, ventillátorok által mozgatott lebegőre és mindehhez sok-sok helyre. Ráadásul a javarészben haszontalanul betáplált energia előállításához is nagyobb tápegységre, transzformátorra stb. van szükség.
A digitális erősítők.
Az analóg illetve digitális erősítő működésének összehasonlítása érdekében képzeljük el a következőket:
Van egy tartályunk, amiből a vizet egy csövön keresztül engedjük ki, de szabályozni szeretnénk a kifolyó víz elfolyási sebességét. Ezt kétféle módon tehetjük meg. Az egyik megoldás, hogy egy „csapot” teszünk a csőre, melyet záró irányba forgatva szűkíthetjük, illetve nyitó irányba forgatva tágíthatjuk az átfolyási keresztmetszetet. Ha azt akarjuk, hogy gyorsabban folyjék le a víz, nyitjuk, ha azt hogy lassabban, zárjuk a csapot (ez az analóg szabályzás). A másik megoldás szerint a csőbe egy gyorsan kapcsolható nyitó-záró „szelepet” iktatunk, melyet mondjuk egy másodperc alatt egyszer nyitunk és egyszer zárunk. Ha gyorsan akarjuk elfolyatni a vizet, az egy másodpercen belül hosszabb ideig nyitott a szelep mint ameddig zárt (hosszabb a nyitási és rövidebb a zárási időszakasz), míg ha lassabb elfolyást akarunk elérni rövidebb a nyitási és hosszabb a zárási időszakasz (ez a digitális szabályzás).
Nagyjából az előző „vizes példa” digitális szabályzásához hasonlóan működik a D-osztályú digitális erősítő is. A működést az alábbi ábra alapján érthetjük meg. A hanghullámokat alkotó szinusz hullám digitális mintavett megfelelőjét, a pulzus kód modulált (PCM) jelet mutatja az ábra legfelsőbb idődiagramja. A PCM jelben minden egyes mintának van egy egész számmal leírt amplitúdója. Az ugyanazon hullámnak megfelelő, azonos mintavételi gyakoriságú (frekvenciájú) impulzusszélesség modulált (PWM) jelet mutatja az ábra alsó idődiagramja. A PCM jel impulzus magasságával szemben minden egyes PWM minta nagyságát az impulzus szélességével írunk le.
 |
| A PCM és PWM jelek |