No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

A

Teoretická èást

1 PØEHLED A ROZDÌLENÍ HI-FI PØÍSTROJÙ

Obr. 1.

Nejjednodušší propojení HI-FI soupravy

Celý øetìzec HI-FI pøístrojù je možno brát jako jakési stavebnicové funkèní bloky, ze kterých je pak možno složit celou HI-FI aparaturu. V zásadì ji tvoøí jednak zdroje signálu, rùzné pøedzesilovaèe a výkonové zesilovaèe a reproduktorové soustavy. Tyto mohou být pochopitelnì v rùzných cenových kategoriích, což by mìlo také odpovídat jejich kvalitì, pøípadnì komfortu ovládání. Nyní si je postupnì probereme.

ZDROJE SIGNÁLU 1) Tuner. Jedná se vlastnì o rozhlasový pøijímaè bez dalších zesilovacích stupòù. Mívá obvykle více vlnových rozsahù, ze kterých nás ovšem, jak již øeèeno, bude zajímat hlavnì pásmo VKV. Na vstupu tuneru je obvykle konektor pro pøipojení antény, u levnìjších tunerù, pokud se spokojíme s nižší citlivostí, postaèí i kus drátu. Je to ovšem náhražkové øešení, pro opravdu kvalitní stereopøíjem doporuèuji kvalitnìjší anténu, minimálnì dipól. Výstup tvoøí nízkofrekvenèní stereofonní signál o napìové úrovni obvykle v rozsahu 100–250 mV. Pokud je tuner již vybaven pøedzesilovaèem a koncovým zesilovaèem, oznaèuje se jako Receiver. K pøedzesilovaèi receiveru lze obvykle pøipojit další zdroje signálu. A

NF ZESILOVAÈE – 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE

5

2) Gramofon. Tento pøístroj kupodivu opìt pøichází do módy, i když reprodukce z gramofonových desek je napø. ve srovnání s CD ponìkud horší. Zde je tøeba upozornit na zvláštní druh korekcí, které signál z gramofonové pøenosky vyžaduje. Tuto korekci splòuje pøedzesilovaè RIAA, který mùže být buï vestavìn pøímo do gramofonu, což je lepší varianta, než vestavìní tohoto pøedzesilovaèe pøímo do zesilovaèe. Signál je tak upraven a zesílen ještì pøedtím než jej „proženeme“ pøipojovacím kabelem do vstupu zesilovaèe. Pokud je tento pøedzesilovaè až v samotném zesilovaèi, mùže se lehce na signál o napìtí asi okolo 2 mV, což je napìtí z pøenosky, naindukovat nežádoucí brumové nebo rušivé napìtí.

Obr. 2

HI-FI souprava s tunerem a zesilovaèem

3) Pøehrávaè kompaktních diskù CD. Jedná se o velmi kvalitní zdroj signálu, který je zde zpracováván digitálnì. Souèástí pøehrávaèe je digitálnì analogový (D/A) pøevodník, jehož kvalita ovlivòuje celkový pøednes. U špièkových pøístrojù najdeme konektor pro pøipojení svìtlovodného kabelu. Použití tohoto kabelu prakticky odstraní možné rušení spojením zemí pøehrávaèe a zesilovaèe. Signál je tak dokonale oddìlen. Je zde také možnost pøipojení externího D/A pøevodníku špièkové kvality. Z bìžného výstupu CD pøehrávaèe již vychází stereofonní signál o normalizované hodnotì 100–250 mV. 4) Magnetofon. Dnes se již vìtšinou používají kazetové pøístroje, oproti páskovým, které již vìtšinou nenávratnì zastaraly. Dražší mechaniky umožòují záznam a pøehrávání kvalitnìjších druhù páskù jako chromdioxyd a metal. Mìní se zde parametry záznamového proudu a to buï ruènì pøepínaèem nebo automaticky. Tyto druhy pásku mají oproti obyèejným vìtší kmitoètový rozsah, pøípadnì i jiné parametry. Rovnìž z magnetofonu obdržíme nízkofrekvenèní stereofonní signál o normalizované hodnotì napìtí 100–250 mV. Signál, který získáme z magnetofonové hlavy má, podobnì jako u gramofonu, nízkou napìovou úroveò a vyžaduje jisté kmitoètové korekce. Tyto bývají vìtšinou již

6

ZDENÌK KOTISA

A

souèástí vstupních obvodù magnetofonu. Za zmínku ještì stojí tzv. magnetofony RDAT s digitálním zpracováním signálu, jejichž cena je ovšem doposud velmi vysoká. Je však zøejmé, že se vývoj magnetofonù bude touto cestou ubírat. 5) Mikrofon. Existují rùzné typy mikrofonù, z nichž nejpoužívanìjší jsou dynamické nebo elektretové. Mikrofon by mìl mít svùj vlastní pøedzesilovaè, pak je pøipojitelný do vstupního konektoru pøedzesilovaèe oznaèeného jako „aux“.

PØEDZESILOVAÈE a) Korekèní pøedzesilovaè (preamplifier). Umožòuje nastavení ovládacích prvkù zesilovaèe, jako napø. hlasitosti, hloubek a výšek, pøípadnì i stereofonní vyvážení (balance). Konstrukènì mùže být pøedzesilovaè souèástí celého zesilovaèe (levnìjší varianta), nebo mùže být umístìn ve zvláštní skøíòce, což je sice dražší øešení, které však umožòuje stavebnicovou koncepci zesilovaèe. b) Equalizér. Je to dražší a komfortnìjší varianta korekèního pøedzesilovaèe. Konstrukènì mùže být øešen pro oba stereofonní kanály oddìlenì, nebo u levnìjšího provedení spoleènì. Každý z ovládacích prvkù, tj. potenciometrù, ovlivòuje kmitoètový prùbìh na urèitém kmitoètu, tzn. èím je poèet potenciometrù vyšší, tím více kmitoètových pásem je možno potlaèovat nebo zdùrazòovat. Vzájemná vzdálenost tìchto pásem mùže být napø. jedna oktáva, pak hovoøíme o oktávovém equalizéru. Potenciometry mohou být otoèné, nebo lépe tahové, pak je jejich nastavení pøehlednìjší. Tento equalizér oznaèujeme jako grafický. Equalizérem je možno korigovat jednak nedostatky frekvenèního rozsahu pøehrávaného signálu, pøípadnì si zdùraznit nebo potlaèit nìkteré nástroje v orchestru nebo frekvenènì upravit nedostatky poslechového prostoru. Zvláštním druhem korekèních pøedzesilovaèù jsou již zmínìné pøedzesilovaèe RIAA pro gramofony nebo korekèní pøedzesilovaèe magnetofonù.

KONCOVÉ ZESILOVAÈE (POWER AMPLIFIER) Tvoøí koncovou èást zvukové aparatury, ze které se zesílený signál pøivádí k reproduktorùm. Koncový zesilovaè mùže mít mnoho funkèních variant. Koncové zesilovaèe nižších výkonù, bìžnì asi do 50 W mohou být konstruovány jako integrované, kde vlastní zesilovaè tvoøí speciální integrované A

NF ZESILOVAÈE – 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE

7

Obr. 3

HI-FI souprava s oddìleným korekèním a koncovým zesilovaèem

obvody, mnohdy vybavené napø. elektronickými pojistkami proti tepelnému pøetížení nebo zkratu. Kvalitnìjší, ale také složitìjší koncové zesilovaèe mohou být osazeny bipolárními výkonovými tranzistory, nebo tranzistory typu FET. Zvláštní kategorii tvoøí zesilovaèe s hybridními obvody, což je klasický tranzistorový zesilovaè vyrobený hybridní technologií a zapouzdøen do vìtšího kovového pouzdra. Pod oznaèením STK… je vyrábí napø. japonská firma Sanyo. Na tomto místì bude tøeba upøesnit názvosloví: jak již bylo øeèeno, pod pojmem koncový zesilovaè oznaèujeme koncovou èást zesilovací aparatury, oproti tomu jako výkonový zesilovaè budeme nazývat funkèní celek, zahrnující koncový zesilovaè vèetnì korekèního pøedzesilovaèe. Toto uspoøádání je i ekonomicky nejvýhodnìjší. Špièkové aparatury, oznaèované také jako „High End“, jsou rozdìleny na samostatný koncový zesilovaè a samostatný korekèní pøedzesilovaè ve vlastních skøíních. Pro zvýšení výkonu je možno jednotlivé zesilovaèe zapojovat do mùstku, což se hojnì využívá napø. u integrovaných zesilovaèù. Dùležitým pøedpokladem je zde použití obraceèe fáze, protože oba zesilovaèe je tøeba budit v protifázi. Tato problematika bude ještì pozdìji podrobnìji zmínìna. Co se týká napájení zesilovaèù mùžeme je napájet nesymetrickým napìtím, což je jednodušší s ohledem na síový transformátor a filtraèní obvody. Tento zpùsob napájení však používají jednodušší a levnìjší zesilovaèe. Oproti tomu symetrické napájení již vyžaduje síový transformátor, jehož sekundární vinutí má vyvedený støed vinutí a také filtraèní obvody jsou nákladnìjší, protože filtrujeme jak kladnou, tak zápornou vìtev napájecího napìtí. Zvláštním druhem zesilovaèù jsou zesilovaèe pro auta, jejichž specialitou je napájení napìtím palubní sítì automobilu, tj. 12 V. Protože toto napìtí je dosti malé pro dosažení vìtších výkonù (cca více než 50 W), obsahují 8

ZDENÌK KOTISA

A

výkonnìjší autozesilovaèe tzv. napìový booster, neboli mìniè napìtí, na jehož výstupu máme napø. 24 V.

REPRODUKTORY Reproduktor je elektroakustický mìniè, pøevádìjící elektrické kmity na mechanické, které jsme schopni slyšet. Kmitoètový rozsah, který je lidské ucho schopno vnímat je individuální, se zvyšujícím se vìkem se snižuje. Obvykle bývá rozsah slyšitelných kmitoètù udáván od 20 Hz do 16 kHz. Protože jediný reproduktor není schopen obsáhnout celé toto spektrum kmitoètù, vyrábí se reproduktory pro jednotlivá kmitoètová pásma. Tak známe napø. reproduktory hloubkové, støedové a výškové. Existují sice i reproduktory širokopásmové, ty se však pro kvalitní poslech pøíliš nehodí. Aby každý reproduktor obdržel právì ty kmitoèty, pro které byl vyroben, je tøeba mu pøíslušné kmitoètové pásmo vybrat. K tomu slouží reproduktorové výhybky. Ty jsou složeny z kombinací kondenzátorù a tlumivek, tvoøící kmitoètové filtry. Reproduktorová soustava (reprobox) pak obsahuje reproduktory pro jednotlivá kmitoètová pásma a pøíslušné výhybky. Podle poètu pásem rozeznáváme reprosoustavy dvoupásmové, tøípásmové nebo ètyøpásmové. Co se týká impedance reproduktorù nebo reprosoustav, je normalizovaná hodnota 4 nebo 8 ohmù, u autoreproduktorù i 2 ohmy. Zvláštním druhem reproduktorových soustav jsou aktivní reprosoustavy. Tyto obsahují aktivní filtry, které rozdìlují kmitoètové spektrum na potøebný poèet pásem, za nimi pak následují koncové zesilovaèe, takže každý reproduktor má svùj vlastní zesilovaè. Aktivní reprobox je pak možno pøipojit pøímo za korekèní pøedzesilovaè. Kvalitnìjší aktivní reproboxy mohou být vybaveny automatikou, která, je-li pøítomen signál zapne zesilovaèe reproboxu. Vypne se rovnìž automaticky, pokud na vstupu není pøítomen signál po urèenou dobu (napø. 2 minuty).

PARAMETRY NÍZKOFREKVENÈNÍCH ZESILOVAÈÙ Veškeré parametry nízkofrekvenèních zesilovaèù lze ovìøit mìøením, což je èinnost nároèná na teoretické i praktické znalosti a v neposlední øadì i na pøístrojové vybavení. Protože se amatér – elektronik tímto mìøením v praxi nebude podrobnì zabývat, omezíme se zde pouze na definice jednotlivých parametrù, tak, jak je zmiòuje norma DIN 45 500, pøípadnì na informativní popis mìøicích metod. A

NF ZESILOVAÈE – 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE

9

Obr. 4

Blokové schéma tøípásmové aktivní reprosoustavy s vypínací automatikou a napájením

Pøenosové pásmo Prùbìh se vztahuje na referenèní kmitoèet 1 kHz, regulátor hlasitosti je vytoèen na plné zesílení, korekèní potenciometry, tj. hloubky a výšky jsou v nulové poloze. Výstup je zatížen jmenovitou zátìží, na vstup jsou pøipojeny náhradní vstupní impedance jednotlivých vstupù – viz tab. II. (str. 19). Zesilovaè má mít kmitoètovou charakteristiku 40–16 000 Hz s odchylkou max. ±1 dB u lineárních vstupù a ±2 dB u korigovaných vstupù. Tento parametr je u moderních zesilovaèù splnìn vìtšinou s velkou rezervou.

Odchylka mezi stereofonními kanály Zde povoluje norma DIN 45 500 pomìrnì velkou toleranci. Nemá-li stereofonní zesilovaè regulátor vyvážení (balance), je povolena maximální odchylka mezi obìma kanály 3 dB. Jestliže je tento regulátor souèástí zesilovaèe a mùže-li nastavovat napìovou úroveò mezi obìma kanály alespoò o 8 dB, pak je povolena základní odchylka až 6 dB. 10

ZDENÌK KOTISA

A

Rozsah regulace vyvážení lze jednoduše kontrolovat voltmetrem, zapojeným na výstup zesilovaèe. Regulátor vyvážení nastavíme do jedné z krajních poloh mìøíme napìtí levého a pravého kanálu. Pozor na to, aby jeden z kanálù pøitom nebyl pøebuzen! Stanovená tolerance platí pro kmitoètový rozsah 250 až 6300 Hz. Pøitom je úèelné mìøit soubìh kanálù nejen pøi regulaci hlasitosti naplno, ale i pøi zmenšeném zisku o 20 a 40 dB. Tím ovìøíme, zda ani pøi nejmenších hlasitostech nevyboèuje soubìh z povolených tolerancí. Zde totiž bývají odchylky od pøedepsané hodnoty nejvyšší. Na nesouhlasu prùbìhù hlasitosti se nejvìtší mìrou podílí nesoubìh obou polovin tandemového potenciometru hlasitosti.

Zkreslení signálu Budeme se zde zabývat nejvýraznìjšími typy zkreslení, tj. harmonickým a intermodulaèním. Zkreslení harmonické Pøi mìøení harmonického zkreslení pøivádíme na vstup mìøeného zesilovaèe èistì sinusový signál, pøièemž vyhodnocujeme jeho zmìny po prùchodu zesilovaèem, tedy na jeho výstupu. Tyto zmìny signálu jsou zpùsobovány nelineárními èleny v pøenosové cestì, kterými je signál deformován. Tím vznikají nové kmitoètové složky – vyšší harmonické kmitoèty, tj. kmitoèty násobkù základního kmitoètu generátoru. Rozlišujeme dvì základní metody, jimiž se zkreslení mìøí. 1) Mìøení pomocí kmitoètového analyzátoru ke zjištìní úrovnì jednotlivých vyšších harmonických na výstupu. Výsledné zkreslení je v tomto pøípadì nutno vypoèítat podle vzorce. Toto mìøení je nejobjektivnìjší, nebo se pøi nìm prakticky neuplatòují cizí (rušivá) napìtí, která každý zesilovaè produkuje. 2) Mìøení pomocí hornopropustného filtru (tzv. sumární mìøièe zkreslení), pomocí kterého se zjišuje obsah všech vyšších harmonických v pùvodním signálu. Pøi tomto mìøení se však podle okolností mohou uplatòovat cizí, (rušivá) napìtí a zvláštì pøi mìøení zesilovaèù s velmi malým zkreslením mohou tento parametr nepøíznivì ovlivnit. Základní podmínkou pøi mìøení zkreslení zesilovaèe je tónový generátor se zanedbatelným vlastním zkreslením. Abychom mìli zajištìno co nejpøesnìjší mìøení, nemìlo by zkreslení použitého generátoru pøesahovat asi tak desetinu mìøeného zkreslení. Protože kvalitní zesilovaèe dosahují A

NF ZESILOVAÈE – 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE

11

zkreslení øádovì desetin až setin procenta, bývá zajištìní podobného generátoru více než obtížné. Proto se v takovém pøípadì doporuèuje zaøadit mezi výstup tónového generátoru a vstup mìøeného zesilovaèe dostateènì strmý hornopropustný filtr, který potøebným zpùsobem zmenší obsah vyšších harmonických v budicím signálu. Harmonické zkreslení mìøíme obvykle nejen na 1 kHz, ale i na jiných kmitoètech, pøièemž jsou doporuèeny kmitoèty 40, 100, 400, 1000 a 6300 Hz. Podle normy DIN 45 500 jsou pro tøídu HI-FI povolena tato nejvìtší zkreslení: l l l

Pøedzesilovaèe smìjí mít èinitel zkreslení nejvýše 0,7 v rozsahu od 40 do 4000 Hz a to pøi plném vybuzení vstupním signálem. Koncové zesilovaèe smìjí mít èinitel zkreslení rovnìž nejvýše 0,7 %, avšak v rozsahu od 40 do 12 500 Hz. Výkonové zesilovaèe mají celkové povolené zkreslení 1 %.

Zkreslení u koncových a výkonových zesilovaèù se mìøí nejen pøi jmenovitém výstupním výkonu, ale též pøi napìové úrovni o 26 dB menší, než odpovídá jmenovitému výkonu. Výstupní výkon však poté nesmí být menší, než 2 × 50 mW u stereofonního, nebo 100 mW u monofonního zesilovaèe. Zkreslení intermodulaèní Tento druh zkreslení vzniká rovnìž nelinearitou pøenosových èlenù, projevuje se však ponìkud odlišnì a ve svých dùsledcích je rozhodnì nepøíjemnìjší, než zkreslení harmonické. Harmonické zkreslení mìøíme signálem jediného kmitoètu. To však neodpovídá praxi, nebo v praxi reprodukujeme v každém okamžiku øadu souèasnì znìjících tónù. Zjednodušíme-li tento pøípad na dva tóny, pak na nelinearitì pøenosových èlenù vznikají nové signály, jejichž kmitoèty jsou souètem èi rozdílem tónù základních a samozøejmì i jejich vyšších harmonických. Snadno odvodíme, že k pùvodním signálùm nemají žádný harmonický vztah, což je v reprodukci nepøíjemnìjší, než produkty harmonického zkreslení. Mìøí se ponìkud obtížnìji, nebo je tøeba pøivést na vstup zesilovaèe signály dva a to (podle DIN 45 500) 250 Hz a 8000 Hz, pøièemž signál 250 Hz má mít úroveò ètyøikrát vyšší a zesilovaè jím má být vybuzen na 80 % napìtí, odpovídající jmenovitému výstupnímu výkonu. K vyhodnocení je zde nezbytnì nutné použít kmitoètový analyzátor a pak vyhodnotit zjištìné úrovnì. Je povoleno maximální intermodulaèní zkreslení 2 %.

12

ZDENÌK KOTISA

A

Oba druhy zkreslení jsou ve vzájemném vztahu (i když ne pøesnì matematicky definovanému), takže lze pøedpokládat, že pokud snáze mìøitelné harmonické zkreslení nepøekroèí povolenou hranici, bude i intermodulaèní zkreslení v pøijatelných mezích.

Pøeslech mezi kanály Jedná se o nežádoucí jev, pøi kterém se u stereofonních zesilovaèù signál z levého kanálu dostává do pravého a opaènì. Mìøíme jej tak, že jeden kanál stereofonního zesilovaèe vybudíme na jmenovitý výkon, pøièemž regulátor hlasitosti nastavíme naplno a tónové korekce na pokud možno vyrovnaný kmitoètový prùbìh. Vstupy a výstupy zatížíme jmenovitými impedancemi, naèež mìøíme zbytkové výstupní napìtí nevybuzeného kanálu. Pomìr napìtí plnì vybuzeného a nevybuzeného kanálu udává míru pøeslechu. Pøi signálu 1000 Hz musí být pøeslech minimálnì 40 dB, v pásmu 250 až 10 000 Hz nejménì 30 dB. Norma DIN 45 500 doporuèuje mìøit pøeslech i pøi rùzném nastavení regulátoru hlasitosti (až do –40 dB), pøípadnì pøi rùzném nastavení tónových korektorù. Pøeslech mezi kanály je patrnìjší pøi zvyšujících se kmitoètech a to napø. jako dùsledek nežádoucích kapacitních vazeb, je tedy vhodné ovìøit si hodnoty pøeslechù v oblasti vyšších akustických kmitoètù.

Pøeslech mezi jednotlivými vstupy Týká se jak stereofonních, tak monofonních zesilovaèù. Mìøí se pronikání signálu pøipojeného k urèitému vstupu do toho vstupu, který je právì k zesilovaèi pøipojen. Mìøíme tak, že nejprve ke všem vstupùm zapojíme pøedepsané náhradní impedance a na výstup pøedepsaný zatìžovací odpor. K jednomu vstupu pøipojíme tónový generátor a pøi regulátoru hlasitosti nastavenému naplno naøídíme takové vstupní napìtí, aby výstupní napìtí odpovídalo úrovni jmenovitého vybuzení. Pak postupnì pøepínaèem vstupù zapojujeme všechny ostatní vstupy, (které jsou bez signálu) a mìøíme zbytkové napìtí na výstupu. Signál 1000 Hz musí mít na výstupu nejménì o 50 dB menší úroveò, signály v pásmu 250–10 000 Hz alespoò o 40 dB. Pøi mìøení volíme rùzné kombinace vstupù, to znamená, že zdroj signálu zapojujeme postupnì na rùzné vstupy. Pøeslech mezi jednotlivými vstupy mùže být za urèitých okolností velmi nepøíjemný, napø. tehdy, je-li na nìkterém z nich pøipojen zdroj trvalého signálu (tuner) a jeho signál pak proniká do ostatních vstupù. Pokud používáme mechanické pøepínaèe vstupù, je toto nebezpeèí podstatnì menší, než pøi nevhodném zapojení elektronických pøepínaèù. A

NF ZESILOVAÈE – 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE

13