Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit 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, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním 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.
Nejjednoduí propojení HI-FI soupravy
Celý øetìzec HI-FI pøístrojù je mono brát jako jakési stavebnicové funkèní bloky, ze kterých je pak mono sloit 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, co 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 dalích zesilovacích stupòù. Mívá obvykle více vlnových rozsahù, ze kterých nás ovem, jak ji øeèeno, bude zajímat hlavnì pásmo VKV. Na vstupu tuneru je obvykle konektor pro pøipojení antény, u levnìjích tunerù, pokud se spokojíme s nií citlivostí, postaèí i kus drátu. Je to ovem náhrakové øeení, pro opravdu kvalitní stereopøíjem doporuèuji kvalitnìjí anténu, minimálnì dipól. Výstup tvoøí nízkofrekvenèní stereofonní signál o napìové úrovni obvykle v rozsahu 100250 mV. Pokud je tuner ji vybaven pøedzesilovaèem a koncovým zesilovaèem, oznaèuje se jako Receiver. K pøedzesilovaèi receiveru lze obvykle pøipojit dalí zdroje signálu. A
NF ZESILOVAÈE 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE
5
2) Gramofon. Tento pøístroj kupodivu opìt pøichází do módy, i kdy reprodukce z gramofonových desek je napø. ve srovnání s CD ponìkud horí. Zde je tøeba upozornit na zvlátní druh korekcí, které signál z gramofonové pøenosky vyaduje. Tuto korekci splòuje pøedzesilovaè RIAA, který mùe být buï vestavìn pøímo do gramofonu, co je lepí varianta, ne vestavìní tohoto pøedzesilovaèe pøímo do zesilovaèe. Signál je tak upraven a zesílen jetì pøedtím ne jej proeneme pøipojovacím kabelem do vstupu zesilovaèe. Pokud je tento pøedzesilovaè a v samotném zesilovaèi, mùe se lehce na signál o napìtí asi okolo 2 mV, co je napìtí z pøenosky, naindukovat neádoucí brumové nebo ruivé 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, jeho kvalita ovlivòuje celkový pøednes. U pièkových pøístrojù najdeme konektor pro pøipojení svìtlovodného kabelu. Pouití tohoto kabelu prakticky odstraní moné ruení spojením zemí pøehrávaèe a zesilovaèe. Signál je tak dokonale oddìlen. Je zde také monost pøipojení externího D/A pøevodníku pièkové kvality. Z bìného výstupu CD pøehrávaèe ji vychází stereofonní signál o normalizované hodnotì 100250 mV. 4) Magnetofon. Dnes se ji vìtinou pouívají kazetové pøístroje, oproti páskovým, které ji vìtinou nenávratnì zastaraly. Draí mechaniky umoòují záznam a pøehrávání kvalitnìjích 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 vìtí kmitoètový rozsah, pøípadnì i jiné parametry. Rovnì z magnetofonu obdríme nízkofrekvenèní stereofonní signál o normalizované hodnotì napìtí 100250 mV. Signál, který získáme z magnetofonové hlavy má, podobnì jako u gramofonu, nízkou napìovou úroveò a vyaduje jisté kmitoètové korekce. Tyto bývají vìtinou ji
6
ZDENÌK KOTISA
A
souèástí vstupních obvodù magnetofonu. Za zmínku jetì stojí tzv. magnetofony RDAT s digitálním zpracováním signálu, jejich cena je ovem doposud velmi vysoká. Je vak zøejmé, e se vývoj magnetofonù bude touto cestou ubírat. 5) Mikrofon. Existují rùzné typy mikrofonù, z nich nejpouívanìjí 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). Umoòuje nastavení ovládacích prvkù zesilovaèe, jako napø. hlasitosti, hloubek a výek, pøípadnì i stereofonní vyváení (balance). Konstrukènì mùe být pøedzesilovaè souèástí celého zesilovaèe (levnìjí varianta), nebo mùe být umístìn ve zvlátní skøíòce, co je sice draí øeení, které vak umoòuje stavebnicovou koncepci zesilovaèe. b) Equalizér. Je to draí a komfortnìjí varianta korekèního pøedzesilovaèe. Konstrukènì mùe být øeen pro oba stereofonní kanály oddìlenì, nebo u levnìjího provedení spoleènì. Kadý z ovládacích prvkù, tj. potenciometrù, ovlivòuje kmitoètový prùbìh na urèitém kmitoètu, tzn. èím je poèet potenciometrù vyí, tím více kmitoètových pásem je mono potlaèovat nebo zdùrazòovat. Vzájemná vzdálenost tìchto pásem mùe být napø. jedna oktáva, pak hovoøíme o oktávovém equalizéru. Potenciometry mohou být otoèné, nebo lépe tahové, pak je jejich nastavení pøehlednìjí. Tento equalizér oznaèujeme jako grafický. Equalizérem je mono korigovat jednak nedostatky frekvenèního rozsahu pøehrávaného signálu, pøípadnì si zdùraznit nebo potlaèit nìkteré nástroje v orchestru nebo frekvenènì upravit nedostatky poslechového prostoru. Zvlátním druhem korekèních pøedzesilovaèù jsou ji 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 mùe mít mnoho funkèních variant. Koncové zesilovaèe niích výkonù, bìnì 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 pøetíení nebo zkratu. Kvalitnìjí, ale také sloitìjí koncové zesilovaèe mohou být osazeny bipolárními výkonovými tranzistory, nebo tranzistory typu FET. Zvlátní kategorii tvoøí zesilovaèe s hybridními obvody, co je klasický tranzistorový zesilovaè vyrobený hybridní technologií a zapouzdøen do vìtího kovového pouzdra. Pod oznaèením STK
je vyrábí napø. japonská firma Sanyo. Na tomto místì bude tøeba upøesnit názvosloví: jak ji 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 nejvýhodnìjí. pièkové aparatury, oznaèované také jako High End, jsou rozdìleny na samostatný koncový zesilovaè a samostatný korekèní pøedzesilovaè ve vlastních skøíních. Pro zvýení výkonu je mono jednotlivé zesilovaèe zapojovat do mùstku, co se hojnì vyuívá napø. u integrovaných zesilovaèù. Dùleitým pøedpokladem je zde pouití obraceèe fáze, protoe oba zesilovaèe je tøeba budit v protifázi. Tato problematika bude jetì pozdìji podrobnìji zmínìna. Co se týká napájení zesilovaèù mùeme je napájet nesymetrickým napìtím, co je jednoduí s ohledem na síový transformátor a filtraèní obvody. Tento zpùsob napájení vak pouívají jednoduí a levnìjí zesilovaèe. Oproti tomu symetrické napájení ji vyaduje síový transformátor, jeho sekundární vinutí má vyvedený støed vinutí a také filtraèní obvody jsou nákladnìjí, protoe filtrujeme jak kladnou, tak zápornou vìtev napájecího napìtí. Zvlátním druhem zesilovaèù jsou zesilovaèe pro auta, jejich specialitou je napájení napìtím palubní sítì automobilu, tj. 12 V. Protoe toto napìtí je dosti malé pro dosaení vìtích výkonù (cca více ne 50 W), obsahují 8
ZDENÌK KOTISA
A
výkonnìjí autozesilovaèe tzv. napìový booster, neboli mìniè napìtí, na jeho výstupu máme napø. 24 V.
REPRODUKTORY Reproduktor je elektroakustický mìniè, pøevádìjící elektrické kmity na mechanické, které jsme schopni slyet. Kmitoètový rozsah, který je lidské ucho schopno vnímat je individuální, se zvyujícím se vìkem se sniuje. Obvykle bývá rozsah slyitelných kmitoètù udáván od 20 Hz do 16 kHz. Protoe jediný reproduktor není schopen obsáhnout celé toto spektrum kmitoètù, vyrábí se reproduktory pro jednotlivá kmitoètová pásma. Tak známe napø. reproduktory hloubkové, støedové a výkové. Existují sice i reproduktory irokopásmové, ty se vak pro kvalitní poslech pøíli nehodí. Aby kadý reproduktor obdrel právì ty kmitoèty, pro které byl vyroben, je tøeba mu pøísluné kmitoètové pásmo vybrat. K tomu slouí reproduktorové výhybky. Ty jsou sloeny z kombinací kondenzátorù a tlumivek, tvoøící kmitoètové filtry. Reproduktorová soustava (reprobox) pak obsahuje reproduktory pro jednotlivá kmitoètová pásma a pøísluné 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. Zvlátním druhem reproduktorových soustav jsou aktivní reprosoustavy. Tyto obsahují aktivní filtry, které rozdìlují kmitoètové spektrum na potøebný poèet pásem, za nimi pak následují koncové zesilovaèe, take kadý reproduktor má svùj vlastní zesilovaè. Aktivní reprobox je pak mono pøipojit pøímo za korekèní pøedzesilovaè. Kvalitnìjí aktivní reproboxy mohou být vybaveny automatikou, která, je-li pøítomen signál zapne zesilovaèe reproboxu. Vypne se rovnì automaticky, pokud na vstupu není pøítomen signál po urèenou dobu (napø. 2 minuty).
PARAMETRY NÍZKOFREKVENÈNÍCH ZESILOVAÈÙ Vekeré parametry nízkofrekvenèních zesilovaèù lze ovìøit mìøením, co je èinnost nároèná na teoretické i praktické znalosti a v neposlední øadì i na pøístrojové vybavení. Protoe 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 výky jsou v nulové poloze. Výstup je zatíen jmenovitou zátìí, na vstup jsou pøipojeny náhradní vstupní impedance jednotlivých vstupù viz tab. II. (str. 19). Zesilovaè má mít kmitoètovou charakteristiku 4016 000 Hz s odchylkou max. ±1 dB u lineárních vstupù a ±2 dB u korigovaných vstupù. Tento parametr je u moderních zesilovaèù splnìn vìtinou s velkou rezervou.
Odchylka mezi stereofonními kanály Zde povoluje norma DIN 45 500 pomìrnì velkou toleranci. Nemá-li stereofonní zesilovaè regulátor vyváení (balance), je povolena maximální odchylka mezi obìma kanály 3 dB. Jestlie je tento regulátor souèástí zesilovaèe a mùe-li nastavovat napìovou úroveò mezi obìma kanály alespoò o 8 dB, pak je povolena základní odchylka a 6 dB. 10
ZDENÌK KOTISA
A
Rozsah regulace vyváení lze jednodue kontrolovat voltmetrem, zapojeným na výstup zesilovaèe. Regulátor vyváení 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 a 6300 Hz. Pøitom je úèelné mìøit soubìh kanálù nejen pøi regulaci hlasitosti naplno, ale i pøi zmeneném zisku o 20 a 40 dB. Tím ovìøíme, zda ani pøi nejmeních hlasitostech nevyboèuje soubìh z povolených tolerancí. Zde toti bývají odchylky od pøedepsané hodnoty nejvyí. Na nesouhlasu prùbìhù hlasitosti se nejvìtí mìrou podílí nesoubìh obou polovin tandemového potenciometru hlasitosti.
Zkreslení signálu Budeme se zde zabývat nejvýraznìjími typy zkreslení, tj. harmonickým a intermodulaèním. Zkreslení harmonické Pøi mìøení harmonického zkreslení pøivádíme na vstup mìøeného zesilovaèe èistì sinusový signál, pøièem 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 sloky vyí harmonické kmitoèty, tj. kmitoèty násobkù základního kmitoètu generátoru. Rozliujeme dvì základní metody, jimi se zkreslení mìøí. 1) Mìøení pomocí kmitoètového analyzátoru ke zjitìní úrovnì jednotlivých vyích harmonických na výstupu. Výsledné zkreslení je v tomto pøípadì nutno vypoèítat podle vzorce. Toto mìøení je nejobjektivnìjí, nebo se pøi nìm prakticky neuplatòují cizí (ruivá) napìtí, která kadý zesilovaè produkuje. 2) Mìøení pomocí hornopropustného filtru (tzv. sumární mìøièe zkreslení), pomocí kterého se zjiuje obsah vech vyích harmonických v pùvodním signálu. Pøi tomto mìøení se vak podle okolností mohou uplatòovat cizí, (ruivá) napìtí a zvlátì 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 zajitìno co nejpøesnìjí mìøení, nemìlo by zkreslení pouitého generátoru pøesahovat asi tak desetinu mìøeného zkreslení. Protoe kvalitní zesilovaèe dosahují A
NF ZESILOVAÈE 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE
11
zkreslení øádovì desetin a setin procenta, bývá zajitìní podobného generátoru více ne obtíné. Proto se v takovém pøípadì doporuèuje zaøadit mezi výstup tónového generátoru a vstup mìøeného zesilovaèe dostateènì strmý hornopropustný filtr, který potøebným zpùsobem zmení obsah vyích harmonických v budicím signálu. Harmonické zkreslení mìøíme obvykle nejen na 1 kHz, ale i na jiných kmitoètech, pøièem jsou doporuèeny kmitoèty 40, 100, 400, 1000 a 6300 Hz. Podle normy DIN 45 500 jsou pro tøídu HI-FI povolena tato nejvìtí zkreslení: l l l
Pøedzesilovaèe smìjí mít èinitel zkreslení nejvýe 0,7 v rozsahu od 40 do 4000 Hz a to pøi plném vybuzení vstupním signálem. Koncové zesilovaèe smìjí mít èinitel zkreslení rovnì nejvýe 0,7 %, avak 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 té pøi napìové úrovni o 26 dB mení, ne odpovídá jmenovitému výkonu. Výstupní výkon vak poté nesmí být mení, ne 2 × 50 mW u stereofonního, nebo 100 mW u monofonního zesilovaèe. Zkreslení intermodulaèní Tento druh zkreslení vzniká rovnì nelinearitou pøenosových èlenù, projevuje se vak ponìkud odlinì a ve svých dùsledcích je rozhodnì nepøíjemnìjí, ne zkreslení harmonické. Harmonické zkreslení mìøíme signálem jediného kmitoètu. To vak neodpovídá praxi, nebo v praxi reprodukujeme v kadém okamiku øadu souèasnì znìjících tónù. Zjednoduíme-li tento pøípad na dva tóny, pak na nelinearitì pøenosových èlenù vznikají nové signály, jejich kmitoèty jsou souètem èi rozdílem tónù základních a samozøejmì i jejich vyích harmonických. Snadno odvodíme, e k pùvodním signálùm nemají ádný harmonický vztah, co je v reprodukci nepøíjemnìjí, ne produkty harmonického zkreslení. Mìøí se ponìkud obtínìji, nebo je tøeba pøivést na vstup zesilovaèe signály dva a to (podle DIN 45 500) 250 Hz a 8000 Hz, pøièem signál 250 Hz má mít úroveò ètyøikrát vyí a zesilovaè jím má být vybuzen na 80 % napìtí, odpovídající jmenovitému výstupnímu výkonu. K vyhodnocení je zde nezbytnì nutné pouít kmitoètový analyzátor a pak vyhodnotit zjitìné úrovnì. Je povoleno maximální intermodulaèní zkreslení 2 %.
12
ZDENÌK KOTISA
A
Oba druhy zkreslení jsou ve vzájemném vztahu (i kdy ne pøesnì matematicky definovanému), take lze pøedpokládat, e pokud snáze mìøitelné harmonické zkreslení nepøekroèí povolenou hranici, bude i intermodulaèní zkreslení v pøijatelných mezích.
Pøeslech mezi kanály Jedná se o neádoucí jev, pøi kterém se u stereofonních zesilovaèù signál z levého kanálu dostává do pravého a opaènì. Mìøíme jej tak, e jeden kanál stereofonního zesilovaèe vybudíme na jmenovitý výkon, pøièem regulátor hlasitosti nastavíme naplno a tónové korekce na pokud mono vyrovnaný kmitoètový prùbìh. Vstupy a výstupy zatííme jmenovitými impedancemi, naèe 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 a 10 000 Hz nejménì 30 dB. Norma DIN 45 500 doporuèuje mìøit pøeslech i pøi rùzném nastavení regulátoru hlasitosti (a do 40 dB), pøípadnì pøi rùzném nastavení tónových korektorù. Pøeslech mezi kanály je patrnìjí pøi zvyujících se kmitoètech a to napø. jako dùsledek neádoucích kapacitních vazeb, je tedy vhodné ovìøit si hodnoty pøeslechù v oblasti vyích 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, e nejprve ke vem vstupùm zapojíme pøedepsané náhradní impedance a na výstup pøedepsaný zatìovací 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 vechny ostatní vstupy, (které jsou bez signálu) a mìøíme zbytkové napìtí na výstupu. Signál 1000 Hz musí mít na výstupu nejménì o 50 dB mení úroveò, signály v pásmu 25010 000 Hz alespoò o 40 dB. Pøi mìøení volíme rùzné kombinace vstupù, to znamená, e zdroj signálu zapojujeme postupnì na rùzné vstupy. Pøeslech mezi jednotlivými vstupy mùe 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 pouíváme mechanické pøepínaèe vstupù, je toto nebezpeèí podstatnì mení, ne pøi nevhodném zapojení elektronických pøepínaèù. A
NF ZESILOVAÈE 1. DÍL PØEDZESILOVAÈE
13