Wzmacniacze - poradnik

OTO, JAKIE PARAMETRY SĄ PODAWANE PRZEZ PRODUCENTÓW WZMACNIACZY I CO INTERESUJE BARDZIEJ DOŚWIADCZONYCH UŻYTKOWNIKÓW

  1. pasmo przenoszenia
  2. charakterystyka częstotliwościowa
  3. stosunek sygnału do szumu
  4. współczynnik zawartości harmonicznych
  5. dynamika sygnału(dB)
  6. współczynnik tłumienia
  7. maksymalna moc znamionowa
  8. obciążalność wyjścia
  9. sprawność energetyczna

Na początek zacznę nie po kolei. Będę się kierował tym, o co najczęściej pytają początkujący Audiofile.

 

CO TO JEST WZMACNIACZ? DO CZEGO SŁUŻY? JAKIE POWINIEN MIEĆ PARAMETRY?

Wydawałoby się, że na te pytania potrafi odpowiedzieć każdy. Ale czy na pewno każdy zna prawidłową odpowiedź na wszystkie? Wątpię. 

Dwa pierwsze pytania wydają się proste. Generalnie wzmacniacz służy do wzmacnianie sygnału (Mówimy tu o przebiegach zmiennych częstotliwości akustycznych). Wzmocnienie sygnału potrzebne jest nam w wielu dziedzinach. Urządzenia na początku toru audio takie jak: wkładka gramofonowa, głowica magnetofonowa czy mikrofon dynamiczny, albo gitara elektryczna wytwarzają sygnały o bardzo małym poziomie napięcia.  Mówimy tu o poziomie kilku miliwoltów i bardzo małej mocy. Aby uzyskać właściwy do napędzenia głośnika sygnał musimy je zamienić na przebiegi zmienne o kształcie identycznym jak te wychodzące ze wspomnianych wcześniej urządzeń, lecz o poziomie mierzonym w woltach i o odpowiedniej mocy, czyli tysiące razy większe.

Wzmacniacz słuchawkowy ma podobne parametry wejściowe, co daje możliwość podłączenia różnych źródeł sygnału, lecz na wyjściu pojawia się sygnał zdolny napędzić słuchawki. Jest to sygnał o wielokrotnie mniejszej mocy, niż ten do napędzenia głośników. Są przedwzmacniacze gramofonowe, które są też wzmacniaczami. Wzmacniają mały sygnał z wkładki gramofonowej do poziomu 0,7V, czyli standardu przyjętego w przypadku łączenia różnych urządzeń z naszym wzmacniaczem.

I do tego służy wzmacniacz akustyczny stereo, czyli urządzenie, które zapewni nam wzmocnienie sygnału do poziomu, którego oczekujemy.

Z pytaniem trzecim to będzie już pewien problem. O jakich parametrach mówimy? Poziom zniekształceń? Każdy wie, że dobry wzmacniacz ma się charakteryzować jak najmniejszymi zniekształceniami.

 

ZNIEKSZTAŁCENIA

Zniekształcenie jest to każdego rodzaju odstępstwo sygnału osiągniętego na wyjściu wzmacniacza w stosunku do sygnału zadanego, czyli tego na wejściu. Istnieje z grubsza kilka rodzajów zniekształceń. Pierwsze, to zniekształcenia liniowe, które charakteryzują się ograniczaniem pasma przenoszenia wzmacniacza i zakłóceniami w samym kształcie amplitudy.

Drugie, to zniekształcenia nieliniowe. O tych zniekształceniach mówimy wtedy, gdy na wyjściu układu pojawiają się dodatkowe elementy, których nie było na wejściu wzmacniacza. Mogą to być dodatkowe przebiegi o częstotliwościach wyższych, tzw. harmoniczne. Dla odtwarzanego sygnału o częstotliwości 1 000Hz dodatkowe częstotliwości, które są parzystymi wielokrotnościami tonu podstawowego to 2kHz, 4kHz, itd. Natomiast sygnały o częstotliwościach 3kHz, 5kHz, itd. Są nieparzystymi harmonicznymi. Pojawienie się tych drugich, które w brzmieniu instrumentów występują znacznie rzadziej, jest odbierane jako wyraźne nieczystości, dające ostrość i metaliczność odtwarzanego dźwięku.  Wszystkie harmoniczne - parzyste i nieparzyste, składają się na parametr THD (total harmonic distortion - całkowite zniekształcenia harmoniczne), który podawany jest przez producentów w procentach - jest to procent względem sygnału podstawowego.

W niektórych konstrukcjach wzmacniaczy może się pojawić na wyjściu coś bardziej groźnego, czyli stały przebieg o częstotliwości ponadakustycznej. Będzie on niesłyszalny, ale może wiele narozrabiać w samym wzmacniaczu, a w szczególności w głośnikach.

W zasadzie każdy wzmacniacz wytwarza wszystkie opisywane tu zniekształcenia. Ważne aby było ich jak najmniej, lub w przypadku tego ostatniego – aby go nie było wcale.

Przykładowy wykres zawartości harmonicznych wzmacniacza
Przykładowy wykres zawartości harmonicznych wzmacniacza

 

MOC WZMACNIACZA

Co to jest moc wzmacniacza?

Nie zadawalibyśmy tego pytania, gdyby nie Georg Simon Ohm, który w 1827 rokusformułował prawo opisujące związek pomiędzy natężeniem prądu elektrycznego a napięciem elektrycznymw funkcji oporności, znane współcześnie jako prawo Ohma.

A na poważnie to mamy kolumny głośnikowe o oporności (rezystancji) np. 4 Ohm. Przyjmijmy tą wielkość jako wielkość stałą, ponieważ zajmujemy się wzmacniaczami.

Nasz wzmacniacz ma wytworzyć i pokazać na wyjściu sygnał (pamiętamy – bez zakłóceń) który spowoduje, że do zespołu głośnikowego popłynie prąd o mocy takiej (moc = prąd x napięcie), jaką dla danej kolumny głośnikowej zaleca producent. Proszę zauważyć, że inna moc wzmacniacza podawana jest dla różnych oporności kolumn głośnikowych (tu się kłania prawo OHMA). Aby wzmacniacz był zdolny wytworzyć odpowiednią moc należy spełnić kilka warunków. Nie chcę tu wdawać się w teoretyczne wywody, będę operował przykładami.

Pierwszym elementem wzmacniacza, który ma wpływ na jego moc, jest zasilacz. Odpowiednio duży i wydajny prądowo transformator sieciowy to podstawa. Tak jak dla zapewnienia odpowiedniej dynamiki samochodu konieczny jest właściwy silnik. Nie bez znaczenia jest też sposób przekazywania energii z zasilacza do końcówki mocy. Obecnie stosuje się częściej tańsze, lecz stanowiące pewne ograniczenia w tym względzie stabilizatory elektroniczne.

Już na pierwszy rzut oka niefachowcy też zauważą, że nawet na schematycznym rysunku połączenie                                            transformatora z końcówką mocy jest realizowane poprzez półprzewodnikJuż na pierwszy rzut oka niefachowcy też zauważą, że nawet na schematycznym rysunku połączenie transformatora z końcówką mocy jest realizowane poprzez półprzewodnik

 

Są one bardziej popularne niż niekiedy wciąż stosowane w niektórych konstrukcjach rozwiązania z początku ubiegłego wieku w postaci „galwanicznego” przekazywania energii poprzez dławik, gdzie straty energii są minimalne.

Na powyższym schemacie widać, że pomiędzy transformatorem, a końcówką mocy jest dławik,  oznaczony L, przez który jest przekazywana energia z zasilacza do końcówki mocyNa powyższym schemacie widać, że pomiędzy transformatorem, a końcówką mocy jest dławik oznaczony L, przez który jest przekazywana energia z zasilacza do końcówki mocy

 

Na moc wzmacniacza ma też wpływ końcówka mocy, a więc ostatni układ w torze wzmocnienia wzmacniacza. Parametry użytych tranzystorów lub lamp wpływają na to, co dany wzmacniacz sobą reprezentuje. Wzmacniacz, podobnie jak silnik samochodowy ma określoną moc. Ale czy tylko moc świadczy o tym jak wzmacniacz wysterowuje kolumny głośnikowe? Czy jest jeszcze coś? Otóż jest. Od niedawna producenci samochodów podają oprócz mocy inny parametr, czyli moment obrotowy silnika. Silniki samochodowe o wyższym momencie obrotowym, pomimo nieraz mniejszej mocy są dynamiczniejsze. Dla wzmacniacza takim momentem obrotowym jest wydajność prądowa. Ci producenci, którzy mają się czym pochwalić od pewnego czasu podają wydajność prądową wyrażaną w amperach. Ten parametr wpływa na lepszą kontrolę przetworników o większym zapotrzebowaniu na energię, czyli niskotonowych. Reprodukowany bas jest krótki, nierozwleczony a przy tym mocny i naturalny.

Dla przykładu: konstrukcje w pełni cyfrowe Lyngdorfa charakteryzują się bardzo wysokim poziomem wydajności prądowej i tak np. 30A dla wzmacniacza Lyngdorf TDAI-2170, 40A dla Lyngdorf TDAI-3400 i ponad 60A dla Lyngdorf MILLENNIUM. Prawdziwa spawarka!!!

Jaką moc powinien mieć wzmacniacz w naszym systemie stereo?

Kiedyś przyjmowało się 100W dla kolumn o mocy 200W i „niech sąsiedzi słyszą, że mamy porządny sprzęt”.

Obecnie producenci kolumn głośnikowych często nie podają ich mocy. Poza innymi parametrami kolumny głośnikowe mają podany zakres mocy wzmacniacza, z jakim powinny pracować. Zakres jest dość duży i dla niektórych kolumn głośnikowych może wynosić od 45W do 250W. Dla lepszego odtwarzania niskich tonów i nie znając przy tym wydajności prądowej wzmacniacza zalecałbym stosowanie wzmacniaczy o mocy bliskiej maksymalnej dopuszczalnej przez producenta kolumn.

Producenci podają najczęściej dla danego wzmacniacza moc znamionową RMS (nominalną) czyli wartość, przy której urządzenie pracuje zgodnie z normami lub zaleceniami producenta. Przekroczenie tej wartości powoduje nieprawidłową pracę urządzenia, zmianę parametrów lub jego uszkodzenie. Moc podawana jest z reguły dla dwóch rezystancji obciążenia np. dla 4 i 8 ohm.

 

PASMO PRZENOSZENIA

Jest to parametr, świadczący o tym jakie możliwości odtworzenia dźwięku posiada dany wzmacniacz. Najczęściej wartość ta w znacznym stopniu wykracza poza częstotliwość, którą jesteśmy w stanie usłyszeć i dla niektórych konstrukcji osiąga poziom 100 000 Hz (100 kHz). Wbrew temu, co powiedzieliby sceptycy ma to uzasadnienie. Wzmacniacz, który ma tak wysokie pasmo przenoszenia będzie łatwiej odwzorowywał częstotliwości, które są naniesione na sygnał podstawowy (muzycy mówią na to alikwoty). Mówiąc prościej będzie szybszy, a więc wierniejszy.

Przykładowy wykres charakterystyki częstotliwościowej wzmacniaczaPrzykładowy wykres charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza

 

STOSUNEK SYGNAŁU DO SZUMU 

Stosunek sygnału do szumu (SNR, czyli signal-to-noise ratio) jest to miara porównująca poziom sygnału użytecznego wzmacniacza porównywanego do poziomu szumu, czyli tego, co słychać z głośnika przy ustawionym maksymalnym poziomie słuchania bez podawania sygnału.  Jest definiowana jako stosunek mocy sygnału użytecznego do mocy szumu  i jest wyrażona w decybelach (dB). Ujmując rzecz prościej wzmacniacz, który ma mały SNR będzie w praktyce mocno szumiał. Da się to przede wszystkim usłyszeć wtedy, kiedy nie podamy jeszcze sygnału. W czasie grania, co jest mniej słyszalne, odtwarzana muzyka będzie zakłócana (modulowana) szumem wzmacniacza.

 

DYNAMIKA

Dynamika sygnału – różnica (w decybelach) pomiędzy najniższym a najwyższym poziomem sygnału. W odniesieniu do muzyki: jeżeli muzyka jest raz bardzo cicha, a raz bardzo głośna, wtedy jej dynamikajest duża. Z reguły dynamika dobrego wzmacniacza wynosi ok. 110 dB

Używając takiego wzmacniacza w pokoju, gdzie zwykło się przyjmować poziom tła (to co słychać, gdy jest pozorna cisza) w granicach 40 dB i mając na względzie, że trzeba zapewnić 10 dB zapasu dynamikiosiągniemy dynamikę odsłuchu 60 dB

Typowym nieporozumieniem jest określenie że muzyka jest dynamiczna, przez co rozumie się, że zespół gra cały czas bardzo głośno. Jednak, z punktu widzenia dynamiki, taki zespół gra z bardzo małą dynamiką, ponieważ różnica pomiędzy najcichszym a najgłośniejszym miejscem wykonywanych utworów jest mała lub nie ma jej wcale.

 

WSPÓŁCZYNNIK TŁUMIENIA

Czyli  damping factor. Jest to stosunek impedancji (oporności) obciążenia do impedancji źródła;

Nie jest to głośność, czy jej zmniejszenie. Jest to tłumienie układu rezonansowego głośnika - im wyższe, tym lepiej, ponieważ wpływa na lepszą „kontrolę” basu. 

Membrana głośnika, która porusza się na skutek oddziaływania prądu płynącego w jego cewce drgającej w polu magnetycznym magnesu stałego, potrafi szybko zmienić kierunek ruchu dzięki indukowaniu się w cewce prądu płynącego w przeciwnym kierunku. Prąd ten popłynie tym swobodniej przez cały obwód wzmacniacz - głośnik, im obwód ten będzie miał niższą rezystancję łączną. Na rezystancję tę (poza rezystancją cewki samego przetwornika) składają się szeregowe elementy filtru (cewki dolnoprzepustowe), przewody połączeniowe, jak i rezystancja wyjściowa wzmacniacza (to nie to samo co rekomendowana impedancja podłączanych zespołów głośnikowych!).

Np. współczynnik tłumienia 100 (wartość niemianowana, bo jest on stosunkiem dwóch impedancji), dla kolumny 8 ohm, wymaga rezystancji wyjściowej wzmacniacza 0,08 ohm, co jest bardzo dobrym wynikiem.

Natomiast współczynnik tłumienia10 oznacza, że wzmacniacz ma rezystancję 0,8 ohm.  Skutkiem czego będzie słyszalny negatywny wpływ na zachowanie impulsowe głośnika.

Wzmacniacze lampowe mają przeważnie wysokie impedancje wyjściowe, a więc niskie współczynniki tłumienia. W przypadku ich używania należy precyzyjnie dobierać kolumny głośnikowe, które powinny charakteryzować się tzw. szybkim basem i być łatwymi do napędzenia. Tanie wzmacniacze tęż z reguły mają niski współczynnik tłumienia, natomiast najlepsze tranzystorowe końcówki mocy potrafią osiągnąć współczynnik tłumieniana poziomie kilkuset.

 

OBCIĄŻALNOŚĆ WYJŚCIA

Jest to zakres dozwolonej impedancji stosowanych zestawów głośnikowych, zależnej od częstotliwości. Jak wiadomo kolumny głośnikowe posiadają po kilka przetworników. Sygnał ze wzmacniacza rozdzielany jest w kolumnie przez zestaw filtrów, czyli zwrotnicę (crossower). Wypadkowa oporność kolumny podawana jest, jako średnia dla częstotliwości 1000Hz. Przy tradycyjnych konstrukcjach może ona spaść dla niektórych częstotliwości do niebezpiecznie niskiego poziomu, co nie jest zdrowe dla tego wzmacniacza, który ma stosunkowo wysoką wartość minimalnej obciążalności. (wartości te są często na poziomie 2 ohm).

 

SPRAWNOŚĆ

Sprawność jest zależna od zastosowanego wzmacniacza mocy i oznacza jaki procent energii pobranej z gniazdka elektrycznego zostanie oddany w postaci dźwięku do kolumn głośnikowych.

Najgorszy współczynnik sprawności posiadają wzmacniacze lampowe. Może to być w skrajnych przypadkach od kilku do ok. 20%, czyli 80% i więcej energii pobranej z gniazdka zamienia się w ciepło. Wzmacniacze lampowe są dobre na zimę :)

Dla tradycyjnych wzmacniaczy tranzystorowych przyjmuje się średnią wartość rzędu 50%.

Najlepiej tu wypadają wzmacniacze impulsowe klasy D, a w szczególności wzmacniacze cyfrowe, których sprawność może osiągnąć wartość ponad 95%.

 

RODZAJE WZMACNIACZYZE WZGLĘDU NA BUDOWĘ

Ze względu na budowę wzmacniacze stereofoniczne dzielą się na:

Wzmacniacz zintegrowany stereo
Wzmacniacz zespolony stereo, jest to najprostsza i najczęściej spotykana konstrukcja. Wewnątrz obudowy znajduje się jeden zasilacz z pojedynczym transformatorem sieciowym i dwa tory wzmocnienia zbudowane na jednej wspólnej płycie. Taki wzmacniacz charakteryzuje się stosunkowo dużym wpływem jednego kanału na drugi. Jest to konstrukcja najtańsza.

Wzmacniacz zespolony dual mono
Stereofoniczny wzmacniacz zespolony dual mono jest to konstrukcja, w której w jednej obudowie zostały umieszczone dwa monofoniczne wzmacniacze. Teoretycznie z łatwością dałoby się je rozdzielić.

Zaletą takiego rozwiązania jest fakt, że minimalizuje się wpływ jednego z odtwarzanych sygnałów na drugi. Mówię tu o zminimalizowaniu, ponieważ w dalszym ciągu ten wpływ pozostaje. Dokonuje się to przez wzajemny wpływ pól elektromagnetycznych wytwarzanych wewnątrz obudowy przez elementy poszczególnych torów.

Przedwzmacniacz plus końcówka stereofoniczna
W związku z umieszczeniem części wysokoczułej wzmacniacza (przedwzmacniacz) w oddzielnej obudowie, a wzmacniacze mocy w drugiej, a co za tym idzie zastosowaniu oddzielnego zasilacza dla poszczególnych sekcji uzyskujemy dobrą separacją obwodów wrażliwych, co wpływa na lepszą i stabilniejszą ich pracę. Pozostaje tu wzajemny wpływ dwóch torów wzmacniacza na poziomie końcowym.

Przedwzmacniacz plus dwa monobloki
Najambitniejsza konstrukcja jeśli chodzi o rozdział poszczególnych sekcji. Jak we wzmacniaczu z oddzieloną końcówką stereofoniczną uzyskujemy dobrą separacją obwodów wrażliwych, co wpływa na lepszą i stabilniejszą ich pracę, a jednocześnie separujemy zasilacze poszczególnych końcówek pomiędzy sobą co całkowicie eliminuje wpływ jednego z odtwarzanych sygnałów na drugi. Jest to rozwiązanie najlepsze dla klasycznych wzmacniaczy tranzystorowych i lampowych, niestety najdroższe.

 

RODZAJE WZMACNIACZYZE WZGLĘDU NA KONSTRUKCJĘ

Używane dziś wzmacniacze ze względu na rodzaj użytych elementów wzmacniających dzielą się na:

Wzmacniacze lampowe, w których w całym torze wzmocnienia zostały użyte lampy elektronowe.
Wzmacniacze takie mogą posiadać konstrukcję SE, czyli single ended (pojedynczy koniec), a więc w końcówce mocy pracuje pojedyncza lampa. W układzie SE mogą też pracować wzmacniacze tranzystorowe. Takie wzmacniacze pracują przeważnie w klasie A. Ich zaletą jest fakt, że sygnał akustyczny nie jest dzielony na górną i dolną połówkę i jest wysyłany do dwóch elementów wzmacniających, a więc pracują liniowo przez cały cykl. W tym wypadkumożna ustawić zakres pracy elementu wzmacniającego w najbardziej liniowym fragmencie jego charakterystyki. Istnieje też układ single ended parallel, w którym większa ilość lamp wzmacniacza końcowego pracuje równolegle. W takim przypadku moc wzmacniacza jest sumą mocy poszczególnych lamp. Klasa A kojarzona jest z niskimi zniekształceniami oraz wysoką jakością dźwięku. Wadą takich układów jest jednak bardzo niska sprawność energetyczna (zwykle od kilku do kilkunastu procent), z czym wiąże się wysoka emisja ciepła.

Innym rodzajem wzmacniaczy lampowych są konstrukcje push-pull, czyli pchaj-ciągnij. Ta konstrukcja jest sprawniejsza od single ended, tak jak sprawniej działa zespół dwóch drwali, którzy piłują pień, używając piły dwuosobowej od tego, który w pojedynkę męczy się przy pomocy prostej piły. W układzie push-pull sygnał akustyczny po wzmocnieniu wstępnym jest w stopniu odwracania fazy rozdzielony na dwie połówki, skąd jest przesłany do dwóch oddzielnych końcówek mocy. Po wzmocnieniu oba sygnały zostają połączone w jedną całość na transformatorze głośnikowym. Zaletą takiej konstrukcji jest możliwość uzyskania większej mocy i sprawności. Wadą jest dużo większy współczynnik zniekształceń wynikający m.inn. z niesymetrii lamp w obu torach.

Wzmacniacze łączone, czyli hybrydy lampowo tranzystorowe.
W celu zatrzymania ciepłego, łagodnego brzmienia lampowego przy jednoczesnym wyeliminowaniu wad wzmacniacza lampowego niektórzy konstruktorzy decydują się na połączenie techniki lampowej z tranzystorową. W takich konstrukcjach wzmacniacz wstępny jest do pewnego momentu realizowany na lampach, a końcówka na tranzystorach. Uzyskujemy w ten sposób ciepły, lampowy dźwięk o dużej tranzystorowej mocy i lepszej niż lampowa wydajności prądowej, co ułatwi dobór kolumn głośnikowych.

Wzmacniacze tranzystorowe
W drugiej połowie ubiegłego wieku dało się zaobserwować przejście z techniki lampowej na tranzystorową. Pierwsze wzmacniacze tranzystorowe były niezbyt udane, ale wraz z pojawianiem się coraz doskonalszych półprzewodników konstruktorzy osiągnęli w zakresie wzmacniaczy tranzystorowych zadowalające, lub zgoła wspaniałe opracowania. Dziś wzmacniacze tranzystorowe stanowią znaczącą większość urządzeń na rynku audio HiFi.

Tak jak w technice lampowej, wzmacniacze tranzystorowe są tworzone w różnych klasach. Od mało efektywnej, lecz pozbawionej w znacznym stopniu zakłóceń klasia A, poprzez klasę AB, klasę B, Klasę C aż do klasy D. Każda następna klasa po klasie A ma coraz większą sprawność. Każda charakteryzuje się cechami, które stanowią zalety i wady poszczególnych konstrukcji, czego w tym poradniku nie chciałbym omawiać ze względu na konieczność podpierania się dość skomplikowaną teorią.

Wspomnę tylko, że wzmacniacze klasy D są niesłusznie utożsamiane z najnowszymi konstrukcjami, czyli ze wzmacniaczami cyfrowymi (ponieważ D – jak digital).

Pierwszym wzmacniaczem cyfrowym był TACT MILLENNIUM, zbudowany przez zespół Petera Lyngdorfa na czas przełomu milenijnego. Prezentowaliśmy go po raz pierwszy na Audio Show w roku 1999.


Lyngdorf Millenium

Obecnie istnieje czwarta generacja wzmacniacza MILLENNIUM oraz konstrukcje pochodne, zawierające w sobie jedyny w swoim rodzaju system elektronicznej korekcji akustycznej pomieszczenia ROOMPERFECT oraz w przypadku wzmacniacza Lyngdorf TDAI-3400 doskonały odtwarzacz sieciowy (streamer). Wzmacniacze cyfrowe charakteryzują się nieprzeciętną precyzją i wiernością odtwarzania dźwięku, dużą wydajnością prądową, gdzie najsłabszy (Lyngdorf TDAI-2170) daje 30A sygnału akustycznego na kanał, Lyngdorf TDAI-3400 daje 40A, a najmocniejszy (Lyngdorf Millennium) ponad 60A, a także sprawnością bliską 100%.