Zesilovače - výkony a limitace

zdroj: golias.cz

Motto: "Cokoliv pustíte na plný výkon, porouchá se to" (Murphyho zákon). Zesilovač je jistě nejzákladnějším a nejdůležitějším komponentem v každé hifi sestavě. Signál dodaný na jeho vstup je nutné zesílit napřed napěťově a posléze proudově, abychom zvýšili jeho výsledný výkon natolik, že při dodání do zátěže (reproduktorových soustav) bude dosaženo akustického tlaku, který nám umožní kvalitní poslechový zážitek. Nechci v tomto článku příliš zacházet do podrobností o konstrukčních detailech jeho jednotlivých obvodů (stupňů), chci se soustředit pouze na jeden problém související s jeho výkonem.

Jak z učebnic fyziky jistě víte, elektrický výkon na zátěži získáme vynásobením napětí a proudu, který touto zátěží protéká. Tato jednoduchá definice však platí pouze v případě stejnosměrného napětí, resp. proudu. U střídavého (síťového) napětí je situace poněkud složitější. Výše zmíněný způsob určení výkonu můžeme použít pouze na odporové zátěži, tj. takové, která elektrickou energii proměňuje v teplo (vařič, topné těleso, žárovka...). Jakmile má zátěž vestavěn prvek s akumulačními vlastnostmi (nejčastěji síťový transformátor), musíme kromě činného výkonu (který roztáčí elektroměr a za něž všichni tak rádi platíme) vzít v úvahu i výkon jalový, který se v zátěži nespotřebovává, ale akumuluje, a ve vhodném okamžiku je vracen zpět do sítě.

Domácnosti naštěstí za "odběr" jalového výkonu neplatí (u firem je tomu naopak), jinak by nás to nutilo jej kompenzovat vhodným kombinováním spotřebičů - museli bychom ke spotřebiči s transformátorem současně používat i kapacitní zátěž. U hudebního signálu je situace ještě komplikovanější, neboť tento signál je sice střídavý, ale nikoliv periodický (jako je tomu u sinusového napětí v síti). Zjednodušeně lze říci, že akustický signál je složen z teoreticky nekonečného počtu dílčích sinusových složek (tzv. harmonických) o různé velikosti a kmitočtu. Ty pak společně vytvářejí střídavé napětí, které po přivedení do reproduktoru vnímáme jako hlásku, tón, akord...

Určit výkon takto složeného signálu je mnohem komplikovanější. Museli bychom mj. spočítat velikost napětí všech jednotlivých harmonických složek, které se přitom u hudebního signálu v každém časovém okamžiku mění, takže se v podstatě jedná o úkol pro elektrotechnickou laboratoř vybavenou spektrálním analyzátorem. Nejen proto je "měření výkonu" pomocí tzv. VU metrů vestavěných v některých zesilovačích poněkud zavádějící. V technických parametrech výrobci uvádějí tzv. jmenovitý výkon zesilovače do předepsané čistě odporové zátěže (4 nebo 8Ω) se sinusovým signálem o kmitočtu 1kHz reprodukovaný oběma kanály. Příp. maximální (hudební) výkon je měřen při reprodukci pouze jedním kanálem, pročež se jedná o nejvyšší možnou hodnotu, které je zesilovač schopen dlouhodobě dosáhnout. Špičkový výkon přístroj vyvine při impulzním vybuzení s využitím energie nahromaděné ve filtračních kondenzátorech. Po jeho překročení se zesilovač dostane do tzv. limitace, která představuje velké nebezpečí pro připojené reprosoustavy. Pokud zesilovač pracuje v limitaci, jeho výstupní napětí na reprosvorkách se přiblíží napětí napájecímu, výkonový stupeň již není schopen přenést signál v nezkreslené podobě, pročež amplituda bude omezena právě na hodnotě napájecího napětí - signál bude tzv. "oříznut". Na reprosvorkách se objeví krátkodobé úseky, které budou mít charakter stejnosměrného napětí. Trvají zpravidla velmi krátkou dobu, nicméně s ohledem na svoji velikost (až 20V při 100W výkonu na reproduktoru o impedanci 4Ω) snadno poškodí reproduktor, který by se jinak po výskytu stejnosměrného napětí této velikosti na svých svorkách téměř okamžitě zničil. Impedanční charakteristika většiny reprosoustav je navíc silně kmitočtově závislá, čímž může na určitých kmitočtech docházet k limitaci i při vybuzení na úroveň, která ještě neodpovídá maximálnímu výkonu.

Při "odběhu" signálu z limitace má navíc mnoho přístrojů sklony k tvorbě překmitů a "odtrhů", které svojí špičkovou úrovní mohou rovněž reprosoustavám ublížit. Není tedy pravdivá domněnka, že "slabým" zesilovačem nelze poškodit "silné" reprosoustavy, spíše je tomu naopak. Reproduktory s velkou zatížitelností mívají zpravidla menší citlivost, která nutí poslouchajícího k vytáčení regulace hlasitosti u zesilovače s malým výkonem do krajnější polohy, čímž zvyšujete pravděpodobnost provozu v limitaci. Navíc s ohledem na charakter spektra hudebního signálu si tento stav ani nemusíte uvědomit, a přitom k poškození reproduktorů touto cestou stačí relativně krátká doba.

Dalším úskalím pro reproduktory jsou tónové korekce na zesilovači, které jsou schopny zpravidla zdůraznit okrajová kmitočtová pásma až o 12dB. Každé 3dB navíc přitom znamenají dvojnásobný výkon na výstupu, takže si lze celkem snadno představit, co hrozí našim výškovým reproduktorům, když vytočíme regulátor Treble do maximální polohy a zesílíme zvuk - obdobná situace nastane při stejném použití regulátoru Bass v souvislosti s basovými reproduktory, nemluvě o různých ekvalizérech. Všechny tyto projevy jsou samozřejmě doprovázeny výrazným zkreslením signálu, které se podobá zkreslení přechodovému. Názornější ukázky různorodého chování zesilovačů v limitaci sinusového signálu ukazují přiložené grafy.

Citlivost reproduktorových soustav je vyjádřena akustickým tlakem měřeným při reprodukci sinusového signálu 1kHz s výkonem 1W ve vzdálenosti 1m od reprosoustavy. Slušná hodnota činí cca 90dB, a pro zvýšení hladiny o 3dB musíte výkon vždy zdvojnásobit. Na první pohled se tedy zdá, že k dostatečnému poslechu postačí zesilovač s výkonem 3-5W, avšak hudební signál má zcela odlišnou charakteristiku přenášeného výkonu než sinusový kmitočet a navíc akustický tlak klesá se čtvercem vzdálenosti od svého zdroje. Protože dynamický rozsah běžného CD přehrávače dosahuje cca 96dB, je patrné, že minimální hodnota výkonu pro plnohodnotnou domácí reprodukci činí alespoň 100W na kanál.