Teoretický úvod Audio technika obecně je obor, zabývající se zpracováním zvuku a je poměrně silně spjat s elektroakustikou. Elektroakustika do sebe zahrnuje především elektrotechnická zařízení od akusticko-elektrických měničů (mikrofonů), přes korekce a mixážní pulty, předzesilovače, zesilovače a koncové (výkonové) zesilovače až po měniče elektricko-akustické (reproduktory). Zesilovače je aktivní elektrický prvek, který má za úkol zvyšovat hodnotu výstupního napětí/proudu/výkonu oproti vstupnímu. Rozdělují se podle mnoha hledisek, např. podle zesilovaného frekvenčního pásma (stejnosměrné, nízkofrekvenční a vysokofrekvenční), podle stupně zapojení (předzesilovače, zesilovače, výkonové (koncové) zesilovače), podle použitého spínacího prvku (elektronkové, tranzistorové- s bipolárními nebo unipolárními tranzistory, s operačním zesilovačem). V dnešní době nejpoužívanější tranzistorové zesilovače se dělí do tříd, které se vykazují charakteristickými vlastnostmi. Třída A - zesilovač má stejnosměrný pracovní bod umístěn uprostřed charakteristiky díky bázovém předpětí, takže zesiluje obě půlvlny ale i při nulovém buzení odebírá proud. Třída B - zesilovač má pracovní bod na začátku lineární části charakteristiky, takže zesiluje pouze jednu půlvlnu (na zesílení celé charakteristiky je potřeba komplementární dvojice). Tím však nastává přechodové zkreslení v okolí nuly. Třída AB je spojení třídy A a B. Zesilovač má tedy malé zkreslení jako třída A, ale nemá tak velký klidový odběr. Třída C - se používá jako vf zesilovač. Třída D - pracuje v tzv. spínacím režimu, tedy tranzistory jsou buďto plně uzavřeny nebo plně otevřeny (saturují). a další (E, H, ) Zesílení zesilovače je jeho nejzákladnější parametr. Udává, kolikrát je výstupní napětí/proud/výkon větší než vstupní. Je to tedy bezrozměrné číslo, ale často se udává v decibelech (db), což je přenos vyjádřený logaritmicky. Pro napěťový přenos platí: A U = U 2 U 1 [ - ; V, V ] a U =20 log A U [ db ; - ] Kromě zesílení mezi důležité parametry zesilovače patří také jeho citlivost. Ta udává při jakém vstupním napětí má zesilovač nejvyšší výkon (těsně před saturací). Obvykle se pohybuje v řádech jednotek až stovek milivoltů. Výstupní výkon je pak dán výstupním napětím při citlivosti při protékajícím výstupním proudu, obvykle však za použití odporu zátěže: 2 P MAX =U MAX. I MAX = U MAX [W ;V, A ;V, ] R Z Doba přeběhu, označována SR udává maximální sklon nástupné nebo sestupné hrany zesilovače. Přivede-li do zesilovače obdélníkový průběh, zesilovač jeho hrany zaoblí a zkosí-zkreslí. Základní jednotkou je V.s -1, ve skutečnosti se však pohybuje v řádech jednotek MV.s -1, ideální má pak dobu přeběhu o nekonečné velikosti. SR= U t [V. s 1 ;V,s ] Je způsobena parazitními kapacitami, které působí jako integrační článek. Vysoké frekvence jsou tedy utlumovány. předpokládaná velikost maximální frekvence zesilovače je tedy: SR f MAX = [ Hz ;V. s 1,V ] 2.U MAX Kromě maximální frekvence nás také zajímá minimální, tedy dolní mezní frekvence. Obvykle se však udává šířka pásma B, nebo celá frekvenční přenosová charakteristika (FPCH). To je závislost zesílení ( a U ) na frekvenci. Obrázek č. 1: FPCH obecného zesilovače Korekce, případně korekční předzesilovač je elektrické zařízení, které má za úkol potlačovat určitá frekvenční pásma obvykle výšky, středy a basy. Bývá realizována regulovatelnými pasivními filtry (v případě korekčního předzesilovače aktivními). Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 2/8
Schéma Schéma č. 1 : měřící schéma pro měření všech parametrů zesilovače kromě velikosti vstupního odporu Schéma č. 2 : měřící schéma pro měření velikosti vstupního odporu zesilovače Schéma č. 3 : schéma měřícího obvodu pro měření zesilovače Sinclair Schéma č. 4: schéma měřeného zesilovače Sinclair Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 3/8
Tabulka použitých přístrojů Tabulka č. 1: Použité měřící přístroje Označení v zapojení Přístroj Typ Evidenční číslo U měřící systém UNIMA UNMA-KS2 10-1307/01 odporová R D dekáda - 0034 - Ohmmetr, Ampérmetr MY-65 0656 Z 1 ss zdroj BK180 0180d Z 2 ss zdroj PS 2 0223 Poznámka digitální osciloskop: Z V=1MΩ, chyba 1,5% z rozsahu, 200ns až 500s/div, 3mV až 10V/div digitální generátor: 4 analogové průběhy 8mV až 8V, 68,7 mhz až 140kHz 0,1-99 999,9Ω Chyba 0,5% 3½ m., chyba proudu: ±2,0 % ±10 dg (10A) chyba odporu: ± 0,5 % ± 10 dg (200R) 0 30 V / 0 3 A 2 displaye I a chybné U 0 30 V / 0 3 A 1 display přepínání U / I Postup měření 1. Měření budící charakteristiky: Sestavili jsme obvod dle schématu č. 1, korekce nastavili dle zadání. Na generátoru měřicího systému UNIMA jsme nastavili hodnotu 5 mv. Postupně jsme zvyšovali vstupní (budící napětí) a odečítali výstupní napětí, dokud nebyl výstup zkreslen. 2. Měření parametrů zesilovače při harmonickém buzení: Nejdříve jsme změřili přesnou hodnotu citlivosti zesilovače U 0. Poté jsme změřili ohmmetrem přesnou velikost odporu zátěže R Z a spočítali výkon zesilovače P MAX. 3. Měření vstupní impedance zesilovače (metodou poloviční výchylky): Obvod jsme sestavili dle schématu č. 2. Vstupní napětí jsme zvolili mnohem nižší než citlivost U 0 a odečetli jeho výstupní zesílenou hodnotu U 0 Z. Odpor R D jsme nastavili na nejvyšší hodnotu. Postupně jsme snižovali R D dokud výstupní napětí nebylo rovno poloviční hodnotě U 0 Z. Hodnota R D je v tu chvíli rovna vstupní impedanci zesilovače Z V. 2. Měření doby přeběhu zesilovače (buzení obdélníkem): Obvod jsme zpět zapojili dle schématu č. 1. Na generátoru jsme přepli průběh z harmonického na obdélník. Na osciloskopu jsme si zvětšili zobrazenou nástupnou hranu a odečetli v její lineární části rozdíl časů Δt a napětí ΔU. Z změřených hodnot Δt a Δu jsme vypočítali velikost rychlosti přeběhu SR a přibližnou velikost maximální frekvence zesilovače f MAX. 4. Měření FPCH zesilovače: Nejdříve jsme změřili FPCH zesilovače metodou bod po bodu s nastavením korekcí dle zadání. Poté jsme změřili FPCH použitím měřicího sytému UNIMA- jak pro korekce na minimu, tak na nule i na maximu. Zobrazené FPCH jsme uložili. 5. Měření zesilovače Sinclair: Obvod jsme sestavili dle schématu č. 3, přičemž byl použit zesilovače ze schématu č. 4, na zdrojích nastavili hodnoty napětí 25V a 3A proudovou ochranu. Stejným způsobem jako v bodu č. 2 jsme změřili vstupní citlivost a výstupní výkon. Při tom jsme změřili proudový odběr jak z kladné, tak ze záporné napájecí větve. Z naměřených proudů jsme vypočítali příkon zesilovače a jeho účinnost. Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 4/8
Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka č. 2: Budící charakteristika měřeného zesilovače: U1 max U1 rms U2 max U2 rms [V] [V] [mv] [mv] 5 4 191 135 8 5 306 216 10 7 388 274 20 14 738 522 50 35 75 53 100 71 150 106 200 141 250 177 1 880 1 329 3 060 2 164 3 850 2 722 5 630 3 981 7 560 5 346 9 380 6 633 Tabulka č. 4 : Změřené a vypočítané parametry při buzení obdélníkovým průběhem: šířka vzestupné hrany Δt [μs] 4,22 výška vzestupné hrany ΔU [V] 10,88 rychlost přeběhu SR [MV.s -1 ] 2,58 orientační velikost maximální frekvence zesilovače f MAX [khz] 42,08 Tabulka č. 6: Změřené parametry zesilovače Sinclair: maximální výstupní napětí U S MAX [V] 23,0 efektivní hodnota maximálního výstupního napětí U S RMS [V] 16,26 maximální výkon P S MAX [W] 31,60 napájecí proud kladné větve I S CC + [ma] 869 odchylka měření proudu do kladné větve δ ICC + [%] 13,50 napájecí proud záporné větve I S CC - [ma] 850 odchylka měření proudu do záporné větve δ ICC - [%] 13,76 příkon P S 1 [W] 42,98 účinnost η S [%] 73,53 Tabulka č. 3 : Změřené a vypočítané parametry měřeného zesilovače při harmonickém buzení: odpor zátěže R Z [Ω] 8,37 odchylka měření odporu zátěže δ RZ [%] ± 12,45 vstupní citlivost zesilovače U 0 [mv] 260 maximální hodnota maximálního výstupní napětí efektivní hodnota maximálního výstupního napětí maximální výkon zesilovače U 0 Z MAX U 0 Z RMS [V] 9,75 [V] 6,89 P MAX [W] 5,62 vstupní impedance Z V [kω] 109,3 Tabulka č. 5: FPCH zesilovače: měřeno při U 1 MAX=100mV (707mV RMS) f U2 max U2 rms AU au [Hz] [V] [V] [-] [db] 10 1,13 0,80 11,30 21,06 20 1,94 1,37 19,40 25,76 35 2,81 1,99 28,10 28,97 50 3,38 2,39 33,80 30,58 100 4,00 2,83 40,00 32,04 200 4,19 2,96 41,90 32,44 500 4,25 3,01 42,50 32,57 1 000 4,31 3,05 43,10 32,69 2 000 4,31 3,05 43,10 32,69 5 000 4,31 3,05 43,10 32,69 10 000 4,31 3,05 43,10 32,69 20 000 4,13 2,92 41,30 32,32 35 000 3,75 2,65 37,50 31,48 50 000 3,31 2,34 33,10 30,40 Výpočty Výpočet č. 1 : Výpočet výstupního výkonu měřeného zesilovače: 2 P MAX = U MAX = 6,892 R Z 8,38 =5,672W Výpočet č. 2 : Přepočet maximální hodnoty napětí na hodnotu efektivní: U 1 RMS = U 1 MAX 2 = 0,1 2 =0,071V Výpočet č. 3 : Výpočet napěťového přenosu měřeného zesilovače: A U = U 2 = 0,80 U 1 0,07 =11,429 Výpočet č. 4 : Výpočet napěťového zisku měřeného zesilovače: a U =20. log A U =20.log 11,429=21,160 Výpočet č. 5 : Výpočet doby přeběhu zesilovače : SR= U t = 10,88 =2,578 MV.s 1 6 4,22.10 Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 5/8
Výpočet č. 6 : Výpočet orientační hodnoty maximální frekvence : SR 2,58. 106 f MAX = = =42,082 khz 2. U MAX 2. 9,75 Výpočet č. 7 : Výpočet odchylky měření odporu zátěže : R Z = M.1DGT 1DGT 10.0,1.100=±0,5± R Z 8,37.100=±12,447% Výpočet č. 8 : Výpočet výkonu zesilovače Sinclair : 2 P S MAX = U S RMS = 16,232 R Z 8,37 =31,601W Výpočet č. 9 : Výpočet příkonu zesilovače Sinclair (součet příkonů kladné a záporné větve): P S 1 =P + P - =U +. I + U -. I - =25.0,869 25. 0,850 =42,975 W Výpočet č. 10 : Výpočet účinnosti zesilovače Sinclair : S = P S MAX P S 1.100= 31,60 42,98.100=73,531% Grafy Graf č. 1 : Budící charakteristika měřeného zesilovače 7 000 6 000 U 2 =f(u 1 ) 5 000 U2 [mv] 4 000 3 000 2 000 1 000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U1 [mv] Graf č. 2 : FPCH měřeného zesilovače metodou bod po bodu pro zadané korekce 35,00 30,00 a U =f(f) 25,00 au [db] 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 10 100 1 000 10 000 100 000 f [Hz] Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 6/8
Graf č. 3: FPCH měřeného zesilovače měřená měřícím systémem UNIMA pro minimální, nulové a maximální korekce Závěr Chyby měřících přístrojů 1. Chyba odporové dekády: Odporové dekády mívají zpravidla chybu do 0,5%, což je přijatelné. 2. Chyba měření odporu zátěže: Odpor zátěže R Z jme měřili digitálním multimetrem. Použit byl nejnižší možný rozsah, tedy 200Ω. Změřený odpor 8,37Ω byl proto měřen s velikou chybou. Nicméně však změřená hodnota slouží pouze k výpočtu výstupního výkonu, který nijak nezávisí na dalších výpočtech. 3. Chyba měření systémem UNIMA: Z manuálu k měřícímu systému UNIMA vyplývá, že chyba digitálního osciloskopu by měla být nižší než 1,5%. Tato chyba je přijatelná ve srovnání s velikostmi ostatních odchylek. 4. Chyba měření proudu: Odběr proudu zesilovače Sinclair byl měřen digitálním multimetrem na rozsahu 20A. Proud byl tedy měřen se značnou chybou. Velikost měřených proudů byla totiž kolem 850mA, tedy tedy pro zvolený rozsah velmi malé. Kromě toho na rozsahu 20A je vyšší chyba měření než na ostatních rozsazích. Bohužel nižší rozsah než 20A má měřící přístroj už jen 200mA, tedy byl pro měřené nepoužitelný. Zhodnocení 1. Zhodnocení budící charakteristiky měřeného zesilovače: Budící charakteristika zesilovače je téměř lineární (akorát při vstupním napětí 53mV RMS je znatelný mírný hrb ), který však může být částečně způsoben dodatečným doměřováním této hodnoty. Při napětí budícím vyšším než 177mV RMS začal zesilovač omezovat amplitudy signálu. 2. Zhodnocení parametrů měřeného zesilovače při střídavém buzení Maximální výkon jsme určili na 11,36 W. Tato hodnota, spolu s velikostí vstupní citlivosti (260mV) a vstupní impedancí 109,3kΩ odpovídají předpokládaným hodnotám. 3. Zhodnocení FPCH měřeného zesilovače: FPCH měřeného zesilovače jak s korekcemi v minimu i maximu, tak s nulovými svým tvarem odpovídá předpokládané (nízké ani vysoké frekvence zesilovače nezesiluje, střední frekvence zesiluje všechny téměř stejně). Z charakteristik jasně vyplývá, jak které korekce regulují jaké frekvence. Při minimálních korekcích jsou nízké i vysoké frekvence utlumovány, při nulových jsou všechny frekvence zesilovány stejně a při maximálních korekcích jsou mírně silněji přenášeny především nižší frekvence. Nicméně pořád platí pravidlo, že zesilovač nesmí propustit stejnosměrné napětí (a tedy velmi nízké kmitočty) a parazitní kapacity mu nedovolí přenášet vysoké frekvence. Drobné rozdíly pouze nastaly mezi FPCH měřenou metodou bod po bodu a měřícím systémem UNIMA, způsobené nepřesným nastavením korekcí při měření. 4. Odezva zesilovače na buzení obdélníkem: Zesilovač opět dle předpokladů mírně kosil hrany obdélníkového průběhu (rychlost přeběhu SR byla 2,58 MVs -1 ), což řadí zesilovač k lepším. Velikost orientační frekvence lze snadno ověřit nahlédnutím do FPCH měřeného zesilovače. Horní mezní kmitočet se udává při poklesu zesílení o 3dB. Parametr byl měřen při nulových korekcích (jinak byl obdélník zkreslen integrováním nebo derivováním), pak se tedy můžeme domnívat, že horní mezní kmitočet se nachází na hodnotě okolo 50 khz (přesně se určit nedá, neboť graf končí těsně před hodnotou 50kHz. V porovnání s hodnotou orientační horní mezní frekvence 42,08 khz je to poměrně uspokojivý výsledek. Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 7/8
5. Měření zesilovače Sinclair Na měřeném zesilovači vlastní výroby Sinclair jsme měli zjistit jeho účinnost, která vyšla 73,53 %, což je přijatelná hodnota. Pro její zjištění byl však zapotřebí příkon. Ten jsme určili z proudového odběru obou napájecích větví. Proud byl však měřen s velikou chybou (cca ±13,5%), což mohlo značně ovlivnit velikost vypočítaného příkonu. Podobná situace nastala také při určování výstupního výkonu, který vyšel 31,60W, což odpovídá předpokládaným 30W (dle označení Sinclair Z30). Chyba byla pravděpodobně dána především odchylkou měření velikosti rezistoru zátěže, která byla ±12,45%. Jméno: JAŠEK Martin Třída: T4 Číslo projektu: 202-4R List: 8/8