http://www.coptkm.cz/ Měření výkonu zesilovače Měření výkonu zesilovače se neobejde bez zobrazování a kontroly výstupního průběhu osciloskopem. Při měření výkonu zesilovače místo reprodukční soustavy zapojíme zatěžovací rezistor, odpovídající jak výstupní impedancí předpokládané reproduktorové soupravy, tak i předpokládaným výkonem. Dále se liší tím, že měření provádíme společně se zapojeným korekčním zesilovačem, umístěným před koncovým stupněm. Ke spolehlivému měření potřebujeme přivést několik frekvencí vstupního signálu, zvláště poblíž krajů přenášeného pásma. Samotná jedna frekvence, patřící ke středu pásma, neinformuje o výkonu na krajích pásma, kde vždy dochází k poklesu přenosové charakteristiky. Význam osciloskopu spočívá v tom, že umožňuje sledovat výstupní průběh podle výsledku pozorování, dojde-li k tvarovému zkreslení sinusového průběhu, např. přebuzením zesilovače, pak upravujeme vstupní napětí. Přitom bereme v úvahu nejen lineární přenosovou charakteristiku, nýbrž i případný provoz s maximálním nadzvednutím výšek nebo hloubek. Tím se k výkonovému stupni dostává větší budicí napětí a zesilovač musí odevzdat přiměřeně větší výkon - rozumí se bez zkreslení. Obr. 1 Zapojení pro měření výkonu zesilovače na středních kmitočtech. Nizkofrekvenční milivoltmetr na výstupu zesilovače zjišťuje výstupní napětí, osciloskop hlídá nezkreslený sinusový signál 1
Zjednodušené zapojení pro měření výkonu zesilovače je na obr. 1. Jak je vidět, k výstupu zesilovače je kromě zatěžovacího rezistoru R Z připojen ještě nízkofrekvenční milivoltmetr, anebo jiné měřidlo, schopné měřit střídavé výstupní napětí. Předpokladem je, že připojený voltmetr měří spolehlivě v celém frekvenčním rozsahu a že víme v jakých hodnotách (efektivních, středních) napětí měří. Znalost měřidla pro střídavý rozsah je důležitá z několika důvodů. Především musíme vědět, jestli údaje naměřené střídavým voltmetrem přísluší střední nebo efektivní hodnotě střídavého napětí. Mnohé milivoltmetry totiž měří ve střední hodnotě a v tom případě nezbývá než údaje přepočítat na efektivní hodnotu podle vztahu: U stř = 0,9 U (ef), U (ef) = 1,11 U stř. Ani další okolnost nelze přehlížet. Není totiž žádnou vzácností setkat se milivoltmetrem, jehož napěťový dělič není řádně kmitočtově kompenzovaný, a proto měří nespolehlivě již při kmitočtech řádově stovky hertz. Z toho důvodu naměřené napěťové údaje porovnáváme (přepočítáváme) s hodnotami zjištěnými z obrazovky, třebaže to není nijak pohodlné. K výpočtu výkonu potřebujeme znát nejvyšší naměřené napětí na výstupu zesilovače - bez zkreslení, a pak přesnou hodnotu zatěžovacího odporu. S pokračující dobou zatížení se odporový drát (odporová vrstva paralelně zapojených rezistorů) ohřívá a odpor se mírně zvětšuje. Je samozřejmé, že zatěžovací odpor není totožný s odporem kmitačky reproduktoru. Impedance reproduktoru je větší než jeho ohmický odpor přibližně 1,25 krát. Výkon N zesilovače vypočítáme jako podíl druhé mocniny výstupního napětí a zatěžovacího odporu Rz:, [W; V, Q] Příklad: Na výstupu integrovaného zesilovače malého výkonu (LM 386) naměříme výstupní napětí 2,5 V na zatěžovacím rezistoru R z = 8Ω. Výpočet: Výkon N = U 2 / R z = (2,5 V) 2 / 8 = 6,25 / 8 = 0,78 W Maximální výkon, který zesilovač zpracuje bez zkreslení, závisí nejen na samotných možnostech zesilovače, nýbrž v rozhodující míře na velikosti napájecího stejnosměrného napětí zdroje. S malým napájecím napětím nelze dosáhnout jmenovitého výkonu zesilovače. 2
Měření intermodulačního zkreslení Kromě již zmiňovaného tvarového a přechodového zkreslení se na zhoršení reprodukce podílí i tzv. intermodulační zkreslení. Do reprodukce zanáší slabé rušivé zvuky (pazvuky), které v původním signálu nejsou obsaženy. Při poslechu tyto "pazvuky" působí velmi nepříjemně. V tomto případě se nejedná o závadu způsobenou chybnou funkcí součástky. Vznikající zkreslení totiž způsobují tzv. kombinační kmitočty. Jejich původ spočívá ve směšování různých kmitočtů, čímž vznikají kmitočty nové - součtové a rozdílové. Dokonce se směšují vzniklé součty a rozdíly původních kmitočtů, součty a rozdíly vyššího kmitočtu s dvojnásobkem nižšího kmitočtu atd. Dochází tak k jakési modulaci, čímž rozumíme, že na "hřbet" signálu s vyšším kmitočtem je "naložen" náhodný signál nižšího kmitočtu. Intermodulační zkreslení se zjišťuje speciálními přístroji a různými metodami. Obvyklou metodou je použití vlnového analyzátoru, což je přístroj málo dostupný. Náhradní způsob, který je zakreslen na obr. 1a, vychází z běžně dostupných prostředků. Opět vystačíme s generátorem jednoho kmitočtu (1 khz), a k tomu, připojeným transformátorem, jakožto zdrojem nízkého kmitočtu. Za zkoušeným zesilovačem bude třeba ještě zapojit hornofrekvenční propust na obr. 1b, která odřízne nízké kmitočty, přibližně pod 350 Hz. Časovou základnu nastavíme na 5 ms / díl, aby vyhovovala kmitočtu 50 Hz. Tato metoda "dvou kmitočtů" předpokládá, že ke zkoušenému zesilovači přichází signál nízkého kmitočtu 50 Hz, a dále signál mnohem vyššího kmitočtu, vyšší než 5 khz. V našem provizorním zapojení musí postačit kmitočet sinusového generátoru 1 khz. Co se týče velikosti napětí, je třeba u signálů s vyšším kmitočtem (1 khz) a nižším kmitočtem (50 Hz) dodržet poměr 1 : 4. Napětí zdrojů jsou od sebe oddělena rezistory R1, R2 a znovu smíchána na proměnném rezistoru P. Z běžce vstupují společně do měřeného zesilovače. Po zesílení a po průchodu hornofrekvenční propustí (obr. 1b) přicházejí k vertikálnímu zesilovači osciloskopu. Bezpodmínečně je nutné zajistit, aby zesilovač nebyl přebuzen. Velikost budicího napětí dovedeme odhadnout podle předchozích měření, anebo nejdříve nastavíme signál 1 khz, a pak teprve druhý "modulační" signál. 3
Obr. 1a Zapojení pro zjišťování intermodulačního zkreslení zesilovače Obr. 1b Hornofrekvenční propust z RC článku Obr. 2a Průběh při modulaci nosného (vyššího) kmitočtu nízkým kmitočtem Obr. 2b Superpozice dvou kmitočtů: na vyšším kmitočtu se projevuje zvlnění způsobené nižším kmitočtem Tímto způsobem se jen částečně a velmi vzdáleně přiblížíme k situaci, jaká se běžně vyskytuje v praxi. Komplexní hudební signál totiž obsahuje velké množství jak nízkých, tak i vyšších kmitočtů, které se mohou vzájemně ovlivňovat. Záleží hlavně na nastavení režimu v zesilovači, jestli dojde k modulaci na některých frekvencích. Popsanou zkoušku s poměrně nízkým kmitočtem 1 khz nepřeceňujme, nicméně určitou vypovídací schopnost nepostrádá. 4
Při této zkoušce může vzniknout na stínítku osciloskopu obraz amplitudově modulované vlny podle obr. 2a, přičemž nosnou vlnu zastupuje frekvence 1 khz a modulačním kmitočtem je síťový kmitočet 50 Hz. Záleží ovšem na vlastnostech zesilovače, do jaké míry se bude lišit napětí u 1 od u 2. Ze zjištěných hodnot se spočítá hloubka modulace, představující v tomto případě velikost intermodulačního zkreslení v procentech: u1 u2 Činitel zkreslení =. 100 u + u [%; mm, mm] 1 Pracuje-li zesilovač bez intermodulačního zkreslení, objeví se na stínítku jiný průběh. Znázorňuje jej obr. 2b, představující interferenci dvou signálů. Průběh signálu s vyšším kmitočtem je rozvlněn signálem nízkého kmitočtu. Podobné rozvlnění signálu spatříme v různých obvodech vždy, když napájecí napětí není dostatečně vyfiltrované. Podle způsobu usměrnění (jednopulsní - dvojpulsní) se uplatní rozvlnění frekvencí 50 Hz nebo 100 Hz. 2 Na obr. 2a,b jsou pro lepší názornost zakresleny ohraničující sinusové průběhy, tzv. obálky, které ve skutečnosti - tj. na obrazovce - nejsou a jen si je představujeme. Průběh obálky (její tvar) vyplyne z umístění jednotlivých amplitud příslušné vyšší frekvence, zobrazených těsně vedle sebe. Proto se požaduje, aby tato frekvence byla dostatečně vysoká, vyšší než 5 k Hz. Pak je hustota zobrazených průběhů značná a obálky si dovedeme snadno představit. 5