Úvod

V tomto článku se budu věnovat, jak je patrné ze samotného názvu článku Zvuku jako takovému a jeho vztahu k věrné reprodukci, tedy k Hi-Fi.

Jde o téma,které není v odborných kruzích vždy zcela jednoznačně prezentováno, je poznamenáno řadou nepřesností často až zavádějících výkladů. Tento text není předurčen k tomu, aby cokoliv vyvracel či naopak podporoval, tento text je zcela nezávislým pohledem na zvuk jako takový.

Nejdříve je nutno si pro potřeby článku ujasnit pojem Zvuk, uvědomit si jeho podstatu, dále je nutno si uvědomit schopnosti a vlastnosti lidského sluchu, teprve poté se dostanu k postavení Hi-Fi a jeho podmínkám.

Zvuk

Slovní základ

Podíváme-li se na Zvuk, IfraZvuk a UltraZvuk zjistíme, že všechny tři výrazy mají slovní základ Zvuk a to jak v jazyce Českém, tak v jazyce Anglickém a dalších.

Samotné slovo Infra a Ultra však v jazyce Českém nenajdeme a musíme se podívat do Slovníku cizích slov, kde slovo Infra má význam "první část složených slov mající význam nízko, dole, pod", slovo Ultra má význam "první část složených slov mající význam nad, přes, neobyčejně, krajně".

Odtud je zřetelné, že slovo InfraZvuk a UltraZvuk jsou slova složená se slovním základem Zvuk. Slovo Infra je jen upřesněním, že jde o Zvuk na nižších frekvencích a slovo Ultra upřesňuje, že jde o Zvuk na frekvencích vyšších. Pro označení středního pásma Zvuku se složené slovo nepoužívá.

Zvuk může být teoreticky od frekvencí a intenzit blízkých 0 či dokonce nulových, až po frekvence a intenzity blízké nekonečnu či nekonečných, ale obě krajní hodnoty se do grafu špatně vynáší, proto jsem volil graf s logaritmickými měřítky a konečnými hodnotami.

Dále je patrné, že slovo Infra, ani slovo Ultra na podstatě Zvuku pranic nemění, pouze upřesňuje jeho frekvenci.

Následující graf zobrazující oblast InfraZvuku, Člověkem slyšitelného pásma a oblast UltraZvuku, sic je zkonstruován dostatečně přesně, přesto je vhodné jej brát spíše jako ilustrativní.

Fyzikální podstata

Fyzikální podstatou Zvuku je mechanická energie, Jde o kmitání hmotných částic, které se od zdroje rozruchu (energie) přenáší za pomocí vazebných sil mezi částicemi prostředí, takto se rozruch (energie)  přenáší dále a dále.

Rychlost šíření rozruchu (energie) je v různém prostřední různá, ve velké míře je závislá na stlačitelnosti prostředí. Takovému přenosu energie říkáme vlnění, které dále dělíme na podélné a příčné.

Podélné vlnění je takové vlnění, kdy částice nesoucí mechanickou energii kmitají podélně, rovnoběžně s osou pohybu šíření rozruchu, tedy šířící se zvukovou vlnou.

Příčné vlnění je takové vlnění, kdy částice nesoucí mechanickou energii kmitají příčně, kolmo k ose pohybu šíření rozruchu, tedy šířící se zvukovou vlnou.

Akustika

Zvuk patří rovněž do vědního oboru Akustika, jehož předmětem je vznik, šíření a vnímání Zvuku lidskými smysly. Vědní obor Akustika se často pro oblast zaměřenou na vnímání Zvuku lidskými smysly nesprávně považuje za vědní obor zkoumající pouze oblast zvuku, kterou jsou schopny vnímat lidské smysly, ale do jeho oboru patří stejně tak Člověkem slyšitelné pásmo, jak Infra a UltraZvuk.

Schopnosti a vlastnosti sluchu živých tvorů

Fauna na zemi je velmi rozmanitá a člověk není jediným živoucím tvorem, stejně tak jak je dáno slyšet člověku je dáno slyšet i většině živých tvorů na Zemi. Schopnosti slyšet či vnímat Zvuky jednotlivých živých tvorů se od sebe často diametrálně liší.

Na grafech je znázorněno frekvenční spektrum slyšených frekvencí jednotlivými živočichy. U Slona je občas uváděn spodní kmitočet 12Hz a někdy frekvence pod 5Hz. Zde si nejsem jist zda jde o slyšení či vnímání, jehož rozdílu se budu věnovat samostatně.

U Holuba je uvedeno, že reaguje na frekvence 0,05Hz, zde bych se již jednoznačně přiklonil k pojmenování vnímání, nikoliv slyšení.

U Člověka jsem oblast vnímání naznačil přerušovanou čarou a oblast slyšení čarou spojitou. Právě na případu Člověka uvedu rozdíl mezi slyšením a vnímáním.

Jak je z jednotlivých grafů patrné, frekvenční rozsah živými tvory slyšených či vnímaných zvuků sahá od neuvěřitelných 0,05Hz až k ještě neuvěřitelnějším 200kHz.

Zdroje: Infrazvuk varuje a kontroluje, Slyší neslyšitelné, How Well Do Dogs and Other Animals Hear?, VLASTNOSTI ULTRAZVUKOVÉHO ZAŘÍZENÍ PRO SMĚROVĚ ORIENTOVANÝ PŘENOS ZPRÁV

Diskuse

  Pokračování brzy

Úvod

Dalším pokračováním série článku Topologie Federmann je zapojení rozkmitového stupně, který je značně odlišný od všech předchozích. Úkolem rozkmitového stupně je dostatečně zesílit signál z výstupu OZ a dosáhnout výstupního napětí i přes 100V a zároveň plnit funkci budiče pro výkonové tranzistory.

Proč OZ?

Zapojení s OZ vychází z mých konstrukcí tvořených v 70. letech minulého tisíciletí. Mou snahou je dosáhnout minimální počet stupňů a zároveň dostatečnou rezervu zisku v otevřené smyčce.

Tato podmínka je dost těžko splnitelná jen za pomocí diferenciálního stupně, navíc pro nastavení napěťové nesymetrie bylo často nutno použít OZ. Proto jsem se vrátil k řešení za pomocí OZ samotného, který by měl dostatek zisku v otevřené smyčce, byl dostatečně rychlý a přitom měl dostatečně malé vlastní šumové napětí, aby nebyl příliš horší oproti konstrukcím s diskrétními součástkami, ve výsledku celého zesilovače pak vždy jen lepší.

Popis zapojení

Výstupní napětí z OZ je nutno nejdříve výkonově zesílit, aby nebyl zatěžován, k tomuto slouží emitorový sledovač tvořený tranzistorem T1. Jde o zapojení tranzistoru se společným kolektorem. Tranzistor T1 současně plní roli převodníku napětí na proud, který vtéká do jeho emitoru přes odpor R1, je úměrný velikosti napětí na jeho bázi.

Tranzistor T2 je v zapojení se společnou bází a plní funkci napěťového převodníku. Proud teče odporem R2, dále pak vytéká z emitoru do odporu R1. Tranzistor T2 zajišťuje potřebný stejnosměrný posun od napětí U_BE až k napájecímu napětí kladné větve.

Společné zapojení tranzistorů T2-T3 plní funkci podobnou diferenciálnímu stupni. Proud odporem R2 je dán napětím Va a velikostí odporu R2, pro vysvětlení funkce jej můžeme považovat za konstantní.

Proud tranzistorem T3 je rozdílem proudu odporem R2 a odporem R1. Proud tranzistorem T4 je opět proudem konstantním, nastaven napětím Vb a odporem R3, je nastaven na stejnou hodnotu jako klidový proud tranzistorem T3.

Proud odporem R4 je rozdílem proudů tranzistory T3 a T4, je tedy odvozen od vstupního napětí na bázi tranzistoru T1. Napětí na bázi tranzistoru T1 nemůže dosahovat hodnot větších jak napájecí napětí OZ, kdežto napětí na kolektorech tranzistorů T3 a T4 již může dosahovat hodnot blízkých jejich napájecímu napětí, tedy i stovky voltů.

Zesílení takto realizovaného zesilovače je přibližně dáno poměrem odporů R4 a R1. Celý zesilovač pracuje ve třídě A a je velmi lineární, je využit pro zapojení Nf zesilovače Federmann HQQF-55-506.

Nesmím opomenout ani funkci diody D1, která chrání přechody EB tranzistorů T1 a T2, aby nedošlo k jejich průrazu a tím se tranzistory nedostaly do inverzního režimu. Pokud je použito napájecí napětí OZ menší jak cca 10V, pak není nutno diodu použít.

Diskuse

Úvod

V diskusi se objevily jisté pochybnosti vyplývající z hluboké neznalosti problematiky Nf zesilovačů o dvojím provedení řady zesilovačů HQQF-55-506W a jejich vlastnostech.

Provedení

Zesilovače HQQF-55-506W jsou navrženy pro použití dvou různých druhů OZ, obé provedení nabízí naprosto unikátní vlastnosti, oba OZ disponují obrovskou šířkou pásma a vynikající mi fázovými poměry. Podívejme se na oba OZ blíže:

1.       Standardní provedení: Je použit JFET OZ s rychlostí přeběhu 12V/µs, dobrými šumovými vlastnostmi typicky 15nV/ (Hz)^½ a ziskem otevřené smyčky 90dB.

2.       Ultra nízko šumové provedení: Je použit OZ s šířkou pásma až 75MHz a excelentními šumovými vlastnostmi typicky pouhých 850pV/ (Hz)^½ a neuvěřitelným ziskem otevřené smyčku 150dB. Samozřejmě s mnohonásobně vyšší cenou.

Ultra nízko šumové provedení

Několik pohledů do dokumentace OZ pro Ultra nízko šumové provedení zesilovače HQQF-55-506W. Za povšimnutí stojí šumové vlastnosti a to jak pro nízké kmitočty, tak pro kmitočty vysoké.

OZ v otevřené smyčce 

Dále se můžeme podívat na naprosto excelentní charakteristiku zisku otevřené smyčky, která začíná na 150dB. Nejde však o žádné "operační zesilovače z vývoje NASA, nebo od kolegů z Marsu", jak by se mohl někdo méně znalý domnívat.

Pokud se podíváme ještě dále zjistíme, že fázové poměry nikterak za excelentností zesílení nezaostávají, rezerva fázového natočení blízká 0° je při cca 20MHz a to při dost velké kapacitě 10pF. Pro menší kapacitu by se tyto hodnoty posunuly ještě k vyšším kmitočtům.

 Zkreslení

Jako poslední jsem si nechal graf znázorňující celkové harmonické zkreslení. Zde je názorně vidět, proč jsem volil u řady zesilovačů HQQF-55-506W výhradně invertující zapojení pro které je celkové harmonické zkreslení o řád nižší jak pro zapojení neinvertující.

Značná část zkreslení vychází z nedostatečného potlačení souhlasného signálu. Jde o vadu zesilovačů, které se zřejmě žádný jiný konstruktér doposud nevěnoval dostatečnou pozornost a proto se ji ani nedokázal vyhnout. Více bude na toto téma napsáno v samostatném článku patřícím do kategorie Topologie Federmann, která nenechává klidně spát mnohé konstruktéry.

Závěr

Možná jsem někoho tímto článkem moc nepotěšil, ale vzájemná souvislost mezi Nf a Vf se od sebe nedá příliš oddělit. Pokud chceme dosáhnout excelentních Nf vlastností musíme začít řešit problematiku hodně, hodně vysoko ve Vf oblasti, ke které mám blízko již cca ½ století. Je zcela jedno zda to někdo chápe či nikoliv, nebo si takový pohled vykládá jako lež, ale jen tak se můžeme dostat na velmi solidní výsledky, nebo se stále motat v bludném kruhu.

Mnozí by mohli namítat, proč se hnát až k samotné hranici stovky MHz, když akustické pásmo je pouze do 20kHz. Na toto téma jsem toho na těchto stránkách napsal více jak dost a po mnoha zkušenostech se již k této tematice nemá smysl více vyjadřovat.

Diskuse

Hotový modul či stavebnice

Úvod

Další v řadě je Amp 2 x 400W, HQQF-506 složený ze dvou modulů koncového stupně HQQF-55-506W-5-1 a jednoho modulu řízení napájení HQQF-55-200, dále je předřazen modul Korekční zesilovač „zapojení Federmann“.

Amp 2 x 400W

Jde o zesilovač, jak je uvedeno v úvodu, ale je doplněn o jednoduché prostorové uspořádání, na kterém by nebylo nic významného, kdyby nebylo vytvořeno v prostředí Eagle.

Pro jednotlivé moduly jsem vytvořil knihovny FEDERMANN.lbr, které si můžete stáhnout. Ke stažení je rovněž soubor Amp 2 x 400W, HQQF-506.sch a soubor Amp 2 x 400W, HQQF-506.brd, které můžete použít pro své budoucí uspořádání svého zesilovače.

Amp 2 x 400Wa

Jde opět o zesilovač, jak je uvedeno v úvodu, rovněž je doplněn o jednoduché prostorové uspořádání, rovněž je vytvořeno v prostředí Eagle. Ke stažení je rovněž soubor Amp 2 x 400Wa, HQQF-506.sch a soubor Amp 2 x 400Wa, HQQF-506.brd, které můžete použít pro své budoucí uspořádání svého zesilovače.

Odlišnost Amp 2 x 400W a Amp 2 x 400Wa je pouze v tom, že Amp 2 x 400Wa jsou moduly HQQF-55-506W-5-1 na plocho a pro Amp 2 x 400W jsou moduly HQQF-55-506W-5-1 na ležato, viz příslušné pohledy na prostorové uspořádání.

Závěr

Tento článek je určen především maturantům a samozřejmě mnoha příznivcům stavící HQQF-55-506. Text a hlavně soubory jsou určeny k usnadnění práce s dokumentací, ale také s prostorovým uspořádáním a vedením vodičů. Článek ukazuje, jak se dá využít prostředí Eagle, nejenom k návrhu plošného spoje, ale také k návrhu celku.

Diskuse