Základní údaje

Napsal Bohumil_Federmann

Nadřazená kategorie: Výrobní postupy

Kategorie: Návrhy

Zveřejněno: 5. červenec 2012

Vytvořeno: 5. červenec 2012

Zobrazení: 11128

Úvod

V článku Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod a Nebuďte negramotní podvanácté, aneb DPA antisaturační obvod, byl popsán a dokonale rozebrán DPA antisaturační obvod, který měl krom potlačení saturace i upravovat tvar převodní charakteristiky koncového zesilovače.

Saturace

Jak se ukázalo, potlačení saturace rozkmitového stupně sice nějak nastane, ale vstupní diferenciální dvojici to neovlivní a ta je zůstává přebuzená, takže přínos žádný.

Úprava převodní charakteristiky

Pokud antisaturační obvod DPA saturaci řešil jen v rozkmitovém stupni, pak úprava převodní charakteristiky se v Dudkovém antisaturačním obvodu nekonala vůbec. Federmannem namodelované zapojení a průběhy však v textu Nebuďte negramotní podvanácté, aneb DPA antisaturační obvod  ukazují, že je možné takové změny charakteristiky při vhodném zapojení dosáhnout.

Limitace výkonového zesilovače

Limitace je stav kdy je výstupní napětí výkonového zesilovače omezeno napájecím napětím a samotnou topologii zesilovače, výstupní napětí se prostě dostane na své maximum, ať již v kladné či záporné polaritě a dále již nemůže.

Saturace

Saturace je stav kdy daný prvek dosáhne svého proudového maxima, jinými slovy stavu nasycení. Tento stav často přímo souvisí s limitací. Když se zesilovač dostane do limitace, jeho zpětná vazba tento stav vyhodnotí, jako že výstupní signál přestal kopírovat signál vstupní a snaží se vše napravit. Chybové napětí vstupní diferenciální dvojice roste a s ním i rozdílnost proudů obou tranzistorů a to tak dlouho než tato dvojice narazí na své proudové maximum, jeden tranzistor se zavře úplně a druhý se naopak úplně otevře. Odezva na tento stav se samozřejmě dle topologie šíří zesilovačem dále, ale bez patřičné odezvy v uzavřené smyčce ZV, neboť některá část zesilovače je již dávno v limitaci a na ní se tato odezva zastaví. Výsledkem je stav, že výstupní část zesilovače je v limitaci a jeden či více stupňů mohou být a většinou jsou v saturaci.

Řešení limitace a saturace současně

Jak vyplývá z výše napsaného je limitace některého stupně předzvěstí či příčinou i saturace některých stupňů, pokud se nebudeme bavit o Dynamické saturaci - příčině Tranzistorového zvuku, jak ji popsal Federmann a jejíž příčiny jsou v dynamickém chování zesilovače, kdežto klasickou limitaci řešíme spíše z hlediska statického, či kmitočtů nízkých. Vyřešíme-li limitaci máme současně vyřešenou i saturaci jednotlivých stupňů.

DPA a podobné řešení

Menší napájecí napětí budiče

Jak uvádí Pavel Dudek ale i jiní konstruktéři, je řešením limitace koncových tranzistorů koncového stupně, napájení z budiče, který je napájen z menšího napájecího napětí než výkonové tranzistory. Toto řešení sice vyřeší limitaci koncových tranzistorů, ale stěžejním místem limitace se nám stává stupeň předchozí, stupeň s menším napájecím napětím. Krom toho nám velmi významně klesne účinnost výkonových tranzistorů a tím extrémně, pro dosažení stejného výstupního výkonu, vzroste jejich výkonové zatížení. Pak se může stát, že 150W zesilovač topologie DPA je namáhán úplně stejně jak zesilovač s výkonem 500W topologie Federmann.

Antisaturační obvod

Jak jsme si již ukázali, DPA antisaturační obvod toho moc neřeší a jiné obdobné řešení jen neúměrně zesilovač zesložiťují a mají spíše nežádoucí vliv na výsledné vlastnosti zesilovače mimo samotnou saturaci. Každé takové řešení potřebuje napěťový prostor a ještě více snižuje účinnost a zvyšuje nároky na výkonové dimenzování výkonových tranzistorů.

Řešení HQQF

Federmann se ve své topologii snaží využít jednotlivé prvky, aniž by je přetěžoval, na maximum. Proto také na rozdíl od DPA a podobných topologii napájí budič či rozmitový stupeň napájen menším napětím jak je zvykem u zesilovačů jiných, ale naopak napětím větším, což umožňuje otevírání výkonových tranzistorů až k jejich fyzikálním možnostem.  DPA a většina podobných zapojení má budič zapojen jako emitorový sledovač, který je proudově neomezen, kdežto budič ve Federmannových topologiích je většinou zároveň rozkmitovým stupněm, navíc pracujícím při konstantním proudu. Tímto řešením se nejenom ušetří jeden či více stupňů, ale jsou přesně definovány vlastnosti zesilovače související s rychlostí přeběhu.

Jak je z Topologie Federmann patrné, konstruktér se zabývá v první řadě věrností zvuku, extrémně nízkým zkreslením, to vše v oblasti možného či předpokládaného výskytu akustického signálu. Dále se zabývá maximální účinností, ale také dostatečným výkonovým dimenzováním a spolehlivostí, kde všechny tyto vlastnosti jsou o řád či třídu lepší než u konkurence, ale otázku limitace zdánlivě nikterak neřeší.

Definování vstupního signálu

Nejjednodušším a nejspolehlivějším řešením limitace či saturace kteréhokoliv ze stupňů výkonového zesilovače je definování vstupního signálu. Tímto způsobem lze elegantně vyřešit nežádoucí stavy výkonového zesilovače, do kterých jej může dostat pouze nezodpovědná obsluha, neboť jak jsem mnohokráte napsal, přestoˇže pro mnohé je limitace nejdůležitější parametr, limitace do Hi-Fi nepatří!

Pokud zaručíme, aby vstupní signál, který přivádíme do zesilovače nedosahoval hodnoty, při které by se zesilovač do limitace dostal, pak nemusíme z hlediska signálového limitaci ani řešit. Pro zesilovač však ani při takovém řešení nesmí být případná limitace destruktivní či jinak ohrožující.

Obvodové řešení limitace, antilimitační obvod 

Nelineární celkovou ZV

Jedno z možných řešení je nelineární celkovou zpětnou vazbou, kde můžeme použít například dvě zenerovy diody, které omezí maximální výstupní napětí, od kterého se významně sníží zesílení celého zesilovače, přičemž se zesilovač navenek bude chovat obdobně jako v limitaci, ale ve skutečnosti bude stále dokonale kontrolován celkovou ZV.

Limitací předchozího stupně - předzesilovače

Jak se ukázalo obvodové řešení v samotném zesilovači je více než neschůdné, proto jako velmi elegantní řešení můžeme použít takové řešení, kdy využijeme limitace předzesilovače, která nastane o cca 5% dříve jak by nastala limitace koncového stupně. tomto dostatečně zaručíme, že se nám koncový zesilovač nikdy do limitace nedostane.

Omezením vstupního napětí

Další velmi elegantní řešení je omezením vstupního napětí, kdy do signálové cesty vřadíme ochranný obvod, který nám zaručí nepřekročení požadovaného vstupního napětí koncového zesilovače. Tímto ochranným obvodem můžeme navíc tvarovat převodní charakteristiku a tím ji přiblížit například elektronkovým zesilovačům.

Musíme si však uvědomit, že pokud ochranný obvod uplatní svou funkci a začne signál ovlivňovat, dostáváme se mimo oblast Hi-Fi, je sice pravdou, že bez tohoto obvodu bychom byli v situaci obdobné, jenom bychom cíleně převodní charakteristiku neovlivňovali. Na třech ukázkových zapojeních je demonstrována funkce omezení spojená s tvarováním převodním charakteristiky.

Zapojení s řízením omezení signálu napájecím napětím

Výkonnější zapojení s řízením omezení signálu napájecím napětím

Zapojení s pevně nastaveným omezením signálu

Závěr

Co říci závěrem, snad jenom to že pokud někdo svéhlavě trvá na testech v limitaci, která by zesilovač zcela zbytečně dostávala do pracovní oblasti, kde se při normálním provozu nemůže nikdy dostat, není nic jednoduššího než:

Krom toho může vložený obvod zaručit elektronkově líbivý tvar přechodu do domnělé limitace, která je stále koncovým stupněm dokonale kontrolována a je skutečné limitaci vzdálena jen několik % amplitudy. Dudkův špatně fungující antisaturační obvod byl údajně autorsky chráněn a pro jeho použití bylo nutné jeho výslovného povolení. Stejně tak vše zveřejněné v internetovém periodiku "Hi-Fi svět - ISSN 1803-733X" požívá zcela automaticky autorské ochrany.

 Diskuse

Základní údaje

Napsal Bohumil_Federmann

Nadřazená kategorie: Výrobní postupy

Kategorie: Návrhy

Zveřejněno: 24. červen 2012

Vytvořeno: 24. červen 2012

Zobrazení: 12262

Úvod

Po článku Nebuďte negramotní podesáté, aneb I MISTŘI se mýlí, či hodina pravdy udeřila, ale hlavně po článku Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod se rozpoutala, jak někdo napsal "válka konstruktérů", ale není tomu tak. Hi-Fi svět, jako internetové periodikum nemá zájem vést jakoukoliv "válku konstruktérů", kde by střetávaly jakékoliv zájmy, k tomu jsou spíše fóra. Hi-Fi svět, jako internetové periodikum má zájem informovat o nových věcech, různých trendech, ale také plní významnou vzdělávací funkci, kde se snaží poukazovat na nesprávný výklad funkce toho či onoho obvodu. Při této práci se často namísto zájmů o pravdu a realitu, setkává s nevybíravými, nezřídka i podlými a zákeřnými osobními útoky. Další zajímavý ale zároveň horký článek je o detailech antisatiračního obvodu DPA.

DPA zesilovače

Zesilovače Pavla Dudka vycházely před 20roky v Amatérském RADIU, jako ucelená série konstrukcí se společným základem, byly víceméně modifikací zesilovačů jejíchž autorem byl Borbely a Cordell. Byla to ještě doba, kdy Pavel Dudek nějakým způsobem ctil nutnost dostatečného zesílení v otevřené smyčce ZV, dle mne rezervy zisku, tehdy zřejmý odklon sám viděl jako nepochopení problematiky. Zesilovače DPA se vychvalovaly naprosto unikátním tvarem limitace, který měl kopírovat tvar limitace elektronkových zesilovačů.

Antisaturační obvod

Pavel Dudek si dal záležet na antisaturačním obvodu, veřejnost, včetně mne jej v té době vnímala jako obvod zaoblující převodní charakteristiku, obdobně jako je tomu u elektronek. V článku Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod se ukázalo, že tvar limitace je téměř nezměněn, rovněž, jsem napsal, že se k problematice ještě vrátím, proto jsem prolistoval původní materiály abych mohl detailně obvod rozebrat a jeho princip objasnit.

Princip antisaturačního obvodu

Princip antisaturačního obvodu na obrázku 3. je vysvětlován spíše jako nelineární záporná zpětná vazba tranzistoru T3, která za jistých podmínek sníží zesílení tranzistoru T3 až k hodnotě 1 a tím klesne zesílení rozkmitového stupně a nedojde k hluboké saturaci tranzistoru T3 a následných stupňů.

Model antisaturačního obvodu

Na modelu antisaturačního obvodu si rozebereme všechny potřebné hodnoty, pro názornost jsou modely hned dva, jeden s antisaturačním obvodem a druhý bez něj.

Převodní charakteristika

Podíváme-li se na převodní charakteristiku, je na první pohled bez jakýchkoliv známek zaoblení, proto se podíváme mnohem pozorněji na její detail v inkriminovaném místě.

Podíváme-li se opravdu, ale opravdu detailně, pak je skutečně vidět, že tvar je oblejší, ale oblost se mění jen v řádu desítek mV, při úrovni signálu desítek Voltů, což je v řádu 0.1%, tedy přiblížení se k tvaru elektronek se opravdu nekoná a plně platí závěr z článku Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod.

Hluboká saturace a diferenciální dvojice

Další zkoumanou částí je saturace a co tam ta dioda vlastně způsobí. Podíváme-li se na proudy vstupní diferenciální dvojice a proud diodou, je na první pohled patrné, že se proudy obou kolektorů v diferenciální dvojici liší.

Podíváme-li se, ale na proudy diferenciální dvojice bez antisaturační diody, pak zjistíme, že jsou identické a dioda na diferenciální dvojici nemá vůbec žádny vliv.

Hluboká saturace a rozkmitový stupeň

Pokud jsme zjistili, že  antisaturační dioda nemá vůbec žádny vliv na vstupní diferenciální dvojici, podíváme se, jak je na tom tranzistor v rozkmitovém stupni. Hned na první pohled je patrné, že dioda je polarizována v závěrném směru a jako záporná ZV tranzistoru v rozkmitovém stupni nemůže nikdy fungovat, nemůže tedy nikterak snižovat zesílení tranzistoru tohoto stupně. Pro názornost si vyneseme grafy, které znázorní zesílení tranzistorů v rozkmitovém stupni s antisatirační diodou a ve stupni bez antisaturační diody.

Jak je z grafů patrné, tak antisaturační dioda opravdu neplní funkci záporné ZV a nesnižuje zesílení tranzistoru v rozkmitovém stupni, ale přesně naopak.

Podstata potlačení hluboké saturace

Pavel Dudek upozorňuje, že antisaturační obvod a jím popsaný způsob nelineární ZV má autorsky chráněny, otázkou je kde a na jak dlouho a hlavně otázka stojí, jak by to bylo s principem naprosto odlišným, který chráněný nemá a nikdy neměl.

Proudy bází

Podíváme se ještě na proudy bází a opravdu vidíme, že přítomnost anisaturační diody proud báze oproti stupni bez antisatirační diody výrazně sníží, přesněji řečeno, zamezí jejímu velkému nárůstu při limitaci.

Proudy kolektorů a emitorů

Podíváme se ještě na proudy kolektorů. Dle proudů bází by se dalo čekat, že proud kolektoru u zapojení s antisaturační diodou bude rovněž menší, ale opak je pravdou. Antisatirační dioda nám zdánlivě z nepochopitelných důvodů snižuje proud bází tranzistorem rozkmitového stupně a současně zvyšuje proud kolektorem, z čehož vyplývá i udržení "h" parametru tohoto tranzistoru.

Závěr

Jde o další ze série článků Nebuďte negramotní:

1. Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy
2. Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech
3. Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta
4. Nebuďte negramotní počtvrté, aneb výkony a výkonová ztráta
5. Nebuďte negramotní popáté, aneb 83 let nepochopená celková zpětná vazba
6. Nebuďte negramotní pošesté, aneb exploze neznalosti a xenofobie na hifi_slovanetu
7. Nebuďte negramotní posedmé, aneb proč v hudbě mizí detaily či systematické zabíjení Hi-Fi zvuku
8. Nebuďte negramotní poosmé, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, majitelé DPA330 třeste se!!!
9. Nebuďte negramotní podeváté, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, pokračování
10. Nebuďte negramotní podesáté, aneb I MISTŘI se mýlí, či hodina pravdy udeřila
11. Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod
12. Nebuďte negramotní podvanácté, aneb DPA antisaturační obvod

Podíváme-li se ještě jednou a pozorněji na proudy bází, kolektorů a emitorů tranzistorů v rozkmitovém stupni, pak zjistíme že:

Bez antisaturační diody  

U zapojení bez antisaturační diody je báze tranzistoru v rozkmitovém stupni buzena až do hosdnoty, která je dána konstrukcí rozkmitového stupně a to bez ohledu na to, že nad jistý bázový proud již proud kolektorem nelze zvyšovat, neboť to nedovolí jeho kolektorová zátěž.

S anisaturační diodou 

U zapojení s anisaturační diodou při dosažení meze bázového proudu, kdy kolektorový proud u zapojení bez anisaturační diody již neroste, zde se nárůst proudu kolektoru nezastaví a začne se větvit. Jedna část proudu teče do zátěže tranzistoru rozkmitového stupně a další část proudu teče přes antisaturační diodu v propustném směru do tranzistoru diferenciálního stupně.

Tímto způsobem nám proud kolektoru tranzistoru vstupní diferenciální dvojice nepřetěžuje bázi tranzistoru rozkmitového stupně a nedostává ji do hluboké saturace. Od okamžiku, kdy se dostane přechod báze-kolektor tranzistoru v rozkmitovém stupni do inverzního režimu, podělí se o proud s antisaturační diodou.

Výsledný verdikt

Zde je místo pro konstatování, že antisaturační dioda opravdu plní svou funkci, jaká jí dle názvu přísluší. Napomáhá rozdělit proud kolektoru tranzistoru ve vstupní diferenciální dvojici a odvést jeho část mimo bázi tranzistoru v rozkmitovém stupni. Antisaturační dioda sice neplní funkci záporné zpětné vazby, netvoří oblou převodní charakteristiku, ani neovlivní saturaci následných stupňů, obzvláště pokud jsou jako emitorové sledovače, ale napomáhá neupadnutí do hluboké saturace tranzistoru v rozkmitovém stupni.

Vhodnou volbou předpětí, za pomocí odporů a diod mezi bázi a emitor tranzistoru v rozkmitovém stupni lze ještě více potlačit propad proudového zesilovacího činitele, zapříčiněného saturací přechodu BE tranzistoru v rozkmitovém stupni.

DPA literatua

Aby mne zase někteří nenapadali, že z někoho dělám plagiátora, musím ještě doložit seznam literatury, která byla Pavlovi Dudkovi vzorem a jak je uvedena v AR.

Diskuse

Psáno pod čarou

Pokud by měly antisaturační diody plnit i funkci zaoblování ostré limitace, pak to není žádný problém, jen se to musí umět, což na základě informací z tohoto článku, který konečně po dlouhých 20letech dokonale rozebírá funkci antisaturačního obvodu, již není problém.

Nyní to může audiokomunita brát tak, že je to zase mnou popsaná funkce, tudíž jiný princip, tudíž jiný majitel práv. Diod může být samozřejmě libovolný počet a mohou být nahrazeny či kombinovány i s tranzistory. Zaoblení již může být i v řádu Voltů, ne jak u původního zapojení v řádu pouhých desítek mV. Při regulaci tvaru limitace, na rozdíl od Dudkova pojetí či řešení, není nutné či může být dokonce na škodu, aby přechod kolektor-báze tranzistoru rozkmitového stupně se dostával do blízkosti nulového napětí či dokonce do inverzního režimu a tím se výrazně zmenšoval  prostor pro tvarování převodní charakteristiky.

Ukázka správné funkce tvarovacího obvodu "Federmann"

 Převodní charakteristika

 Detail převodní charakteristiky

 Tvar kladné půlperiody

Základní údaje

Napsal Bohumil_Federmann

Nadřazená kategorie: Výrobní postupy

Kategorie: Návrhy

Zveřejněno: 19. červen 2012

Vytvořeno: 19. červen 2012

Zobrazení: 22348

Úvod

DPA podvod nebo fatální neznalost? právě takovou otázku je třeba položit k zodpovězení několika otazníku nad zesilovači DPA, jejímž vzorem byly topologie Borbelyho a Cordella, později se přidaly i prvky od Selfa. Když jsem se v minulosti zběžně podíval na DPA110, ukázalo se, vis diskuse, že ochrana diakem poněkud nemůže fungovat, následný pohled na DPA330 ukázal velmi špatné výkonové dimenzování a cesta za příčnými proudy a výkonovým přetížení m u DPA dopadla ještě hůře.

Srovnávalo se DPA vs. HQQF, a proto že se u HQQF limitace tvarově neřeší, neboť limitace je v Hi-Fi stav naprosto nepřípustný, byla limitace vzpomenuta jen z hlediska bezpečnosti zesilovače, tudíž měla DPA zdánlivě alespoň ve tvaru limitace navrch, na čemž si Pavel Dudek patřičně zakládal a dával vyřešení limitace za světový vzor.

Tvar limitace

Přebuzení +13dB

Přebuzení +13dB je poněkud velké a žádné problémy se při takto velkém přebuzení téměř nedají najít. Snahu o získání HQQF k "testovacím" účelům jsem záměrně přehlížel.

Nelineární ZV

Nejsem u zesilovačů příznivcem jakékoliv nelineární ZV a u Hi-Fi zesilovačů obzvlášť. Není složité vyrobit, jakýkoliv tvar převodní charakteristiky, jako například u HQQF Indikátoru, ale Hi-Fi je o věrném přenosu a ne o nějakém kompresoru či něčem podobném. Pokud někomu hrozí, že by zesilovač provozoval až do limitace, nechť si pořídí výkonnější, aby k takovému stavu nemohlo dojít či nedocházelo.

Pavel Dudek se však stále a vehementně oháněl, na první pohled nefunkčním řízením zesílení, neboť proud diodami nemohl nikterak velikost zesílení řídit, pouze přetěžoval levou stranu vstupních diferenciálních dvojic a dostával rozkmitový stupeň do hůře definovaných stavů.

Kontrola řízení limitace

Pokud si člověk není stoprocentně jistý že jde o naprostý nesmysl, který nemůže fungovat, není nic jednoduššího než se o tom přesvědčit, obzvláště, když jsou k dispozici všechny podklady. DPA110 je již řadu let pro simulace připravené a ostatní DPA jsou v této části téměř identické, takže se dá říci, že všechny DPA se budou chovat obdobně.

Frekvenční charakteristika

Jak bylo na minulých testech patrné, je DPA v oblasti 5MHz značně nestabilní.

Aby byla nestabilita alespoň částečně kontrolována, muselo dojít ke zvýšení zpětnovazebního kondenzátoru s 2,7pF až na 27pF, hrb sice nezmizel, ale byl alespoň částečně potlačen. Zesilovače se naprogramovali dvakráte aby se mohly rovnou porovnávat. Výstup s řízením limitace je označen jako "B" a výstup s neřízenou limitací jako "B1", vše ostatní, je vyjma dvou diod a k ním paralelních kapacit 2,7pF, identické.

Vlastní limitace

Při měření vlastní limitace se u zesilovače s diodami projevovala značná nestabilita již daleko od samotné limitace, ne tak při otvírání a zavírání diod, zesilovač byl silně nestabilní a diody neřešily jeho kmitání, proto již zmíněné zvýšení kapacity v celkové ZV.

Průběhy 

Po zvýšení kapacit se dalo začít alespoň omezeně simulovat. Pro frekvence jako 10kHz byl stav naprosto neúnosný, proto se simulace omezily pouze na 100Hz a i ty jsou dostatečně vypovídající. Vstupní napětí je krokováno po 100mV v rozmezí 1,8÷2,5V. Na horním grafu jsou vidět oba výstupní signály a zároveň desetinásobek jejich rozdílu, níže jsou zobrazeny proudy diodami. Jak je na první pohled patrné, není vidět velkých rozdílu s řízenou a neřízenou limitací

Rozdíly výstupního napětí

Podíváme-li se na rozdíly výstupního napětí, pak nám moc nenapoví, je však vidět, že řízená limitace nesnižuje výstupní napětí, jak bylo deklarováno, ale spíše naopak.

Detaily limitace výstupního napětí

Podíváme-li se na detaily limitace výstupního napětí, zjistíme mnohem více. Pro názornost jsem vybral zápornou půlperiodu, i když jsou obě půlperiody z hlediska průběhů rovnocenné. Je patrné, že přechod diody do vodivého stavu vyvolává nejenom nárůst proudu diodou, ale na výstupním napětí potlačí překmit, vzniklý nevhodnou konstrukcí rozkmitového stupně, kde dochází cca 1,5V pod limitací k jakési hysterezi a téměř skokovému přepínání mezi dvěma průběhy. Průběh samotné limitace se však krom jejího posunu o cca 100mV nikterak nezmění! Žádné několik desetiletí deklarované zaoblování přechodu do limitace se nekoná.

Obavy o KNOW HAU

"Mistři" mají neustále obavy o KNOW HAU, abych jim náhodou něco neodkoukal a jsou na to patřičně hrdí, ale žádné obavy, jak napsal "Mistr" Pavel Dudek, to opravdu věc kterou nemohu nikdy pochopit.

Závěr

Jde o další ze série článků Nebuďte negramotní:

Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy

Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta

Nebuďte negramotní počtvrté, aneb výkony a výkonová ztráta

Nebuďte negramotní popáté, aneb 83 let nepochopená celková zpětná vazba

Nebuďte negramotní pošesté, aneb exploze neznalosti a xenofobie na hifi_slovanetu

Nebuďte negramotní posedmé, aneb proč v hudbě mizí detaily či systematické zabíjení Hi-Fi zvuku

Nebuďte negramotní poosmé, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, majitelé DPA330 třeste se!!!

Nebuďte negramotní podeváté, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, pokračování

Nebuďte negramotní podesáté, aneb I MISTŘI se mýlí, či hodina pravdy udeřila

Nebuďte negramotní pojedenácté, aneb DPA podvod

Série článků, které jsem zasvětil lidskému poznání. Pointa všech článků je stejná, že pokud si kdokoliv myslí, že za jeho znalostmi je prázdno a nic víc již nemůže existovat, že se hluboce mýlí, tam teprve začíná to co by teprve poznat mohl. Neplatí tedy tolik "Mistry" a jejich příznivci uznávané co neznám to neexistuje!

Ve zdejším článku je krásně zadokumentováno, jak se řada lidí dlouhá desetiletí mýlili a vzájemně vodili za nos a přitom stačilo tak málo, daný obvod odsimulovat a zjistit jeho skutečný přínos. Jak se ukazuje, nic moc pozitivního krom bombastického marketingu obvod nepřinesl. Žádná řízená změna zesílení spínáním diod se nekoná, diody nesepnou a nesepnou, pokud se dostanou do vodivého stavu pak změní významně poměry ve vstupních obvodech, ale krom korekce zákmitů o nichž doposud zjevně nikdo ani netušil, neboť doposud používanými měřícími metodami nebyly odhaleny a z originálních materiálu to zřejmě rovněž nikdo nepochopil.

Jak se ukazuje, kde se sáhlo ke kontrole deklarovaných elektrických funkcí, parametrů a dimenzování zesilovačů DPA, všechny dopadly podobně, zesilovače DPA trpí příčnými proudy, v jejichž důsledků mohou být výkonové tranzistory mnohonásobně přetěžovány, při běžném provozu tomu není jinak. Žádná řízená limitace se nekoná, navíc obvody k tomu určené mohou být zdrojem nestability. Testy zesilovačů DPA při plném výkonu a deklarovaných frekvencích by bezpečně přežily, ale audiosignál není signál trvalý, ale v čase značně proměnný, jeho střední výkon je jen v řádu jednotek % výkonu maximálního, s čímž si zesilovače DPA ještě poradí.

Pokud se podíváme na mechanické zpracovaní, pozlacený design, ten alespoň lahodí oku, když již zvuk je, jaký je. Zarážející na zesilovačích DPA je, že kolem nich vznikla jakási pomyslná AURA spojená až s fetišismem, který je chránil před reálným světem. Zákazník byl konsternován pozlátkem a skutečné elektrické a poslechové vlastnosti se předpokládaly obdobné, ale pravda je zjevně poněkud jinde.

Diskuse

Psáno pod čarou

V textu vznikla drobná chyba, proto byl text 21. června 24⁰⁰ poopraven, na pointě článku, že diody v žádném případě neřeší několik desetiletí deklarovaný a propagovaný tvar limitace se nic nezměnilo, pouze přibylo, že diody řeší spíše konstrukční chybu přední části zesilovače, chybou jinou. K této problematice se na stránkách Hi-Fi světa brzy vrátíme.

Chlapská nabídka

Pavel Dudek po dlouhém vyhýbání se přímému srovnání zesilovačů, učinil velkým písmem chlapskou nabídku a vyzval všechny k připojení se, bude tak možné srovnat zesilovače poslechově, ale i měřením. Připravím tedy doporučující oblast měření, kde by se měly zesilovače proměřit. Testů se rád zúčastním, ale jen pod podmínkou, že bude sám Pavel Dudek předem souhlasit. Abych hozenou rukavici řádně zvedl, poskytnu na hotový výrobek slevu ve výši 2.000,-Kč

Omluva

Neboť Chlapi bývají ješitní, já nejsem výjimkou a u Pavla Dudka to zřejmě není jinak, tak se za v původním textu vzniklou drobnou chybu, týkající se nelinearit cca 1,5V pod limitací Pavlu Dudkovi hluboce omlouvám. Teto problematice se budu v budoucnu věnovat, abych pomohl nalézt pravou příčinu.

Základní údaje

Napsal Bohumil_Federmann

Nadřazená kategorie: Výrobní postupy

Kategorie: Návrhy

Zveřejněno: 16. červen 2012

Vytvořeno: 16. červen 2012

Zobrazení: 12237

Úvod

Po tříletém odstupu od článku "I MISTŘI se mýlí, aneb 50let slepé cesty", který nakonec po řadě útoků skončil jako článek Ta naše povaha česká je třeba se k problematice opět navrátit. Článek Hi-Fi zesilovač HQQF finální verze opět vzedmul hladiny ne vždy poklidných vod Hi-Fi komunity. Jako jeden z prvních se nechal na Slovanetu slyšet Pavel Dudek. Za tři roky se na straně "Mistrů" téměř nic nezměnilo, kdežto já jsem teoreticky dotáhl podstatu Tranzistorového zvuku, popsal ji prostřednictvím vlivu rezervy zisku na zkreslení, čemuž se podřídily všechny mé další kroky v Topologii Federmann, právě proto nese tento článek název "Nebuďte negramotní podesáté, aneb I MISTŘI se mýlí, či hodina pravdy udeřila"

Výkonové dimenzování zesilovačů a jejich zdrojů

Na Slvanetu, ale i jiných rádoby odborných fórech stále přetrvává "hloupý" názor, že zesilovač jede vždy na plný výkon a tudíž je nutné, aby měl jeho zdroj trojnásobný výkon. "Hloupý" jsem napsal celkem záměrně, neboť "Mistři" stále nepochopili či pro své marketingové záměry pochopit nechtěli, že i ten nejhorší audiosignál má dynamiku 10dB, ty slušné mají 20 a více dB a studiová kvalita má i 40dB, tedy poměr hudebního a středního výkonu je u nejhorších nahrávek 10:1 a u studiových i 10.000:1.

100Wattový Hi-Fi zesilovač pak neběží trvale na 100Wattech ale v nejhorším případě dodává střední výkon pouhých 10W, nebo ještě mnohonásobně méně. Opět jsem záměrně napsal slovo Hi-Fi, čímž je jednoznačně dáno, že zesilovač neběží trvale v limitaci a ani se do ní moc často nedostává.  Není tedy třeba aby byl zdroj dimenzovaný na trojnásobek výkonu hudebního, ale jen na jeho desetinu plus jistá rezerva.

Limitace Hi-Fi zesilovačů

Jak jsem mnohokráte napsal limitace Hi-Fi zesilovače, je stav z akustického hlediska naprosto nepřijatelný a z hlediska elektrického nesmí být pro zesilovač destruktivní, právě proto jsem v článku Hi-Fi zesilovač HQQF finální verze uvedl ten nejhorší stav, který je při cca 20% přebuzení. Zesilovač vše hravě zvládá a vzniklý rušivý produkt při odběhu z limitace je frekvenčně daleko nad nejenom slyšitelným pásmem, ale i pásmem ultrazvuku, které je sluchem rovněž vnímáno.

K Václavovi Daněčkovi se hned na Slovanetu přidává i Pavel Dudek, oba by chtěli limitaci při 10kHz! Jak jsem napsal, limitace Hi-Fi zesilovače není stav, při kterém je Hi-Fi zesilovač provozován a nemá velký smysl jej řešit, je to však stav, který musí zesilovač být schopen bezpečně přežít! Já řeším přednostně věrný zvuk a přežití zesilovače, kdežto "Mistři" spíše, jak si ukážeme dále jen pěkný obrázek limitace, na zvuk a bezpečnost zesilovače poněkud zapomněli, ale arogancí a vulgaritou jen kypí, příčný proud, jeho příčinu a podstatu dodnes Pavel Dudek nepochopil.

Příčný proud

Mnohokráte jsem Pavla Dudka na podstatu příčného proudu upozorňoval, a nejenom na to, za tímto účelem vznikla série vzdělávacích článků

Nebuďte negramotní:

Nebuďte negramotní, aneb SPICE Compatibile programy

Nebuďte negramotní podruhé, aneb neznalosti "Mistrů" při výpočtech

Nebuďte negramotní potřetí, aneb výkonová ztráta

Nebuďte negramotní počtvrté, aneb výkony a výkonová ztráta

Nebuďte negramotní popáté, aneb 83 let nepochopená celková zpětná vazba

Nebuďte negramotní pošesté, aneb exploze neznalosti a xenofobie na hifi_slovanetu

Nebuďte negramotní posedmé, aneb proč v hudbě mizí detaily či systematické zabíjení Hi-Fi zvuku

Nebuďte negramotní poosmé, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, majitelé DPA330 třeste se!!!

Nebuďte negramotní podeváté, aneb Ještě větší blb než jsme si mysleli, pokračování

Nebuďte negramotní podesáté, aneb I MISTŘI se mýlí, či hodina pravdy udeřila

Podstata příčného proudu 

Příčný proud je proud, který teče napříč tranzistory v obou napájecích větvích současně, vzniká opožděným zavíráním tranzistorů, nejčastěji v důsledku prostorového náboje báze u Bipolárních tranzistoru. Tento proud výkonově přetěžuje tranzistory a je nejčastější příčinou jejich destrukce, jak píše Pavel Dudek, při vyšších frekvencích přímo explodují. Podívejme se tedy na detaily konstrukcí HQQF a porovnejme je s konstrukcemi DPA. Aby nám zbytečně tranzistory neexplodovaly a neohrozily někoho na zdraví a životu, jak vyplývá z článku Zesilovač HQQF-55-506W ULN, simulace vs. realita vystačíme si se simulacemi, které jsou velmi blízké realitě.

Topologie DPA

Zesilovače DPA jsou si podobné jako vejce vejci, jejich chování bude obdobné i u jiných typů. Pro simulaci jsem vybral DPA110, na jehož konci jsou 70W výkonové tranzistory KD607. Po neblahých zkušenostech se značným přetížením při běžném provozu u DPA330 nelze čekat asi příliš jiný výsledek.

 Schéma

Šířka pásma

Na šířce pásma je dobře patrné, že je dostatečně velká, ale zároveň hádání se celkové ZV a ZV lokálních, na cca 5MHz je nebezpečný hrb, který bude zvyšovat rychlost přeběhu (SR), ale zároveň ohrožovat bezpečnost zesilovače.

Topologie HQQF

Zesilovače HQQF jsou si rovněž podobné jako vejce vejci, jejich chování bude obdobné i u jiných typů. Pro simulaci jsem vybral HQQF-506W, na jehož konci je pětice 150W výkonových tranzistorů IRFP240/IRFP9240.

Schema

Šířka pásma

Na šířce pásma je dobře patrné, že je velmi silně svázána celkovou ZV na 350kHz, je menší než u DPA, zároveň je vidět zdánlivě nebezpečný sklon, ve kterém protíná zisk 0dB, odtud by mohli mnozí málo znalí mylně nabýt dojmu, že jde o velmi nestabilní zesilovač. Rychlost přeběhu (SR) nebude díku šířce pásma ve srovnání s DPA a jeho hrbem na 5MHz příliš velká.

Příčný proud při 100 a 300kHz

DPA 100kHz

Zde je krásně patrné, že u DPA při 100kHz teče 40% periody nemalý příčný proud. Na průběhu je patný hrb v přenosové charakteristice na 5MHz, tuto nestabilitu však většina osciloskopů nemusí vůbec zobrazit.

DPA 300kHz

Při 300kHz DPA již vůbec nestíhá a příčný proud teče celou periodu. Výstupní signál se snaží udržet za cenu značných proudů obou tranzistorů. Nestabilita v oblasti 5MHz se projevuje výrazněji.

HQQF 100kHz

Zde je krásně patrné, že u HQQF při 100kHz neteče vůbec žádný příčný proud, MOS tranzistory si proud navzájem předávají naprosto excelentně, bez jakéhokoliv překrývání, které je možno vidět u Bipolárních tranzistorů DPA . Výstupní proud je naprosto excelentní a obrovská rezerva zisku utažená velmi silnou celkovou ZV, zajišťuje na rozdíl od zesilovačů DPA naprosto věrné kopírování vstupního signálu. Rovněž je zde vidět nepatrný fázový posuv způsobený vnitřními kapacitami HEXFETů.

HQQF 300kHz

Při 300kHz je již HQQF na mezní frekvenci nastavené celkovou ZV, průběh se již změnil na trojúhelníkový omezený rychlostí přeběhu, ale ani zde není ani náznak příčného proudu. Naprosto dokonalý budič zajišťuje že MOS tranzistory si stále excelentně proud navzájem předávají bez jakéhokoliv překrývání.

Závěr k příčnému proudu

Co říci k závěrem k příčnému proudu, snad jen to, že pokud se chce někdo o příčném proudu bavit, tvrdit, že ta či ona topologie ním trpí či netrpí, musí nejdříve o něm něco vědět, znát jeho příčiny, nebýt omezen jen svými dogmaty, kdy mu to či ono při nekonečném laborování shořelo a on si myslel! Myslet totiž znamená "HOVNO" vědět, je třeba méně myslet a více vědět. Topologie DPA, jak jsem napsal v článku Pavel Dudek vzestup a pád?  mají svůj původ v Borbelyho a Cordellyho topologiích, kteří o nich zřejmě věděli více než autor DPA.

Topologie Federmann mají svůj původ v mém výzkumu, práci, výpočtech a znalostech, kde jsou všechny parametry soustředěny na věrnost signálu a bezpečnost zesilovače. "Mistři" pracující pouze se zapojením, byť by měli sebevíce nazkoušeno, bez dostatečné znalostí teorie nemohou nikdy pochopit správnou funkci a výsledkem jejich kopírování je většinou místo věrného zvuku jen velký BUM! Asi tolik k tvrzení Pavla Dudka o příčných proudech u HQQF-506W a hrozbě exploze. Prostě když někdo něco neumí, nech to raději nedělá! Ne všechno se dá jen tak okopírovat, co šlo kopírovat u Borbelyho a Cordella nejde u Federmanna, kde je to krom znalosti prvkové a obvodové teorie ještě podmíněno těsným prostorovým uspořádáním a jeho teoretickým základem.

Výkonové poměry a bezpečnost zesilovačů

Další část článku je nutné věnovat tolik dokola diskutovaným výkonovým poměrům a bezpečnosti zesilovače, na které "Mistři" za každé příležitosti neustále útočí. Podívejme se tedy jaká je pravda. Při hodnocení běžného provozu dopadlo DPA330 ve srovnání s HQQF-506W velmi špatně, a jak je tomu v podmínkách extrémních?

Topologie DPA

DPA při 100kHz

Vybuzení DPA pod limitaci při 100kHz je poznamenáno značnými příčnými proudy, které ve svém důsledku začínají o 20% přetěžovat 70W tranzistory.

DPA při 100Hz 20% přes

Limitace DPA při 100Hz je ukázková, výkony na 70W tranzistorech nejsou překračovány.

DPA při 100kHz 20% přes

Limitace DPA při 100kHz je o již poznamenána značnými příčnými proudy, které ve svém důsledku již o 50% přetěžují 70W tranzistory.

DPA při 300kHz 20% přes

Přestože nejde ani o polovinu šířky pásma, je pro zesilovač DPA limitace při tomto kmitočtu naprosto katastrofální, příčné proudy již o více jak 200% 70W výkonové tranzistory přetěžují!

Topologie HQQF

HQQF při 100kHz

Vybuzení HQQF pod limitaci při 100kHz je na rozdíl od DPA naprosto čisté až excelentní, na otvírání tranzistorů je patrný potřebný výkon k nabíjení vnitřních kapacit HEXFETů, Výkonová ztráta na 150W tranzistorech dosahuje pouze 1/3 povolené ztráty.

HQQF při 100Hz 20% přes

U limitace HQQF při 100Hz je patrný malý odskok při návratu z limitace. Výkonová ztráta na 150W tranzistorech dosahuje pouze 1/4 povolené ztráty.

HQQF při 100kHz 20% přes

U limitace HQQF při 100kHz dochází k nelinearitě při návratu z limitace. Výkonová ztráta na 150W tranzistorech dosahuje stále pouze 1/3 povolené ztráty.

HQQF při 300kHz 20% přes

U limitace HQQF při 300kHz již jsme na celkovou ZV nastaveném mezním kmitočtu proto se nám tvar mění na trojúhelníkový. Výkonová ztráta na 150W tranzistorech zůstává stejná i zde dosahuje pouze 1/3 povolené ztráty.

Závěr k výkonovým poměrům a bezpečnosti zesilovačů

Zde je to obdobné jako u příčných proudu, neboť právě příčné proudy jsou hlavní příčinou navýšení výkonové ztráty na tranzistorech. Zásadním rozdílem zesilovačů DPA a HQQF je fakt, že zesilovače DPA jdou v samotném základu až na hranici povolené ztráty, kdežto zesilovače HQQF mají v základu zatížené výkonové tranzistory jen na 25%.

Se zhoršujícími se podmínkami vzroste zatížení výkonových tranzistorů u HQQF až k 35% povolené výkonové ztráty, kdežto u zesilovačů DPA je běžně dosahováno přes 300% povolené výkonové ztráty. U zesilovačů HQQF je výkonová ztráta s frekvencí téměř stabilní, neboť její navýšení kryje pouze kapacitní charakter tranzistorů, kdežto u zesilovačů DPA jde o prostorový náboj báze tranzistorů a následný vznik příčných proudů. Přihlédneme-ji k významně lepšímu využití napájecího napětí u zesilovačů HQQF, pak dimenzování výkonových tranzistorů u HQQF je více jak 10 x lepší jako u zesilovačů DPA!

Reálný provoz Hi-Fi zesilovačů

Nyní je třeba se podívat ještě na reálný provoz Hi-Fi zesilovačů, jak jsem zadokumentoval v článku Jak měřit Hi-Fi zesilovače a jejich pracovní oblast, akustický signál není s frekvencí rovnoměrně zastoupen. Dá se říci, že od cca 500Hz jeho úroveň klesá se strmostí cca 20dB/dek. Máme-li 100W zesilovač, pak při 500Hz může běžně dosahovat úroveň signálu až k limitaci, nikoliv do limitace. Akustické signály s frekvencí 5kHz však budou mít o 20dB méně, na frekvenci 10kHz o dalších 6dB méně, lze tedy napsat, že úroveň 10kHz frekvencí bude dosahovat nejvýše -26dB pod limitaci zesilovače.

Jak je z příspěvku patrné, Pavel Dudek neustále preferuje provoz zesilovače v limitaci a pěknější marketingové obrázky, ale zvuk a bezpečnost zesilovače jsou mu poněkud vzdálenou neznámou. Nepomůže modelovat měkkou limitaci a přitom ani netušit o poměrech uvnitř topologie a jednotlivých prvků!

Pokud Pavel Dudek upřednostňuje měření s přebuzením zesilovače o 13dB při 10kHz, pak by takový stav v běžném provozu mohl nastat, jedině pokud by úroveň na spodním konci pásma bylo o již zmíněných 26dB výše! Pak by ale na vstupu zesilovače muselo být při měření, jak se chová zesilovač v běžném provozu, na spodním konci pásma o téměř 40dB větší signálové napětí. Při zesílení zesilovače 20dB kde je pro výstupní výkon 100W/4Ω zapotřebí připojit na vstup zesilovače 2V ef, bychom museli měřit se vstupním napětím 200V ef!

Závěr

Reálný provoz je však o něčem jiném, proto také všechny DPA ještě neshořely, mají oproti HQQF mnohem pěknější limitaci, ale to je vše, na oplátku HQQF mají zase mnohem věrnější zvuk a jsou mnohem lépe dimenzovány. Hold konstruktér si musí vybrat, co upřednostní, vymyslí či jen okopíruje, co zvládne a co je nad jeho síly či schopnosti, finanční a časové se dají odhadnout lehce, jen ty mentální se dost těžko řeší.

Diskuse