Teória: princíp digitálneho zosilňovača

Teória: princíp digitálneho zosilňovača

     Princíp funkcie digitálnych zosilňovačov je známy už niekoľko desaťročí, ale až v súčasnej dobe sa začínajú uplatňovať na kvalitné ovzučovanie. Je to dané technologickou náročnosťou na použité súčiastky s ktorou sa donedávna nevedeli vysporiadať ani najväčší výrobcovia polovodičových súčiastok. Digitálny zosilňovač, inak volaný aj ako spínaný, potrebujeku svojej funkcii aspoň 2 polovodičové spínače, ktoré sú schopné vo veľmi krátkom okamžiku (menej ako 1 mikrosekunda) zopnúť alebo rozopnúť, čo vtedajšie nemohli zvládnuť.
6849013AKO TO FUNGUJE?
     Na rozdiel od analógových zosilňovačov, kde sa priamo zosilní vstupný signál, pri spínaných (digitálnych) sa signál prevádza do digitálnej domény jednotiek a núl. Najčastejší spôsob prevodu je známy ako pulzne-šírková modulácia (PWM - Pulse Width Modulation). Ako už z názvu vyplýva, ide o upravovanie šírky impulzov v závislosti od vstupného signálu. Ak je na vstupe signál s nulovou veľkosťou PWM modulátor určí rovnakú šírku impulzov pre oba spínače, to znamená že ich priemerná hodnota je rovná nule. Ak je signál kladný, tak spínač pre kladnú časť ostáva otvorený dlhšie a druhý spínač kratšie, tým spínač kladného napätia dodá viac energie ako spínač záporného napätia, to má za následok vznik kladného napätia na výstupe. Pre signál zápornej polarity platí to isté, len obrátene. Z princípu je nutné zvoliť spínaciu frekvenciu aspoň na dvojnásobok prenášanej frekvencie, teda pre počuteľné pásmo do 20kHz potrebujeme spínať s frekvenciou aspoň 40kHz. Bežne sa ale používajú frekvencie rádovo stoviek kHz, abybola zaručená maximálna vernosť výstupného signálu. Teoreticky platí, že s každým zvýšením spínacej frekvencie sa znižuje skreslenie, ale v praxi tomu nie je celkom tak. Pri vyšších frekvenciách je zo zosilňovača vyžarované zvýšene množstvo elektromagnetického smogu, ktorý následne ovplyvňuje ostatné komponenty v zostave. Dôležitejšie ako zvyšovanie frekvencie je správne nastavenie Dead Time (DT), ktoré vyrovnáva nerovnaké časy medzi zapnutím a vypnutím spínača. Bežný spínací MOSFET používaný v zosilňovačoch (IRF 540N) sa dokáže zopnúť za 46ns a vypnúť za 74ns, z toho vyplýva, že ak jeden spínač vypneme a druhý zapneme tak po dobu 28ns budú oba zapnuté. Počas toho preteká obrovský prúd do skratu a môže sa stať že takto namáhaný spínač príliš dlho nevydrží. Niektorý výrobcovia zoslňovačov sa istia tým, že nastavujú DT na oveľa dlhšiu dobu než je potrebné (väčšinou 60-200ns), tým však vzniká skreslenie. Na druhú stranu sú výrobcovia, ktorí nastavujú každý zosilňovač pomocou špeciálnych meracích prístrojov aby DT nebol dlhší než je potrebné, tieto zosilňovače majú podstatne lepší zvuk. Ďalší komponent, ktorý výrazne vplýva na kvalitu zosilňovača je výstupný filter. Ten musí odfiltrovať samotnú spínaciu frekvenciu, ktorá by mohla predstavovať obrovskú záťaž pre reproduktory (hlavne pre výškové). Filter pozostáva z minimálne dvoch súčiastok, z cievky a kondenzátora. Ich kvalita je kritická a na tomto mieste sa neoplatí šetriť, čo však niektorý výrobcovia robia a tým značne degradujú kvalitu produktu.

PREČO PRÁVE DIGITÁL?
     Stále sme sa ale nedostali k otázke prečo sa vôbec digitálne zosilňovač vyrábajú, keď je s nimi toľko problémov. Odpoveďou je v účinnosti týchto zariadení. Keďže pracujú v spínacom režime, nevyžaruje z nich takme žiadne teplo. Pre porovnanie s analógovými zoslňovačmi ktoré majú účinnosť prinajlepšom do 65%, digitály majú účinnosť 90-95%. Dôvodom je stratový výkon, ktorý vzniká na súčiastkach cez ktoré tečie prúd a zároveň majú rozdiel napätí medzi elektródami, čo je bežný stav pri analógových zosilňovačoch. Pri digitálnych zosilňovačoch tiež tečie prúd, ale nemajú medzi elektródami takmer žiadne napätie, pretože poznajú iba dva stavy:
     1. zopnutý - prechádza prúd a na ich výstupe je to isté napätie ako na vstupe
     2. rozopnutý - neprechádza prúd a na elektródach majú celé napájacie napätie
    
     Ani na jednom z týchto stavov nevzniká stratový výkon (teplo).

Schema digitalneho zosilnovaca
Vnútorné rozdelenie zosilňovača (SL-A1500): A - napájacie konektory, B - výstupná časť, C - napájanie, D - výkonová spínacia časť, E - modulátor so vstupnou časťou a korekčnými obvodmi.

VÝHODY A NEVÝHODY
     Ak by sme to mali zhrnúť, medzi hlavné výhody digitálov patrí vysoká účinnosť, menšie požiadavky na napájanie keďže netreba "kúriť" a ak je zosilňovač dobre urobený, dokáže reprodukovať veľmi kvalitný zvuk subjektívne prirovnávaný k elektrónkam. Taktiež treba spomenúť, že v digitáloch nevznika prechodové skreslenie.

     Na druhú stranu medzi nevýhody patrí únik nežiaducich vysokofrekvenčných rušení, obrovské požiadavky na spínacie prvky a výstupny filter, plus mierne zvýšená citlivosť na pripojené reproduktory.

Zdroj: autohifi & navigácie
comments powered by Disqus
comments powered by Disqus