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