Danas je nabavljen rack sa četiri mono bloka audio pojačala snage 80 W, proizvod njemačke tvrtke FG Elektronik iz 1980-tih godina. Tvrtka FG Elektronik je u razdoblju od početka 1970-tih do početka 1990-tih godina proizvela veliki broj inačica audio pojačala raspona snage 4-500W, od čega i veći broj međusobno vrlo sličnih inačica MOSFET pojačala snage 60W i 80W. S obzirom da na našem pojačalu nema nikakvih oznaka modela, prema izmjerenom naponu napajanja, potrošnji struje i upotrijebljenim MOSFET tranzistorima za izlazni stupanj pretpostavljamo da se radi o jednoj od inačica MOSFET 80W pojačala.
Obiteljsku tvrtku FG Elektronik osnovali su 1962. godine Gerda i Franz Grigelat (FG) i do 1990-tih godina proizvodni program je uključivao razna transformatorska mrežna napajanja te različitu audio opremu poput pojačala, radio tunera, kasetofona, ekvilajzera, mikseta, zvučničkih skretnica, light-show uređaja i slično. Danas je FG Elektronik u vlasništvu njemačke tvrtke Sasse Elektronik i fokusiran na razvoj i proizvodnju profesionalnih napajanja (za medicinske aparate, sigurnosne uređaje, mjerne instrumente, industrijske primjene i slično).
Na prednjoj ploči vidimo oznaku njemačke norme za Hi-Fi uređaje DIN 45 500. Ova norma je uvedena 1966. godine kao potreba da se odredi koji audio uređaji doista zadovoljavaju Hi-Fi kvalitetu zvuka. Naime, prije ove standardizacije proizvođači bi stavljali oznake Hi-Fi na bilo kakve iole bolje audio uređaje po vlastitoj ocjeni jer nije bilo jednoznačno određeno kakve točno kriterije audio uređaj mora zadovoljiti da bi se mogao svrstati u kategoriju visoke vjernosti zvuka, odnosno Hi-Fi. Norme koje propisuje njemački standard DIN 45 500 odnose se na FM tunere i prijemnike, gramofone, magnetofone, mikrofone, pojačala, zvučnike i još neke audio uređaje. Normom DIN 45 500 propisana je i standardna peteropolna utičnica koju bi trebali imati svi Hi-Fi uređaji, danas opće poznata pod nazivom DIN utičnica. Općenito gledano norme DIN 45 500 nisu previše stroge ni što se tiče broja različitih kriterija ni što se tiče minimalnih vrijednosti za pojedini kriterij. Pa ipak, veliki broj uređaja koji se prodavao pod oznakom Hi-Fi nije zadovoljavao te norme. Od 1970-tih godina audio elektronika doživljava nagli razvoj pa je sve veći broj audio uređaja lako dostizao Hi-Fi norme kvalitete.
Kao primjer navesti ćemo tvorničke podatke za naše pojačalo MOSFET – 80W i u zagradi plavom bojom najmanju vrijednost koju treba imati prema DIN 45 500 standardu. Prema normi DIN 45 500 sva mjerenja vrše se kod temperature okoline u granicama 15-35°C, relativne vlažnosti u granicama 45-75% i atmosferskih tlakova u granicama 860-1060 milibara.
- napon napajanja: ±33 V
- nazivni ulazni napon za najveću snagu (osjetljivost pojačala): 0,77 V
- izlazna sinusna snaga (4Ω, 1 kHz): 80 W (DIN: minimalno 10 W)
- nazivni ulazni otpor: 30 kΩ
- nazivni opteretni otpor: 4 Ω
- harmonijsko izobličenje, klir faktor (20 Hz – 20 kHz): manji od 0,03% (DIN 40Hz-12,5kHz: 1%)
- damping faktor (4Ω, 40 Hz): veći od 400
- intermodulacijska izobličenja (250 Hz, 8 kHz, 4:1): manja od 0,03% (DIN: 3%)
- linearnost frekvencijskog odziva (20 Hz – 20 kHz): ±0,1 dB (DIN 40Hz-16kHz: ±1,5 dB)
- frekvencijsko područje rada (-3 dB, 4Ω, P=0,1 Pn): 2 Hz – 350 kHz
- frekvencijsko područje rada uz date specifikacije: 5 Hz – 120 kHz
- odnos signal-smetnja za nazivnu snagu 80 W: veći od 130 dB (DIN: 50 dB)
- odnos signal-smetnja za snagu 50 mW: 70 dB
- dimenzije: cca 100x110x220(240) mm
Vidimo da naše pojačalo uvelike premašuje minimalne zahtjeve za Hi-Fi kvalitetu zvuka po DIN 45 500 standardu. Ovo se posebno može zahvaliti izlaznom stupnju s MOSFET tranzistorima kojima se postižu manja izobličenja i šire frekvencijsko područje rada nego sa klasičnim bipolarnim (BJT) tranzistorima.
Pojačalo MOSFET-80W je kompaktni blok (modul) sastavljen od mrežnog transformatora sa pločicom ispravljača i filtra napona, zatim od pločice sa pretpojačalom i krugom temperaturno kompenziranog reguliranog izvora prednapona sa pobudnim bias-tranzistorima, te od pločice za izlaznim MOSFET tranzistorima koja uključuje tzv. slijevne otpornike kao strujna osjetila za zaštitne sklopove i gate otpornike za smanjivanje osjetljivosti na parazitne oscilacije. Osim toga dodan je sklop za zaštitu zvučnika od mogućeg proboja previsokog istosmjernog napona (20V i više) u kombinaciji sa sklopom za odgođeno uključivanje zvučnika (2-3 sekunde nakon uključenja napajanja) kako bi se zvučnici zaštitili od onog početnog neugodnog kratkotrajnog “klipa” koji je karakterističan kod mnogih pojačala u trenutku uključenja, a i da bi se dalo vremena da se stabilizira rad ulaznog diferencijalnog pojačala i negativne povratne veze.
Ulazni signal prvo prolazi kroz elektrolitski kondenzator za blokiranje istosmjerne komponente signala, a zatim kroz RC filtar za blokiranje RF interferencijskih smetnji (prijem i pojačavanje jakih radio signala u blizini pojačala) i nakon toga na ulazno diferencijalno pojačalo.
Ono što se odmah vidi iz sheme to je da se pojačalo napaja simetričnim naponom (+UB, masa, -UB), a tu je od velike važnosti održavati stabilnost istosmjernih napona koji prolaze kroz zvučnik jer nema elektrolitskog kondenzatora između izlaznog stupnja i zvučnika koji bi blokirao istosmjernu komponentu izlaznog signala. Bilo kakav proboj istosmjernog napona napajanja preko izlaznih tranzistora na zvučnik (primjerice zbog proboja tranzistora) dovesti će do njegovog uništenja. Uz napajanje 33V i impedanciju zvučnika od 4Ω, struja kroz zvučnik bi kontinuirano iznosila 8,25A što je sigurno dovoljno da vrlo brzo pregori tanka žica njegove zavojnice.
Istosmjerna komponenta na izlazu iz pojačala mora uvijek biti jednaka nuli. Poremećaj (posmak, drift) istosmjernog napona na izlazu najbolje se kontrolira diferencijalnim pojačalom. Stoga se ulazni stupanj sastoji od diferencijalnog pojačala (T1, T2) koje ima zadatak detektirati naponsku razliku između ulaznog signala i signala koji se dovodi negativnom povratnom vezom sa izlaza. Osim toga, na ulazima diferencijalnog pojačala detektirati će se razlike i svih drugih neželjenih signala (smetnji) nastale između ulaza i izlaza. Kod postignute potpune simetrije obiju grana diferencijalnog pojačala, neželjeni istosmjerni naponi koji se pojave na ulazu biti će poništeni na izlazu iz diferencijalnog pojačala.
Što se tiče samog diferencijalnog pojačala, da bi isto dobro radilo, od velikog značaja je postići dobru stabilnost, brzinu i pojačanje istog uz najmanja izobličenja. Stoga obje grane pojačala moraju biti električki potpuno jednake s istim karakteristikama pojačanja. Da bi se to postiglo potrebno je odabrati aktivne i pasivne elemente sa što sličnijim karakteristikama i u obje grane pojačala osigurati protok iste jačine struje kako bi tranzistori imali jednake radne točke. To se postiže napajanjem diferencijalnog pojačala iz posebnog strujnog izvora, u našem slučaju preko tzv. strujnog ogledala (T3, T4, T5) koje u osnovi izjednačava protok struje kroz dvije električki nejednake grane diferencijalnog pojačala.
Kompaktna izvedba MOSFET pojačala snage 80 W.
Ostale sklopove čini mrežni transformator, ispravljač, relejni sklop za odgodu uključenja zvučnika i za njihovu zaštitu od istosmjernog napona, ulazne i izlazne priključnice, indikacije i sklopke.
Mrežni ispravljač osigurava simetrični napon ±33 V za napajanje pojačala, dok se za napajanje sklopa za zaštitu zvučnika uzima izmjenični napon izravno s jednog namota transformatora.
Na pločici napajanja uočava se jedan pozitivni regulator za napon 24V koji se ovdje ne koristi. Tvrtka FG Elektronik razvila je više inačica sličnih pojačala na istoj šasiji tako da ovakvi neiskorišteni elementi nisu neuobičajeni.
Ulazni transformator za izjednačavanje impedancije i galvansko odvajanje izvora ulaznog signala s obzirom na neobičnu montažu očito je namjenski dodatak koji je ugrađen prema specifičnim zahtjevima upotrebe ovih pojačala.
Ulazno diferencijalno pojačalo u našem slučaju ima još jednu ulogu, a to je osiguranje dva protufazna audio signala za pogon kvazi-komplementarnog izlaznog stupnja sa pobudnim tranzistorima T12 i T13 te izlaznim N-kanalnim MOSFET tranzistorima T15 i T16.
Kvazi-komplementarni izlazni stupnjevi bili su karakteristični za prva tranzistorska pojačala kada još nije postojao velik izbor snažnih izlaznih tranzistora za audio pojačala velike snage. Većinom su bili dobavljivi N-kanalni i NPN tranzistori, dok su P-kanalni i PNP tranzistori bili puno rjeđi, skuplji i lošijeg frekvencijskog odziva od NPN tranzistora. S obzirom da je bilo vrlo teško pronaći komplementarni par snažnih izlaznih tranzistora (N-kanalni/P-kanalni ili PNP/NPN) pojačala su se radila kao kvazi-komplementarna (polu-komplementarna) gdje se komplementarni par tranzistora manje snage koristio kao okretač faze za nesimetrični izlazni stupanj sa jednakim (NPN) snažnim izlaznim tranzistorima. Kod takvih pojačala komplementarni tranzistori zapravo rade samo kao emiterska slijedila koja bazama izlaznih tranzistora dovode protufazne napone. Najveći problem kod takvih pojačala je nesimetrija koja uzrokuje pojavu istosmjernog napona na izlazu, a rješavanje problema nesimetrije često uzrokuje porast harmoničnih izobličenja pojačala.
Ovi problemi mogu se uvelike izbjeći ako se umjesto bipolarnih (BJT) tranzistora koriste MOSFET tranzistori. MOSFET-i su naponski upravljani tranzistori tako da ne trebaju veliku pobudnu struju kao BJT tranzistori (ne trebaju snažne pobudne tranzistor), a također i stvaraju manje opterećenje naponskom pojačalu jer imaju veliku ulaznu impedanciju. Stoga se u našem slučaju za pobudu koriste dva mala silicijska PNP tranzistora T12 i T13 (65V, 100mA) koji protufazne ulazne signale dobivaju izravno sa ulaznog diferencijalnog pojačala. Vidimo da su u takvom spoju obje grane pojačala potpuno simetrične (sadrže iste elemente), odnosno slijedno su to: tranzistor diferencijalnog pojačala (BC414), pobudni tranzistor (BC556) i izlazni MOSFET (RCA 9192A).
Pločica sa pretpojačalom i krugom temperaturno kompenziranog reguliranog izvora prednapona sa pobudnim bias-tranzistorima, te krugom zaštite MOSFET-a od preopterećenja.
Pločica sa otpornicima u krugu izlaznih MOSFET-a: istiću se tzv. slijevni otpornici (R27) kao strujna osjetila za zaštitne sklopove i gate otpornici (100R) za smanjivanje osjetljivosti na parazitne oscilacije. Poveći otpornik od 1k je u krugu zaštite izlaznih MOSFET-a od preopterećenja. Također se uočavaju dva PTC termistora termički spregnuta preko hladila sa MOSFET-ima kao senzori za temperaturnu stabilizaciju radne točke MOSFET-a (prednapona).
Paralelni spoj izlaznih MOSFET-a za dobivanje većih izlaznih snaga jednostavnije je izvesti nego je to slučaj kod BJT tranzistora jer se ne moraju dodavati emiterski degeneracijski otpornici za balansiranje izlazne struje kao ni temperaturne sprege kućišta tranzistora sa krugom za regulaciju prednapona istih. Naime, MOSFET-i već sa malim povećanjem dovodne struje mijenjaju svoju karakteristiku iz pozitivnog na negativni temperaturni koeficijent. Tako sa porastom temperature MOSFET-a raste i njegov unutarnji otpor čime se automatski smanjuje struja kroz tranzistor, pa se on hladi i štiti od pregaranja. Za razliku od MOSFET-a kod BJT tranzistora se s porastom temperature povećava struja kroz tranzistor, a zatim to povećanje struje dodatno zagrijava tranzistor što dodatno povećava struju te takav ciklus u konačnici dovodi do uništenja tranzistora. Vidimo da su kod našeg pojačala MOSFET-80W pločice ulaznog pojačala/drivera i izlaznog MOSFET stupnja zasebne i međusobno povezane konektorom. To omogućuje laku izmjenu izlaznog stupnja s dva MOSFET-a nekim jačim izlaznim stupnjem s više MOSFET-a, no upotrijebljeni tranzistori i dalje moraju biti upareni (istih karakteristika) kako bi se zadržala simetrija.
Na MOSFET-ima RCA 9192A nalazimo kodnu oznaku datuma proizvodnje 8314 (travanj, 1983. godine) i slovo “C” koje vjerojatno predstavlja svojevrsnu oznaku toleranciju između pojedinačnih komada tranzistora tako da se mogu lakše upariti za upotrebu u izlaznim stupnjevima kvazi-komplementarnih protufaznih pojačala.
Za MOSFET RCA 9192A (100V/6A) s početka 1980-tih godina danas je već teško pronaći bilo kakve podatke i odavno nije dobavljiv, a kao zamjenski MOSFET sličnih karakteristika navodi se IRF120. Također, tvrtka FG Elektronik je u svojih više inačica MOSFET 60W/80W pojačala ugrađivala i druge slične izlazne MOSFET-e kao što su BUZ 23 ili MTM1220 gdje bi ovisno o inačici ostatak pojačala bio neizmijenjen ili uz različite veće ili manje modifikacije. Na našim MOSFET-ima RCA 9192A nalazimo kodnu oznaku datuma proizvodnje 8314 (travanj, 1983. godine) i slovo “C” koje vjerojatno predstavlja svojevrsnu toleranciju između pojedinačnih komada tranzistora. Te oznake mogu biti A, B ili C pa je kod odabira tranzistora potrebno kombinirati one sa jednakim tolerancijama (slovnim oznakama) ili drugim riječima one sa što sličnijim karakteristikama. Danas je tehnologija proizvodnje tranzistora preciznija pa su i tolerancije između istih manje, a široko dostupni su i snimači karakteristika tranzistora, tako da je puno lakše selektirati tranzistorski par sa istim karakteristikama.
Rekli smo da MOSFET tranzistorima zbog negativnog temperaturnog koeficijenta nije nužna temperaturna kompenzacija prednapona jer neće doći do uništenja tranzistora. No do pregrijavanja istih ipak može doći zbog preopterećenja, lošeg odvođenja topline ili nekog sličnog kvara. Također, ukoliko želimo napraviti vrlo stabilno pojačalo za rad u širokom temperaturnom rasponu onda ćemo svakako dodati i sklop za automatsku kompenzaciju prednapona MOSFET tranzistora u ovisnosti o promjeni njegove temperature. Na našoj shemi vidimo sklop diferencijalnog pojačala (T6, T7) sa izlaznim stupnjem naponskog pojačala (T8) koji u svom krugu uključuju PTC termistore temperaturno spregnute preko hladila sa izlaznim tranzistorima. Ovaj sklop čini temperaturni senzor. Tranzistori T9, T10 i T11 sa potenciometrom P1 čine naponski regulacijski krug preko kojeg dobivamo temperaturno kompenziran izvor napona za driver/bias tranzistore T12 i T13, te se preko istih zatim regulira i prednapon izlaznih tranzistora. Strujom mirovanja koja se podešava potenciometrom P1 na taj način se regulira napon na gate MOSFET-a i podešava njegova radna točka. Ukoliko iz nekog razloga dođe do pretjeranog zagrijavanja MOSFET-a, senzorski sklop sa PTC termistorom će to detektirati i smanjiti prednapon na gate MOSFET-a.
Tranzistor T14 je u krugu zaštite izlaznog stupnja od preopterećenja (kratkog spoja), odnosno to je zaštita od prevelike struje kroz tranzistor. Izlaz iz pojačala premošten je serijskim RC komponentama kako bi se spriječile neželjene oscilacije i poboljšala stabilnost izlaznog stupnja s obzirom na izraženu induktivnu komponentu zvučničke impedancije.
Relejni sklop za odgodu uključenja zvučnika i za njihovu zaštitu od istosmjernog napona.
Sklop za odgodu uključenja zvučnika i za njihovu zaštitu od istosmjernog napona spaja se između izlaza pojačala i zvučnika, a bazira se na releju kao uklopnom elementu. Kod odabira releja svakako treba voditi računa o maksimalnim strujama koje mogu teći preko zvučnika te o samoindukciji s obzirom da se prekida zavojnica zvučnika sa izraženom induktivnom komponentom. U naš sklop ugrađen je Siemensov relej čiji kontakti su predviđeni za kontinuirane struje do 8A i napone 250VAC (zavojnica radi na nominalnom naponu 24V). Čest kvar koji nastaje na ovakvim relejnim sklopovima događa se prilikom prekidanja kontakta zvučnika pod punim opterećenjem kada može doći do pojave električnog luka koji zavari kontakte te zaštita na kraju ne profunkcionira. Naš relej trebao bi isključiti zvučnik ukoliko struja kroz isti dosegne 5A (20V), dok u normalnom radu strujni vrhovi ne bi trebali prelaziti 2,5A. Za jača pojačala koriste se elektronički prekidački elementi.
Krug za odgodu uključenja zvučnika u našem slučaju uključuje iste 2-3 sekunde nakon uključenja napajanja pojačala. Time se sprječava prodor onog karakterističnog kratkotrajnog “kvrc” zvuka koji se čuje kod mnogih audio uređaja u trenutku uključenja. Ovaj kratki “DC strujni udar” na zvučnike vjerojatno neće dovesti do njihovog uništenja (osim u ekstremnim slučajevima) no u najmanju je ruku akustički neugodan pa ga je dobro izbjeći. Druga korist od odgođenog uključenja zvučnika je puštanje da se pojačalo električki (i temperaturno) stabilizira i da prorade sve povratne veze i regulacije. Stoga kod nekih pojačala (osobito cijevnih) ova odgoda može biti puno veća, čak i do nekoliko desetaka sekundi pa i do nekoliko minuta.
Kao što vidimo na shemi, sklop koji radi ove dvije funkcije prilično je jednostavan. Relejem se klasično upravlja preko Darlingtonovog spoja tranzistora koji kad vode propuštaju kroz zavojnicu releja potrebnih 24V. Prilikom uključenja, prvo se puni kondenzator 10µF preko otpornika 68kΩ i 33kΩ na napon potreban za otvaranje tranzistora što traje 2-3 sekunde. Senzor napona čini ulazni krug sa otpornicima, diodama i kondenzatorom koji je tako dizajniran da zener dioda provede na ulaznom naponu 20V ili većem čime će na bazu tranzistora doći negativan napon 9,1V koji će ih dovesti u nevodljivo stanje te će se relej isključiti.
Kada sve rezimiramo vidimo da su u naše pojačalo ugrađene slijedeće zaštite i regulacije:
- zaštita od kratkog spoja (preopterećenja) izlaza pojačala
- kompenzacija nesimetričnosti napona na izlazu pojačala
- temperaturna kompenzacija izlaznih tranzistora
- kompenzacija naponskih smetnji između ulaza i izlaza
- ulazni filtar za blokiranje RF smetnji
- izlazni filtar za sprječavanje oscilacija
- zaštita od pojave prevelike istosmjerne komponente napona na zvučniku
- zaštita od pojave DC impulsa na zvučniku prilikom uključivanja pojačala na napajanje
- ugrađen transformator za izjednačavanje impedancije i galvansko odvajanje izvora ulaznog signala
Audio pojačala se u osnovi čine kao jednostavni elektronički sklopovi, no ukoliko želimo napraviti kvalitetno HI-Fi audio pojačalo sa svim potrebnim regulacijama, kompenzacijama, filtrima i zaštitama onda je osim osnovnih stupnjeva pojačanja potrebno ugraditi i niz drugih sklopova, a na ukupni rezultat svakako će utjecati i sama kvaliteta upotrijebljenih elektroničkih komponenti kao i njihova montaža te ukupno ožičenje i napajanje pojačala. Upravo iz tog razloga naići ćemo na veliki broj različitih dizajna pojačala sa različitim rješenjima pojedinih sklopova. Izlazni tranzistori su obično najskuplji dio svakog pojačala snage pa se svi ostali sklopovi izračunavaju da na najbolji način pogone, stabiliziraju, reguliraju i štite rad izlaznog stupnja. U vrijeme kad je dizajnirano naše pojačalo MOSFET tranzistori snage su još uvijek bili rijetki i skupi elektronički elementi tako da ni jedan elektronički sklop za osiguranje njihovog pouzdanog i sigurnog rada nije višak. Kako se razvijaju i proizvode novi audio tranzistori snage tako se prilagođavaju i sheme audio pojačala za najbolji pogon istih, no tu treba biti svjestan da ni jedno rješenje audio pojačala nije u svakom pogledu savršeno, odnosno svaki dizajn ima svoje prednosti i mane, a uz to uvijek treba i naći neki balans između kvalitete i ukupne cijene (složenosti) pojačala. Pri kupnji ili izradi audio pojačala prvo i osnovno moramo znati za što će se isto koristiti i onda odabrati pojačalo koje najbolje zadovoljava kriterije za specifičnu namjenu. Vrhunska pak audiofilska tranzistorska pojačala, jednako kao i ona s elektronskim cijevima, ostati će vječna tema rasprava među ljubiteljima savršenog zvuka iz jednostavnog razloga jer savršeni zvuk ne čini savršena prijenosna karakteristika pojačala, nego zapravo “finoća” nesavršenosti koje isto proizvodi. To je svakako stvar subjektivnog dojma svakog slušatelja, tako da će uvijek biti aktualno traženje odgovora na vječita pitanja: “da li su bolja cijevna ili tranzistorska pojačala” ili “da li su bolja BJT, MOSFET ili IGBT tranzistorska pojačala” da u tu cijelu priču još ne umiješamo i različite kombinacije te hibridna audio pojačala 🙂