Home / Posts / Ενισχυτές και κλάσεις

Ενισχυτές και κλάσεις

Ενισχυτής Ισχύος (Power Amplifiers)

Το άρθρο προέρχεται  από την πλατφόρμα  Open Courses, από  το μάθημα Ηχητική Κάλυψη Εκδηλώσεων  του Φάνη Μαραγκού )

Ο ενισχυτής ισχύος είναι η συσκευή που αναλαμβάνει να μας πολλαπλασιάσει την ισχύ του σήματός μας και με το σήμα αυτό να τροφοδοτήσουμε έπειτα τα ηχεία μας. Το κύριο χαρακτηριστικό του ενισχυτή είναι η ισχύς του, δηλαδή πόσα watt μπορεί να βγάλει στην έξοδό του σε μια δεδομένη πάντα αντίσταση λειτουργίας (π.χ. 8 Ω, 4 Ω, 2 Ω).

Η ισχύς έχει να κάνει πάντα με την αντίσταση που «βλέπει» ο ενισχυτής και καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα ηχεία που συνδέουμε.

Επίσης, ένα ακόμα βασικό χαρακτηριστικό ενός ενισχυτή είναι η απόδοση του. Είναι το πραγματικό ποσοστό ισχύος (%) που αποδίδει ο ενισχυτής στην έξοδο του, σε σχέση με την ισχύ που καταναλώνει για να λειτουργήσει. Απώλειες θα υπάρξουν πάντα, συνήθως υπό μορφή θερμότητας εξαιτίας των υψηλών θερμοκρασιών που θα αναπτυχθούν στο στάδιο της εξόδου. Η απόδοση επίσης του ενισχυτή θα εξαρτηθεί από την χρονική διάρκεια λειτουργίας του, αλλά και από το πλάτος του σήματος εισόδου.

Οι ενισχυτές ισχύος εισάγουν δυο ειδών παραμορφώσεις αλλοιώνοντας και υποβαθμίζοντας το σήμα εισόδου κατά την διαδικασία ενίσχυσης. Η πρώτη ονομάζεται αρμονική παραμόρφωση (harmonic distortion), με την εισαγόμενη παραμόρφωση να είναι συχνότητες που σχετίζονται και καθορίζονται αρμονικά από το σήμα εισόδου. Η δεύτερη ονομάζεται παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation distortion) όπου η εισερχόμενη παραμόρφωση δεν σχετίζεται άμεσα με το σήμα εισόδου στον ενισχυτή.

Υπάρχουν πολλές τάξεις λειτουργίας (classes) των ενισχυτών όσον αφορά το τρόπο που πραγματοποιείται η ενίσχυση στο στάδιο της εξόδου. Οι σημαντικότερες τάξεις είναι: Α, Β, AB, και D. Κάποια βασικά χαρακτηριστικά σχετικά με τις δυνατότητες και τους περιορισμούς τους είναι απαραίτητα.

Η Class A

έχει πολύ καλή ποιότητα και πιστότητα στον ενισχυόμενο ήχο. Έχει χαμηλή απόδοση, περίπου 20% και απώλειες με την μορφή θερμότητας, κάτι που την κάνει απαγορευτική στην χρησιμοποίηση για ενισχυτές μεγάλης ισχύος για ένα live. Πρακτικά, class A ενισχυτές θα συναντήσουμε μέχρι 200 Watt για οικιακές υψηλής πιστότητας (hi-fidelity) εφαρμογές.

Η Class B

έχει υποδεέστερη ποιότητα και πιστότητα σε σχέση με την Class A στον ενισχυόμενο ήχο διότι παρουσιάζει παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης. Η απόδοση της φτάνει στο 50% με 60%, ενώ στα θετικά της είναι η χαμηλή κατανάλωση ρεύματος. Χρησιμοποιείται όταν δεν μας ενδιαφέρει η ποιότητα του σήματος όπως στους ΑΜ ραδιοφωνικούς πομπούς, σειρήνες οχημάτων, κλπ. Οι ενισχυτές με class B μπορούν να φτάσουν τις αρκετές εκατοντάδες Watt.

Η Class AB

ήταν οι πρώτοι ενισχυτές με καλή ποιότητα και πιστότητα (παρουσιάζουν μικρή παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης) και υψηλή απόδοση λειτουργίας 40%-50%. Ήταν και οι πρώτοι που χρησιμοποιήθηκαν σε συναυλίες. Το μεγάλο μειονέκτημα τους είναι το βάρος τους, κάτι που στα πλαίσια ενός live είναι προβληματικό. Για παράδειγμα, ο Crown Macro-Tech 2402 αποδίδει 520 watt στα 8Ω ανά κανάλι και ζυγίζει περίπου 23.5 kg. Σε κάποια μεγάλα lives μπορεί να χρειαστούν μέχρι και 100 ενισχυτές. Αν αναλογιστεί κανείς ότι όλοι αυτοί για να μεταφερθούν με ασφάλεια πρέπει να τοποθετηθούν σε rack cases, αντιλαμβάνεται εύκολα πόσο αυξάνεται το βάρος και κατά συνέπεια το κόστος μεταφοράς και εγκατάστασης.

 Η Class D

είναι οι λεγόμενοι ψηφιακοί ενισχυτές (digital Amps). Αν και είχαν σχεδιαστεί από την δεκαετία του 50, μόνο στα τέλη της δεκαετίας του 90 εισήχθησαν στην αγορά για μαζική παραγωγή. Μετατρέπουν το σήμα σε ψηφιακό χρησιμοποιώντας την Pulse Width Modulation. Προσφέρουν την απόδοση των Class AB ενισχυτών σε πολύ μικρότερο μέγεθος (βάρος και όγκο) καθιστώντας ιδανικούς για συναυλίες. Η απόδοση τους φτάνει στο 90% με 95% και η ισχύς τους μερικές χιλιάδες watt. Έχουν όμως αυξημένη αρμονική παραμόρφωση. Η εταιρία Crown χρησιμοποιεί μια παραλλαγή της Class D σχεδίασης την οποία ονομάζει Class I. Η σειρά Ι-Tech χρησιμοποιεί αυτήν την σχεδίαση. Ο Crown ITech 5000 HD αποδίδει 1250 watt στα 8Ω ανά κανάλι και ζυγίζει μόλις 12.7 kg.

Άλλες κοινές τάξεις ενισχυτή

Ενισχυτής κλάσης D – Ο ενισχυτής ήχου κατηγορίας D είναι βασικά ένας μη γραμμικός ενισχυτής μεταγωγής ή ενισχυτής PWM. Οι ενισχυτές κατηγορίας D θεωρητικά μπορούν να φτάσουν την απόδοση 100%, καθώς δεν υπάρχει περίοδος κατά τη διάρκεια ενός κύκλου, οι κυματομορφές τάσης και ρεύματος επικαλύπτονται καθώς το ρεύμα τραβιέται μόνο μέσω του τρανζίστορ που είναι ενεργοποιημένο.

Ενισχυτής κατηγορίας F – Οι ενισχυτές Class-F ενισχύουν την απόδοση χρησιμοποιώντας αρμονικούς συντονιστές στο δίκτυο εξόδου για να διαμορφώσουν την κυματομορφή εξόδου σε ένα τετραγωνικό κύμα. Οι ενισχυτές Class-F είναι ικανοί να έχουν υψηλή απόδοση μεγαλύτερη από 90% εάν χρησιμοποιείται άπειρη αρμονική ρύθμιση.

Ενισχυτής κατηγορίας G – Η κατηγορία G προσφέρει βελτιώσεις στον σχεδιασμό ενισχυτή βασικής κατηγορίας ΑΒ. Η κλάση G χρησιμοποιεί πολλαπλές ράγες τροφοδοσίας διαφορετικών τάσεων και μεταβαίνει αυτόματα μεταξύ αυτών των ράβδων τροφοδοσίας καθώς αλλάζει το σήμα εισόδου. Αυτή η σταθερή εναλλαγή μειώνει τη μέση κατανάλωση ενέργειας και συνεπώς την απώλεια ισχύος που προκαλείται από τη σπατάλη θερμότητας.

Ενισχυτής κατηγορίας Ι – Ο ενισχυτής κατηγορίας Ι έχει δύο σειρές συμπληρωματικών συσκευών μεταγωγής εξόδου διευθετημένες σε παράλληλη διάταξη ώθησης-έλξης ( push-pull) με αμφότερα τα σετ συσκευών μεταγωγής που λαμβάνουν την ίδια κυματομορφή εισόδου. Μία συσκευή μετατρέπει το θετικό μισό της κυματομορφής, ενώ το άλλο μετατρέπει το αρνητικό μισό παρόμοιο με ένα ενισχυτή κατηγορίας Β. Αν δεν εφαρμοστεί σήμα εισόδου ή όταν ένα σήμα φτάσει στο σημείο μηδενικής διέλευσης, οι συσκευές μεταγωγής ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται ταυτόχρονα με έναν κύκλο λειτουργίας PWM 50% που ακυρώνει τυχόν σήματα υψηλής συχνότητας.

Για να παραχθεί το θετικό ήμισυ του σήματος εξόδου, η έξοδος της θετικής συσκευής μεταγωγής αυξάνεται κατά τον κύκλο λειτουργίας ενώ η αρνητική διάταξη μεταγωγής μειώνεται από την ίδια και αντίστροφα. Τα δύο ρεύματα σήματος μεταγωγής λέγεται ότι παρεμβάλλονται στην έξοδο, δίνοντας τον ενισχυτή τάξης Ι ονομάζεται: «ενισχυτής PWM διεμπλοκής» που λειτουργεί σε συχνότητες μεταγωγής άνω των 250 kHz.

Ενισχυτής κλάσης S – Ο ενισχυτής ισχύος κατηγορίας S είναι ένας ενισχυτής μη γραμμικού τρόπου μεταγωγής παρόμοιο με τον ενισχυτή κατηγορίας D. Ο ενισχυτής κατηγορίας S μετατρέπει τα αναλογικά σήματα εισόδου σε ψηφιακούς παλμούς τετραγωνικών κυμάτων από έναν διαμορφωτή δέλτα-σίγμα και τα ενισχύει για να αυξήσει την ισχύ εξόδου πριν τελικά αποδιαμορφωθεί από ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης. Καθώς το ψηφιακό σήμα αυτού του ενισχυτή εναλλαγής είναι πάντα είτε πλήρως «ON» είτε «OFF» (θεωρητικά μηδενική κατανάλωση ισχύος), είναι εφικτές οι αποδόσεις που φθάνουν το 100%.

Ενισχυτής κλάσης Τ – Ο ενισχυτής κατηγορίας Τ είναι ένας άλλος σχεδιασμός ψηφιακού ενισχυτή μεταγωγής. Οι ενισχυτές κατηγορίας Τ αρχίζουν να γίνονται πιο δημοφιλείς στις μέρες μας ως σχεδιασμός ενισχυτή ήχου λόγω της ύπαρξης τσιπ επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP) και ενισχυτών πολυκάναλου ήχου surround καθώς μετατρέπει αναλογικά σήματα σε σήματα με διαμόρφωση εύρους παλμού ψηφιακού (PWM) για ενίσχυση αυξάνοντας την απόδοση των ενισχυτών. Τα σχέδια ενισχυτή κατηγορίας Τ συνδυάζουν τόσο τα χαμηλά επίπεδα σήματος παραμόρφωσης του ενισχυτή κλάσης ΑΒ όσο και την απόδοση ισχύος ενός ενισχυτή κατηγορίας D.

Ποια τιμή αντίστασης «βλέπει» ο ενισχυτής όταν συνδέεται με ένα ηχείο;

Η εμπέδηση -όπως λέγεται πιο σωστά η αντίσταση που βλέπει ο ενισχυτής- οφείλεται στα ηχεία καθώς δεν παρουσιάζουν καθαρά ωμική, αλλά σύνθετη αντίσταση (ωμική και εμπέδηση) επειδή οι οδηγοί των μεγαφώνων (woofer, midrange, tweeter) διαθέτουν πηνία φωνής (voice coils), επομένως η αντίστασή τους έχει και επαγωγικά χαρακτηριστικά.

Η τιμή της εμπέδησης δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται και μεταβάλλεται από τη συχνότητα του σήματος εισόδου. Και φυσικά κάθε αλλαγή της τιμής της αντίστασης επηρεάζει την ισχύ της εξόδου του ενισχυτή στη δεδομένη πάντα αντίσταση.

Οι κατασκευαστές για πρακτικούς λόγους δίνουν μια «μέση» τιμή ωμικής αντίστασης (την ονομαστική αντίσταση που αναφέρεται στο ηχείο). Αυτό βέβαια σε καμία περίπτωση δε σημαίνει πως δύο διαφορετικά ηχεία με την ίδια τιμή ονομαστικής αντίστασης αντιπροσωπεύουν την ιδία δυσκολία από πλευράς οδήγησης για έναν ενισχυτή.

Έτσι π.χ. το ηχείο Α, με ονομαστική τιμή αντίστασης 8 Ohm, του οποίου όμως το μέτρο της σύνθετης αντίστασης (ωμική και εμπέδηση) «ανεβοκατεβαίνει» ανάλογα με τη συχνότητα ανάμεσα πχ. στα 18 και 3 Ohm, αποτελεί πολύ πιο δύσκολο φορτίο από το ηχείο Β, με ονομαστική τιμή αντίστασης επίσης 8 Ohm, του οποίου όμως το μέτρο της σύνθετης αντίστασης «ανεβοκατεβαίνει» ανάλογα με τη συχνότητα ανάμεσα π.χ. στα 12 και 5 Ohm.

Αυτό που πρέπει να έχουμε πάντα υπόψη μας είναι ότι όσο αυξάνεται η συχνότητα του σήματος τόσο θα μεγαλώνει η εμπέδηση του ηχείου και τόσο θα μειώνεται η ισχύς του ενισχυτή.

Ισχύς του ενισχυτή

 Θα πρέπει η ισχύς του ενισχυτή που ενισχύει τις χαμηλές συχνότητες (low) του ακουστικού φάσματος να έχει την διπλάσια ισχύ από τον ενισχυτή που ενισχύει τις μεσαίες συχνότητες (mid). Επίσης, ο ενισχυτής για τις μεσαίες συχνότητες να έχει την διπλάσια ισχύ από τον ενισχυτή των υψηλών συχνοτήτων. Αυτό είναι λίγο θεωρητικό και στην πράξη η ισχύς των ενισχυτών καθορίζεται από το μουσικό είδος, το χώρο διεξαγωγής της συναυλίας και τον προϋπολογισμό (budget).

Watts Per Head

Υπάρχει ένας πρακτικός κανόνας για να υπολογίζουμε πόσα άτομα μπορούν να καλύψουν ηχητικά τα watts των ενισχυτών που θα χρησιμοποιήσουμε. Αθροίζουμε το συνολικό αριθμό των watts των ενισχυτών και τα διαιρούμε με το 4. Για παράδειγμα, για ένα Rock Live σε ένα μικρό κλειστό χώρο χρησιμοποιήσαμε τους εξής ενισχυτές: 1000 w για τα Lows (χαμηλές συχνότητες), 600 w για τα Mids (μεσαίες συχνότητες) και 350 w για τα Highs (υψηλές συχνότητες). Η συνολική ισχύ είναι 1950 W και διαιρώντας τα με το 4 μου δίνουν 487. Άρα περίπου 500 άτομα μπορούμε να καλύψουμε με ικανοποιητική ηχητική στάθμη (dBspl) με τους συγκεκριμένους ενισχυτές.

Βέβαια αυτό είναι αρκετά «μπακαλίστικο», καθώς η εμπειρία δείχνει ότι βασικότερος παράγοντας υπολογισμού της απαιτούμενης ηχητικής στάθμης για τη σωστή ηχητική κάλυψη μιας συναυλίας παίζει ο χώρος (κλειστός ή ανοιχτός), το μουσικό είδος, η απόσταση των ηχείων από το κοινό, η τοποθέτηση των ηχείων, κλπ. Πάντως είναι ένας καλός πρώτος τρόπος υπολογισμού της απαιτούμενης ισχύς ειδικά για μικρά live. Επίσης, μια πιο σωστή διαδικασία είναι να θεωρήσουμε ότι για λίγο κόσμο χρειαζόμαστε περισσότερα watts per head από ότι σε μια συναυλία με περισσότερο κόσμο.

 Ισχύς εγκατάστασης

 Είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε σε κάθε live τη συνολική ισχύ ρεύματος που ο εξοπλισμός θα καταναλώσει. Σε κάθε περίπτωση, θα πρέπει να μπορούμε να απαντήσουμε στο ερώτημα πόσο ρεύμα μπορούμε να «τραβήξουμε» από μια παροχή (πρίζα), ώστε να παραμένουμε μέσα στα όρια αντοχής της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης (ασφάλειες, διακόπτες, καλωδιώσεις, κ.λπ.). Μπορούμε από μια πρίζα -ή καλύτερα από μια φάση ρεύματος- να τροφοδοτήσουμε όλο τον εξοπλισμό που χρειαζόμαστε για ένα Live;

Αρχικά θα πρέπει να υπολογίσουμε την ισχύ ρεύματος (σε watts) την οποία απαιτεί η ηχητική εγκατάσταση. Αυτό προκύπτει προσθέτοντας την ισχύ όλων των ενισχυτών σε δεδομένες αντιστάσεις που θα δουλέψουν (π.χ. 4 Ω).

Για παράδειγμα, σε ένα μικρό live έχουμε: 1000 w για τα Lows (χαμηλές συχνότητες), 600 w για τα Mids (μεσαίες συχνότητες), 350 w για τα Highs (υψηλές συχνότητες) και 350 w για τα monitors. Προσθέτοντας, η συνολική ισχύς ρεύματος προκύπτει ίση με 2300 watts. Προσοχή!!! Αναφερόμαστε στην ισχύ που καταναλώνουν οι ενισχυτές για να λειτουργήσουν και όχι στην ισχύ που αποδίδουν.

Έπειτα, από τον τύπο: P (ισχύς) = V (τάση) x I (ρεύμα) x cosφ (= 0.8) και επειδή η τάση λειτουργίας είναι δεδομένη (220 volts) προκύπτει ότι το ρεύμα που θα καταναλώσουμε είναι περίπου 13 Amps1 . Άρα, πρέπει να δούμε στη φάση ρεύματος που χρησιμοποιούμε πόσο είναι το μέγιστο επιτρεπτό ρεύμα που αφήνει να περάσει και να τροφοδοτήσει τις συσκευές.

Συνήθως για μια οικιακή φάση (μονοφασικό ρεύμα) το σύνολο της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης μπορεί να μας τροφοδοτήσει έως και 40 Α, δηλαδή στον ηλεκτρολογικό πινάκα έχουμε μια γενική ασφάλεια των 40 Α, εκτός από ειδικές περιπτώσεις. Θα πρέπει να έχουμε όμως υπόψη ότι οι επί μέρους  ασφάλειες ενός μονοφασικού οικιακού πίνακα συνήθως επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος έως 10 Α, εκτός και αν η πρίζα τροφοδοσίας του εξοπλισμού μας είναι «ενισχυμένη» δηλαδή αντιστοιχεί σε ασφάλεια ανοχής 16 Α. Αρά, στο συγκεκριμένο παράδειγμα θα πρέπει να πάρουμε ρεύμα και από μια άλλη πρίζα. Σε ανοικτούς χώρους, η τροφοδοσία του ρεύματος γίνεται με γεννήτρια (ή συστοιχίες γεννητριών σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις) και συνήθως διατίθενται τρεις φάσεις ρεύματος, όπου ο υπεύθυνος ηλεκτρολόγος οφείλει να μας παρέχει την παροχή με την ισχύ που χρειαζόμαστε για να τροφοδοτήσουμε τον εξοπλισμό μας.

Ο εξοπλισμός του PA από μονός του δεν θα δημιουργήσει πρόβλημα με το ρεύμα. Πρέπει όμως να έχουμε υπόψη μας και ποιες άλλες συσκευές θα τροφοδοτηθούν από την ίδια φάση, σύμφωνα με την ηλεκτρολογική σχεδίαση, καθώς και πόση ισχύ θα καταναλώσουν και αυτές. Τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι συσκευές φωτισμού όπως προβολείς, φώτα κοινού, φώτα διαδρόμων, κλπ, αλλά και επαγωγικά φορτία, όπως μηχανισμοί κίνησης, μοτέρ, ψυγεία, κλπ.

Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να διευκρινίζουμε ότι ο ηχητικός εξοπλισμός πρέπει να απασχολεί μια οποιαδήποτε φάση ρεύματος, χωρίς να την επιβαρύνουν άλλα φορτία που έχουν μεγάλη κατανάλωση ισχύος, ή το σημαντικότερο, μπορούν να δημιουργήσουν θόρυβο στις ηχητικές καλωδιώσεις και συνεπώς στον ηχητικό εξοπλισμό λόγω επαγωγικών φαινομένων.

                

ⁱ Η χρησιμοποίηση του τύπου P= VI χωρίς το cosφ πρακτικά είναι λάθος, διότι όταν έχουμε επαγωγικά φορτία (όλα τα ηχεία έχουν πηνίο άρα έχουμε επαγωγικά φορτία) το cosφ είναι απαραίτητο να το περιλαμβάνουμε στους υπολογισμούς μας. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η ισχύς που τραβάμε είναι μεγαλύτερη από την «φαινόμενη» δηλαδή το «σκέτο» VΙ το οποίο ισούται με 10.45 Amps. Εμείς αρκεί να θυμόμαστε ότι πρέπει στο τύπο να μην ξεχνάμε το 0.8 που είναι το cosφ.

πηγή : ΗΧΗΤΙΚΗ ΚΑΛΥΨΗ ΕΚΔΗΛΩΣΕΩΝ

Amplifier Classes

 

Creative Commons License https://stayingalive.gr is licensed by Μιχάλης Σπανός under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 United States License.