bölüm POWER AMPLIFIERS

Transkript

1 bölüm POWER AMPLIFIERS

2 T H E S O U N D R E I N F O R C E M E N T H A N D B O O K Power amplifiers 1990 (second editions) by YAMAHA corporation of America and Gary Dacis & Associates Hal Leonard Publishing Corporation 7777 W. Bluemound Road, P.O. Box Milwaukee, WI 52213

3 İçindekiler 12.1 Genel tanımlar Ohm yasası ve ilgili denklemler Voltaj, direnç ve akım Elektriksel güç Ohm yasası kartı Elektriksel güç ve amplifier kazancı Amplifier larıngüçdeğerleri FTC nin önkoşuları Güç band genişliği Büyümehızı ve çıkış gücü Köprüleme işlemleri Kırpılma efekti Amplifier gücü ve SPL arasındaki ilişki Güç amplifier ları ile loudspeaker ların eşleştirilmesi Loudspeaker güç sınıflarının açıklaması Direnç hesaplamaları Sabit voltaj dağıtım sistemleri 3

4 POWER AMPLIFIER LAR 12.1 genel tanımlar Audio güç amplifier ları, audio sinyalinin güç artırımları için kulanılan sinyal işleme ekipmanlarıdır. Sound sistemlerde, güç amplifier ları, her zaman sinyal zincirinin son aktif halkasını oluştururlar ve lounspeaker lardan önce yer alırlar. Profesyonel kulanımlar için dizayn edilen güç amplifier ları görünümleri açısından çoğu kez Hi-Fi sistemler için üretilen amplifier lar ile benzerlik gösterir.ön panelleri, çoğunlukla, sinyal giriş seviyesi (line-level input) ve loudspeaker bağlantısı için yüksek çıkış seviye göstergesi (high-level output) ile aç/kapa anahtarı (power switch), duyarlılık (sensitivity) denetimleri ve kimi zaman da seviye göstergeleri (meters) ile donatılır. Bu kural tüm ürünler için geçerli değildir; profesyonel amaçlı pek çok amplifier ır ön panelerinde bu denetimlerden bir yada birkaçı veya hiçbiri bulunmayabilir. Küçük ve taşınabilir ses sistemlerinde, güç amplifier ları, kolaylık olması açısından mixer içine entegre edilmiş de olabilir. Bunlara güç katlı yada güçlendirilmiş mixer lar (powered mixer) denir Ohm yasası ve ilgili denklemler Power amplifier ların işlevlerini tam anlamıyla kavrayabilmek için, onların, elektriksel gücünün (electrical power) voltaj, direnç (resistance) yada empedans (impedance) ve akım (curent) özelikleri ile birlikte öğrenilmesi koşuldur. Bu ilişkiler Ohm yasası ile ifade edilir Voltaj, direnç ve akım 1

5 I = amper cinsinden, akım değeri E = volt cinsinden, elektriksel potansiyel R = ohm cinsinden, direnç Şekil 12.1 elektriksel potansiyel olarak (burada pil) bir E voltaj değeri karşısında yer alan bir yük direncini (R) göstermekte.devre gerçekleştirildiğinde, I akımı şekildeki yönde akar. Akımın yönü, elektronların akışında olduğu gibi, yüksek voltajdan (yada potansiyelden), düşük voltaja (yada potansiyele) doğru gerçekleşir: demek elektron hareketi, - kutuptan + kutupa doğrudur. Devrede, voltaj, direnç ve akım arasındaki ilişki, aşağıdaki Ohm yasası ile ifade edilir. Şekil 12.1 Basit DC devresi I = E/R Voltajın 1 v DC ve direncin 100 ohm olduğunu varsayalım. Akım değerinin ne olduğunu şu şekilde bulabiliriz: I = 1 volt/100 ohm I =.01 amper (A) (=10 mili amper (ma)) Basit bir cebirilişkisi içinde, elemanların yerlerini değiştirdiğimizde, yukarıdaki denklemin üç değişik biçimine daha ulaşabiliriz: I = E/R R = E/I E = I R AC (alternating curent) devrelerdeki empedansın (impedance), dirençlere göre niceliği daha karmaşıktır. Empedans, alternatif akıma karşı koyma olarak ifade edilir ve DC (direct curent) direnci ile devre elemanları karşısında frekansla olan ilişkisi ile doğrudan bağlantılıdır, ki buna reaktans (reactance) denir. Empedans simgesi Z dir ve dirençte olduğu gibi Ohm Yasası ile ifade edilir. AC devrede I = amper cinsinden, alternatif/ikiyönlü akım değeri E = volt cinsinden, elektriksel potansiyel Z = ohm cinsinden, empedans I = E/Z Z = E/I E = I Z Şekil 12.2 de AC voltaj kaynağı karşısındaki bir yük empedansını gösteriyor. Akım yönünün iki taraflı oluşuna dikkat ediniz.bu, alternatif akımlı (AC) bir devredir. E nin 1 v (RMS) ve Z nin 100 ohm olduğunu kabul edelim. AC akım değeri, amper cinsinden 2

6 I (RMS) = 1 v RMS / 100 ohm =.01 A = 10 ma olur. Şekil 12.2 Basit AC devre AC devrelerde empedans, reaktans denilen frekans bağımlılığı ile birlikte anılır. Audio devrelerde yük empedansının değeri, frekansa bağlı olarak değişir. Eğer sinyalin voltajı sabit olursa, yük karşısındaki akım giderek farklı frekanslara neden olacaktır. Ohm Yasası gereği, akım empedans ile ters orantılıdır; empedans düşerse akım yükselir (yada tersi) Elektriksel güç Elektriksel güç (electrical power), yük direnci veya empedansından bir elektrik akımı geçtiğinde oluşan enerjidir. Güç denklemi, Ohm Yasası geriği şu biçimde gerçekleşir: P= Watt cinsinden, güç değeri E = volt cinsinden, elektriksel potansiyel değeri Z = amper cinsinden, akım değeri P = EI Voltaj, direnç (yada empedans) ve akım ilişkisi içinde, bu denklem aşağıdaki biçimlerde de ifade edilebilir: P = E 2 / R (yada Z) P = I 2 R (yada Z) Şekil 12.1 ve 12.2 ye bir kez daha bakalım. Voltaj ve direnç (yada empedans) bilgilerimiz doğrultusunda, güç hesaplarını yeniden yapabiliriz. Şekil 12.1 için voltaj değerimiz 1 v DC, direncimiz ise 100 ohm olsun: P = E 2 / R = (1 v) 2 / 100 ohm =.01 watt = 10 mw Aynı değerleri Şekil 12.2 için seçtiğimizde, benzer biçimde çözüme ulaşabiliriz. Bu kez voltaj değeri RMS cinsinden olacağı için, P değerinin karşılığı da ortalama güç (average power) olacaktır. 3

7 Ohm Yasası çemberi Şekil 12.3 AC ve DC için Ohm Yasası kartı I = amper cinsinden, AC akım değeri Z = ohm cinsinden, empedans değeri E = volt cinsinden, AC elektriksel potansiyel R = ohm cinsinden, direnç değeri P= watt cinsinden, güç değeri W = wat cinsinden, güç değeri Şekil 12.3 Ohm Yasası eşitliklerini gösterir. Pasta, dört parametreye ayrılmış (E, I, R ve Z yada R) dört ana parçadan oluşur. Yukarıda hesapladığımız örnekte, yük direnci için 50 ohm, akım şiddeti için ise 20 ma değerleri ile işlemi yineleyebiliriz. Kart üzerinde P dilimi kapsamında kalan akım ve direnç ilişkisine bakıldığında P = I 2 R denklemi bulunur. Değişkenleri yerine koyduğumuz zamanp = (.02 A)2 x 50 ohm =.02 W = 20 mw olur. Şekil 12.4 Güç hesabı için örnek devre Sound çalışmalarının çoğunda Ohm Yasası kartı kulanılır. Bu kart referans niteliğinde olduğundan, benzer eşitliklerin hesaplanması aşamasında, mühendislerin elinin altında bulunması durumunda onlara büyük kolaylıklar sağlar Elektriksel güç ve amplifier kazancı Audio güç amplifier larının, audio sinyalerini güçlendirmekte kulanıldığından söz etmiştik. Peki, bunun anlamı nedir? 4

8 Şekil 12.5 Sinyal kaynağı, güç amplifier ı ve yük bağlantısı için tipik devre şeması Şekil 12.5 sinyal kaynağı, güç amplifier ı ve loudspeaker arasındaki elektriksel bağlantının, simgesel açıdan tipik bir gösterimidir. Sinyal kaynağı, amplifier giriş empedansı (Z 1 ) karşısında sinyal voltajını (E 1 ) oluşturur. Şöyle varsayalım: E 1 = 1 v (RMS) Z 1 = 10 kohm ( ohm) Line tipi giriş yapıldığında, sinyal gücü için şu eşitlik geçerlidir: P = E 12 / Z = 1 2 / =.0001 W dbm cinsinden sinyal gücü ise ndbm = 10 log (P 1 / 1 mw) = 10 log (10-4 / 10-3 ) = -10 dbm olur. Şimdi, güç amplifier ına uygun voltaj kazancında ve 8 ohm empedanslı bir loudspeaker seçelim: E 1 = E 2 ve Z 2 = 8 ohm Loudspeaker için sinyal güç transferi P = E 22 /Z = 1 2 /8 ohm = W olacaktır. dbm cinsinden loudspeaker sinyal seviyesi ise şöyledir: ndbm = 10 log (0.125 W /10-3 W) = 20.9 dbm Güç kazancının hayli büyük olduğu ortadadır. Amplifier güç kazancı, db cinsinden A v = (P out db) (P in db) = 21 dbm (-10 dbm) = 31 db. Görüldüğü gibi, güç amplifier ı sinyali yaklaşık 31 db düzeylerine dek yükseltmiştir (ortalama çarpanı 1260:1) 5

9 12.3 Amplifier larıngüç değerleri Amplifier ın güç değeri, ölçümlenip uygulanmış bir yük altındaki gücü ile belirlenir ve frekans alanı (frequency range) ile bozulma düzeyi (distortion level) değerleriyle birlikte belirtilir. Örneğin, tipik bir profesyonel amplifier ın güç özelikleri (power specification) şöyle ifade edilebilir: Güç çıkış düzeyi (power output level): Sürekli sinüs dalgasında, 20 Hz Hz frekans alanında, % 0.05 den düşük harmonik bozulma (Total Harmonic Distortion). Stereo, 8 ohm da her kanal için 240 W Stereo, 4 ohm da her kanal için. 400 W Bu örnekte olduğu gibi, eğer alt değer olarak 4 ohm veriliyorsa, çıkışa uygulanacak yükün bu değer altına inmemesine dikkat edilmelidir: Bu sınır, aygıtın güvenli çalışması için alt sınırdır. 4 ohm dan küçük değerdeki yükler güvenli değildir. Optimum akım sınırlarının dışına çıkılması durumunda, aygıtın besleme katının (power supply) çalışma sınırları zorlanmış olacağından, aşırı ısınma hata bozulma meydana gelebilir. Çıkış gücü ile ilgili teknik bilgiler büyük dikkatle okunmalıdır. Kimi üretici firmalar, çıkış değerleri ile ilgili, yukarıdaki türden detayları belirtmemiş olabilirler. Eğer bozulma değeri (THD), band genişliği (bandwidth) ve yük empedansı belirtilmemiş ise, o amplifier ın gerçek performansı hakkında teorik bir şey söylemek olanaksızdır. Üretici firmalar, kimi zaman ortalama güç (average power) yerine en yüksek gücü (peak power) vermeyi tercih ederler. Bu, çoğunlukla, amplifier besleme katının sınırlarına yakın değerlerde çalıştığının, sürekli olarak yüksek akım çekildiğinin, hata anlık periyodlarda aşırı akım yüklenmeleri yaşanabileceğinin bir işaretidir. Bu türden uygulamalar, profesyonelik sınırlarının dışındadır FTC nin önkoşuları Yakın zamana dek, tüketicilere yönelik üretilen güç amplifier larında farklı güç değerleri ve açıklamaları bulunmaktaydı. Bu uygulamalara bir standart getirmek adına, federal ticaret komisyonu (Federal Trade Commission), tüketici ürünleri için bir dizi kural getirdi. Böylece, güç değerleri konusu, bir anlamda belirli standartlara bağlanmış oldu. Getirilen kuraların amacı, ürünlerin olağan kulanım koşuları altında hangi performans verilerine sahip olması ve en yüksek çalışma sıcaklıklarının ne olması gerektiği konularında, ortak bir uzlaşmaya varmaktı. FTC önkoşuları, amplifier, gücünün 1/3 değerinde iken, yük empedansı için çıkışlara eşit değerde direnç uygulanarak, 1 khz sinüs sinyali altında bir sat boyunca sorunsuz çalışmasını öngörür. (Tipik olarak, B tipi amplifier devreleri, 1/3 oranında güç testi altında, çıkış transistorları üzerinde maksimum ısınmaya neden olur.) Profesyonel amplifier ların, yasal olarak FTC nin sözkonusu edilen önkoşularına uyma zorunluluğu bulunmaz. Öteyandan, profesyonel standartlarda üretilmiş bir amplifier ın, bu önkoşuları zaten aşmış olarak tüketiciye sunulmuş olması beklenir. Eğer bir amplifier, üretici tarafından FTC kuraları gereği testen geçirilmiş ise, bu bilgi o ürünün evraklarında açıkça belirtilir. Örneğin, FTC power rating başlığı altında test değerleri verilir; hata kulanım kitapçığı (manual) ve teknik özelikler (technical specifications) kartında dipnot ile açıklanır. 6

10 Güç band genişliği Güç band genişliği, amplifier ın, yüksek çıkış gücü ve bütün frekans genişliği içindeki davranış özeliklerini ifade eder. Güç band genişliği, yukarıda değinilen öteki teknik özelikler ile birlikte, ürünün teknik yeteneklerini belirler; dolayısıyla onun performansı konusunda bizi bilgilendirir. Güç ile ilgili band genişliği, amplifier ın kırpılma öncesi maksimum gücü ile çalıştığı noktalarda, frekans yanıtına ilişkin teknik bilgilerinin bir bölümünü oluşturur. Çoğun aşağıdaki grafiğe benzer bir biçimde tanımlanır. Şekil 12.6 Amplifier güç band genişliği 7