Zbudowany przedwzmacniacz, bufor czy wzmacniacz lampowy gra wspaniale, ale wypadałoby dowiedzieć się coś o jego parametrach, a nie tylko oceniać na słuch. Do tego będą potrzebne trzy urządzenia: oscyloskop, generator funkcyjny i częstotliwościomierz. Urządzenia te przydadzą się tym bardziej, gdy wzmacniacz nie chce grać... Generator funkcyjny można kupić, zrobić samemu (schematy w czasopismach elektronicznych, w Internecie na stronach poświęconych elektronice) lub kupić gotowy kit np. w sklepach internetowych. Zwykle są to proste generatory o nie najwyższych parametrach, lecz będą bardzo przydatne do pomiaru wielu ważnych parametrów. Od jakości generatora zależy dokładność naszych pomiarów. Powinien mieć szeroki zakres częstotliwości (np. 10 Hz-200kHz), które powinien generować LINIOWO w całym zakresie, czyli bez nagłych spadków czy podbić amplitudy sygnału. Zniekształcenia nieliniowe generowanego sygnału powinny być niezbyt wysokie. Do naszych pomiarów potrzebne będą sygnały: sinusoidalny, trójkątny i prostokątny. Przydatne są też sygnały piłokształtne, dodatnie i ujemne. Dobrze by było, gdyby wartość (amplitudę) sygnału sinusoidalnego i trójkątnego można było płynnie regulować. Można też użyć sygnałów wygenerowanych przez różne programy komputerowe. Jakość sygnału będzie zależała od jakości karty dźwiękowej, a pasmo będzie ograniczone do 15, maksymalnie do 20 kHz. Ponadto wyższe częstotliwości (powyżej 10 kHz) generowane przez komputer mają znaczne zniekształcenia sygnału, spowodowane ograniczoną liczbą próbek. Zwróćmy bowiem uwagę, że przy częstotliwości próbkowania 44.1 kHz (standard audio) sygnał o częstotliwości 20 kHz jest próbkowany 2.2 razy, co jak domyślamy się da nam np. sygnał sinusoidalny w postaci schodków a nie sinusa. Wprawdzie taki sygnał wygładzany jest przez filtr, lecz na ekranie oscyloskopu widzimy go w postaci szerokiej "wstążki" o kształcie zbliżonym do sinusoidy a nie cienkiej linii, jak z dobrego generatora.Ale do wielu pomiarów wystarczy prosty generator, nawet w postaci programu komputerowego. Jeżeli nie masz jeszcze takiego programu to możesz go sobie ściągnąć z tej strony. Program jest autorstwa Tomasza Śliwy i udostępniam go za jego zgodą.Generator (100kb)Profesjonalny częstotliwościomierz nie jest tani. Można go zbudować samemu, kupić kit, lub kupić multimetr z wbudowanym pomiarem częstotliwości (takie multimetry można kupić już od 90-100 zł). Z reguły pomiar częstotliwości w tańszych multimetrach jest ograniczony od 10 Hz do 20 kHz, ale od biedy do pomiaru wzmacniacza wystarczy. Częstotliwość sygnału można zmierzyć też za pomocą oscyloskopu (z przebiegu rysowanego na ekranie), jest to mniej wygodne, ale wielu przypadkach wystarczające. Dobre oscyloskopy podają częstotliwość przebiegu wprost na ekranie, co jest idealnym rozwiązaniem.Bywają generatory w wbudowanym pomiarem częstotliwości, można też zrobiony przez siebie generator (pokrętło) wyskalować, korzystając np. z oscyloskopu, o czym napiszę dalej. OscyloskopJest wiele typów oscyloskopów, od bardzo prostych, do niezwykle rozbudowanych (pomijając już podział na analogowe i cyfrowe i in.). W naszych pomiarach przydatny będzie każdy rodzaj oscyloskopu, nawet ten najprostszy. Chciałbym zachęcić osoby nieobeznane, do pracy z oscyloskopem - nie jest to takie trudne. Podczas pomiarów będziemy używali tylko wejścia Y oraz - pomijając wstępne ustawienia jasności i wielkości plamki - pokręteł (klawiszy, przycisków) wzmocnienia oraz podstawy czasu.Pokrętłem czy przyciskami wzmocnienia ustawiamy wzmocnienie tak, by badany przebieg mieścił się na ekranie, a pokrętłem (przyciskami) podstawy czasu dopasowujemy częstotliwość obrazu na ekranie, odpowiednio do częstotliwości mierzonego sygnału. Podczas pomiarów sygnałów o wysokim napięciu przyda się sonda wysokonapięciowa, np. 1:10, co pozwala na pomiar sygnału o dziesięciokrotnie większym napięciu od dopuszczalnego dla danego oscyloskopu.Ekran oscyloskopu podzielony jest zwykle na 10 części w poziomie i 8 w pionie za pomocą linii, tworzących siatkę. Kratki podzielone są dodatkowo na (zwykle) 5 części. Podziałkę tę widać na środkowych liniach symetrycznie dzielących ekran. Ułatwia to dokładniejszy odczyt parametrów mierzonego sygnału. W przypadku większych ekranów podziałek jest więcej (np. 3 w poziomie) lub są dokładniejsze. Na rysunku - standardowy ekran oscyloskopu. Przy pomiarach, gdzie wynik chcemy otrzymać w dB, za poziom 0 (zero) dB przyjmujemy, że wartość sygnału wzorcowego zajmuje 5 lub 7 kratek (działek). Ponieważ dwukrotna różnica wzmocnienia we wzmacniaczach nie powoduje jeszcze wyraźnych zmian w głośności, przyjęto, że wszelkie pomiary będą podawane z dwukrotnym spadkiem wartości sygnału, co daje różnicę 3 dB. Spadek o 3 dB odpowiada ok. 71% wartości początkowej. Można przyjąć inną wartość początkową niż 5 czy 7 kratek na ekranie oscyloskopu i odpowiednio przeliczyć. Na ekranie oscyloskopu spadek o 3 dB daje zmniejszenie amplitudy sygnału z 5 do 3.5 kratki. Gdy za poziom 0 dB przyjmiemy 7 działek, to spadek o 3 dB (71%) będzie odpowiadał 5 kratkom.Na początek proponuję przyjęcie 5 kratek za poziom wzorcowy, 0 dB. Przeliczenie działek ekranu na decybele (z dokładnością do 1/5 kratki) wygląda następująco:
Spadek wartości sygnału poniżej poziomu 0 dB (5,0 kratek - 0,00 dB)
Wzrost wartości sygnału powyżej 0 dB (5,0 kratek - 0,00 dB)
4,8 dz. - (-) 0,35 dB
4,0 dz. - (-) 1,9 dB
5,2 dz. - +0,82 dB
6,2 dz. - +1,86 dB
4,6 dz. - (-) 0,72 dB
3,8 dz. - (-) 2,38 dB
5,4 dz.- +0,67 dB
6,4 dz. - +2,14 dB
4,4 dz. - (-) 1,11 dB
3,6 dz. - (-) 2,85 dB
5,6 dz. - +0,98 dB
6,8 dz. - +2,67 dB
4,2 dz. - (-) 1,51 dB
3,5 dz. - (-) 3,09 dB
6,0 dz. - +1,58 dB
7,0 dz. - +2,92 dB
Jak widać "na plusie" decybele przyrastają nieco inaczej.
Co można mierzyć?Za pomocą oscyloskopu i generatora funkcyjnego będziemy mierzyć:1. Wzmocnienie wzmacniacza lub przedwzmacniacza,2. Moc wyjściową wzmacniacza mocy,3. Pasmo przenoszenia,4. Charakterystykę przenoszenia,5. Zniekształcenia wzmacnianego sygnału6. Możemy zgrubnie ocenić inne parametry, jak szybkość wzmacniacza czy wprowadzane zniekształcenia nieliniowe .
Kilka ogólnych uwagDla zachowania bezpieczeństwa badanych wzmacniaczy musimy zastosować się do kilku wskazówek:- gdy mamy zamiar pierwszy raz włączyć wzmacniacz mocy do sieci, dobrze by w szereg pomiędzy wzmacniaczem a zasilaczem był włączony bezpiecznik o niewielkim prądzie, tak by w przypadku błędnego montażu, zwarcia czy tp. nie uległ zniszczeniu sam wzmacniacz. Przydatny jest zasilacz o ogranicznikiem natężenia prądu. W przypadku wzmacniaczy lampowych, najpierw włączamy zasilanie żarzenia , a potem anodowe, najlepiej mierząc prąd anodowy, czy nie przekracza dopuszczalnego, a napięcie anodowe nie przekracza napięcia pracy kondensatorów elektrolitycznych. Prąd spoczynkowy w przypadku wzmacniaczy tranzystorowych nie przekracza kilku-kilkunastu miliamper, w przypadku wzmacniaczy lampowych jest nieco większy. Duży prąd pobierany jest w czasie pracy wzmacniacza klasy A tak tranzystorowego jak i lampowego. Obserwujemy elementy, czy nie nagrzewają się nadmiernie. W przypadku wzmacniaczy lampowych, źródeł ciepła jest wiele, ale nic nie powinno się dymić, palić itp.- wzmacniacze mocy z reguły badamy po obciążeniu wyjścia impedancją 4 lub 8 omów. W żadnym wypadku, (na początek), nie należy podłączać głośników lecz rezystor o oporności 4 lub 8 omów i dużej mocy (mocno się grzeje!). Rezystor powiniem mieć moc przynajmniej taką, jakiej spodziewamy się uzyskać z naszego wzmacniacza (np. nawet 100W).Rezystory mogą mieć mniejszą moc, ale musimy wtedy zrezygnować z pomiarów mocy maksymalnej wzmacniacza.Spotkałem się z propozycją, by kilkuwatowe rezystory obciążające wzmacniacz, zanurzyć w celu lepszego chłodzenia w naczyniu z wodą.- kolumny możemy podłączyć dopiero po ustaleniu, że wzmacniacz działa prawidłowo, że się nie wzbudza (np. na wysokich, niesłyszalnych częstotliwościach). Potencjometr głośności powinien być skręcony na zero! Unikamy "podkręcania" potencjometru głośności i manipulowania przy wzmacniaczu. Każde zwarcie, zaiskrzenie, czy wzbudzenie się wzmacniacza może uszkodzić kolumny jeśli użyliśmy ich do testów.- w żadnym wypadku nie sprawdzamy jak radzą sobie kolumny na wysokich częstotliwościach, podając mocny, o wysokiej częstotliwości sygnał z generatora . Takie "przegwizdanie" wzmacniacza i kolumn z reguły kończy się spaleniem głośnika wysokotonowego. Do pomiarów w wysokich częstotliwościach używamy wyłącznie rezystorów obciążających wzmacniacz!
Sprawdź generator Generator, szczególnie ten wykonany własnym sumptem powinniśmy zbadać oscyloskopem. Obserwujemy kształt sygnału przy różnych częstotliwościach. Nie powinien on zbyt zmieniać kształtu do przynajmniej 20 kHz. Badamy też liniowość wzmocnienia. Polega to po prostu na ustawieniu wzmocnienia np. sygnału trójkątnego na 5 kratek i obserwowaniu czy ten poziom wzmocnienia jest zachowany przy różnych częstotliwościach. Bo w jaki sposób zbadamy charakterystykę przenoszenia wzmacniacza, gdy nasz generator już przy 20 kHz będzie miał spadek wzmocnienia np. -2 dB?Dobry generator ma jednakową amplitudę sygnału wyjściowego w całym swoim paśmie.
BadamyUruchomiliśmy wzmacniacz, bufor czy przedwzmacniacz, nic się w nim nie pali, nic nadmiernie nie grzeje, możemy przystąpić do pomiarów. Na wejście badanego urządzenia podajemy sygnał z generatora (oczywiście przez kabel koncentryczny) na wyjście podłączamy obciążenie (rezystor) - w przypadku wzmacniacza mocy - natomiast preamp czy bufor nie obciążamy. Częstotliwość sygnału ustawiamy na 1 kHz, która jest ogólnie przyjętą częstotliwością pomiarową.
Każdy wzmacniacz ma ograniczone możliwości wzmocnienia sygnału. Przy zbyt wysokiej wartości sygnału wejściowego, wzmacniacz zaczyna "obcinać" wierzchołki sygnału, przez co zniekształcenia nieliniowe drastycznie rosną. Moc znamionową jak i współczynnik wzmocnienia badamy przy takiej wartości sygnału wejściowego, by obcinanie sygnału nie było nadmiernie duże. Zniekształcenia nieliniowe wtedy są na poziomie 2-5%, co jest jeszcze akceptowalne słuchowo. Praktycznie odbywa się to w ten sposób, że po podłączeniu generatora do wejścia wzmacniacza, potencjometrem głośności ustalamy taki poziom, by na ekranie oscyloskopu dało się zauważyć niewielkie zniekształcenie sygnału. Do takich obserwacji lepszy jest sygnał trójkątny niż sinusoidalny. Natomiast do badania mocy znamionowej wzmacniacza używa się sygnału sinusoidalnego, więc będziemy musieli obserwacje przeprowadzić na takim sygnale. Na rysunku: wzmacniany sygnał trójkątny zaczyna być obcinany.1. Wzmocnienie. Jest to najprostszy pomiar. Na wejście podajemy sygnał trójkątny (można użyć też sinusa) o częstotliwości ok. 1 kHz,, powoli zwiększając amplitudę sygnału za pomocą potencjometru głośności. Na oscyloskopie podłączonym do wyjścia obserwujemy kształt sygnału, aż do momentu gdy wzmacniacz zaczyna obcinać wierzchołki sygnału. Następnie oscyloskopem mierzymy poziom sygnału na wejściu, pokrętłem wzmocnienia (już na oscyloskopie) ustalamy wysokość obrazu np. na jedną kratkę. Potem, nie zmieniając położenia potencjometrów, mierzymy poziom sygnału na wyjściu. Stosunek wartości amplitud wejścia do wyjścia jest współczynnikiem wzmocnienia wzmacniacza. Np. sygnał na wejściu mieści się w 1 kratce, na wyjściu w 5, tak więc wzmacniacz wzmacnia 5 razy. Trudniejszy jest pomiar, gdy obraz sygnału na wyjściu nie mieści się na ekranie (duże wzmocnienie). Pozostaje tak zmniejszać wartość wzmocnienia na wejściu by wzmocniony sygnał mieścił się na ekranie.W przybliżony sposób można mierzyć wzmocnienie za pomocą multimetru cyfrowego, ale pod warunkiem że nasz multimetr prawidłowo odczytuje częstotliwość sygnału sinusoidalnego 1 kHz. W tanich multimetrach częstotliwość ta zwykle nie przekracza 100 Hz, dlatego pomiar będzie obarczony większym błędem, co w ostatecznym rozrachunku nie jest takie istotne. Informacji o częstotliwości pomiaru szukaj w instrukcji obsługi multimetru. Zasada pomiaru wzmocnienia jest taka sama - stosując sygnał sinusoidalny, mierzymy wartość sygnału przed i po wzmocnieniu przy częstotliwości dostosowanej do możliwości multimetru (np. 100 Hz).2. Moc wyjściowa wzmacniacza mocy. Pomiaru dokonuje się przy pomocy sygnału sinusoidalnego, przy zasilaniu oryginalnym zasilaczem. Wzmacniacz należy obciążyć rezystorem o takiej mocy by nie uległ spaleniu i o rezystancji dopasowanej do naszego wzmacniacza (np. 4 omy). Możesz zaryzykować i podłączyć kolumny, wtedy pomiar będzie dokonany w warunkach rzeczywistego obciążenia, ale bezpieczniej jest użyć rezystora. W przypadku wzmacniacza stereofonicznego rezystorem obciążamy oba kanały. Na oba wejścia podajemy sygnał sinusoidalny, 1 kHz.. Wzmocnienie ustalamy w taki sposób, by szczyty sygnału zostały lekko obcięte. Moc oddawana w takich warunkach będzie mocą maksymalną (sinusoidalną). W jaki sposób obliczyć moc? Liczymy ile kratek zajmuje wzmocniony sygnał. Na pokrętle (klawiszu) wzmocnienia oscyloskopu odczytujemy ile wynosi współczynnik wzmocnienia. Np. sygnał zajmuje 6 kratek Współczynnik wzmocnienia oscyloskopu jest ustawiony na 5V/działkę, czyli międzyszczytowa amplituda sygnału wynosi: 6 x 5V=30V. Amplituda sygnału wynosi połowę tej wartości, czyli 15V. Wartość skuteczna sygnału sinusoidalnego wynosi 0,707 amplitudy (pamiętamy z fizyki?), czyli 0,707x15V=10,6V. Moc obliczamy ze wzoru: P=U2/R. w naszym przypadku będzie to: P=(10,6)2/4=112,36/4=28,09W.Jeżeli napięcie zasilające w sieci będzie nieco wyższe lub niższe, moc będzie nieco inna, podobnie jak po zmianie obciążenia z 4 na 8 omów. Podanie sygnału muzycznego spowoduje, że moc naszego wzmacniacza będzie wyższa.Na rysunku: wzmacniacz zaczyna obcinać wierzchołki sygnału sinusoidalnego, amplituda międzyszczytowa wynosi 6 działek.Oczywiście mocy wyjściowej nie oblicza się dla przedwzmacniacza czy bufora.3. Pasmo przenoszeniaTen pomiar też nie sprawi Ci kłopotów. Jak wiemy, każdy wzmacniacz czy kolumna głośnikowa, tak niskie jak i wysokie częstotliwości przenosi z "normalnym" wzmocnieniem tylko do pewnego zakresu. Poniżej i powyżej tych częstotliwości wzmocnienie szybko spada. Pasmo przenoszenia urządzenia audio, to po prostu taki zakres skrajnych częstotliwości, w których wzmocnienie urządzenia będzie dwukrotne niższe, czyli inaczej spadek wzmocnienia będzie wynosił (-)3 dB. Przyjmuje się, że im szersze pasmo przenoszenia, tym lepiej. Kolumny głośnikowe przenoszą niskie częstotliwości od 30-50 Hz a wysokie do 20-30 kHz. Gdy wzmacniacz lampowy ma pasmo przenoszenia 20-30 kHz, jest to dobry wynik, natomiast dla tranzystorowca nie jest to żadna rewelacja. Współczesne wzmacniacze (także lampowe, chociaż nie aż tak) przenoszą częstotliwości od blisko zera do 100-150 kHz/-3dB. Oczywiście, uczciwość producenta nakazuje, by podał on rzetelnie wartość spadków na krańcach pasma, bowiem jeżeli przyjmiemy, że dopuszczalne spadki wynoszą np. do -6dB, to każdy wzmacniaczyk w najtańszym nawet jamniku będzie miał rewelacyjne parametry. Pomiaru dokonujemy sygnałem...
roland_gw8