A high-fidelity audio erősítők világában számos megközelítés létezik a zenei reprodukció tökéletesítésére. A Hiraga erősítők, különösen az A-osztályú változatok, régóta kedveltek a purista audiofilek körében. Azonban az idő múlásával és a technológiai fejlődéssel újabb és újabb megoldások születnek, amelyek megkérdőjelezik a klasszikus konstrukciók dominanciáját, mint például a V-FET technológia.
Az A-osztályú erősítők alapelvei és a Hiraga megközelítése
Amikor egy félvezetős (angolul solid-state, rövidítve SS) erősítő szóba kerül, az első, amire még a témában legjáratlanabb hifista is rákérdez, hogy milyen osztályú. Az erősítők osztályba sorolásával azt mondjuk meg, hogy az adott erősítő fokozatot milyen áram és vezérlési beállításban használjuk. Az A-osztályú erősítők a legtisztábbnak tartottak, mivel a végtranzisztorok mindig nyitva vannak, és a teljes hullámban vezetik az áramot. Ebben a beállításban a végfok áramerősítő része (!) tulajdonképpen egy (vagy több párhuzamos) teljes hullámban működő szabályozó tranzisztor, legtöbbször sorba kötve egy áramgenerátorral. A kettő között van a kimenet. Alaphelyzetben, az áramgenerátoron mindig a teljes teljesítményhez tartozó maximális áram átfolyik, és ugyanez átfolyik a szabályozó tranzisztoron is. Ilyenkor az erősítő a teljes kimenő teljesítményét hővé alakítja, ami a hűtőbordákon távozik a környező levegőbe (eldisszipálódik). Vezérléskor a pozitív félperiódusban a szabályozó tranzisztoron növekszik az áram, amelynek egy része a kimenetre, egy része pedig a fix áramú áramgenerátorra jut. Lefelé futó ágon a szabályozó tranzisztoron csökken az áram, míg el nem éri a nyugalmi (teljes kimenő teljesítményhez tartozó) áramértéket. Negatív félperiódusban a szabályozó tranzisztor zárás irányba vezérelt, tovább csökken a rajta folyó áram, azaz a plusz tápoldalról egyre kisebb áram tud az áramgenerátor felé folyni, így a terhelés felől, a hangszórón keresztül kezd folyni a generátor felé az áram, amely ilyenkor akusztikus teljesítménnyé alakul, és nem melegíti a tranzisztort számottevően. Összességében, a kapcsolás előnye, hogy a szabályozó tranzisztor mindig nyitott állapotban van, azaz a legkisebb vezérlő jel is áramváltozást hoz létre. Emiatt nagyon kicsi jeleket is erősíteni tud. Vezérlés nélkül a teljes kimenő teljesítmény hővé alakul.
Előnyök és hátrányok az A-osztályban
Ennek a beállításnak számos pozitív hozadéka van. Az egyik legfontosabb, hogy a végtranzisztorok magas hőmérsékleten üzemelnek, ami az alacsony hőtorzítás záloga. A másik pozitívum, hogy nincsen keresztezési (null-átmeneti) torzítás. Bármilyen (!) kimenő trafós erősítőhöz képest nagy előnye az A-osztályú erősítőknek, hogy a kimeneten az impulzus-szerű terhelésekhez - a maximális teljesítmény mértékéig! - azonnal meg tud jelenni a szükséges áram, hiszen az állandóan ott folyik a végeken. Egy kimenőtrafó fojtó tekercsként viselkedik ezeken az impulzusokon, a magyar népmesében sincs olyan, hogy egy hirtelen áramugrás azon torzítatlanul, fékezetlenül átmenjen. Azonban ez az azonnali áramképesség csak kis teljesítmény szinteken tud megtörténni.
A Hiraga erősítő, mint A-osztályú konstrukció, tipikusan 10-30W környéki teljesítménnyel szokott épülni. Emiatt egy A-osztályú végfokot csak magas érzékenységű, lapos impedancia-menetű hangdobozzal célszerű párosítani. További előnye a többi tranzisztoros erősítőhöz képest, hogy a kis teljesítményhez kis kimeneti feszültség tartozik. A kis kimeneti feszültséghez kisebb nyílt hurkú (mintha kikötnénk a visszacsatolást) erősítés is elegendő. Emiatt, bár az impulzus-torzítások kialakulási mechanizmusa ezekben az erősítőkben éppúgy jelen van, a kimenet és a bemenet közötti pillanatnyi feszültség különbség kisebb, mint egy nagyobb teljesítményű erősítőben, így az impulzus-torzítások csak kisebb mértékűek.
Hátrányai azonban bőven vannak. Az A-osztályú erősítő nem egy öko-barát darab, pörgeti a villanyórát ezerrel. Ez amiatt van, hogy nagyon nehéz annyi meleget egy erősítőből elvezetni; hatalmas tápegység kell hozzá, ami drága, és a hőleadáshoz is sok végtranzisztorra, óriási hűtőfelületekre van szükség, ami drága is, meg helyigényes is. Egy 100W-os A-osztályú pontosan ugyanolyan rosszul tud szólni, mint bármely más hagyományos elvű AB osztályú erősítő, hiszen itt visszatérünk a magasabb kimeneti feszültségekhez, és a magas impulzus-torzításhoz. A kis teljesítményről már beszéltünk, a hatalmas tápegység ára pedig szintén hátrány.
A Hiraga 8W-os változatának építése és tapasztalatok
Sokan választják a Hiraga 8W-os változatát a DIY projektekhez. Dual mono kivitelben is megépíthető. A panelméret, például 23x13cm, gyakran meghatározza a kondenzátorok és egyéb alkatrészek elrendezését. A Hiraga erősítő különböző változatai nem mindig nyerik el mindenki tetszését, ami több okból is fakadhat. Lehet, hogy nem megfelelő alkatrészeket használtak, vagy a tápegységre nem fordítottak kellő figyelmet. A tápegység nagyon fontos egy A-osztályú végfok esetében, mivel itt nagy áramok folynak, és a brummos, nem megfelelően szűrt tápegység nagyon elrontja a hangot is.
Egy Hiraga működésénél a tápágankénti tökéletes szimmetria (pl. 12V, 1,2A nyugalmi árammal, rövidrezárt bemenet mellett) alapvető. Azonban audió forrást és hangfalakat rákötve előfordulhat, hogy pocsék, erőtlen hangja van. Ekkor érdemes terhelve mérni a meghajtók bázisára, ahol a feszültség akár 10V alá is eshet. Ahogy a feszültséget 12V környékére tekerték, a hang egyre jobb lett, nagyon komoly mélyekkel, és a nyugalmi áramot is így emelték feljebb.
Egy házimozi erősítő beállítás, ami mindent elronthat. ECO, energiatakarékos funkció hatása...
A tápegység elkészítése során fontos a kondenzátorok megfelelő bekötése. A kondenzátor akkor fejti ki legjobban a szűrő hatását, ha a lábára érkezik és onnan távozik a vezetősáv. Többen is módosították már a tápegységet, például 36 db kondenzátor helyett kevesebbet használtak és elosztották a két oldalt. Mind a kettő külön van biztosítva, így a nyugalmi áram mérés is egyszerűbb oldalanként. A tápegységben két darab egyenirányítót használtak MUR1520 diódákkal felépítve, és a táp csak a 2200µF kondenzátor nyák elején lett közösítve. Ennél a módosításnál nem használnak semmilyen CRC tagot, csak kondenzátorokat. Így az MKP kondik majdnem olyanok, mintha ott sem lennének. A helyesen bekötött kondenzátorok ellenére a brum (zaj) is megjelenhet, amit külső tényezők, mint például egy légvonalban 60m-re lévő nagyfeszültségű vezeték is okozhat.
A Hiraga A-osztályban addig működik, míg el nem fogy a nyugalmi árama, azaz legalább akkora, vagy nagyobb áram folyik a kimenetre, mint a nyugalmi. Hidalás esetén be kellene lőni egy maximális kimenő teljesítményt, pontosabban az ahhoz tartozó áramot és ennek felére kellene beállítani a csatornákat egyenkét. A tápfeszt nem lehet nagyon levenni, mert a 4x 24V AC toroid adott, ebből 34V DC jön ki pufferelve, reloop féle 723-as stabilizátorral is megszűrték, és nem szeretnének túl sok feszültséget ejteni a stabilizátor áteresztő darlingtonján.
A félvezetők fejlődése és a V-FET megjelenése
Évizedeken át jó elektronikát csak a régi módon, csőből (értsd, fémből és tűzből) lehetett építeni. Aztán, úgy a 80-as évek derekán a japánok rájöttek, hogyan lehet a tranzisztorból hangot csinálni. Kellett hozzá 40 év tapasztalata. Most, a vízöntő korában, a magasabb szintű tudomány időszakában azt látjuk, hogy kibontakozóban van egy új minőség, egy letisztultabb, használhatóbb, szinte minden tulajdonságában jobb technológia által.Az 1970-es évek elején fejlesztették ki Japánban a félvezetők egy különleges változatát - a VERTICAL FIELD TRANSISTORT - röviden V-FET-et. Leginkább az elektroncsövek között nagy népszerűségre szert tevő TRIÓDA karakterisztikájára hajazó eszköz, a SONY, YAMAHA és SANSUI cégek különleges minőségű erősítőiben bukkant fel. Ezek a termékek kis szériás típusok voltak, és néhány év elteltével el is tűnt a V-FET a hifi piacról. A fejlesztők újabb eszközzel gazdagították a készüléktervezők lehetőségeit, mert megjelentek a MOS technológiával készült teljesítmény FET-ek.
V-FET technológia és jellemzői
A V-FET-ek működési elve eltér a hagyományos bipoláris tranzisztorokétól. Míg az NPN/PNP tranzisztorok polaritásbeli hasonlóságot mutatnak, a V-FET-ek egészen más elven, fordítva működnek. Gyakorlatilag ezek a V-FET-ek állandóan vezetnek, és vezérlő elektródával úgy kell lezárni őket (depletion mode). Ezzel szemben a MOSFET "enhancement" (növekményes) üzemmódban megy. A V-FET-ek, mint a SONY 2SK82 / 2SJ28 (TO3 tokozás), trióda karakterisztikájuk miatt különlegesen jó hangminőséget ígérnek. A V-FET Hiraga erősítőben például NEC 2SK70/2SJ20 is használható, 1 ohmos ellenállással az áramkörében.
A V-FET-ek beszerzése ma már nehézkes lehet, mivel ritka alkatrészek. Az ebay-en még előfordulhatnak, de magas áron és sok postaköltséggel. Megbízható forrásból szerezhetők be, és érdemes az adatlapjaikat is áttanulmányozni, mivel részletes információkat nehéz találni róluk.
A V-FET bootstrap erősítő és a Hiraga összehasonlítása
Egy amatőr találkozón a V-FET BOOTSTRAP AMP A/B osztályú erősítő hangban és térben is alázta a csöves végfokokat és a Hiragát is. A V-FET bootstrap erősítőt úgy lehet jellemezni, hogy egy semleges hangú erősítő, nincs saját jellegzetes hangja, mintha a bemenő jel nem menne át semmin, csak egyből ki a hangfalakra. Nincsenek kiemelések stb.
A V-FET Hiraga erősítő 3 végfokkal lett összehasonlítva:
- Tranzisztoros erősítő: MJ15003G és MJE 15031G tranzisztorokkal lett megépítve, műveleti erősítő LME49710HA, minőségi fólia kondik a bemenetén, 500VA toroid trafó +/- ágban 30000µF szűrés stb.
- Pioneer A80 integrált erősítő: Ez az A/B osztályú erősítő audiophile körökben is elég jónak számít. A meghallgatás után a tulajdonos meglepődve mondta, hogy szó nélkül lecserélné a Hiragára.
- Csöves Legrand 300B SE - Single Ended végfok: Ez volt az a kategória, ami meg tudta fogni a Hiragát, de nem olyan sokkal, ugyanis a V-FET végnek köszönhetően nagy volt a hangbeli hasonlóság.
A V-FET bootstrap erősítő annyira megtetszett, hogy sokan kedvet kaptak az utánépítésére. A Hiraga V-fet erősítő egy nagyon jó hangú végfok, sok embernek tetszett a topik találkozón is. Akit érdekel a dolog, azt ajánlják, építse meg és hallgassa, nem fog csalódni, pláne ha egyből ilyet épít, ezzel úgy gondolják, bárki elég magasra tenné a mércét. A Hiragából még hidalt változatban lehet jobbat kihozni hatalmas költségből és energia pazarlásból.
A V-FET érzékenysége és védelme
A V-FET nagyon könnyen tönkremehet, mert a tápfesznél a +/- ágból valamelyiket előbb meg kell kapnia picivel, mint a másikat. Ennek megoldására a tervezés során különös figyelmet kell fordítani a bekapcsolási szekvenciára.A panelrajzok elérhetősége és a pontos bekötések kritikusak a sikeres építéshez. A Hiraga V-FET -es változatában valóban hibásan van a NEC 2SK70/2SJ20 berajzolva, ami nehézségeket okozhat a laikusok számára.A V-FET beszerzésekor érdemes a Sanken chip-eket keresni, melyek eredeti és utángyártott változatban is léteznek. A panelterveket sajnos gyakran kis méretben töltik fel az internetre, ami megnehezíti a munkát.
Az erősítő osztályok áttekintése és a jövő
Az A-osztályú erősítők mellett számos más osztály is létezik, melyek eltérő működési elveken alapulnak, és különböző előnyökkel, hátrányokkal rendelkeznek.
B-osztály és AB-osztály
A B-osztályú erősítőben a végtranzisztorokon nem folyik nyugalmi áram, vagy csak nagyon kicsi. A végtranzisztoron csak akkor kezd el áram folyni, amikor a vezérlő jel kinyitja a tranzisztort, majd amikor a jel megszűnik, az lezár. A szinusz jel két félhullámát két ellentétes polaritású (PNP és NPN) tranzisztorral erősítjük, hol az egyik, hol a másik lesz nyitva, a jel polaritásától függően. A baj a 0 átmeneteknél keletkezik, amikor a tranzisztor előbb lezár 0,5-0,6V környékén (nyitófeszültség), mint ahogy a jel elérné a nulla szintet, durva torzítás, ú.n. keresztezési torzítás jön létre. Nem is nagyon találunk B-osztályú erősítőt zenei jel erősítésére, így önmagában. Azonban más erősítőkkel kombinálva, egy B-osztályú végfokozat mint áram-rásegítő erősítő nagyon jó eredménnyel lehet használható. Ahogy azt a Quad-405 erősítő alapelveiben látjuk, egy kis teljesítményű A-osztályú erősítő fokozatot párosítanak össze egy nagy teljesítményű B-osztályú fokozattal, amely csak a nagyobb áramigények esetén lép működésbe, mintegy rásegítve az A-osztályú erősítőre egy komolyabb árammal. A Quad cég ezt az elvet a „Current dumping” névvel illette, találó.
Az AB-osztályú erősítő lényegében egy B-osztályú erősítő, amit úgy állítottak be, hogy azon vezérlés nélkül is átfolyjon annyi nyugalmi áram, ami nyitva tartja a végtranzisztorokat. Ilyen formán egyik végtranzisztor sem fog a nulla átmenetnél lezárni, mert mire az megtörténne, a másik oldal már vezet, azaz tisztán fogja átvinni a szinusz jelet, de a nyugalmi áram az erősítő teljes teljesítményén kivehető áramnak csak egy kis töredéke. Ez az osztály a legelterjedtebb a modern erősítőkben, mivel a teljesítmény, hatásfok és hangminőség elfogadható kompromisszumát kínálja.
C-osztály és D-osztály
A C-osztályú beállításban az erősítő a teljes jel fél-periódusának csak egy kis részében erősít. Emiatt csak speciális feladatokra használható, jobbára hangolt körökben, rádiófrekvenciás alkalmazásokban.
A D-osztályú erősítőben a kimeneti erősítő fokozat immár nem mint lineáris(hoz közelítő) erősítő elem működik, hanem impulzus üzemben. Ez az erősítési forma közeli rokonságot mutat a PWM D/A konverterek működésével. PWM = Pulse Width Modulation, impulzus szélesség moduláció. A korai D-osztályú erősítők először az aktív subwooferekben (mélyládákban) kaptak helyet. Mivel a „sub” csak egy alacsony frekvencia-tartományban üzemel, a kimeneti szűrők magas tartományokban tapasztalható minőségi problémái itt nem jelentkeznek érdemben. Viszont a D-osztályú erősítők nagyon jó hatásfokúak, azaz a felvett teljesítmény szinte teljes egészében hasznosul, és csak nagyon kis része válik járulékos hővé. Nagy teljesítményt lehet kivenni, csaknem hűtés nélkül. A nagy frekvenciájú kapcsoló üzem miatt a tápegységeik is sokkal kisebb méretűek lehetnek. Gyakori tévedés a D-osztályt, mint „digitális” erősítőt emlegetni, valószínűleg a D kezdőbetű zavarja meg az érintetteket. Ez alapvetően egy impulzus-modulált analóg erősítő. Az egy másik történet, hogy ha egy ilyen erősítőre PWM digitális jelet vezetünk, annak az analóggá alakítását ez a fajta erősítő ugyanúgy elvégzi, mintha lenne egy közbülső D/A konverter, vagyis egy plusz fokozat kihagyásával elvben jobb hangminőséget lehet elérni. Itt azért van egy nagy "HA". Ebben az esetben az erősítőnek egy olyan tápegységgel kell rendelkeznie, ami nagyon nagy sebességű és szinte limit nélküli áram kivétet tesz lehetővé. Ilyen tápokkal napjainkban folynak kísérletek, a szuperkondenzátorok alkalmazásával, ahol több száz amper is rendelkezésre tud állni szinte azonnalra, nagyon alacsony belső ellenállás mellett. Nem tart majd nagyon sokáig, és meg fognak jelenni az ilyen, minden egyben erősítők, ez az egyik lehetséges jövőbeni fejlődési útja az audio elektronikának.
Léteznek további erősítő osztályok is, mint E (rádiófrekvenciás), F és G, amelyek speciális alkalmazásokra optimalizáltak.
A tápegység és a földelés fontossága
A stabil és zajmentes tápegység kritikus fontosságú minden audio erősítőben. A Hiraga erősítők esetében, ahol nagy nyugalmi áramok folynak, ez még inkább igaz. A tápegység újraépítésekor vagy tervezésekor figyelembe kell venni a feszültség szűrését és stabilizálását. A kondenzátorok, egyenirányítók és szűrő tagok elrendezése alapvetően befolyásolja a végleges hangminőséget. A reloop féle 723-as stabilizátorok, vagy az LM317-el megoldott csövek fűtése is hozzájárul a stabil működéshez.A digitális és analóg részek földjének szétválasztása elengedhetetlen a zajmentesség eléréséhez. Különösen fontos ez, ha PIC-kel szeretnénk digitalizálni a kimenő jelet és meghajtani az analóg kivezérlésmérőket. A DC-től földfüggetlen átvitel a kimenetről a PIC-re lehetővé teszi a kimeneti DC figyelését (meghibásodás, megfutás stb.) a hangsugárzók védelme érdekében. Erre a célra leválasztó OPA-kat (pl. ISO124) használnak, amelyek képesek a DC átvitelére és optikai izolációval rendelkeznek.
Egy házimozi erősítő beállítás, ami mindent elronthat. ECO, energiatakarékos funkció hatása...
A meghallgatás szubjektív élménye és a technikai paraméterek
A Hiraga erősítők, akár tranzisztoros, akár FET-es (Le Monstre) változatban, ha nem teljesen "A" osztályban működnek (esetleg kicsi, pl. 100mA-es nyugalmi áramnál), akkor is meglepő hangminőséget produkálhatnak. A JLH egy kimondottan selymes, lágy, meleg, autentikus, és testes karaktert kapott ettől a modifikációtól, és ebben a kiépítésben teljesen egyenértékű egy jól megépített csöves erősítő hangképével. Napi 12-15 órát is szól, és abszolút nem fáraszt.
Azonban fontos megjegyezni, hogy a szubjektív hallgatási élményt számos tényező befolyásolja. Az erősítő kimeneti teljesítménye, a hangszórók érzékenysége és impedancia menete, valamint a szoba akusztikája mind hozzájárulnak a végső hangzáshoz. Egy 4 Ohm névleges impedanciájú doboz 10-20 Hz-en akár 2 Ohm is lehet. Ha a doboz érzékenysége átlagos, mondjuk 86 dB, ahhoz, hogy hangszer-realisztikus hangerőn hallgassuk egy átlagos szobában, nagyjából 30 Watt erősítő teljesítményre lenne szükség, HA a terhelés mindig 4 Ohm lenne, és a jelszint mindig azonos volna. Azonban a zenének dinamikája van, és a nagyobb beütéseken, amik jellemzően a mély tartományban szoktak jelentkezni, a szükséges teljesítmény csak magából a dinamikai különbségből fakadóan is legalább két-két és félszeres. Ez eddig 80W. Amikor ebben a hirtelen nagy dinamikájú állapotban a mély tartományban 20Hz környékén is van teljes energiájú műsorjel, amin az erősítő a névleges impedancia felét „látja” csak a hangszórón, duplikálnia kell az áramot és ezzel együtt a teljesítményt, tehát a valós teljesítmény igényünk 160W. Amikor ez bekövetkezik, az nem lehet az erősítőnk maximális teljesítménye közelében, mert nagyon megugrana a torzítás, legyen legalább 20%, 30-40W tartalék. Vagyis, egy ilyen doboz hibátlan kiszolgálásához 200 W erősítő teljesítményre van szükségünk, minden eshetőségre számítva.
Ez rávilágít arra, hogy egy 20 Wattos A-osztályú, vagy egy 40 Wattos csöves erősítő nem feltétlenül "adekvát" egy ilyen dobozzal. A technikai paraméterek és a valós használati körülmények közötti összhang megteremtése kulcsfontosságú a jó hangzás eléréséhez.A RIAA előerősítők esetében az erős visszacsatolás megfoghatja a dinamikát, ezért érdemes a jól bevált áteresztő Fet-es vagy több lépcsős RC szűréseket, úgy mint az Audio Innovationsé, alkalmazni.
Az alkatrészek és a szerelés minősége
A Hiraga erősítők építésekor az alkatrészek minősége és a szerelés precizitása alapvető fontosságú. A "trafótemető" elkerülése, a megfelelő trafók kiválasztása (pl. 2x12V-os trafók dual mono megoldáshoz), valamint a szimmetrikus tápellátás biztosítása elengedhetetlen. Két darab 1x12V-os trafó nem ajánlott, mert a szimmetria nem egyforma, ráadásul ha az egyik trafó meghibásodik primer oldalon, akkor az erősítők is tönkremehetnek.
A tranzisztorok kiválasztása is kulcsfontosságú. A 2SC5200/2SA1943 páros meggyőző volt sokak számára. Aldure kolléga tapasztalatain felbuzdulva sokan megvették a Sony VFET-eket (2SJ28/2SK82), még ha nehezen is kaphatók. A TIP tranzisztorok használatát kerülni kell, inkább egy jó AB-osztályú erősítőt érdemes építeni helyette.
A panelkészítés során a vasalásos megoldás gyors és egyszerű lehet. A Layout50 programmal könnyedén szerkeszthetők és nyomtathatók a panelrajzok. Az alkatrészek, mint például a potméterek és RCA csatlakozók cseréje is javíthatja a hangminőséget. A Sanken chipek beszerzésekor érdemes odafigyelni, hogy eredeti alkatrészeket kapjunk.
A minél nagyobb teljesítményű A-osztályú erősítőhöz valóban vannak irányelvek és ma kapható alkatrészekkel kipróbált kapcsolások. Azonban egy 2SK 1058-as megépítése esetén is előfordulhat soványka hang, ami további beállításokat és optimalizációt igényelhet.