Patent: Wzmacniacz Stereo z energetycznymi wlasnosciami mostka

 Patent: Wzmacniacz Stereo z energetycznymi wlasnosciami mostka
 Od początka lat siedemdziesiątych wysokiej klasy ( a później wszystkie ) wzmacniacz akustyczne mocy zbudowane są  jak wzmacniacz operacyjny mocy z symetrycznym zasilaniem.
W odróżnieniu od wzmacniaczy operacyjnych tranzystory bipolarne wejściowej dyskretnej pary różnicowej pracują z dużym prądem, typowo 0.5 – 1 mA i mają więc duże prądy polaryzacji wejść. Stąd na obu wejściach stosowane są niewielkie rezystory 10-47 KOhm dla zapewnienie małego stałego napięcia wyjściowego DC, które jest szkodliwe. Producenci japońscy często stosują w tej parze różnicowej tranzystory JFet.
Normą jest praca wzmacniacza w konfiguracji nieodwracającej.
W realizacji dyskretnej tranzystory  PNP komplementarne do NPN mają identyczne - zbliżone parametry. W realizacji scalonej wzmacniacza mocy tranzystory PNP mają słabe parametry. Scalone tranzystory mocy zawsze są przewodności NPN.

Transformator sieciowy do zasilacza symetrycznego ma dzielone uzwojenie wtórne z połową uzwojenia dołączoną do GND  a za mostkiem prostowniczym  są dwa kondensatory dla napięcia dodatniego i ujemnego. Z osobna prostownik dodatni i ujemny są więc dwudiodowe z podwójnym uzwojeniem wtórnym.

Zakładając tą samą długość zwoja uzwojenia pierwotnego i wtórnego optymalny transformator ma tyle samo miedzi na  obu uzwojeniach.
Obecnie dominują w prostownikach mostki diodowe ale dla napięć mniejszych od circa 10 Vdc mniejsze sumaryczne straty daje dwupołówkowy prostownik dwudiodowy z dzielonym na pół (inaczej podwójnym) uzwojeniem wtórnym transformatora. W danym momencie obciążona jest tylko jedna połówka uzwojenia wtórnego i jego dioda. Optymalny dla takiego transformatora jest asymetryczny podział miedzi z przydziałem ponad 50% na uzwojenia wtórne i odpowiednio zmniejszonym na uzwojenie pierwotne.
Wysterowany wzmacniacz ( jeden kanał ) w danym momencie pobiera prąd tylko z napięcia dodatniego lub ujemnego. Zatem dla małych częstotliwości, gdy sytuacja jest najgorsza, optymalna byłaby niesymetryczna alokacja miedzi na uzwojenie pierwotne i wtórne w transformatorze !
Symetryczne obciążenie obu prostowników zapewnia wzmacniacz w konfiguracji mostkowej.
Wzmacniacz taki oddaje ponad 2 razy większą moc niż dwa kanały Stereo wzmacniacza w normalnej konfiguracji. Przyrost mocy jest tym większy im niższa jest częstotliwość sygnału. Dla dużych częstotliwości przyrost ponad 2 razy jest circa 5 procentowy ale dla częstotliwości 20 Hz może być i 40 %, szczególnie przy za małych kondensatorach prostownika.
Dla identyczności warunków oczywiście impedancja obciążenia układu mostkowego jest dwukrotnie większa niż normalnie.  

W kodowaniu stereofonicznym tony niskie i nisko – średnie są takie same w obu kanałach. Stąd niniejsza idea aby jeden kanał pracował w przeciwfazie do drugiego a biegunowość gniazda wyjściowego dla głośnika była w nim odwrócona. Dla tonów niskich i  nisko – średnich ( mają one największą energie ) układ z punktu widzenia zasilacza pracuje jako mostkowy.  

Na schemacie pokazano układ stereofoniczny ze „wzmacniaczami operacyjnymi mocy” ( czyli obecnie normalne wzmacniacze ) nieodwracającym i odwracającym o identycznych parametrach na wejściu. Zastosowano środki do zmniejszenia szumów. Jeden z kanałów ma oczywiście odwrócone połączenie gniazda wyjściowego.
Aby możliwa była praca kanału odwracającego z wymaganymi dużymi rezystancjami na wejściach prądy polaryzacji muszą być małe. Zapewnia to wejściowa para tranzystorów JFet.
W parze tranzystorów bipolarnych pracujących z prądami 0.5-1 mA  konieczne jest użycie układu Darlingtona ( jak w scalonych wzmacniaczach ) lub lepiej komplementarnego układu ultraliniowego Sziklai.

Na rysunku pokazano INNOWACYJNY i sprawdzony układ odwracającego wzmacniacza z dużymi prądami polaryzacji wejść z rozdzielonym sprzężeniem zwrotnym dla składowej stałej DC i zmiennej AC.
Odwracajacy.png
Jego mankamentem jest zmniejszenie głębokości ujemnego sprzężenia zwrotnego w kanale odwracającym. Dla zapewnienia pełnej symetrii i takiego samego pasma ( typowo 500 – 2000 KHz, oczywiście małosygnałowego ) obu kanałów w kanale odwracającym trzeba zastosować mniejszą pojemność kompensacji częstotliwościowej Millera lub zredukować wzmocnienie ( tylko z otwartą pętlą, dwójnik RC między wejściami  ) układu  nieodwracającego.
Im większe jest wzmocnienie prądowe wejściowej pary różnicowej tym większe rezystory wejściowe z przedziału 10-47 KOhm można zastosować. Jednak w ramach rodziny tranzystory z wyższym napięciem Uceo nie występują w grupie dużego wzmocnienia prądowego C.

Zatem idea ta głównie nadaje się do wzmacniaczy z para różnicową JFet i wzmacniaczy scalonych o małym wejściowym prądzie polaryzacji. Dla układu TDA2020 prąd polaryzacji obu wejść wynosi mniej niż 150 nA a jego offset jest niewielki. W każdym razie znacznie mniejszy niż maksymalny katalogowy.

O ile reakcją zasilacza z transformatorem 50 Hz i prostownikiem pojemnościowym na pobierane duże impulsy prądu jest spadek napięcia to zasilacze impulsowe praktycznie nie mają przeciążalności i tam opisany wzmacniacz ma ogromny atut !

Patent: Wzmacniacz Stereo z energetycznymi własnościami mostka dla DSP.
We  „Wzmacniacz Stereo z energetycznymi własnościami mostka” pokazano jak wzmacniacz mocy  Audio będący realnie wzmacniaczem operacyjnym mocy może praktycznie bezkosztowo lub nisko-kosztowo  skonfigurować do pracy z ujemnym wzmocnieniem odwracającym. Wzmacniacz w kanale odwracającym pracuje ze sprzężeniem zwrotnym trochę mniejszej głębokości. Fazę sygnału za odwracającym wzmacniaczem odwracamy powtórnie odwrotnym przyłączeniem gniazda głośnika.
Gdy prąd polaryzacji wejść jest duży i oporności na wejściach są ograniczone ( prądy polaryzacji układów wzmacniaczy TDA2020 są szczęśliwie bardzo małe ( <150nA)  i nie stwarzają tu problemów ), a tak jest w układach dyskretnych z tranzystorami bipolarnymi , różnica w przedstawionej sprytnej aranżacji, głębokości sprzężenia przekracza zawsze najmniej 6 dB. Aby pasma ( zwykle 500 kHz – 2 MHz ) obu torów Li R były takie same konieczne jest zmniejszenie pojemności kompensacji częstotliwościowej Millera w kanale odwracającym lub zmniejszenie głębokości sprzężenia w torze nieodwracającym.

 Niemiecki koncern ITT w 1982 roku przedstawił zestaw układów scalonych DIGIT 2000 do cyfrowego przetwarzania sygnałów Video i Audio. W publikacjach ITT podano nawet oferowany diagram - program dla programowalnego procesora DSP Audio i dano zrozumiałe objaśnienia. Można kupić procesor DSP z programem lub napisać własny program do umieszczenia w pamięci programu ROM.
Procesory Video realizują algorytm – program wynikający z połączenia kolejnych rejestrów i ALU i oczywiście nie ma dla nich programu.
Aby oba wzmacniacze mocy L i R mogły być identyczne i nieodwracające sygnałów ale pracowały pseudomostkowo, przed podaniem w DSP do wyjściowych przetworników DAC sterujących wzmacniacze mocy  trzeba sygnał pomnożyć jedną dodatkową instrukcją w jednym kanale  przez „-1” co absorbuje mniej niż 1% wydajności DSP lub zmienić w jednym kanale znak parametru „K” odpowiedzialnego za Vol – Balans czyli odrobinę zmienić program mikrokontrolera odbiornika TVC ustawiającego głównie parametry filtrów w DSP po odbiorze rozkazów z pilota zdalnego sterowania.

Jak  objaśniano w „Oszczędny energetycznie Wzmacniacz ( Stereo ) Audio dużej mocy w odbiorniku TVC z zasilaczem impulsowym SMPS” wzmacniacze dla odpowiedniej jakości pracują zawsze z symetrycznym napięciem zasilającym lub stosuje się pojedynczy prostownik w zasilaczu impulsowym i wzmacniacze same sprytnie symetryzują napięcia dzieląc całe napięcie z jednego prostownika na pół na szeregowo połączonych kondensatorach obu napięć dodatniego i ujemnego w stosunku do GND.

Obecnie odbiornik z chipsetem ITT pracuje z konwencjonalną fonią FM Stereo A2 ( tak nazywa się się system Stereo RFN dla TVC ) ale rozbudowanie go o odbiornik i dekoder strumienia sygnału cyfrowego fonii jest  proste. Trzeba by układom dodać z circa 20% obecnej liczby tranzystorów.
Cyfrowy dźwięk przyniesie ogromną poprawę jakości i stosowanie dobrego wzmacniacza Audio w TVC  stanie się koniecznością.
Wzmacniacz mocy Stereo  nie może stwarzać dużych trudności zasilaczowi impulsowemu, który byłby bardzo drogi, skomplikowany i pobierał jałowo za dużo mocy.  
Nie może też zakłócać obrazu modulując napięcie zasilacza.
Zatem „mostkowość” jest jednym z kilku zabiegów uzyskania wysokiej jakości fonii w TVC.