مرجع کامل سیستم های صوتی ایران

مقدمه:امپلی فایر ها،در طبقه ی نهایی خود،از ترانزیستور های پوش پول استفاده میکنند،که یک ترانزیستور نیمه ی مثبت سیگنال و دیگری نیمه ی منفی سیگنال را تقویت میکند.برخی از امپلی فایر ها،با ولتاژ معمولی DC کار میکنند،اما نیاز به خازن بر سر راه خروجی،کیفیت را پایین آورده و در کل،مطلوب نیست.با بریج کردن دو عدد از این امپلی فایر ها،نیاز به خازن رفع میشود،و قدرت نیز دوبرابر شده،و برای استفاده در مکان هایی با برق ولتاژ پایین،نیاز به قدرت،تا حدودی رفع میشود.برای مثال،ای سی TDA7377 چهار عدد خروجی با توان بسیار پایین دارد اما میتوان دو کاناله اش کرد و خروجی تا 30وات ازش گرفت.ای سی هایی همانند TDA7560،امپلی فایر ها،داخل خود ای سی بریج هستند و دیگر نمیتوان آنها را بریج کرد،و خروجی ای با قدرت 30 وات را میدهند.برق تغذیه ی این آمپلی فایر ها برق باطری است.حال،چرا به تغذیه دوبل نیاز داریم و اصلا تغذیه دوبل چی هست؟

گفتیم که امپلی فایر ها،طبقه ی قدرتشان پوش پول است،اما در توان های بالا،به صرفه نیست که دو عدد امپلی فایر را بریج کنیم،و از تعداد دو برابر قطعات استفاده کنیم،(این کار در توان های پایین با صرفه بود)،که میخواهیم کارمان با منبع سینگل یا همان تک DC راه بیوفتد.از طرفی،وجود خازن بر سر راه خروجی امپلی فایر های پوش پول با منبع بایاس سینگل،باعث افت کیفیت،پاسخ فرکانسی،و ... میشود،پس چه کنیم؟

منبع تغذیه دوبل(اسپیلت):در آرایش پوش پول،چه در کلاس AB و چه در کلاس D،یک ترانزیستور به ولتاژ مثبت برای تقویت نیم سیکل مثبت و یک ترانزیستور به ولتاز منفی،برای تقویت نیم سیکل منفی،نیاز دارد،و یک زمین مشترک،برای گرفتن و یا دادن الکترون ها و منبعی برای ایجاد اختلاف پتانسیل نسبت به آن.پس به راحتی،میتوان دو منبع DC را با هم سری کرد،طبق شکل زیر،که سر مثبت باطری اولی،+ تغذیه،سر مثبت و منفی ای که با هم سری هستند،سر مشترک یا زمین مدار،و سر منفی باطری دومی،- تغذیه را تشکیل داده،و به راحتی،میتوان امپلی فایر را تغذیه و بایاس کرد:

 یک منبع دوبل 1.5 ولت:

حال،به سراغ معرفی تئوری و نه محاسباتی انواع منبع تغذیه امپلی فایر میرویم...

1-باطری:اولین و پایه ترین منبع برای تغذیه امپلی فایر،باطری است.در خودرو،به علت وجود یک باطری،نمیتوان از امپلی فایر های قوی بهره برد،و یا نهایتا طبق گفته ی بالا،از امپلی فایر های بریج شده میتوان استفاده کرد اما،میتوان دو باطری را نیز با هم سری کرد و منبع تغذیه اسپیلت ساخت.باطری،بهترین منبع تغذیه برای امپلی فایر است،به شرط استفاده از باطری های قوی،به علت پایین تر بودن مقاومت درونی منبع،میتوان به جرات گفت که کم نویز ترین و صاف ترین منبع تغذیه باطری هست،علاوه بر آن،باطری،خود همانند خازن عمل میکند،و نویز های اطراف را هم حتی،صاف میکند!به علت عدم وجود هرگونه ریپل به شرط رعایت استفاده از باطری قوی،بهره ی امپلی فایر،پاسخ فرکانسی،قدرت امپلی فایر،و.... هیچ تغییری نخواهد کرد،اصلا نویز وجود نخواهد داشت،و با کیفیت ترین صدا و نهایت قدرت امپلی فایر را میتوان گرفت،و نیز،عمر امپلی فایر نیز بسیار بالا میرود(امپلی فایر های مخصوص خودرو که قدرت بالا دارند،و از منبع تغذیه سوییچینگ که در ادامه معرفی میشوند استفاده میکنند،ولی تغذیه اولیه خود را از باطری میگیرند،در بحث نویز،استثنا هستند).اما از معایب استفاده از باطری،میتوان به محدود بودن ظرفیت ذخیره ی انرژی الکتریکی و در نهایت،کم شدن شارژ آن،و به مرور زمان،کم شدن عمرآن و بالا رفتن مقاومت درونی آن،نیاز به شارژر داشتن و مشکلاتی از این قبیل،اشاره کرد،که مهم ترین ضعف باطری،تمام شدن شارژ آن است،که اصلا مطلوب نیست.پس،استفاده از منابع باطری،به جز اسپیکر ها و سیستم های پرتابل آنهم به ناچار،و خودرو(که با روشن بودن خودرو باطری شارژ میشود)و کمی مشکل بودن شارژ باطری های سری شده برای ایجاد منبع اسپیلت،نامساوی بودن و خالی شدن باطری ها،و ... باعث شده تا از باطری ها به عنوان منبع تغذیه استفاده نشود.

2-ترانسفورماتور و منابع خطی:اگر منبع تامین کننده ی توانی که ما میخواهیم،AC باشد،باید ابتدا برق را هم به میزان ولتاژ مورد نیاز امپلی فایر رسانده و هم،برق را DC کنیم.یکی از بهترین منابعی که برق شهر را به برق تغذیه امپلی فایر و مدارات جانبی کنترل،همانند اکولایزر ها،مدارات پروتکشن،پری امپ ها،و... تبدیل میکند،ترانسفورماتور است.برای ایجاد تغذیه با ولتاژ اسپیلت یا همان دوبل،به ترانس سه سر نیاز داریم.سر وسط ترانسفورماتور،زمین مدار را تشکیل میدهد(سر مشترک).حال،بین دو سر دیگر،یک پل دیودی قرار میدهیم،اما خازن های صافی،هرکدام،یک طرفشان به یکی از خروجی های پل دیود(چه مثبت و چه منفی)وصل شده و سر دیگرشان،به سر وسط ترانس وصل میشود.نکته:اگر بگوییم مثلا ترانسی ولتاژ خروجی اش دوبل 12 ولت است،در واقع،هر کدام از سر هایش،نسبت به سر مشترک،ولتاژ 12 ولتی دارد،اما دو سر غیر مشترک به هم،ولتاژی برابر با 24 ولت نسبت به هم دارند.درواقع ترانس دوبل 12 یک ترانس 24 ولت است که از وسط سیم پیچی اش،یک انشعاب گرفته شده که به آن سر مشترک میگویند.

به مدارات زیر دقت کنید:

 دیاگرام یک منبع خطی:

یک نمونه مدار تغذیه اسپیلت با ترانس دو سر(منبع سمت راست)،البته این روش زیاد به درد نمیخورد زیرا در این حالت به دو برابر ظرفیت خازن نیاز است:

مزایا و معایب ترانسفورماتور ها:ترانس ها،در توان های کم،تلفات بالایی دارند اما ترانس های با توان های بالا تر و بزرگ تر،تلفات توانی کمتری و بازده ی بیش تری دارند.از خوبی های ترانس،میتوان به ساده بودن و راحت ساختن منبع تغذیه،در دسترس بودن،تا حدودی ارزان بودن اشاره کرد(اما نه ترانس های تیروئیدی).نویزی که ترانس ها در سیستم ممکن است بیاندازند،با فرکانس کم و 50 هرتز است.به راحتی میتوان این نویز را با بالا بردن ظرفیت خازنی منبع و بالا تر در نظر گرفتن توان ترانس با توجه به تلفات امپلی فایر،و جلوگیری از کم اوردن جریان ترانس،میتوان این نویز را به حداقل رساند،به علاوه،باید از سیم و کابل های مرغوب و شیلد دار استفاده کرد.فرکانس های رادیویی،تاثیر بسیار کمی بر روی این منابع میگذارند.با رعایت اصول منابع تغذیه ای،به راحتی میتوان کم نویز ترین منابع امپلی فایر ها را با استفاده از ترانسفورماتور ها ساخت.این منابع از فیلتر های ورودی تا حدود زیادی بی نیاز هستند.به راحتی میتوان زمین ثانویه را به بدنه ی دستگاه وصل کرد و نویز محیط را نیز دفع کرد. ترانس های تیروییدی و یا همان حلقوی،بالا ترین بازده و کمترین تلفات بر روی خود دارند و ایده آل ترین منبع تغذیه برای امپلی فایر ها به حساب میایند،نویز در این ترانس ها بسیار کم است و به شرط محکم پیچیده شدن سیم پیچ ها،(تا سیم پیچ لرزش ایجاد نکند،همان صدای قیژ قیژ مانند که از ترانس های توان بالا و یا هنگام روشن شدن ترانس،ممکن است شنیده شود.)نویز بسیار کم و قابل از بین بردن دارند.این ترانس ها نیز از نمونه های EI حجم کوچکتری دارند.بزرگ ترین عیب این ترانس ها،سخت بودن پیچیدن آنها است!منابع خطی،با بار های سلفی،مشکل کمتری دارند که برای  امپلی فایر ها،بسیار مناسب اند.

از دیگر معایب منابع خطی،میتوان به ثابت نبودن ولتاژ خروجی نسبت به بار اشاره کرد.فرکانس برق شهر،کم و 50 هرتز است پس خازن های تغذیه،نمیتوانند زود به زود شارژ شوند از این جهت یا باید در بیس های شدید،و یا اوج صدا،شاهد ریپل بالای منبع باشیم و یا از خازن های الکترولیت ظرفیت-ولتاژ بالا استفاده کنیم که البته گران،تا حدودی سنگین،و بسیار حجیم هستند.پل دیود این منبع باید با جریان بسیار بالا انتخاب شود.گاهی ممکن است پل دیود به هیت سینک نیاز داشته باشد.در هنگام روشن کردن دستگاه،به خصوص اگر ظرفیت خازنی بالا باشد،جریان شدیدی از پل دیود عبور میکند،و گاهی مشکل آفرین است.مگر از مدارات سافت استارت استفاده شود تا هم صدای هوم هسنگام روشن شدن را کاهش دهد و هم فشار را از پل دیود بردارد.(معمولا در توان های بالا سافت استارت حتما نیاز است).خطر سوختن امپلی فایر به علت بد کار کردن منابع بسیار کم است،مگر نوسانات شدید برق داشته باشیم که با یک محافظ صوتی تصویری تا حدودی قابل کاهش است.

3-منابع تغذیه سوییچینگ:منابع تغذیه ترانسی،سه عیب بزرگ دارند.اول اینکه،بسیار حجیم و سنگین هستند.دوم اینکه،قیمت تمام شده شان گران است و نیز به سیم پیچی مسی زیادی نیاز دارند و مس نیز انچنان ارزان نیست،پس در کل،قیمت بالایی دارند.سوم اینکه،تلفات نسبتا بالایی دارند که شاید در توان های پایین به چشم نیاید اما در توان های بالا و خصوصا در سیستم های صوتی خودرو که محدودیت انرژی وجود دارد،تلفات توان مهم به حساب میاید.منابع تغذیه سوییچینگ را در جاهایی استفاده میکنند که یکی از معایب ترانس ها،بزرگ تر به چشم آید.مثلا سنگین وزن بودن برای سیستم های پر قدرت،پر تلفات بودن برای سیستم های خودرو،و یا بیش از حد گران بودن برای سیستم هایی که میخواهیم ارزان تمام شوند.و اینکه،فرض کنید یک رباط در کارخانه در هر دقیقه،50 عدد جعبه را جا به جا کند (مثال 50 هرتز برق شهر)تا اینکه یک رباتی دیگر،بتواند 50000 جعبه را در یک دقیقه جا به جا کند.کدام یک از این رباط ها،توان بیش تریخواهند داشت؟در منابع تغذیه سوییچینگ که با فرکانس های بالا کار میکنند و توان بیش تری به خاطر بالا بودن فرکانس،و همچین دیجیتال بودن فرکانس!ایجاد میکنند،نیز این قضیه صادق است.

نحوه ی کار منبع سوییچینگ برای برق شهر:فرض کنید میخواهیم در حجم بسیار کم تر از یک ترانسفورماتور،توان بالایی بکشیم.یکی از محدودیت های ایجاد شده برای اینکه نتوان جریان زیاد کشید،فرکانس برق شهر است که ۵۰ هرتز است،که اگر بیش تر می بود آنگاه میشد توان بیش تری کشید،بازده منبع بالا تر بود و ...اصول کار کلی منابع سوییچینگ همانند پاور کامپیوتر این است که ابتدا برق شهر راDC میکنند.سپس،با استفاده از یک اسیلاتور،یک فرکاکس با موج مربعی مدوله شده عرض پالس(PWM)با فرکانسی از رنج ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز(برای کارهای صوتی معمولا 50 کیلو هرتز) ایجاد میکنند.حال،این سیگنال به سوییچ های قدرت ماسفت یا ای جی بی تی میدهند تا این سیگنال را تقویت کنند.حال،مشکل کم بودن و پایین بودن فرکانس به راحتی حل شده و میتوان ترانس هایی کوچک،ارزان و پرقدرت ساخت.همانطور که در موتور جوش های جدید از منبع سوییچینگ استفاده شده و حجم را بسیار کاهش داده است.سپس،سیگنال به ترانس داده میشود و ترانس نیز برق تغذیه امپلی فایر را تامین میکند.و نیز، حالت قطع و اشباع بودن نیز در سوییچینگ ها باعث کاهش تلفات نسبت به موج های سینوسی میشود.

اساس کار سوییچینگ های امپلیفایر خودرو:در خودرو،از منابع افزاینده ولتاژ استفاده میشود،تا برق ۱۲ ولت باطری را به برق تغذیه امپلی فایر تبدیل کند.در منابع سوییچینگ برق شهر گفتیم که ابتدا سیگنالDCمیشود اما در اینجا،از ابتدا سیگنالDC است،پس کار یک مرحله ساده تر انجام میشود.حال به اسیلاتور فرکانس،سوییچ های قدرت و یک ترانس افزاینده و در نهایت صافی برای تغذیه برق امپلی فایر،احتیاج داریم.در کل،در خودرو فقط از منابع سوییچینگ استفاده میشود.

مزایای سوییچینگ ها:این منابع در قسمت صافی،به ظرفیت خازنی بالایی نیاز ندارند و به علت بالا بودن فرکانس،از سلف میتوان به راحتی به عنوان صافی بهره برد،آنهم در ابعاد کوچک.به علت بالا بودن فرکانس،خازن های صافی نیز سریع شارژ میشوند،این منابع در بیس های شدید سیستم صوتی،پایداری بهتری دارند.

از دیگر مزایای منابع سوییچینگ،توانایی کنترل سطح ولتاژ خروجی است.اگر در یک ترانسفورماتور معمولی و خطی،بخواهیم سطح ولتاژ را کمی کنترل کنیم،کار سخت خواهد بود و باید به طور فیزیکی تعداد دور سیم پیچ های ترانس را تغییر دهیم،و یا از رگولاتور هایی استفاده کنیم که خود هم تلفات توان ایجاد میکنند هم محدودیت جریان.اما گفتیم موجی که توسط کلید های ترانزیستوری در سوییچینگ ها کلید زده میشود،یک سیگنال PWM است،که هرچه مقدار (DC (DUTY CYCLE موج بیش تر باشد،ولتاژ خروجی نیز کمی بیش تر خواهد شد و هرچه مقدار DC موج کمتر باشد،ولتاژ خروجی از ترانسفورماتور،کمتر خواهد بود.

معایب سوییچینگ ها:منبع سوییچینگ،اگرچه در خودرو به ناچار استفاده میشوند،اما در جاهای دیگر،معایب خاص خود را دارند که با اینکه تکنولوژی جدیدی به حساب میایند اما شاید حتی هیچ وقت کامل جایگزین ترانسفورماتور ها نشوند.فرکانس های سوییچنگ ها اگر کم باشند،مثلا کمتر از 20 کیلوهرتز،به راحتی میتوانند نویز روی امپلی فایر بیاندازند.اگر فرکانسشان بالا باشد،امواج رادیو بر روی کارکرد منبع ممکن است تداخل ایجاد کند.این منابع بسیار نویز پذیر هستند.به درد بار های سلفی همانند بلندگو نمیخورند،بیش تر به درد تابلو های ال ای دی و تلوزیون و کامپیوتر و ... میخورند.کم کردن یا از بین بردن نویز این منابع بسیار سخت است.ساختن این منابع بسیار سخت است.باید از دیود های بسیار نایاب و سریع استفاده کرد،ممکن است کمی،پیچیدن ترانس اصلی این منابع دردسر ساز باشد،باید از کارکرد قسمت اسیلاتور نیز مطمئن شد.قسمت اسیلاتور این منابع همیشه توان(اگرچه کم)مصرف میکند.این منابع اگر فیلتر ورودی درستی نیز نداشته باشند،بر روی فاز برق شهر یا برق در خودرو،اثر نامطلوب میگذارند.سوختن و یا درست کار نکردن حتی یکی از قطعات الکترونیکی این منبع،ممکن است به قطعات دیگر آسیب برساند،تعمیر این منابع سخت تر و تخصصی تر است،و ممکن است در صورت بد کارکردن،ولتاژ را ناگهانی بالا ببرند که باعث سوختن امپلی فایر بشود.طراحی کردن این منابع نیز برای افرادی که سیستم های دست ساز میسازند مشکل است.یک فرد با کمترین اطلاعات در باره ی پل دیود و خازن و ترانسفورماتور میتواند یک منبع خطی طراحی کند اما محاسبه ترانس،فیلتر های ورودی،خروجی،اسیلاتور،درایور ترانزیستور ها و.... کمی سخت و پیچیده است.

دو نمونه دیاگرام منابع تغذیه سوییچینگ:

 یک امپلی فایر خودرو با منبع تغذیه سوییچینگش:

یک نمونه امپلی فایر PA با منبع تغذیه سوییچینگ: