Giáo trình Âm thanh - Chương X - Bộ khuếch đại công suất và những liên quan về trở kháng

Biên tập : Lê Tuyên Phúc
http://www.giaotrinh.soundlightingvn.com

Chương X - Bộ khuếch đại công suất và những liên quan về trở kháng
Power Amplifiers and Impedance Concerns
​

Mục đích của bộ khuếch đại, rõ ràng là để tạo ra tín hiệu output y hệt, nhưng mạnh hơn tín hiệu input của nó. Có thể xử dụng bộ khuếch đại nhằm thực hiện những chức năng khác, ở đây chúng ta sẽ tập trung vào mục đích cơ bản của việc cho ra tín hiệu output có hiệu quả từ bộ khuếch đại công suất.

Khả năng sản xuất output của bộ khuếch đại bị ảnh hưởng bởi trở kháng của mạch theo định luật Ohm (giới thiệu trong chương 4). Cẩn thận lưu ý, do trở kháng có thể thay đổi đáng kể theo tần số (xem hình 10.4), công suất ra của ampli có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố này.

Mỗi bộ khuếch đại công suất (power amplifier), ở một tần số nhất định, có khả năng output tối đa, đường biểu diễn của mạch điện theo trở kháng (impedance) như sau: Hình 10.2 minh họa hai đường biểu diễn đó. Lưu ý, trong giải xấp xỉ nhất định, đường biểu diễn trở kháng cơ bản bị giảm theo định luật Ohm. (Đối với một điện thế nhất định, một nửa trở kháng tương đương với gấp đôi cường độ, và do đó công suất sẽ gấp đôi như đã mô tả trong chương 4). Ngoài điểm nào đó, khi trở kháng vẫn giảm tiếp tục, khả năng công suất tối đa đầu tiên bắt đầu ổn định, rồi cuối cùng rơi xuống khá trầm trọng. Đây là đặc tính tự nhiên của mạch khuếch đại.

Ngoài ra, đường biểu diễn này có thể thay đổi đôi chút ở những tần số khác nhau (mặc dù nó thường được ấn định tại 1kHz). Hình 10.2 cho thấy cách công suất tiêu biểu thay đổi tùy theo tần số ở những trở kháng khác nhau.

Bây giờ, đã xác lập ra vài hạn chế của bộ khuếch đại công suất tiêu biểu, chúng ta hãy giải quyết nó cách đơn giản hơn. Hầu hết bộ khuếch đại công suất đều trích dẫn qui cách kỹ thuật output của nó ở 16Ω, 8Ω và 4Ω theo hướng dẫn của Ủy ban Thương mại Liên bang Hoa Kỳ (US Federal Trade Commission). (Có thể dự đoán, vài hãng sản xuất bảo thủ nhiều khi giới thiệu thông số kỹ thuật của họ tốt hơn những hãng khác). Những qui cách kỹ thuật output này không giải thích được cái gì cả, nó chỉ tác dụng như một hướng dẫn hữu ích trong việc đánh giá những mong đợi về mức độ khả năng output có thể đạt.

Có nhiêu trường phái tư tưởng khác nhau về cách thực hiện tốt và hiệu quả nhất phù hợp với khả năng khuếch đại công suất và khả năng của driver. Nói chung, những kỹ sư giàu kinh nghiệm nhất đều muốn có power amlifier vượt quá sức chịu đựng của driver, và nếu cần sẽ dùng thiết bị hạn chế (limiter) điện áp hay hạn chế công suất để bảo vệ driver không bị quá tải. Những hãng sản xuất loa càng ngày càng thiết kế các tính năng này vào thiết bị. Tương tự, hầu hết hệ thống xử lý-kiểm soát (processor-controlled system) đều có kiểu hạn chế này ở dạng này hay dạng khác.

Cách đánh giá đơn giản trở kháng của mạch điện phổ biến là ghi nhận trở kháng danh định của loa, và cách kết nối với nhau. Hai cách nối dây loa với nhau cơ bản là mạch nối tiếp và mạch song song (series and parallel circuits). Hình 10.3 cho thấy sự khác biệt giữa hai cách. (Trên thật tế, ưu điểm của mạch song song là nếu một driver không hoạt động, những driver còn lại trong mạch vẫn tiếp tục hoạt động. Ở mạch nối tiếp, nếu một driver không hoạt động, toàn bộ mạch bị gián đoạn. Trong thiết kế và vận hành hệ thống tốt, việc tất cả các driver đều bị hư hại hiếm khi xảy ra Tuy nhiên, mạch song song thường được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất, và phần lớn hệ thống hiện đại đều nối theo cách này).

Nhiều driver nối dây song song sẽ có trở kháng thấp hơn khi đến output của ampli, như sau: Cho mạch song song, chia trở kháng của từng driver giống hệt nhau bằng số lượng driver. Nếu hai driver giống hệt, hay thùng loa được nối song song, tổng trở kháng cho các ampli output sẽ được cắt còn một nửa. Như vậy, hai driver 8Ω song song sẽ cho ra một tổng trở kháng 4Ω. Hai driver 16Ω song song sẽ cho ra tổng trở kháng 8Ω.

Nhiều driver nối tiếp sẽ có trở kháng cao hơn khi đến output của ampli, như sau: Cho mạch nối tiếp, nhân trở kháng riêng với số driver. Nếu nối tiếp hai driver, hay thùng loa giống hệt nhu, tổng số trở kháng cho ampli output sẽ tăng gấp đôi trở kháng riêng của mỗi loa. Vì vậy, hai driver 8Ω nối tiếp sẽ cho ra tổng trở kháng 16Ω khi đến ampli.

Loa nối dây trong nhóm bốn loa hay nhiều hơn có thể được sắp xếp theo sự kết hợp của nối tiếp và song song (thường gọi là series/parallel). Hình 10.3 cho thấy cách tính toán tổng số trở kháng danh định cho vài kết hợp driver phổ biến.

Vì hầu hết hãng sản xuất bộ khuếch đại công suất đều báo khả năng chịu tải lớn nhất của loa ở 4Ω và 8Ω, xử dụng việc đánh giá trở kháng danh định của loa là tiện lợi. Tuy nhiên, trên thật tế, trở kháng thay đổi rất nhiều theo tần số, do đó, trở kháng danh định thường khác đáng kể so với trở kháng thật tế trong nhữnggiải tần số đã nhân bản.

Hình 10.4 cho thấy đường biểu diễn trở kháng đặc trưng của một cone driver. Ở đây có thể thấy cone driver tiêu biểu sẽ có trở kháng thấp nhất trong giải midrange của phổ âm. Trong trường hợp hiếm gặp này, có thể cho phép giảm công suất tối đa cung cấp cho nhiều driver nối dây song song, đặc biệt là khi dùng cone driver trong midrange này. Điều này nói chung phải quan tâm khi cần phải đẩy midrange lên tới mức ufll. Nhưng đây là ngoại lệ đối với luật. Trong hầu hết trường hợp, việc công bố sự đánh giá trở kháng danh định là phải hướng dẫn việc đánh giá trở kháng thích đáng. Sự gia tăng trở kháng ở tần số thấp, mặc dù, là một trong những lý do tại sao họ thích công suất bộ khuếch đại có phần vượt quá công suất của loa khi dùng cho những thiết bị tần số thấp.



Hình 10.1-A :Thí dụ về các khả năng output của bộ khuếch đại công suất (power amplifier).

A) Đường biểu diễn tiêu biểu của bộ khuếch đại công suất chất lượng cao tại 4 ohm và 8 ohm, bằng cách dùng tín hiệu 1kHz. Ở đây đường biểu diễn theo dõi tỷ lệ méo họa âm (harmonic distortion) khi tăng công suất output. Sự gia tăng nhẹ ở các cấp độ công suất thấp là tiêu biểu, và quá thấp so với mức nghe rõ. Sự gia tăng nhanh ở công suất output cao là tiêu biểu của chuyện gì sẽ xảy ra khi ampli đạt khả năng công suất tối đa của nó, vượt quá chỗ méo cắt tiếng (clipping) đáng chú ý. Trong trường hợp này phải đánh giábộ khuếch đại rất thận trọng, là đạt 200 watt RMS / channel ờ 8 ohm (cả hai channel driven) và 400 watts RMS / channel ở 4 ohm.

Hình 10.1 - B : Thí dụ về công suất tối đa phải là bao nhiêu để có thể thay đổi theo tần số. Vẽ đường biểu diễn này, cho ampli công suất như trên, sẽ cho thấy tại sao phẩm chất từ 20Hz - 20kHz thường ít hơn so với năng lượng qua tần số midrange. Lưu ý, mặc dù, sự chuyển động của những đường biểu diễn này có khuynh hướng ra bên ngoài giải nơi hầu hết đều cần công suất, thường từ khoảng 40Hz và trở lên. Người xử dụng có kinh nghiệm sẽ nhận ra trong giải VHF, không cần lượng công suất cao để điều khiển driver nén và loa tweeter.

Hình 10.2: Những đồ thị bổ sung về khả năng output tối đa của ampli công suất tiêu biểu.

Mặc dù khả năng công suất thường được viện dẫn ở 4 ohm, 8 ohm và 16 ohm, khả năng output thật tế như đường biểu diễn sau. Những đường biểu diễn tăng khi trở kháng giảm (xấp xỉ theo định luật Ohm) cho đến khi đạt được một trở kháng nhất định, bên dưới chỗ khả năng output giảm. Trở kháng bên dưới chỗ khả năng công suất bắt đầu thay đổi rớt xuống tùy theo từng ampli , và trong bất kỳ ampli nào cũng có thể thay đổi tùy theo tần số. Trong trường hợp trên, lưu ý output tối đa ở 2 ohm gần giống như ở 4 ohm. Trong vàitrường hợp (loại ampli không được thiết kế để xử dụng tại 2 ohm) khả năng output thật sự rớt xuống rất đáng kể ở dưới 4 ohm (và ampli quá nóng tại trở kháng rất thấp, hay trong trường hợp tồi tệ nhất, việc hoàn toàn hư hại có thể trở thành vấn đề). Bên dưới là minh họa tập hợpnhững đường biểu diễn output tối đa tiêu biểu, theo tần số, của một amplifier chất lượng cao hiện đại.




Hình 10.3 : Cách nối dây phổ biến của driver 8-ohm. (
Xem thêm hình 4.5 và 4.6).

Lưu ý: Điều cực kỳ quan trọng là tất cả loa phải hoạt động trong cùng một giải tần số, cũng là cùng một loại phân cực (đồng phase) với nhau. Một phương pháp kiểm tra tính phân cực của các driver tần số thấp là dùng pin 9 volt chạm vào dây loa thật nhanh và chắc chắn rằng điện áp dương ở cực + tạo bước chuyển động ra ngoài cho tất cả cone loa.

Lưu ý bổ sung: Hầu hết cone driver và driver nén hiệu JBL xử dụng cực màu đen là + và cực màu đỏ là -, trái ngược với hầu hết hãng sản xuất khác.



Hình 10.4 : Đường biểu diễn trở kháng tiêu biểu của driver tần số thấp 8 ohm.

Thường xử dụng 4 ohm 8 ohm, và 16 ohm là trở kháng danh định, về cơ bản nghĩa là "những cái chúng tôi chọn để đặt tên cho nó". Đây là vì giản dị, và cho phần lớn ứng dụng số học đơn giản, dựa trên trở kháng danh định là đủ để làm công việc này. Nhất thường, trở kháng thấp nhất biểu thị cho bộ khuếch đại sẽ gần với trở kháng danh định, như hình trên. Trong vài trường hợp, mặc dù trở kháng ở midrange rơi xuống thấp hơn so với trở kháng danh định. Đây là một cách hiển thị, thực hiện bởi nhiều hãng sản xuất loa. Trong vài mẫu thiết kế thương mại, điều này có thể thấp nhất ở midrange là 5 ohms. Thông thường, việc này là vấn đề không nghiêm trọng, trừ khi chúng ta đang dùng hai driver như driver midrange, nối song song với ampli không được thiết kế để hoạt động dưới 4 Ohm.

Sự thay đổi trở kháng đã tính đến khi công bố đường biểu diễn đáp tần, do đó, sự quan tâm duy nhất ở đây là sự quan hệ trở kháng với ampli. Trở kháng tăng ở mức low thay đổi, tùy thuộc vào thùng loa loại nào, loa nào gắn vào trong đó. Có thể vài hình bướu sẽ hiển thị như sau.

------Tiếp-----​

 

Hình 10.5: Đường biểu diễn trở kháng tiêu biểu của driver tần số cao 16 ohm.

Những đỉnh và lõm thể hiện ở đây, có thể thay đôi chút về tần số với driver khác, và cũng ảnh hưởng đến một mức độ nào đó bởi thiết kế horn. Tuy nhiên, đối với hầu hết ứng dụng, số học đơn giản dựa trên trở kháng danh định cũng đủ đáp ứng.


Hình 10.6 : Rack (thùng máy) của bộ khuếch đại tiêu chuẩn.

Một thiết kế rack tốt của ba amplifier hai channel có thể xử lý các yêu cầu kích cỡ khiêm tốn cho một hệ thống power-amp ba way hay high-output mono bốn way cùng với hai channel monitor sân khấu. Cách nối dây cơ bản và đầu nối của rack ampli sẽ mô tả trong chương 16.



Hình 10.7 : Kết nối của bảng điều khiển phía sau power amp.

(A) Amplifier thiết lập ở chế độ hai channel tiêu chuẩn, đôi khi có nhãn dual hay stereo. Minh họa chọn switch chuyển đổi giữa chế độ dual channel và mono-bridge thường nằm phía sau bảng điều khiển có thể tháo rời, để giảm khả năng bị chuyển đổi vô ý bởi bàn tay bất cẩn. (Trong vài trường hợp, có thể yêu cầu người kỹ thuật có trình độ thực hiện việc bật switch).

(B) Amplifier nối dây ở chế độ bridge-mono. Khi hoạt động dạng cầu (bridge), trở kháng tối ưu của mạch tăng gấp đôi trở kháng tối ưu cho hoạt động dual channel tiêu chuẩn, như trong hình10.8.

Lưu ý: Vài power amplifier bao gồm một thiết lập bổ sung cho dual mono, trong đó cả hai nguồn cấp input cùng một tín hiệu (thường từ jack input channel 1 hay channel A, nhưng phải nối dây như trong A của hình này). Thiết lập dual mono, được thiết kế để loại bỏ sự cần thiết phải nối dây ngã ba (Y), không được lẫn lộn với chế độ bridge thể hiện trong B.


Hình 10.8: Sự quan hệ công suất tối đa tiêu biểu giữa chế độ tiêu chuẩn và chế độ bridge-mono.

Khi power-amp vận hành ở chế độ bridge-mono, output màu đỏ (hot) của channel thứ hai hoạt động cùng với các channel 1, nhưng phân cực ngược lại. Phương pháp này thay đổi chế độ hoạt động của yêu cầu tải trở kháng. Hiển thị là đường biểu diễn (giả định là của một ampli công suất) cho output có sẵn tối đa với một tỷ lệ distortion nhất định, coi như là 0,1%, với cả hai channel. Như có thể thấy, công suất lớn nhất gấp đôi ở chế độ bridge-mono, nhưng chỉ đạt được tối đa tại trở kháng gấp đôi so với tiêu chuẩn hai channel. Đây là lý do tại sao thông số kỹ thuật mono thường được trích ở 16Ω và 8Ω, hơn là 8Ω và 4Ω.

Khả năng công suất tối đa và sự quan hệ về tải trở kháng của nó, dĩ nhiên sẽ phụ thuộc vào thiết kế của ampli. Tuy nhiên, sự quan hệ của những đường biểu diễn này với nhau luôn giống với trình bày ở đây. (Nói cách khác, nếu hình dạng đường biểu diễn thay đổi như vậy, dạng thức sẽ rất khác. Tương tự, nếu chúng ta di chuyển một trong những đường biểu diễn này của đồ thị trên, đường biểu diễn thứ hai sẽ luôn di chuyển cùng với nó, và output bridge-mono sẽ luôn luôn đạt tối đa ở trở kháng gần gấp đôi).


Hình 10.9 : Thí dụ thương mại về power amplifier.

(Trên cùng) Carver PM - 1,5, cân nặng 21 pound, cung cấp 600W RMS trên mỗi channel tại 4Ω, đã xử dụng nhiều trên các chuyến lưu diễn như amp monitor, cũng như cho khuếch đại midrange và HF. (Hậu duệ của nó, PM - 2.0T, với thông số kỹ thuật tương tự, thật sự chỉ nặng 12 lbs)

(Trên). Macrotech Crown 2400 là một thí dụ tuyệt vời của bộ khuếch đại nhỏ gọn công suất cao hiện đại, cung cấp hơn 1000 watts RMS trên một channel tại 2 Ω.

(Dưới) Macrotech Crown 10.000, được phát triển từ công nghệ medical magnetic resonace image (MRI), mạnh đến nỗi chỉ cần hai ampli này là đủ khiển toàn bộ hệ thống âm thanh tại Indianapolis Speedway (cái thứ ba sẵn có chỉ để dự trữ).

------Hết chương 10 ------​