Miért van szükségünk fejhallgató erősítőre?

A fejhallgató teljesítményszükséglete - Borbély Ernőnek az AudioXpress 2005 április-i számban megjelent cikke nyomán.

Hasonlóan a hagyományos erősítőkhöz, a fülhallgató erősítőket is sokféle technológiával készítik: léteznek csöves, félvezetős vagy ezek keveréke. Sok középkategóriás CD lejátszó, erősítős rádió, erősítőnek rendelkezik fülhallgató kimenettel, és természetesen az összes hordozható készülék, mint a sétálómagnók (walkman), CD lejátszók (diskman), MD lejátszók, MP3 meg MP4 lejátszók és minirádiók mind fejhallgatóval használhatók.

A fentiekből kiindulva nagyon sok félreértés alakulhat ki a fülhallgató teljesítményigényét illetően. Ez főleg abból adódik, hogy a fejhallgatóknak nagyon eltérő az impedanciája, 16Ω-tól egészen 600Ω-ig (általában a legjobb minőségű fejhallgatók nagyimpedanciásak). A fejhallgatók impedanciája csak az egyik minőségi mutató, viszont nagy hatással van az őt meghajtó erősítőre.

A fejhallgatók érzékenységét az SPL (sound pressure level) - hangnyomási szint jellemzi, ami a ráadott 1mW teljesítményre van vonatkoztatva. Ismerve a fejhallgató impedanciáját és a maximális SPL értéket, amit el szeretnénk érni, könnyen meghatározhatjuk a meghajtásához szükséges teljesítményt.

Példának okáért vegyünk egy átlagos, alacsony-impedanciás fejhallgatót, egy 32Ω-at, mert ez a leggyakrabban használatos impedancia a hordozható eszközöknél. 1mW teljesítmény elérésére 32Ω-on a következő áramerősségre van szükségünk:

I=√ (P/R)=√ (1mW/32Ω) = 5.6mA

A szükséges feszültség, mellyel elérjük ezt az áramerősséget 32Ω-on:

U = I * R = 5.6mA × 32Ω = 179mV

Ezt a kimenőfeszültséget mindenik fejhallgató-erősítő maradéktalanul teljesíti.

Határozzuk meg a maximális SPL értéket a maximális, példának okáért 300mW-os teljesítményre (ez meg van adva a fejhallgató műszaki adatlapján), melyet I = 97mA árammal lehet elérni, és a hozzátartozó kimenőfeszültség U = 3.1V. Az SPL különbség 1mW és 300mW-os teljesítménykülönbségre vonatkoztatva:

SPL diff. = 10 log (P1/P2) = 10 log (300/1)= 24.7dB

Tehát a 300mW-hoz tartozó maximális SPL érték: 100dB + 24.7dB = 124.7dB (példának okáért 100dB-s érzékenységet feltételeztünk a fejhallgatónak, de ez is egy adott műszaki paraméter minden fejhallgató esetében).

A fentiekből a következőkre lehet következtetni: alacsony-impedanciás fejhallgatók esetében a teljesítménynöveléshez, vagyis az adott SPL érték eléréséhez, egy viszonylag mérsékel feszültségnövekedés, de nagy áramerősség szükséges. A valóságban, egyes 32Ω-os fejhallgatók az előbbinél nagyobb teljesítmény-bevitelt igényelne az adott SPL érték eléréséhez. Vegyünk példának okáért egy másik fejhallgatót, melynek SPL értéke 102dB 1mW-nál, és maximum 440mW-ot tud leadni a maximális SPL-nél. Az 1mW-ra vonatkoztatott áram/feszültség követelmények hasonlóak az előző példáéval, de a 440mW eléréséhez a következőket kapjuk:

I=√(440mW/32) = 117.3mA

U = I * R = 117.3mA * 32 = 3.75V

Az SPL különbség 102dB-re vonatkoztatva:

SPL diff. = 10 log (440/1) = 26.4dB

A maximális SPL érték: 102dB + 26.4dB = 128.4dB

Tehát van majdnem egy fél wattunk, amihez egy közepes feszültségnövekedés tartozik, de elég nagy árammal! Itt feltehetjük a kérdést: szükségünk van a 128dB-s SPL értékre? Nagyon sok fejhallgatót maximális teljesítményen üzemeltetve halláskárosuláshoz vezet! Ezt döntse el a felhasználó.

A másik végletet a 600Ω-os fejhallgatók képviselik. Itt egy tipikus SLP érték 1mW-on 98dB, és a maximális teljesítmény legyen 80mW.

Az 1mW-hoz szükséges áram:

I=√ (1mW/600Ω) = 1.29mA

és a szükséges feszültség:

U = 1.29mA * 600 = 0.77V

A maximális teljesítmény leadásához szükséges áram és feszültség:

I=√ (80mW/600Ω) = 11.55mA

U = 11.55mA × 600Ω = 6.93V

A maximális teljesítmény által elért SPL különbség:

SPL diff. = 10 log (80/1) = 19dB

és a maximális SPL értéke: 98dB + 19dB = 117dB.

Annak ellenére, hogy a maximális SPL érték e fejhallgató esetében alacsony, a feszültségnövekmény nagyon jelentős, főleg a 32Ω fejhallgatókhoz viszonyítva, az áram viszonylag alacsony értéken maradt. Természetesen, a köztes impedanciával rendelkező fejhallgatók a bemutatott két szélsőérték közötti áram és feszültségszinteket igényelnek.

Hordozható fejhallgató erősítők

Figyelembe véve az előbb leírtakat, a hordozható fejhallgató-erősítők a legproblémásabbak, mert elemről/akkumulátorról üzemelnek. Alapvetően nincs semmi gond velük, kivéve, hogy a rendelkezésre álló áram/feszültség, amit egy fejhallgató-erősítő számára tudnak nyújtani, felülről korlátos.

Elemezzük a fentebb említett két esetben a szükséges áram/feszültségértékeket. A 32Ω-os fejhallgató esetében 3.1Vrms szükséges a 124.7dB SPL érték eléréséhez. Ezt átszámolva szinuszos feszültséggé, a 3.1Vrms egyenlő 3.1 * 2.82Vcscs feszültséggel, vagyis 8.742V kimenőfeszültséget jelent az erősítő számára, és vegyük figyelembe, hogy ez egy elméleti érték!

A gyakorlatban egy 9V-ról táplált erősítő nem tud 9Vcscs audio jelet leadni a kimenetén, mivel a legtöbb erősítő nem tudja a táptól-tápig kivezérelni a kimeneti feszültséget, vagyis 0-tól 9V-ig. Ez még kiegészül, hogy ez a 9V-os elem/akkumulátor 80mA áramot kell leadjon csak az erősítő részére, figyelmen kívül hagyva a többi elektronikus áramkör áramfelvételét! És ez még nem minden. A sétálómagnó típusú készülékek általában két darab 1.5V elemről működnek (sőt, a legtöbb mp3/mp4 lejátszó már csak egyről!), vagyis a tápfeszültségük 3V összesen (vagy NiMH akkumulátorok esetében 2 darab 1.2V-os celláról, ami összesen csak 2.4V-ot eredményez!!!). Az egyszerűség kedvéért, feltételezzük, hogy az audio erősítő "táptól-tápig" üzemmódban működik, a kimenő audio jel maximális jel értéke 3/2.82 = 1.06Vrms, és ez I = 1.06V/32Ω = 35.1mA áramot igényel. Ebben az esetben a maximális leadott teljesítmény: P = U × I = 1.06V × 35.1mA = 37.2mW, az SPL különbség = 10 log 37.2 = 15.7dB, vagyis a maximális SPL: 100dB + 15.7dB = 115.7dB, ami "csak" 9dB kevesebb (majnem harmada), mint a maximum. De ha figyelembe vesszük, hogy a valóságban a maximálisan kijövő audio jel kisebb, mint az előbb számolt érték, az erősítő már hamarabb telítésbe kerül. A valós integrált áramkörök, melyek kimondottan alacsony feszültségű működésre voltak tervezve, még kisebb kimenőfeszültséget szolgáltatnak. Példaként említeném a National LM4917 típusú áramkörét vagy a MAXIM MAX9722 ICt - mindkettő belsőleg előállítja a negatív feszültséget kapacitív feszültségváltóval. Az LM4917 95mW teljesítményt tud leadni 16 Ω 1%-os THD-vel 3V-os tápfeszültségnél, a MAX9722 130mW-ot tud leadni 32 Ω 0,009%-os THD-vel 5V-os tápfeszültségnél. Ez azt jelenti, hogy több mint 80% a telep teljesítményének az audio egység számára van "rendelve"! Általában a hordozható audio lejátszók csak 10-15mW "tiszta" audiojel leadására képesek.

Mi történik, ha egy 600Ω-os fejhallgatót kötünk erre az erősítőre? A maximális áram értéke: 1.06/600 = 1.77mA, a maximálisan leadott teljesítmény: 1.06V × 1.77mA = 1.88mW. Az SPL különbség:

10 log 1.88 = 2.74dB és a maximális SPL érték 98dB + 2.74dB = 100.74dB.

Látható, hogy a 600Ω-os fejhallgató kevésbé alkalmas ilyen felhasználásra. Tehát az alacsony tápfeszültségű erősítőkhöz alacsony impedanciájú fejhallgatókat kell használni, de figyelembe kell venni, hogy maximális kivezérlés esetén az erősítő kimenete illetve a tápegység nem tudja szolgáltatni a szükséges áramot/vagy ha igen, csak kis ideig.

A ±9V-ról táplált fejhallgató erősítők sokkal jobban viselkednek maximális teljesítménynél. Tételezzük fel, hogy a tápfeszültség 80%-át tudjuk audio jelként hasznosítani a kimeneten, akkor egy ilyen erősítő 32Ω-os terhelésen 600mW-ot tud leadni. Természetesen,, a tápforrás is képes kell legyen a szükséges áram leadására, vagyis kb. 120mA-re, de itt egy másik probléma jelenik meg: mennyi ideig tudja ezt az áramot szolgáltatni? - mert az ilyen telepek kapacitása elég alacsony. Ugyan az az erősítő 600Ω-on 40mW-ot tud leadni. Összegezve az elmondottakat, annak ellenére, hogy ± 9V-ról üzemel az erősítő, mégsem tudja kiszolgálni a teljes fejhallgató-impedancia tartományt.

Megjegyzendő, hogy az összes alacsony feszültségről működő erősítő nagyon kis nyugalmi árammal dolgozik, hogy kímélje a tápcellákat és növelje a működési/készenléti időt. Ez azt is jelenti, hogy ezek az erősítők többnyire B osztályban működnek! Viszont köztudott, hogy a B osztályú erősítők távol állnak az ideális hangvisszaadástól, főleg a keresztezési torzításokért, de sajnos nem lehet másképpen megoldani egy alacsony tápfeszültségű készüléknél, hogy egyben alacsony fogyasztású és hordozható is legyen.

Összegezve a fentebb elmondottakat, látható, hogy a hordozható fejhallgatóerősítő egy kompromisszum, és nem létezik általános megoldás.

Nem hordozható fejhallgató erősítők

De mi a helyzet a nem hordozható fejhallgató erősítőkkel? Miért is van szükség rájuk?

Mint az oldal elején is említettem, nagyon sok otthoni, saját erősítővel rendelkező készüléknek van fejhallgató kimenete is. Miért nem jó azt használni, és miért jobb egy különálló, csak a fejhallgató számára készített  erősítő?

Ezeknek az erősítőknek túl nagy a feszültségerősítése, tönkretennék a fejhallgatókat - ezért általában egy ellenállásosztót alkalmaznak, lerontva a rendszer dinamikáját. Ezen kívül, az erősítőnek nagy az alapzaja, és ez az alapzaj nagyon zavaróan megjelenik a rákapcsolt fejhallgatóban is. A CD/DVD lejátszók fejhallgató kimeneteit általában nem a legjobb minőségű műveleti erősítőkkel hajtják meg, azon elgondolásból, hogy a fogyasztó amúgy sem sokat fogja ezt használni, legfeljebb csak belehallgat a zenébe - és végleg elmegy a kedve, hogy ezt a kimenetet használja (sokszor olyan készülékekkel is találkozhatunk, hogy van fejhallgató kimenet  a készüléken, de a hangerő e kimeneten nem szabályozható - és vagy nagyon halk, vagy ordít a fejhallgatóban a műsor).

A fenti problémák megoldására születtek a fejhallgatóerősítők, melyek:

- sokkal kisebb torzítással rendelkeznek, mint a teljesítményerősítők

- szinte nincs vagy elhanyagolható az alapzajuk,

- különböző impedanciájú fejhallgatók köthetők rá, és mindeniket kiváló minőségben meg tudják hajtani.

A fentiek alapján, olyan zenebarátoknak ajánlom egy fejhallgató erősítő elkészítését, akik nagyon szeretik a zenét, rájöttek, hogy sokkal szebben szól a zene egy ilyen készüléken át, vagyis már kipróbáltak ilyen készüléket.

    Az alábbi kapcsolásokat ismertetem a weboldalamon:

- az SDS Lab fejhallgató erősítője,

- egy fejhallgatók meghajtására tervezett integrált áramkörrel épített erősítő,

- a Heed Canamp fejhallgatóerősítő klónja.

~ *** ~