DIY attenuátor (výkonová brzda)

Stavba a úpravy efektů, footswitchů a dalších zařízení
Odpovědět
Pompo_CZ
Příspěvky: 25
Registrován: 18.03.2017 12:20
Bydliště: Brno

DIY attenuátor (výkonová brzda)

Příspěvek od Pompo_CZ » 14.01.2018 15:33

Ahoj muzikanti,
rozhodl jsem se s vámi sdílet návod na výrobu jednoduchého a levného attenuátoru i s trochou teorie okolo. Sám ho už delší dobu používám, snad se bude někomu hodit.

Co je attenuátor?
Attenuátor (také nazývaný výkonová brzda) je zařízení, které přeměňuje část vstupního výkonu na teplo a zbývající část přenáší pokud možno bez zkreslení signálu (z hlediska zpracování signálu je i úprava frekvenční charakteristiky tzv. lineárním zkreslením) na výstupní svorky. Obvykle se vkládá mezi výstup elektronkového zesilovače a vstup reproboxu a umožňuje tím vybudit koncový stupeň zesilovače při nižších hlasitostech.

Trochu (víc) teorie
Attenuátor obvykle není potřeba pro použití se zesilovači s polovodičovým (tranzistorovým) koncovým stupněm zesilovače. Jsou pro to dva důvody:
1. zvuk přebuzeného tranzistorového koncáku většinou není příliš vyhledávaným zvukem. Zvuk tranzistorového zesilovače bývá v širokém rozsahu hlasitostí stejný (tvořený hlavně preampem a korekcemi zesilovače) a uživatel si tedy většinou může najít přijatelnou hlasitost pouze pomocí potenciometru hlasitosti.
2. tranzistorový zesilovač má obvykle výstupní impedanci blízko řádu jednotek Ohm, tedy řádově srovnatelnou s impedancí reproduktoru. Proto tranzistorové zesilovače obvykle neobsahují výstupní transformátor (což je obvykle velká, těžká a dost drahá věc), jehož funkci u lampových zesíků popíšu níž.

Tyto dva důvody jsou podle mě úzce spjaté - myslím, že právě přítomnost výstupního trafa u lampových zesilovačů má velký vliv na to, jaký mají lampové zesilovače zvuk a proč jsou mezi kytaristy stále vyhledávány. Reálný (neideální) transformátor totiž má nerovnou frekvenční charakteristiku (lineární zkreslení, v podstatě jakási parazitní ekvalizace) a navíc je i nelineární - při přesycení magnetického jádra dochází k tzv. měkké saturaci signálu (a při stejnosměrném buzení transformátoru, kdy vstupní signál je vlastně střídavý signál + nějaké konstantní stejnosměrné napětí, dochází k tzv. asymetrické limitaci signálu, při které vznikají liché vyšší harmonické složky, často označované za důvod "libozvučnosti" lampových zesilovačů. Tohle je myslím zajímavé téma k diskuzi pod návodem :)

Co je to impedance?
Impedance je v podstatě zobecněním elektrického odporu. Elektrický odpor R je definován jako poměr elektrického napětí a proudu:

Kód: Vybrat vše

R = U/I [Ohm]    (1)
Narozdíl od obecné impedance, ideální odpor je frekvenčně nezávislý. To znamená, že při průchodu stejnosměrného proudu I_dc nebo střídavého proudu libovolné frekvence se stejnou efektivní hodnotou (I_ac_eff = I_dc) na něm nameříme stejný úbytek napětí (opět, pro střídavé signály musíme počítat s efektivní hodnotou).
Impedance je frekvenčně závislou veličinou. Impedance může mít rezistivní (odpor, přeměňuje energii na teplo), kapacitní (kondenzátor, hromadí energii v náboji mezi elektrodami), induktivní (cívka, hromadí energii v magnetickém poli) charakter a nebo libovolnou kombinaci předchozích. To je také nejčastější případ, protože všechny reálné součástky mají i nějaké parazitní vlastnosti (reálný odpor má parazitní indukčnost a kapacitu, cívka má parazitní odpor a mezizávitovou kapacitu apod...).
Obecná impedance Z závislá na frekvenci f je definována jako:

Kód: Vybrat vše

Z(f) = U(f)/I(f) [Ohm]    (2)
Impedanci lze popsat různými způsoby - jako komplexní číslo (v ohmech), grafem zobrazujícím tzv. modul a fázi impedance, nebo zjednodušeně jako tzv. "jmenovitou" impedanci známou třeba z reproduktorů, kde většinou velmi blízká velikosti rezistivní složky impedance.
U kytarové techniky řešíme buďto impedanci (elektricky) jednoduchých pasivních součástek (např. snímačů a reproduktorů), nebo vstupní a výstupní impedance komplexnějších bloků (krabiček, zesilovačů apod.). Při spojování těchto bloků do řetězce je často třeba řešit stav, kdy k sobě připojujeme dvě obecně různé impedance. V "nevýkonnové" části řetězce (tedy od výstupu kytary přes krabičky, preamp, korekce, efektovou smyčku až po vstup koncáku) se často používá tzv. impedanční oddělení (to jsou ty někdy démonizované buffery tvořené pomocí tranzistorů nebo operačních zesilovačů). Ve výkonové části (tedy mezi výstupním zesilovačem aparátu a reproduktorem) se pak na rozhraní impedancí používá tzv. impedanční přizpůsobení.

Funkce výstupního transformátoru u lampových zesilovačů
Výstupní transformátor elektronkového zesilovače zajišťuje impedanční přizpůsobení mezi výkonovým stupněm zesilovače a reproduktorem. Je tomu tak proto, že elektronkový zesilovač má sám o sobě mnohem vyšší impedanci (řádově jednotky kOhm, tedy tisíce Ohmů), než tranzistorový (a tedy než jsou impedance obvykle vyráběných reproduktorů). V elektrotechnice existuje jistý teorém, který říká, že k optimálnímu přenosu výkonu ze zdroje (zde koncák zesilovače) a zátěží (reproduktor) dochází v situaci, kdy mají zdroj a zátěž stejnou impedanci (resp. komplexně sdruženou, tedy mají stejný modul a opačnou fázi). Pokud tomu tak není, lze k optimalizaci přenosu výkonu použít takzvané přizpůsobovací obvody, vkládané mezi zdroj a zátěž, provádějící impedanční přizpůsobění. Navíc, pokud zdroj pracuje do nepřizpůsobené zátěže, může dojít i k jeho zničení (to je ale obecně mnohem větší průser u vysokofrekvenčních obvodů, radioelektroniky apod.).

PS: To, že lampový zesilovač má vyšší výstupní impedanci než tranzistorový znamená, že při stejném výstupním výkonu (P = U * I) má v porovnání s tranzistorákem na výstupu N-krát menší napětí, ale krmí zátěž (u lampy trafo, u trandu přímo repro) N-krát větším proudem.
PS2: Fakt, že lampové zesilovače jsou při stejném výkonu zpravidla hlasitější, než jejich tranzistoroví bráškové, je důkazem toho, že impedanční přizpůsobení funguje :)

Na obrázku najdete zjednodušené nákresy class-A koncových stupňů, zleva: tranzistorový, elektronkový, elektronkový s attenuátorem:
Obrázek

Attenuátor
Navržený attenuátor vychází z jedné z topologií pasivních přizpůsobovacích obvodů. Na schématech jsou ukázány topologie T článku a PI článku, složené z obecných impedancí Z1, Z2 a Z3:
Obrázek

Já jsem si zvolil topologii T článku. Protože chci pouze přeměnit část výkonu na teplo, nahradím impedance Z1, Z2 a Z3 odpory R1, R2 a R3. A protože výstupní impedance mého zesilovače (za transformátorem) je stejná, jako jmenovitá impedance připojovaného reproduktoru, nebudu provádět žádné další přizpůsobení a použiji tzv. symetrický T článek, kdy je hodnota odporu R3 = R1. Zde na náhradním schématu s impedancemi sekundárního vinutí výstupního trafa aparátu a reproduktoru (zde modelovány pomocí odporů R_tr a R_sp):
Obrázek

Čeho potřebujeme dosáhnout je, že zesilovač "vidí" na svých výstupních svorkách (přibližně) stejnou impedanci s brzdou, jako bez brzdy (a vice versa, pohledem od reproduktoru k zesilovači). To tedy znamená následující ("+" v prvním výrazu znamená seriové řazení impedancí, "||" znamená paralelní):

Kód: Vybrat vše

R_tr = R1 + ( R2 || ( R1 + R_sp ) ) = R1 + ( R2 * ( R1 + R_sp ) / ( R2 + R1 + R_sp ) = R_sp    (3)

Z výrazu vyplývá, že R1 je z pohledu zesilovače vždy v sérii s "nějakou další impedancí" (tvořenou kombinací druhého R1, R2 a repra). Proto musí být R1 vždy menší, než jmenovitá impedance R_tr = R_sp (v mém případě 16 Ohm). Protože se odpory nevyrábějí v libovolných hodnotách, ale v tzv. řadách, volím R1 = 10 Ohm (čím bude R1 vyšší (ale stále musí být nižší než jmenovitá impedance), tím bude výsledný útlum attenuátoru větší)

Odvozením z předchozí rovnice (a za předpokladu R_tr = R_sp) získám:

Kód: Vybrat vše

R2 = ( R_tr + R1 ) * ( R_tr - R1 ) / ( 2 * R1 ) = ( 16 + 10 ) * ( 16 - 10 ) / ( 2 * 10 ) = 26 * 6 / 20 = 7,8 Ohm    (4)
Z řady běžně vyráběných odporů je této hodnotě nejbližší 8,2 Ohm, volím tedy tuto hodnotu. Rozdíl proti vypočítané je 0,4 Ohm, to považuji za akceptovatelné, ale samozřejmě lze tuto hodnotu lépe doladit paralelním a seriovým řazením jiných odporů.

Útlum takového článku pak spočítáme pomocí:

Kód: Vybrat vše

K = ( R_sp + R1 ) / ( R_sp - R1 ) = ( 16 + 10 ) / ( 16 - 10 ) = 26 / 6 = 4,333    (5)
Jedná se o bezrozměrné číslo, znamená že signál bude 4,333x utlumen (tedy víc než 75% výkonu vstupního výkonu protopíme). Lze ho také vyjádřit v decibelech, tedy:

Kód: Vybrat vše

K_dB = 10 * log_10( K ) = 10 * log_10( 4,333 ) = 6,367 dB    (6)
Výběr rezistorů, konstrukce
Při nákupu rezistorů je třeba dbát na dostatečný výkonový rating. Já jsem stavěl z 20W rezistorů jako je např. tento:
https://www.gme.cz/rd-10r-20w-5

Hraji přes to 20W hlavou s výstupním volume na max 2,5/10. Navíc jsem na rezistory ještě teplovodivou pastou připlácl menší hliníkové chladiče, ty ale nemusí vždy být třeba (já jen chtěl zabránit tomu, aby se případně při vyšší zátěži o odpory někdo popálil). Navíc jsem přidal ještě bypass switch, ten ale doporučuji používat jen, pokud je zesilovač ve standby nebo s hlasitostí na minimu.
Pro odzkoušení doporučuji následující: zapojit do brzdy reproduktor (jedno do jakého portu, je symetrická) a na druhých svorkách ohm-metrem změřit odpor. Poté odpojit reproduktor, do brzdy zapojit výstup (vypnutého) zesilovače a opět změřit odpor na druhé straně brzdy. Vždy byste měli vidět hodnotu blízkou jmenovitému odporu vaší bedny a zesilovače.
Jinak doporučuji pořádnou kabeláž, ta moje nestíněná dvoulinka mezi zesilovačem a brzdou je trochu prasárna ;)
Obrázek

Závěr
Uvedl jsem zde návod na návrh symetrického rezistivního T článku použitého jako attenuátor pro elektrickou kytaru. Z rovnice (3) lze odvodit i výpočty pro nesymetrický článek (pro případ, že impedance repra je jiná než výstupní impedance zesilovače). Rovnice (4), (5) a (6) jsou univerzálně platné pro výpočet symetrického odporového T článku. Za kvalitu obrázků se schématy se omlouvám, snad jsou čitelné.
Já svůj attenuátor používal jak s VHT Special 6, tak s Jet City JCA22H, vždy s 16 ohmovým výstupem i bednou/reprem, nezaznamenal jsem žádný zásadní negativní vliv na zvuk (pokud tam nějaký je, je určitě menší, než je třeba "low power" triodový mód právě na tom VHT). Rovnice a schémata by měla být správně, Pokud někdo naleznete chybu, prosím připomínkujte. Za případné poškození vašeho vybavení způsobené neodbornou manipulací či chybou při výpočtu, pájení či instalaci apod. nenesu žádnou zodpovědnost. Přeji šťastné hraní a budu rád za komenty, připomínky a diskuzi :)
Hagstrom Ultra Swede, Squier Standard Strat (hot rodding in progress), Jet City JCA 22H + 212 box (Cannabis Rex + V12-60), VHT Special 6, Blackstar Fly3, BOSS GE-7, RC-1, Hall of Fame mini... DIY: 16 ohm attenuator (brzda), Timmy overdrive klon

Odpovědět

Zpět na „Ostatní“