在音響技術的範疇中,喇叭、唱盤和擴大機是最受熱烈討論研究的,而對電源的關切似乎少了那麼一些,也許實質上電源在音響系統中所佔的角色並無需高深的技術來評論的關係。近期中,有些音響器材中的特殊電源引起了不少的轟動,甚至於也有的擴大機以擁有特殊的電源供應技術來標榜其產品的優越,這些現象,當然也具備充分的理由,然而究竟對電源有所認識的讀者,音響愛好者及發燒有有多少呢?廣告上只告訴我們裝有這種特殊電源的擴大機其音色就像吃甘蔗那麼甜,我們在知其然不知其所以然中也要跟著說他很甜了?
除了對電源的一些通盤問題加以討論之外,並進一步探討如「磁場放大器」和X-POWER之類很容易置人入迷宮的名詞的真意,就是本篇的主要目的。
什麼是電源的調整率?
一個理想的電源,可以由很多方面來評斷,當然這些評斷的條件必須具有實用性,否則無謂的去要求一個電源具備一些沒有必要的條件是無意義的。
電源調整率(Regulation)是電源的特性之一,它是最常被要求的特性,所以我們首先提它出來討論。調整率實際上是變動率的另一種表示方法,如果我們要的電源是30V,但它可能被所加負載的大小影響而變化,當它變到25V時,它和原來之值就有5V之差,若以百分比的方式表式就是-16.66%。影響電源變動的因素有很多,我們概可歸納如下幾項:
1.電源之輸入電壓變化。
2.電源所受負載大小的影響。
3.溫度的影響。
4.其他因素影響。
圖一是最簡單的電源供應器的電路圖。電源電壓被變壓器把電壓變成22V,並藉二極體和電容器整流和濾波就變成了直流電壓。光看圖一如果二極體是一枚理想的二極體,那麼輸出端的電壓是22V×1.414≈30VDC,如果電源電壓從110V變到100V,則變壓器的次級電壓必然變成20V×1.414≈28V了。這種輸出電壓受輸入變壓的變化而變化的情況就是所謂的LINE REGULATION,亦即輸入電壓的調整率。圖一是一個最基本的電源供應器,因為結構最簡單,所以特性也不好。
圖一的直流輸出電壓除了受電源的影響之外,尚且受到負載的影響,就以剛剛說的30V的輸出電壓為例,如我們在輸出端加上一枚30Ω的電阻,它的電壓一定會降了不少,也許變成15V也說不定,這種情況,就是我們所提的第二項影響電源輸出的因素──負載。
變壓器是由矽鋼片的漏磁量和導磁系數都會變化,而銅線的內阻會上昇,除此之外,二極體的順向偏壓也會變化,這些都影響了輸出電壓,所以這就是溫度對輸出的影響了。
電源調整率這個名詞,可以說是把電源供應器當成一個「個體」,而針對這個個體所設定的一個特性。不管是什麼電源供應器,它都要給予一個一定的電源輸入電壓的範圍,如110V ±10%,那麼LINE REGULATION的好壞及大小,當然以此110V ±10%的輸入電壓為必要條件,像圖一這樣的電源供應器,我們可以為它標示LINE REGULATION,其值約是電壓輸入的變化值再大一些,可能會接近±15%。我們接下來再看看圖一這個電源供應器的負載調整率(LOAD REGULATION)。假設這個電源供應器容許0A~1A的負載,這0A~1A的IL就是它LOAD REGULATION的先決條件。從上面所述,它可能0A負載時為30V,而1A負載時變成15V,所以我們若以30V為這一電源供應器的輸出值,則它的LOAD REGULATION應為-50%。
實際上,像圖一這樣簡單的電源供應器,很少被用在精密的設備或高級的音響之中,因為它的REGULATION的特性常不符所需。
X式電源和Shunt電源
圖二是YAMAHA A-960功率擴大機的電壓供應器,它為了要改善LINE REGULATION和LOAD REGULATION而藉運算放大器、光耦合電晶體,相位控制電器和TRIAC來調整輸入電壓的REGULATION導通角,使得輸出的直流電壓的都得到相當程度的改善。
圖三是一個併聯式(Shunt)穩壓直流電源供應器的架構,它專門用在前級放大器,因為它和LINE REGULATION和LOAD REGULATION都受到電路的控制,而達到非常理想的境界。
除了以上所說的例子之外,還有很多方法可以改善電源電路的REGULATION。
電壓調整率之重要
圖四是我們最常見的擴大機電源電路,由變壓器降壓後得到初步所需的低壓,並對電源具有隔離的效果,再經四枚整流二極體及濾波電容器而成為非常接近直流的直流。輸出的直流電壓可能受兩個因素變化的影響最巨,一為交流輸入電壓,一為負載電流。當交流輸入電壓越高時,輸出的直流電壓也愈高。當富再電流愈小時,輸出的直流電壓愈高,從這兩個方面綜合出兩點結論,在電源輸入電壓最高及輸出負載電流最小時,直流電壓最高,而電源電壓最低及輸出負載最大時,直流電壓最低,如果輸入電源電壓的變動率是±10%則變化量就是±20了,如果直流電壓對有載及無載時的變化量就約為60%了,換成直流電壓的實際可能範圍即為±30%,假設我們設計供給擴大機的電壓為±60V,則這個電壓的可能範圍是±42V~±78V,這麼大的變化範圍對擴大機是相當不利的,可能一個設計良好的放大器因為電源的變化太大成為偏壓不足或過大及失真產生的現象。
圖五是YAMAHA"X POWER"及一般POWER的電壓變化情形的比較,由圖中可看出,X-POWER的電壓變動範圍約為3V之譜,而一般電源的變動範圍約有15V,所以經過電路控制的電源是穩定了不少。
放大器的供應電壓和輸出功率的關係標示於圖六,功率的大小是供應電壓的平方比,所以功率的變化量比供應電壓的變化量還要大很多。
如果放大器的供電範圍設計較廣,則偏壓問題愈不好處理,並對電晶體的耐壓要求較高,這些都是影響放大器的因素。
何謂漣波?直流電源中的交流成分就是一般所說的漣波,可是直流電源中的交流成分這一句話似乎並不容易了解,我們以簡單的電路來說明它。
圖七,交流電壓精變壓器後波形大致保持不變,即①處的波形。經二極體後充電於電容器,使電容器兩端為直流電壓,但這種直流並非很直的直流。負載電阻相當於從電容器兩端吃電流,所以負載的電流波形實際上和電容器上的電壓波形是一致的。電容器因為有儲存能量的作用,所以圖中,由電容器供給負載的電流雖然不是很平滑的直流,但至少是沒有間斷的供應,然而電容器的充電電流却是每週充一次,見ic的電流波形。如果把①處波形分成360°來計算,則充電的時間大概是在60°至90°之間,其餘時間則不充電。電容器在充電和放電的動作之下,就形成了起伏的電壓,而這電壓的變化週期恰是交流電源的週期。漣波就是這種起伏變化的成分。
在半波整流電路中,漣波的頻率是交流電源的頻率,在全波和橋式整流電路中,漣波的頻率則是交流電源頻率的兩倍。
漣波變化的幅度,可以加大電容器的容量或是採取多級濾波來改善,也可以外加電路控制來消除它。
像圖八這個波形,就可以由垂直座標的電壓標示看出漣波的大小。60V是漣波的谷點,70V是漣波的峯值,所以廉波的大小就是10Vp-p了,而這個 波形的直流電壓約為65V。雖然漣波的峯值為10Vp-p,但漣波的有效值大概只有3V左右,所以漣波在直流上所佔的比例約為3V/65V=4.6V%,即為此直流電壓的漣波因數。
剛剛我們說加大濾波電容的容量可以改善漣波因數,但是也不能無窮無盡的加大,這是非常不經濟的。一般而言,30V至100V之間的直流電源,每安培需要1000μF的濾波電容。
基本的穩壓元件──然納二極體
由變壓器和二極體、電容器組成的直流電源並不是穩定的電壓,我們前面已經討論過了,所以在需要穩定電源的地方,我們除了變壓器、二極體和電容器之外尚需要其他元件來穩定這種不很穩定的電源,Zener Diode就是一枚最基本的穩壓元件,它的基本應用電路在圖九,我們逐步的討論這個電路的原理和特性。
10 見圖八,依圖上的波形我們可以把它化為等效電源,即一個10Vp-p的交流和65V的DC串聯。再見圖九,圖中所示的一個交流電源實際上是代表漣波的p-p值,而10~15V變化的直流就是前述的電源變動率及負載影響的變動率綜合而成的等效直流。
20 先假設圖中的Zener Diode為一 -6.2V的理想元件,且其最大的承受功率是1W。
30 R1=?
先檢討Zener Diode於何時的承受功率最大?
ⓐ輸入電源為15V時(2Vp-p的交流先不予考慮)。
ⓑRL不接時,因為RL會分配掉流經Zener Diode的電流。
再計算Zener Diode的最大承受電流為1W/6.2V=161.29mA。
R1上的最大壓降為15V-6.2V=8.8V(交流部份不予考慮)。
R1=8.8V/161.29mA=54.56Ω
PR1=8.8V×161.29mA=1.419W,故可使用2W電阻。
Ans:R1:54.56Ω 2W
40 雖然電源包含一個2V的交流和10-15V未定的直流,但我們再考慮這個電路的輸出電流時,必須以其可能供應的最小電流計算,因此10V DC扣掉漣波電壓p-p值的一半就是最小輸出功率狀況,即折算為9V。
50 如果RL不接而輸入折算成9V時,流經R1的電流必然只剩下(9V-6.2V)/R1=51.32mA。
60 因為前面已經假設Zener Diode為理想元件,所以流經R1的電流可以全部供輸出使用,而輸出電壓仍然保持6.2V,即iL(max)=51.32mA。
70 折算RL=Vo/iL=6.2V/51.32mA=120.18Ω,這個值是最小值,因為負載電阻值再降低的話,Vo就會有壓降產生了。
80 由以上討論Zener Diode可以去除電源輸入變化的影響,也可以穩定輸出電壓,不致受負載變化的影響(當然負載必須要在一定限度之內)。
90 輸入端的2Vp-p的漣波,將在輸出端消失得無影無踪而不必借重電容或電感來濾波。
100 雖然Zener Diode能擔任如圖九的穩壓的任務,但是這當中的功率消耗往往比輸出功率還大,且輸出電流亦是相當有限,使得我們要藉更複雜的電路才能得到更大的輸出。
擴大機中各級對電源品質的需求狀況
□前置放大器:
前級的電流消耗很小,但是因為訊號微弱,經不起干擾,雖然電路本身對雜訊的抗拒力往往高於60dB,但因為S/N比要求120dB之高,所以供給前置放大的電源必須具如下之特性。
①漣波和雜音最好在100μVp-p以下,如此可減少電源干擾至最低。
②直流穩定性需優於0.1%。有穩定的直流電壓,電路內的偏壓狀況就穩定了,鐘點電壓也不易飄移,如果擴大機各級之間皆採用直接耦合的方式,則穩定性的需求尤為重要。
③電源的輸出阻抗:前置放大器的電源電路因為要符合低漣波雜音及高穩定性的需求,往往會採用閉迴路的控制方式,這時就有所謂反應時間的特性存在,而這種反應時間的特性除了有速度的關係,尚存在了頻域的因素,簡單來說,當負載的頻率變化時,電源的內阻也跟著變,這可以增加電源電路的輸出濾波電容來改善,這枚輸出電容除了一枚電解電容之外尚需一枚對高頻有濾波作用的塑膠電容和它併聯。
□十倍放大器及音質控制電路:
這一級電路因為訊號強度已比前置放大器大很多,所以對電源的特性需求雖和前置差不多,但是已開始偏向電流量的需求了。一般而言,它對電源特性的需求可分下列幾點。
①需電流約300mA。
②漣波和雜音最好在1mVp-p以下。
③直流穩定性需優於1%。
④電源的輸出阻抗從0~200KHz頻段亦需嚴格要求。
□功率放大器:
本級的電源電路很少使用閉迴路電路來控制,常見的電路是電源經變壓器、二極體、電容濾波即完成,在這種狀況下,電源的穩定性,負載調整率及漣波等特性都不理想,可見擴大機的最大輸出功率往往隨電源輸入電壓而變,且放大器的工作電壓範圍要寬,以及電源漣波和雜音的抑制力要強。
功率放大器應該和電源電路合併設計,才能使擴大機的特性符合我們的需求。
併聯式前級專用電源電路
71、74、76三期,對這個電路的原理、製作及使用結果都有詳細的記載(見圖十)。從電路看,它的基本原理大致和圖九的Zener Diode穩壓電路一樣,但圖九的R1,在這圖上被一個非常穩定的電流源(由Q1 Q2 Q3 R1 R2及三枚1N4148)所取代,這個電流源大概可供應140mA的電流,而圖九的Zener Diode責備本圖的後半部零件取代。圖九所示的Zener Diode雖然我們是假設它為理想的Zener Diode元件,但事實上,並沒有理想的Zener Diode,所以本圖中的後半部電路就是設計成非常接近理想的Zener Diode,從一個穩定的恆流源及一組近乎理想的Zener Diode電路群而得到穩定的直流輸出,它的穩定度,調整率,漣波及雜音等特性都屬上乘,所以最適合高級的前級放大器使用。
圖時的電路,正負電源兩端的電壓值可藉調整可變電阻R3而得,而所供應的電流則視R2之值而定(此圖為34Ω),約可供應100mA的電流,對於前級放大器而言當是足足有餘了。
山葉的PRE TRIAC X電源
PRE TRIAC電源電路可以改善電源的LINE REGULATION及放大器輸出功率的LOAD REGULATION,這樣優越的直流電源條件下,就可以放心去設計後級放大器,使它達到更完善的境界,但還是不罷休,掌握這次有利的機會,又加上可供應兩段電源的放大器,這一招,大大提高放大器的效率,不但電源變壓器的體積和重量都減少,散熱器的體積也減小了,這些佔大空間的元件都減少了,就是減小了擴大機本身的體積及重量,這種新的架構實在值得學習。
圖十一是PRE TRIAC電源電路,這是YAMAHA A-960用作廣告的核心,也就是其所謂的「磁場電源」。由電路上看,除了電壓比較器、光耦合元件及相位控制器、電源濾波器之外它仍然是和普通的電源電路沒有兩樣。電壓比較器取輸出電壓和參考電壓之差回饋至像位控制電路,但必須用光耦合元件來使初級達到隔離的目的,相位控制電路產生的對TRIAC的觸發訊號和電源頻率的兩倍同步,而觸發角度則隨回饋量而變。電路的初級端因為使用了使用了TRIAC元件,所以它和調光器內的TRIAC一樣,會產生很高的尖峰脈波,除此之外,這種高頻的脈波尚會由電源傳導出去而發射,干擾通訊系統或其他電子設備,因此,一個高頻濾波的Choke及電容器組成的濾波器就非必要不可了,同時變壓器尚需做特殊的隔離處理。
CARVER磁場式電源
磁場放大器為Bob Carver的設計,YAMAHA的"X" POWER可說是在其後而出,因為在YAMAHA的A-960擴大機的廣告上說得很清楚──"X-POWER"擴大機是利用"Carver Magnetic Field"原理所製作的。不管是"X-POWER"或是「磁場放大器」,它們的原理都是一樣的,只是Carver的設計要比X-POWER更省電、體積更小、效率更高,所以Carver能將200W×2的擴大機設計到7"×7"×7"的方盒子裡去,這也是有它獨到之處。
見圖十二,此圖和圖十一實在相去無幾,但它次級的直流輸出有三個階段的電壓,而圖十一雖然沒有劃出次級電壓的狀況,但以其所顯示的動作波形,可以判斷只有兩個階段的電壓。
Switching Power Supply在擴大機上可大展身手
基於以上兩種POWER Supply在後級放大器以上的應用狀況,可知Switching POWER Supply亦可以模擬這樣的狀況,而做得體積更小、重量更輕,只要在成本上能克服。不過就Power Supply本身的效率而言,Switching Power Supply却不見得PRE TRIAC優越。
轉載音響技術第79期JULY. 1982 電源問題知多少/洪 飛
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