Tìm hiểu về amply - amply công suất - cục đẩy công suất

Âm ly (Máy tăng âm – power amply) là một thiết bị dùng để khuếch đại tín hiệu âm tần như tín hiệu lấy từ micro, tín hiệu phát lại ở băng, đĩa… lên mức cao, cung cấp cho một hoặc nhiều hệ thống loa trong hệ thống âm thanh. Âm ly có thể dùng độc lập hoặc đặt trong mixer audio tùy theo mục đích và công suất sử dụng.

Sơ đồ khối máy tăng âm

Tín hiệu micro thường nhỏ khoảng một vài milivon, còn các tín hiệu khác như ở băng, đĩa… lớn vào khoảng hàng trăm milivon. Do đó phải có thêm tầng khuếch đại riêng cho tín hiệu micro. Các nguồn tín hiệu âm tần cùng đi tới tầng pha trộn, tầng này phải có kết cấu sao cho các nguồn tín hiệu đó không làm ảnh hưởng xấu cho nhau, hơn nữa có thể pha trộn với nhau hoặc tách riêng từng nguồn tín hiệu. Tầng công suất phải cho một công suất khá lớn theo yêu cầu không vượt quá chỉ tiêu quy định của máy. Tầng khuếch đại này yêu cầu phải có hai điện áp tín hiệu có biên độ bằng nhau và ngược pha nhau. Do đó phải có tầng đảo pha ở phía trước.

Đặc tính kỹ thuật

Công suất danh định

Là mức công suất âm tần lấy ra được trên gánh quy định của máy. Công suất ra này liên hệ với điện áp (Ur) và gánh danh định (RH) theo công thức:

Đáp tuyến tần số (frequency response): Power ampli nhận và tái tạo lại các nguồn tín hiệu một cách chuẩn xác, nó không có bộ phận chỉnh tone (bass, treble). Do đó, đáp tần của một power ampli cần phải thật phẳng từ 20Hz đến 20KHz. Nhiều loại power ampli có thể có đặc tuyến với tầm hoạt động từ 5Hz đến 50 KHz.

Đáp tần của power ampli được đo bằng cách quét một sóng âm có dải tần rộng và bằng phẳng vào ngõ input, tín hiệu xuất ra sẽ được vẽ trên một biểu đồ. Có một điều quan trọng là trên biểu đồ này, đặc tuyến được đo trên mức công suất là bao nhiêu?

Thí dụ dưới đây, kết quả đo đạc dựa vào mức công suất tối đa mà power ampli vận hành cho ta thấy đáp tuyến vẫn còn tương đối thẳng, không chênh lệch bao nhiêu

Nhiều hãng chế tạo âm ly thường cung cấp đặc tuyến power ampli do hãng chế tạo dựa theo mức công suất ra khá thấp, với mức công suất ra thấp này các đường cong đặc tuyến thường khá thẳng. Tuy nhiên, hãy cẩn thận vì khi vận hành với mức công suất ra cao tối đa, đặc tuyến của âm ly có thể thay đổi. Thường thì sẽ có nhiều đỉnh và trũng xuất hiện khi power ampli vận hành với cường độ ra cao.

Méo dạng hài âm (Total Harmonic Distortion “THD”): Khi một âm ly chạy hết công suất, có nhiều loại power ampli xuất hiện một số dao động nhỏ tương ứng với tín hiệu thu vào, trong trường hợp này chắc chắn rằng âm ly đã có khuếch đại thêm một số hài âm so với tín hiệu input nguyên thủy. Những loại hài âm này gọi là “bóng mờ” hay “bóng ma” (giống như khi xem ti vi đôi khi anten không chuẩn xác, có xuất hiện thêm một hình ảnh phụ mờ đi kèm theo hình ảnh chính gọi là bóng ma hình). Các bóng ma âm thanh này do power ampli bị dao động “nội”. Vài nghiên cứu khoa học chứng minh rằng: lỗ tai người có thể chịu đựng được khoảng 1% harmonic distortion (sự biến dạng của hài âm) trước khi đi đến giai đoạn khó chịu (số tỷ lệ phần trăm này có thể thay đổi tuỳ theo chương trình phát). Dĩ nhiên mức biến dạng hài âm càng thấp sẽ càng tốt. Các âm ly chất lượng tốt, biến dạng hài âm thường dưới con số 1% rất nhiều.

Tỷ lệ giữa tín hiệu trên mức ồn nhiễu nội bộ (Signal To Noise Rtio): Do đặc điểm cấu tạo của các máy tăng âm là được xây dựng từ các linh kiện tích cực như Transitodiot… Các linh kiện bán dẫn này thường có tiếng ồn nhiễu phát sinh nội tại bên trong (do linh kiện) và không có cách nào để triệt giảm tiếng ồn nhiễu này. Một âm ly tốt thường được lắp ráp bằng các linh kiện có tiếng ồn nhiễu nội tại thấp nhất. Tiêu chuẩn các power ampli tốt dùng cho khuếch đại âm thanh có S/N là 65dB.

Độ nhạy ngõ vào (Input Sensitivity): Tín hiệu input vào một power ampli thường được quy định bằng một số volt để âm ly có thể đạt được mức công suất tối đa (full power). Nếu có một mixer mà đường output của nó chỉ có 0,775V, nhưng đường input của power ampli là 1V thì chắc chắn không có cách nào âm ly có thể đạt được công suất tối đa được. Do đó, có nhiều power ampli có thêm một nút chỉnh level input. Những nút chỉnh này thường hay bị nhầm lẫn với nút “volum econtrol”, nó cũng có ảnh hưởng đến độ lớn của âm ly nhưng chỉ dùng để điều chỉnh biên độ tín hiệu của ngõ vào (input). Trong thí dụ trên, nếu chiếc mixer có tín hiệu out put 0,775V cần phải tăng độ nhạy gain của power ampli để có thể đạt được mức 1V input bằng cách chỉnh các nút control này.

Hệ số đệm damping (damping factor): Damping factor là tỷ lệ giữa tổng trở của loa và nội trở của chiếc power ampli. Thường thì tổng trở của loa khoảng 4 hay 8Ohm và nội trở của chiếc âm ly thường có giá trị rất thấp. Thường thì số damping factor càng lớn càng tốt. Thông thường, damping factor vào khoảng 20 là đạt yêu cầu.

Các loại mạch bảo vệ (Protection Circuitry): Nhiều loại power ampli có lắp thêm các loại mạch điện tử nhằm bảo vệ thiết bị tránh gặp sự cố, và được phân ra như sau:

• Short Circuit Protection: Nếu đường dây loa bị sự cố chạm chập, hoặc nếu các cọc nối dây loa bị trục trặc… xem như một sự cố chập mạch xảy ra, có thể coi trở kháng tải ra của âm ly bằng 0 và dòng điện trong mạch khuếch đại tăng vọt rất lớn, có thể làm cháy hỏng chiếc âm ly. Mạch Short Circuit Protection là loại mạch bảo vệ sẽ cắt bộ phận cấp tín hiệu ra loa khi có sự cố chập mạch xảy ra.
• RF Burnout: Các tần số radio hiện diện ở khắp mọi nơi trong không khí, vài loại âm ly lại có thể bắt được các làn sóng này và khuếch đại lên ra loa, cũng có vài loại âm ly lại có khả năng khuếch đại cả các dạng sóng siêu âm mà tai người không cảm nhận được. Những loại sóng nhiễu rắc rối này có thể làm âm ly quá nóng và dẫn đến hư hỏng. Mạch điện RF Burnout có khả năng bảo vệ không cho các power ampli khuếch đại các sóng cao tần này.
• Overtemp Protection: Khi các power ampli làm việc nó sản sinh ra nhiệt năng, và khi nhiệt độ tăng cao sẽ làm âm ly giảm hiệu suất đôi khi hư hỏng. Có nhiều âm ly dùng những tấm giải nhiệt bằng nhôm kích thước lớn để giải nhiệt ra không khí. Một cách khác để chống quá nhiệt cho âm ly là lắp thêm một cái quạt cho nó, chiếc quạt này dùng lưu thông và chuyển dòng khí mát vào và đưa khí nóng ra ngoài. Nhiều loại power ampli khác có thiết kế quạt nhiều tốc độ từ chậm đến nhanh tùy theo nhiệt độ vận hành của âm ly cao hay thấp nhằm giảm tiếng ồn đến mức thấp nhất. Có những loại power ampli thiết kế luôn mạch bảo vệ nhiệt, khi nhiệt độ tăng quá cao âm ly sẽ tự ngắt và ngừng hoạt động trong khi quạt vẫn tiếp tục chạy để giảm nhiệt độ xuống đến mức an toàn.
• Turn on/off Transient Protection: Khi ampli ở chế độ on, mạch điện được nối vào đường dây, cần đến khoảng 1 giây cho các mạch điện tử bên trong ổn định. Sự khởi động này gây ra một tiếng “bụp” ở hệ thống loa và có thể làm hỏng chiếc loa treble. Mạch điện khởi động thường có lắp thêm một relay trễ để khóa hệ thống loa lại, khi khởi động âm ly tránh những xung điện đột ngột bảo vệ hệ thống loa an toàn.
• DC protector: Bất cứ nguồn điện DC nào xuất hiện ở ngõ ra output của power ampli cũng đều gây tổn hại cho hệ thống loa bị nóng lên và cháy rất nhanh chóng. Mạch bảo vệ ĐC sẽ cắt hệ thống loa ra khỏi âm lý khi có sự cố ĐC xuất hiện.
• Fuse (cầu trì bảo vệ): Thường có hai loại, cầu trì bảo vệ gắn trên đường dây điện nguồn AC bảo vệ power ampli tránh cháy, chập gây hỏa hoạn khi có sự cố chạm chập mạch điện. Cầu trì lắp bên trong bảo vệ giữa các thành phần điện tử với nhau, thí dụ giữa phần pre-ampli và phần âm ly công suất và các bộ phận khác liên quan đến bộ nguồn của âm ly. Nếu cầu trì bị đứt phải thay thế bằng một cầu trì khác với chức năng tương đương. Nếu cầu trì liên tục bị đứt: có vấn đề bên trong các mạch điện cần người có chuyên môn kiểm tra.
• Limiterts (mạch hạn biên tín hiệu): Một trong các chức năng quan trọng của power ampli là có chức năng hạn chế biên độ. Âm ly là một thiết bị nhận tín hiệu và nếu có một tín hiệu input ngõ vào có biên độ lớn, nó có thể làm hỏng âm ly hoặc méo tín hiệu đầu ra vì vậy người ta lắp thêm một mạch tự động hạn chế biên độ tín hiệu vào.

Một số kiến thức về máy tăng âm

Mạch vào và cách đưa tín hiệu vào

Thông thường người ta dùng các mạch vào của các máy tăng âm chất lượng cao là các mạch vào kiểu vi sai. Nguồn tín hiệu vào được đưa vào các đầu vào là IN+ và IN-, đó là đường tín hiệu cần được khuếch đại lớn lên. Kiểu đưa tín hiệu này cho hiệu quả rất cao cụ thể là hệ số khuếch đại của máy được phát huy. Trong trường hợp các nguồn vào là đồng pha thì tín hiệu đầu ra bị khử gần như hoàn toàn. Đối với các máy tăng âm chất lượng bình thường thì đầu vào thường chỉ là kiểu vào đơn có nghĩa là một đường vào tín hiệu còn một đường nối đất.

Mạch khuếch đại vi sai

Mạch khuếch đại cổ điển

Mạch khuếch đại dùng kỹ thuật vi sai có đặc tính chống nhiễu rất hiệu quả nhất là nhiễu trên các đường dây nối liên lạc giữa thiết bị này với thiết bị khác. Vì các loại nhiễu trên đường dây tín hiệu khi nhập vào bộ phận khuếch đại thường đồng pha trên cả hai ngõ (in+) và (in-) sẽ không có điện áp chênh lệch, do đó mạch vi sai sẽ không khuếch đại tín hiệu nhiễu này, nhiễu trên dây được loại bỏ.

Mạch điện nguồn cung cấp cho khuếch đại vi sai

Ở các mạch khuếch đại cổ điển: Phần điện nguồn cung cấp cho các bộ phận điện tử thường chỉ có một nguồn điện áp dương gọi là B+ và nguồn âm chính là mass chung cho cả mạch, điện áp được khuếch đại ra chỉ tăng giảm theo điện áp trung điểm (B+/2) do đó hạn chế công suất ra.

Mạch khuếch đại cổ điển

Ở các mạch khuếch đại vi sai: Mạch khuếch đại được cấp với hai nguồn điện có giá trị bằng nhau nhưng khác nhau về cực tính so với mass, khi đó mass là điện áp nền trung tâm có giá trị bằng 0.

Xử lý tín hiệu theo kiểu stereo

Đa số các âm ly đều được thiết kế dạng stereo nghĩa là có hai bộ phận khuếch đại độc lập A và B trong cùng một vỏ máy và dùng chung một nguồn điện cung cấp.
Bộ phận khuếch đại A thường gọi là Channel A Bộ phận khuếch đại B thường gọi là Channel B.
Ở mô hình stereo, mạch điện hai Channel A và Channel B hoạt động độc lập với nhau ngoại trừ nguồn điện cung cấp cho nó, cả hai mạch điện Channel A và Channel B đều có ngõ vào in put visai “+”, “-” và đường output ra loa riêng biệt. Có thể xem như có hai cái âm ly mono nằm chung trong một vỏ máy.

Âm ly xử lý tín hiệu theo kiểu stereo

Âm ly xử lý tín hiệu theo kiểu dual mono

Khi sử dụng ở phương thức dual mono, nghĩa là chỉ có một tín hiệu vào input chung cho cả hai kênh A và B. Tín hiệu output của hai kênh sẽ hoàn toàn giống nhau về dạng sóng và pha, biên độ (độ lớn output) có thể bằng nhau hay khác nhau lớn nhỏ tuỳ theo nút chỉnh level control input trên mỗi channel. Có nhà sản xuất dùng một nút gạt phía sau máy để chọn cho âm ly chạy theo chế độ nào: stereo hay dual mono, khi ấy công tắc chuyển mạch này sẽ tự động nối mạch vào của hai kênh A và B song song với nhau. Đôi khi có những âm ly không có nút chỉnh này, muốn dùng ở chế độ dual mono cần dùng một loại jack cắm thích hợp để nối song song hai kênh A và B.
Lưu ý: Tín hiệu ra loa tải ở chế độ dual mono vẫn hoạt động độc lập nghĩa là dùng riêng biệt hai cọc đỏ và đen cho mỗi kênh A và B.

Sự xén ngọn hay xén đỉnh (clipping)

Mỗi khi âm ly hoạt động hết công suất, chúng ta không thể bắt nó làm hơn công suất mà nó đã được thiết kế. Nếu tiếp tục tăng biên độ tín hiệu đầu vào thì kết quả tín hiệu đầu ra bị méo tạo hiện tượng cắt biên độ. Trường hợp này gọi là “clip”, có thể thấy rõ nếu xem dạng sóng đầu ra trên osilloscope và tai có thể cảm nhận được sự méo này.

Tín hiệu hoàn chỉnh và tín hiệu bị xén ngọn (clip)

Chọn và sử dụng âm ly

Công suất danh định của thiết bị khuếch đại công suất được tính toán để sử dụng cho chạy bất cứ hệ thống loa nào phải nằm trong giới hạn của công suất dài hạn liên tục (continuous) và công suất đỉnh (peak) được chỉ định rõ bởi nhà sản xuất hệ thống loa đó. Ở đây không chủ ý khuyến khích sử dụng các thiết bị âm thanh công suất cao chỉ vì mục đích tăng khoảng trống an toàn (head room). Khái niệm về việc thiết bị khuếch đại công suất cao đi đôi với khoảng trống an toàn lớn chỉ thực tế khi cho hệ thống vận hành ở cường độ thấp trong tình trạng được kiểm soát. Tuy nhiên trong ứng dụng chuyên nghiệp, độ bền là điều cần được quan tâm nhất cùng với nhiều đòi hỏi và quy định gắt gao trong quá trình vận hành. Để tăng khoảng trống an toàn một cách thực tế là cộng thêm loa vào hệ thống âm thanh để tất cả cùng vận hành với khoảng trống an toàn chung, việc này đặc biệt rất đúng khi vận hành hệ thống loa Bi-amplifier. Ở đây bộ khuếch đại các tần số thấp sẽ là bộ phận đầu tiên bị xén ngọn (clip) trong khi bộ khuếch đại tần số cao vẫn còn sạch sẽ vì thực tế, sự xén ngọn tần số thấp hầu như rất ít khi bị phát hiện, không thể nghe được và ít có sự đe dọa nào đáng kể với các hệ thống loa tần số thấp.

Độ tăng gain: Chú ý về những quan niệm dùng các thiết bị khuếch đại có độ tăng gain cao (high gain) thì sẽ có khoảng trống an toàn cao (head room), điều này không đúng bởi vì các thiết bị khuếch đại không được thiết kế để vận hành như thế! Dĩ nhiên nếu chúng ta đang vận hành một bàn mixer bán chuyên nghiệp (semi-pro) như là các thiết bị nghe nhạc trong gia đình (hifi) và đang vận hành ở mức -10dB, chúng ta sẽ phải cần một bộ âm ly có độ nhạy cao để cho bàn mixer không bị “clip” trước khi âm ly bị! Tuy nhiên, nếu âm ly không thể chỉnh được cho đủ độ nhạy cần thiết và đang vận hành ở mức + 4dB hoặc hơn và bàn mixer output ra không đủ mức tín hiệu này, khi ta cố gắng nâng mức tín hiệu trên mixer cho đủ biên độ vào của power ampli, cho dù mixer có thể đáp ứng được điều này, ta cũng đã song song tăng độ ồn nhiễu (noise) lên ở mức cao đôi khi không thể chấp nhận được! Đây không phải là biện pháp tốt. Tránh dùng lẫn lộn các thiết bị trộn âm (mixer) bán chuyên nghiệp đi với các power ampli loại chuyên nghiệp.

Đặc tính về điện: Các âm ly chuyên nghiệp cần có sự kết nối với các thiết bị trước nó bằng các bộ dây dẫn tốt và chắc chắn, mọi sự kết nối lỏng lẻo sẽ gây ra sự kích mạnh về xung tín hiệu và các xung này với năng lực mạnh của âm ly, sẽ phá hủy hệ thống loa nhanh chóng! Một số các power ampli có thiết kế các mạch bảo vệ (Protect). Tuy nhiên, một vài dạng xung quá nhanh có thể làm mạch Protect không đáp ứng kịp và các thiết bị loa sẽ bị hỏng gần như tức thì trước khi các mạch Protect làm được nhiệm vụ của nó.

Bộ phận cấp điện: Bộ phận cấp điện “cứng” là nguồn điện cung cấp cho các âm ly được nối với nguồn điện lưới bằng các circuit breaker (CB) qua các dây dẫn đủ lớn đủ khả năng cung cấp dòng điện với cường độ cao cho các hệ thống power ampli. Đặc biệt quan trọng cho các âm ly dùng để hoạt động ở tần số thấp. Tần số thấp tạo ra sự đòi hỏi nhiều nhất cho năng lượng của hệ thống khuếch đại vì đặc tính tự nhiên của tổng trở loa và dải năng lượng của hầu hết chương trình phát. Một hệ thống cấp điện “mềm” có nghĩa là các dây dẫn dòng điện nguồn đến các âm ly bằng những loại dây có kích cỡ nhỏ, khi các âm ly cần phải kéo các loa cực trầm (woofer) bộ phận cấp điện mềm sẽ tạo ra tiếng bass không mạnh và không rõ dàng (không chắc tiếng). Khi tái tạo lại cường độ âm thanh bass ở mức cao trong chương trình mà nguồn điện áp cung cấp cũng bị biến đổi theo và dao động ở mức ± 2% chắc chắn nguồn điện cung cấp cho hệ thống power ampli thuộc dạng quá “mềm”. Trong trường hợp này phải tìm nguồn cung cấp điện ngay tại lưới tổng và trong nhiều trường hợp các chương trình lớn không thể dùng chung nguồn điện lưới mà trên đó có quá nhiều hộ gia đình khác câu mắc lung tung! Ta phải cần một nguồn độc lập như một máy phát điện riêng có công suất đủ mạnh.

Sự giải nhiệt: Đây là một yếu tố quan trọng khi ta chọn một thiết bị khuếch đại, một thiết bị khuếch đại power ampli tốt phải có khả năng tạo được 1/3 công suất ở nhiệt độ không khí xung quanh hơn 40°C mà không bị ảnh hưởng vì nhiệt độ này thường gặp ở các dàn khung lắp đầy các thiết bị power ampli, hầu hết đều dùng quạt để giải nhiệt. Cần chú ý đến các lối ra vào của luồng không khí để giữ cho âm ly vận hành tốt trong điều kiện thông thoáng nhất.

Cấu trúc bên ngoài: Các âm ly chuyên nghiệp phải có được cấu trúc bên ngoài kiên cố để có thể chịu đựng được sự sử dụng lưu động. Có nghĩa là dàn vỏ bọc bên ngoài phải được thiết kế bằng các vật liệu có phẩm chất tốt và chịu nổi sức nặng của máy trong tình trạng va chạm cả hai chiều ngang và dọc.
( Nguồn: sưu tầm tạp chí loa đẹp)