על שמיעה, סאונד, ומה שמסביבם - פרק יא: מה זה מגבר, ואיך הוא עובד.

בפוסטים הקודמים למדנו על מנגנון השמיעה ברמה הביולוגית, מה זה קול/צליל/סאונד ברמה הפיזית - איך הוא “בנוי” ומה הוא “מכיל” - וגם, מה זה עיוות, ואיך מעגלים אלקטרונים בשרשרת האודיו מכניסים עיוותים לפלט הסופי.

נכון, זה מאד טכני. אבל בלי זה לא נוכל להבין איך להוציא את הסאונד הכי טוב במצב נתון, והרי זה מה שאנחנו רוצים. נכון?

בואו נודה על האמת, ברוב המצבים שבהם אנחנו נדרשים לקבל החלטות הקשורות בסאונד, לפחות ככל שזה אומר לגבי ציוד ההגברה שנשתמש בו, השיחה נסובה על שני דברים עיקריים: מגברים, ורמקולים. ברמקולים ניגע בפוסטים הבאים, אבל לפני שנלמד על רמקולים בואו נבין רגע מה זה מגבר ואיך הוא עובד: מה הוא בעצם עושה, ואיך בדיוק הוא עושה את זה?

תגידו לי שלא חשבתם על זה פעם... מעניין, לא?

הרעיון הבסיסי של מגבר: זרם קטן משמש לשינוי זרם גדול.

תפקידו של מגבר הוא לקחת אות שמע חלש ולהגביר אותו כדי ליצור אות שהוא חזק מספיק כדי להניע רמקול. זהו תיאור מדויק כאשר מחשיבים את המגבר כמכלול, אך התהליך בתוך המגבר הוא קצת יותר מורכב.

למעשה, המגבר מייצר פלט (אות היציאה) חדש לחלוטין המבוסס על הקלט (אות הכניסה). אנחנו יכולים להבין את האותות האלה כשני מעגלים נפרדים. מעגל הפלט נוצר על ידי ספק הכוח של המגבר, השואב אנרגיה מסוללה או משקע חשמל. אם המגבר מופעל על ידי זרם חילופין ביתי שבו זרימת המטען משנה כיוונים, ספק הכוח ימיר אותו לזרם ישר, שבו המטען זורם תמיד באותו כיוון. ספק הכוח גם “יחליק” את הזרם כדי ליצור אות אחיד לחלוטין ללא הפרעות. העומס של מעגל הפלט (העבודה שהוא עושה) מזיז את חרוט הרמקול.

מעגל הקלט הוא אות השמע החשמלי שהוקלט בקלטת, או נכנס ממיקרופון, או הומר מפורמט דיגיטלי. מה שחשוב להבין הוא, שבלי שום קשר לסוג הקלט, לפני הכניסה למגבר הוא יומר באות חשמלי שהוא אנלוגי בהגדרה. העומס של אות חשמלי זה משנה את מעגל הפלט. הוא מחיל התנגדות משתנה על מעגל הפלט כדי ליצור מחדש את תנודות המתח של אות השמע המקורי.

ברוב המגברים, העומס הזה הוא יותר מדי עבודה עבור אות השמע המקורי (לדוגמא, אות שמגיע בחיבור RCA). מסיבה זו, האות מוגבר תחילה על ידי קדם-מגבר (Pre Amplifier), אשר שולח אות פלט חזק יותר למגבר הכוח (Power Amplifier). הקדם-מגבר פועל באותה דרך בסיסית כמו מגבר הכוח: מעגל הקלט מחיל התנגדות משתנה על מעגל הפלט שנוצר על ידי ספק הכוח. מערכות מגברים מסוימות משתמשות במספר קדם-מגברים כדי לבנות בהדרגה אות פלט במתח גבוה.

אז איך המגבר עושה את זה? אם תחפשו תשובה בתוך מגבר, תמצאו רק מסה מורכבת של חוטים ורכיבי מעגלים - ראו בתמונה מטה (זהו המגבר Class-G שמותקן בתוך הVHD4.21).

המגבר זקוק למערך המשוכלל הזה כדי לוודא שכל חלק באות השמע מיוצג בצורה נכונה ומדויקת. פלט אודיו ברזולוציה גבוהה דורש שליטה מדויקת מאוד. בתוך המסה הזאת של רכיבים אלקטרוניים, המרכיבים המרכזיים הם הטרנזיסטורים. הטרנזיסטורים מייצרים חום רב, שמתפזר על ידי גוף הקירור. (בתמונה גוף הקירור הוא מאחורי הלוח, ולכן לא רואים אותו.)

כל החלקים במגבר חשובים, אבל בהחלט לא צריך לבחון כל אחד מהם כדי להבין איך מגבר עובד. הרכיב שבלב רוב המגברים הוא הטרנזיסטור. היסודות העיקריים בטרנזיסטור הם מוליכים למחצה, חומרים בעלי יכולת משתנה להוליך זרם חשמלי. בדרך כלל, מוליך למחצה עשוי ממוליך גרוע, כמו סיליקון, שנוספו לו “זיהומים” (אטומים של חומר אחר). דרך אגב, תהליך הוספת ה”זיהומים” נקרא “סימום”…:-)

בסיליקון טהור, כל אטומי הסיליקון נקשרים בצורה מושלמת לשכניהם, ולא מותירים אלקטרונים חופשיים להוליך זרם חשמלי. בסיליקון מסומם, אטומים נוספים משנים את האיזון - או מוסיפים אלקטרונים חופשיים, או יוצרים חורים שאליהם אלקטרונים יכולים לנוע. מטען חשמלי נע כאשר אלקטרונים נעים מחור לחור, כך שכל אחת מהתוספות הללו תהפוך את החומר ליותר מוליך.

מוליכים למחצה מסוג n מאופיינים באלקטרונים נוספים (בעלי מטען שלילי). למוליכים למחצה מסוג p יש שפע של חורים נוספים (בעלי מטען חיובי).

בואו נסתכל על מגבר הבנוי סביב טרנזיסטור בסיסי של צומת דו-קוטבי כמו בתמונה מטה.

סוג זה של טרנזיסטור מורכב משלוש שכבות של מוליכים למחצה - במקרה זה, מוליכים למחצה מסוג p המונחים בין שני מוליכים למחצה מסוג n. מבנה זה מיוצג בצורה הטובה ביותר כפס ישר, כפי שמוצג באיור 5.2 (האיור הוא הפשטה. העיצוב בפועל של טרנזיסטורים מודרניים מעט שונה).

השכבה הראשונה מסוג n נקראת המפזר (Emitter), השכבה מסוג p נקראת הבסיס (Base) והשכבה השנייה מסוג n נקראת המאסף (Collector).

מעגל הפלט (המעגל שמניע את הרמקול) מחובר לאלקטרודות במפזר ובמאסף של הטרנזיסטור.

מעגל הקלט (המעגל שמגיע מהמקור) מחובר לאלקטרודות במפזר ובבסיס של הטרנזיסטור.

האלקטרונים החופשיים בשכבות מסוג n רוצים באופן טבעי למלא את החורים בשכבות מסוג p. יש הרבה יותר אלקטרונים חופשיים מחורים, ולכן החורים מתמלאים מהר מאוד. זה יוצר אזורי דלדול בגבולות בין חומר מסוג n לחומר מסוג p. באזור דלדול, החומר המוליך למחצה מוחזר למצב הבידוד המקורי שלו - כל החורים מלאים, כך שאין אלקטרונים חופשיים או חורים ריקים לאלקטרונים, והמטען אינו יכול לזרום. כאשר אזורי הדלדול עבים, מעט מאוד מטען יכול לעבור מהמפזר למאסף, למרות שיש הבדל מתח חזק בין שתי האלקטרודות.

כאשר אזורי הדלדול עבים, ניתן להגביר את המתח באלקטרודת הבסיס. המתח באלקטרודה זו נשלט ישירות על ידי זרם הכניסה (כמות החשמל הנכנסת), כאשר הוא זורם, לאלקטרודת הבסיס יש מטען חיובי יחסי, ולכן היא מושכת אליה אלקטרונים מהמפזר. זה משחרר חלק מהחורים, מה שמכווץ את אזורי הדלדול. ככל שאזורי הדלדול מצטמצמים, המטען יכול לעבור מהמפזר למאסף ביתר קלות - הטרנזיסטור הופך יותר מוליך. גודל אזורי הדלדול, ולכן המוליכות של הטרנזיסטור, נקבעים על ידי המתח באלקטרודת הבסיס. בדרך זו, זרם הכניסה המשתנה באלקטרודת הבסיס משנה את הזרם באלקטרודת המאסף. פלט זה מניע את הרמקול.

טרנזיסטור בודד כזה מייצג "שלב" אחד של מגבר. למגבר טיפוסי יהיו כמה שלבי חיזוק, כאשר השלב האחרון מניע את הרמקול.

רוב ההבדלים בין סוגי המגברים מה שנקרא “המתאר” (Topology) שלהם, נקבע ע”י השלבים שלהם, ואיזה חלק מהמחזור (שלב הדחיסה או הקלישה) של הצליל הם מגבירים. לעניינו (ומה שמופיע ברוב המפרטים), מתארים של מגברים מסווגים במספר מחלקות, כאשר העיקריות שבהן הן:

• Class A:

בולט בעיוות הכללי הנמוך שלו (ללא עיוות מוצלב). זהו עיצוב פשוט יחסית, עם מעגל הגברה יחיד המוליך זרם לאורך כל המחזור 360° של צורת גל השמע.

• Class B:

עם סוג זה של מגבר, מחצית מהרכיבים מוליכים זרם לחצי הראשון (+180°) של צורת הגל, והחצי השני של הרכיבים מוליכים זרם לחצי השני (-180°) של צורת הגל. שני חצאי המכשיר פועלים יחד בהעברת דחיפה/משיכה בין הרכיבים השונים. לסוג זה של מגבר, למרות יעילותו מבחינת ההספק, יש חסרון ברור הנובע מעיוות המוצלב (דחיפה/משיכה) הגלום בעיצוב.

• Class A/B:

עיצוב זה דומה יותר למגבר B מאשר למגבר A, בכך שיש שני רכיבים שפועלים יחד בארכיטקטורת דחיפה/משיכה (עם העיוות המוצלב הנלווה). עם זאת, במגבר A/B, הרכיבים הבודדים מוליכים יותר ממחצית של האות הנכנס, כך שהעיוות המוצלב ממוזער.

• Class D:

זהו סוג המגבר היעיל ביותר, וגם הקל ביותר. יעילות זו מושגת באמצעות מנגנון מיתוג מורכב, העובד באמצעות מודולציה של איפנון רוחב פעימה או צפיפות פעימה. עם זאת, שכפול התדרים מוגבל על ידי תדירות המודולציות, ואיכות הצליל יכולה להשתנות בהתאם לעומס על הרמקולים.

• Class H:

מגברים אלה הם וריאציה על מגברי A/B, עם פחות עיוות מוצלב מאשר מגברי B. מגברים אלה משתמשים באפנון מסילות מתח כדי לספק יעילות מרשימה בחבילה פיזית קטנה יחסית. מגברים אלה בדרך כלל יקרים יותר ממקבילותיהם מסוג A/B.

• Class G:

עבור תדרים נמוכים, מה שנדרש יותר מכל הוא הרבה זרם, בשל גורם השיכוך הדרוש לרמקולים גדולים. מגברים סטנדרטיים אינם יכולים להשיג זאת, ולכן פותחה טופולוגיית מגבר חדשה המתמקדת באספקת הרבה מאד זרם. מגברי Class G כוללים ספק כוח עם מיתוג (כמו מגברי D) עם מסילות מתח מאופננות השומרות על מתח נמוך על פני מעגלי הפלט (כמו מגברי H). במגברי G מתקדמים יש בנוסף מסנן פלט ליניארי כדי להסיר את העיוות הנגרם מהמיתוג.

יצרני ציוד הגברה איכותיים, משתמשים בכמה סוגי מתאר של מגברים בשביל להגביר חלקים שונים במערכת - דבר שמייקר אותה מאד, אבל כמובן תורם לאיכות השמע.