ക്ലാമ്പ് ഡയോഡുകൾ – ധർമ്മവും പ്രവൃത്തിയും

ചോ: പല ആംപ്ലിഫയറുകളിലും ഔട്ട്പുട്ട് പോയിന്റിൽ രണ്ടു ഡയോഡുകൾ കാണാറുണ്ട്. Protection നു വേണ്ടിയാണെന്ന് കേട്ടിട്ടുണ്ടെന്നല്ലാതെ അതേക്കുറിച്ചു കൂടുതൽ അറിയില്ല. ചിലർ ഇത് sound quality യെ സ്വാധീനിക്കും എന്നൊക്കെ പറയുന്നു. ശരിയാണോ?

ഉ: മീഡിയം , ഹൈ പവർ ഓഡിയോ ആംപ്ലിഫയറുകളുടെ സർക്യൂട്ട് ഡയഗ്രങ്ങൾ പരിശോധിക്കുമ്പോൾ, ഔട്ട്പുട്ട് നോഡിൽ പവർ റെയിലുകളെ ബന്ധിപ്പിച്ചു ഒരു ജോഡി ഡയോഡുകൾ പലപ്പോഴും കാണാം. ഇത് വളരെയധികം തെറ്റിദ്ധരിക്കപ്പെട്ട ഒരു സർക്യൂട്ട് ഘടകമാണ്. അവ ആംപ്ലിഫയറിന് കുറച്ച് സംരക്ഷണം നൽകുന്നുവെന്ന് പൊതുവെ മനസ്സിലാക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും, നിർഭാഗ്യവശാൽ അതിന്റെ പ്രവർത്തനം പലർക്കും വ്യക്തമല്ല.

Flywheel Diode

ആശയക്കുഴപ്പം ഒഴിവാക്കുന്നതിനായി ആദ്യം തന്നെ അവയുടെ പേര് clamp diodes എന്നാണെന്നു പറയട്ടെ. അവയെ ഫ്ലൈബാക്ക് ഡയോഡുകൾ അല്ലെങ്കിൽ ഫ്രീവീലിംഗ് ഡയോഡുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നത് ശരിയല്ല. ഉയർന്ന ഇൻഡക്റ്റീവ് ഘടകമായ റിലേകൾ സ്വിച്ച് ചെയ്യുമ്പോൾ റിവേഴ്സ് സ്പൈക്കുകൾ അകറ്റാൻ റിലേ കോയിലുകളുടെ കുറുകെ ഇണക്കിയിരിക്കുന്നവയാണ് ഫ്രീവീലിംഗ് ഡയോഡുകൾ. ഫ്ലൈബാക്ക് ഡയോഡുകൾ സ്വിച്ചിങ് രീ തിയിലുള്ള പവർ സപ്ളൈകളി ൽ ആണ് കൂടുതലും കാണപ്പെടുന്നത് – sawtooth waveform ൻ്റെ flyback period ൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നത് കൊണ്ട് ആ പേര് വിളിക്കാം. പക്ഷെ അവിടെ തരംഗരൂപം തുടർച്ചയായതും, ആവർത്തിക്കുന്നതുമാണെന്നും, പലപ്പോഴും 20 kHz നു മേൽ വളരെ കൂടുതലാണെന്നും ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതുണ്ട്. CRT ടെലിവിഷനുകളുടെ horizontal / vertical deflection സർക്യൂട്ടുകളിൽ waveform frequency ഓഡിയോ ബാൻഡിലാണ്. പക്ഷേ അവിടെയും waveform തുടർച്ചയാണ്. ഇവിടെ സർക്യൂട് ലോഡ് highly inductive ആണ്. ഇവിടെയും അത്യാവശ്യം വേണ്ട, സ്ഥിരമായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു സർക്യൂട്ട് ഘടകമായി flyback diodes ഉൾപ്പെടുത്തേണ്ടതുണ്ട്. മാത്രവുമല്ല ബന്ധപ്പെട്ട ആവൃത്തികൾ കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ അവ റേറ്റു ചെയ്യേണ്ടതുണ്ട് -- റിവേഴ്സ് റിക്കവറി സമയമാണ് ഇവിടെ പ്രാഥമികമാനദണ്ഡം.

 ഓഡിയോ ആംപ്ലിഫയറുകളുടെ കാര്യത്തിൽ, സാഹചര്യം വ്യത്യസ്തമാണ്. ഇവിടെ മേൽ പറഞ്ഞ ഡയോഡു ജോഡികളെ ക്ലാമ്പ് ഡയോഡുകൾ എന്ന് ശരിയായി പരാമർശിക്കണം. (പല amplifier stage കളുടെയും input ലും പ്രത്യേക ആവശ്യങ്ങൾക്കായി clamp diodes ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്.)

Clamp Diodes

 
സ്പീക്കറുകളും, ക്രോസ്സോവറുകളും മറ്റും സൃഷ്ടിക്കുന്ന back EMF നെക്കുറിച്ച് നാം ബോധവാന്മാരാണെങ്കിലും, ആംപ്ലിഫയർ ഔട്ട്പുട്ട് നോഡിൽ നിന്ന് നേരിട്ട് ഡ്രൈവ് ചെയ്യുന്ന ലളിതമായ ഒരു സ്പീക്കറിന് പരമാവധി ഡ്രൈവിൽ പോലും (ക്ലിപ്പിംഗ് പാടില്ല) സാധാരണ പ്രവർത്തനത്തിൽ ആമ്പിനു എന്തെങ്കിലും കേടുപാടുകൾ വരുത്തുന്ന back EMF spikes സൃഷ്ടിക്കാൻ ആവില്ലെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കേ ണ്ടതാണ്. അതുപോലെ തന്നെ mid, HF frequency ranges ൽ back EMF വളരെ ചെറിയ അളവിലായിരിക്കും. ഒരു പക്ഷേ നിങ്ങൾക്ക് സ്പെക്ട്രത്തിന്റെ വളരെ താഴ്ന്ന ഭാഗത്ത് ചിലത് അളക്കാൻ കഴിയുമെന്നും ഇവിടെ ശ്രദ്ധിക്കാം. ഉദാഹരണത്തിന്, 150 Hz ഓ, അതിൽ താഴെയോ. എന്നാൽ ഒട്ടു മിക്കപ്പോഴും ഇവ ഡിസൈനർ തിരഞ്ഞെടുത്ത output, driver devices ൻ്റെ സ്പെസിഫിക്കേഷൻ പരിധിക്കുള്ളിലായിരിക്കും. അതിനാൽ വലിയ കുഴപ്പമൊന്നും അവിടെ സംഭവിക്കില്ല.

സാധാരണയായി ഗാർഹിക ഉപയോഗത്തിനുള്ള ഓഡിയോ ആംപ്ലിഫയറുകൾ hard clipping ലേക്ക് നയിക്കുന്ന ഓവർ ഡ്രൈവ് സാഹചര്യങ്ങളിൽ ഒരിക്കലും പ്രവർത്തിപ്പിക്കില്ലെന്ന് കരുതപ്പെടുന്നു. അഥവാ overdrive കാരണമായി clipping തുടങ്ങിയാലും, സാധാരണ നിലയിൽ back EMF നിലവാരം വളരെ കുറവായിരിക്കും. എന്നാൽ Sine wave testing നടത്തുമ്പോൾ അതല്ല സ്ഥിതി. പക്ഷെ സംഗീത സിഗ്നലുകൾ ഉപയോഗിച്ച് സാധാരണയായി ആമ്പിനെ പ്രവർത്തിപ്പിക്കുമ്പോൾ അതിനു വലിയ ഒരു ഭീഷണിയും ഉണ്ടാകില്ലെന്ന് കരുതുന്നത് വിവേകപൂർണ്ണമാണ്.

എന്നാൽ ഗാർഹിക ക്രമീകരണത്തിൽ മറ്റു ചില അപകടങ്ങൾ ഒളിഞ്ഞിരിപ്പുണ്ട്. ഏറ്റവും സാധാരണമായ ഒരു സാഹചര്യം സ്പീക്കർ കേബിൾ അയഞ്ഞതോ, പൂർണ്ണമായും ഓപ്പൺ സർക്യൂട്ടാകുകയോ ചെയ്യുന്നതാണ് – അതും ആംപ്ലിഫയർ ഇടത്തരം അല്ലെങ്കിൽ ഉയർന്ന നിലയിലേക്ക് ഡ്രൈവ് ചെയ്യപ്പെടുകയും ആകുമ്പോൾ. സ്പീക്കർ കമ്പിയിലെ പെട്ടെന്നുള്ള ഓപ്പൺ സർക്യൂട്, ഇൻപുട്ട് ഡ്രൈവിന്റെ തുടർച്ച ഇവ നയിക്കുന്നത് ഉയർന്ന റിവേഴ്സ് സ്പൈക്കുകൾ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്ന നിലയിലേക്കാണ്.

സ്പീക്കർ ആന്തരികമായി ഉയർന്ന ഇൻഡക്റ്റീവ് ആയ , സങ്കീർണ്ണമായ reactive ആയ ക്രോസ്ഓവർ ഘടകങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളുമ്പോൾ ഇതിന് വളരെ സാധ്യതയുണ്ട്. ഇവ ആമ്പിന്റെ ഔട്ട്പുട്ട് നോഡ് അവസ്ഥകളെ അപകടകരമായ നിലയിലേക്ക് തള്ളി വിടും. മുകളിൽ പറഞ്ഞതു പോലെ വളരെ സങ്കീർണ്ണമായ ലോഡ്, പ്രധാനമായും വലിയ ഇൻഡക്റ്റീവ് ഘടകങ്ങൾ, അല്ലെങ്കിൽ ആംപ്ലിഫയർ ഔട്ട്പുട്ടിനെ ഹാർഡ് ക്ലിപ്പിംഗിലേക്ക് നയിക്കുന്ന കനത്ത ഓവർഡ്രൈവ്, ഇവയൊക്കെ മൂലം ഉണ്ടാവുന്ന back EMF ൻ്റെ ഫലമായി ഔട്ട്പുട്ട് നോഡിൽ Vcc യേക്കാൾ ഉയർന്ന 'സ്പൈക്കിംഗ്' അപകടസാധ്യത ഉണ്ടാകുന്നു. ഈ ഉയർന്ന റിവേഴ്സ് വോൾട്ടേജുകളുടെ ഫലമായി ഇത് output devices നും, പലപ്പോഴും driver transistors നും കേടുപാടുകൾ വരുത്തും.

ഈയവസരത്തിൽ output node ലെ ഡയോഡു ജോഡികൾ conduct ചെയ്തു മേല്പറഞ്ഞ voltage spikes ഒഴിവാക്കുന്നു. Spikes നെതിരെ ക്ലാമ്പറുകളായി പ്രവർത്തിക്കുന്നതിലൂടെ ഒരു പരിധി വരെ സംരക്ഷണം ഉറപ്പാക്കുന്നു. അതിനാൽ അവയെ സൂചിപ്പിക്കാനുള്ള ശരിയായ പേര് Clamp diodes എന്ന് തന്നെയാണ്. Op amp ചിപ്പുകളുടെ ഔട്ട്പുട്ടുകളിൽ ഈ ടോപ്പോളജി കാണപ്പെടുന്നു (അവയുടെ ആന്തരിക രേഖാ ചിത്രങ്ങൾ നോക്കുക).

Output node ലെ ഈ ഡയോഡുകൾ ആമ്പിന്റെ സാധാരണ പ്രവർത്തനത്തെയും ശബ്ദ ഗുണനിലവാരത്തെയും ബാധിക്കുമെന്ന് ചിലർ ആശങ്കപ്പെടുകയും, പ്രചരിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇത് ഒരു കെട്ടുകഥയേക്കാൾ മോശമായ ഒരു വിശ്വാസം മാത്രമാണ്. ഡയോഡുകൾ നല്ല ഗുണനിലവാരമുള്ളതും, leakage ഇല്ലാത്തതും, അവിടുത്തെ വോൾട്ടേജുകളും കറന്റുകളും കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ മതിയായ അളവിൽ റേറ്റു ചെയ്യപ്പെട്ടതുമാണെങ്കിൽ ഭയപ്പെടേണ്ടതില്ല. വോൾടേജ് റേറ്റിംഗ് മൊത്തം റെയിൽ വോൾട്ടേജുകളുടെ 2.5 ഇരട്ടിയോ അതിൽ കൂടുതലോ ആകാം. സ്പൈക്കുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നതിന് സ്വാഭാവികമായും വേഗത ആവശ്യമാണ്. പക്ഷേ ദൈനം ദിന ഉപയോഗത്തിൽ സാധാരണ ഡയോഡുകൾ മതിയാകും. എന്നിരുന്നാലും ഉയർന്ന വേഗതയുള്ള ഘടകങ്ങൾ നൽകുന്ന പ്രകടനം മികച്ചതായിരിക്കും.

20 Hz മുതൽ 20 kHz വരെ പൂർണ്ണ ശ്രവണ സ്പെക്ട്രം കൈകാര്യം ചെയ്യാനുള്ള കഴിവ് ഈ ഡയോഡുകൾക്ക് ഉണ്ടായിരിക്കണം എന്നതാണ് പരക്കെയുള്ള മറ്റൊരു മിഥ്യാധാരണ. വാസ്തവത്തിൽ ഈ ഡയോഡുകൾക്ക് ആംപ്ലിഫയർ സാധാരണയായി കൈകാര്യം ചെയ്യുന്ന ഓഡിയോ സിഗ്നലുകളുമായി യാതൊരു ബന്ധവുമില്ല എന്നതാണ് സത്യം.

ഔട്ട്പുട്ട് നോഡിൽ ഒരു ജോഡി ഡയോഡുകൾ പതുങ്ങി ഇരുന്നു അത് വഴി പോകുന്ന എല്ലാ ആവൃത്തികളും തുടർച്ചയായി സാമ്പിൾ ചെയ്തു, കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നുവെന്ന് സങ്കൽപ്പിക്കുന്ന “വിദഗ്ധർ” ഈ പാവം ഡയോഡുകൾക്കു എന്തൊക്കെയോ ബുദ്ധി / ശക്തി വിശേഷങ്ങൾ ചാർത്തി കൊടുത്തിരിക്കുകയാണ്. ഡയോഡ് സ്വഭാവ വിശേഷതകളെക്കുറിച്ചുള്ള എല്ലാ അടിസ്ഥാനപാഠങ്ങളും അവർ പൂർണ്ണമായും മറന്നു കഴിഞ്ഞിരിക്കുന്നു.

ഒരു സാധാരണ ഓഡിയോ ആംപ്ലിഫയർ സർക്യൂട്ടിലെ output node ലെ വോൾടേജുകൾ പരിശോധിക്കാം. ഡയോഡിന്റെ കാഥോഡിലെ വോൾടേജ് (upper diode ൻ്റെ കാ ര്യ ത്തി ൽ ഇത് + Vcc ആണ്. ) അർത്ഥമാക്കുന്നത് സാധാരണ പ്രവർത്തനത്തിൽ ഇവ reverse biased ആയിരിക്കും. ഒരിക്കലും forward biased ആകില്ലെന്ന് കാണാൻ കഴിയും. Full drive ൽ ആമ്പ് maximum output നൽകുന്ന സമയത്തും, output voltage ഒരിക്കലും Vcc യിക്കലേക്കു എത്തുന്നില്ല. അതിനാൽ, എല്ലാ പ്രായോഗിക ഉദ്ദേശ്യങ്ങൾക്കും, ആ ഡയോഡുകൾ ഭൗതികമായി അവിടെ ഉണ്ടായിരിക്കും (physically present) , പക്ഷേ അവ പൂർണ്ണമായും ഓപ്പൺ സർക്യൂ ട്ട് ഘടകങ്ങളായി പ്രവർത്തിക്കുന്നതിനാൽ സർക്യൂട്ടിൽ ഉണ്ടാകില്ല -- ഉള്ളതും ഇല്ലാത്തതും ഒരു പോലെ.

ഏതെങ്കിലും കാരണത്താൽ ഒരു ഉയർന്ന back EMF / spike voltage ഉണ്ടായാൽ, അവ ഒരു നിമിഷത്തിനുള്ളിൽ ഡയോഡുകളെ forward bias ചെയ്യുകയും, അവ പെട്ടെന്ന് സക്രിയമായി ദോഷകരമായ voltage / current പ്രവാഹങ്ങളെ ഡയോഡിലൂടെ അകറ്റുകയും, അങ്ങനെ output devices നെ അവയുടെ SOA ക്കുള്ളിൽ നിലനിർത്തി, സംരക്ഷണം നൽകുകയും ചെയ്യുന്നു.

ആശയം വ്യക്തമായി എന്ന് ഞാൻ വിശ്വസിക്കുന്നു.

ഇപ്പോൾ കിട്ടിയത് :

ചോ: പല ടെക്കികളും clamp diodes മാറ്റിയിട്ടാൽ (ഉദാ: 1N4001 നു പകരം 1N4007 ഉപയോഗിച്ചാൽ) അത് ശബ്ദത്തെ, വിശേഷിച്ചു high frequencies നെ ബാധിക്കുമെന്നും, അത് കേൾക്കാൻ കഴിയുമെന്നുമൊക്കെ പറയുന്നു. ഇതിൽ എന്തെങ്കിലും വാസ്തവം ഉണ്ടോ ?

ഉ: ഓഡിയോ മേഖല രസകരമായ ഒരിടം തന്നെയാണ്. Testing by ear എന്ന സങ്കല്പത്തെക്കുറിച്ചു ധാരാളം പഠനങ്ങളും നടന്നിട്ടുണ്ട്. അതിലൊരു പ്രധാന കണ്ടെത്തലാണ്, നമ്മൾ ആഗ്രഹിക്കുന്ന മാറ്റം പലപ്പോഴം കേൾക്കുന്നതായി തോന്നും എന്നത്.

ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു ആമ്പിന്റെ ‘സാദാ’ input capacitor മാറ്റി, പകരം “audiophiles” ൻ്റെ അരുമയായ ഒരു വില പിടിച്ച ബ്രാൻഡ് അവിടെ സ്ഥാപിച്ച ശേഷം audition നടത്തുമ്പോൾ പെട്ടെന്ന് തന്നെ നമ്മൾ ഉള്ളിൽ ആഗ്രഹിച്ച പോലെ “bass വളരെ നന്നായി, mid നു clarity കൂടി, HF soft and smooth ആയി” എന്നൊക്കെ തന്നെ തോന്നും. ഇതൊഴിവാക്കാനാണ് പലർ ചേർന്നിരുന്നു “double blind tests” നടത്തുന്നത്. ഇതിന് ആരെയും കുറ്റം പറഞ്ഞിട്ട് കാര്യമില്ല. വിശ്വാസമല്ലേ എല്ലാം! പക്ഷെ അവനവൻ്റെ അബദ്ധ വിശ്വാസങ്ങൾ മറ്റുള്ളവരിൽ അടിച്ചേൽപ്പിക്കുമ്പോഴാണ് കുഴപ്പമാകുന്നത്.

മുകളിലെ വിശദീകരങ്ങൾ ശ്രദ്ധിച്ചു വായിക്കുക, അപ്പോൾ ഒരു കാര്യം വ്യക്തമാവും – ഈ diodes 99 % സമയവും അവിടെ വെറുതെ ഇരിക്കുകയാണ്. ആമ്പ് കൈകാര്യം ചെയ്യുന്ന audio signals മായി അതിനു ഒരു interaction നും ഇല്ല.

* * * * * * * * * * * *