Klasy wzmacniaczy audio

Zapewne wielu słyszało, że współczesne wzmacniacze mogą należeć do różnych klas. Jednak osoby, którym daleko do systemów akustycznych i technicznych cech sprzętu nagłaśniającego, trudno sobie wyobrazić, co kryje się za oznaczeniami literowymi.

W naszej recenzji porozmawiamy bardziej szczegółowo o tym, jakie są klasy wzmacniaczy, czym one są i jak wybrać optymalny model.

Klasa wzmacniacza to wartość sygnału wyjściowego, przy której jest on wysterowany przez sinusoidalny sygnał wejściowy w obwodzie funkcjonalnym podczas jednego cyklu pracy i zmienia się pod tym wpływem. Podział wzmacniaczy na klasy zależy od parametrów liniowości trybu zastosowanego do wzmocnienia przychodzących sygnałów z kategorii ze zwiększoną dokładnością przy raczej zmniejszonej wydajności do całkowicie nieliniowych. W tym przypadku dokładność odtwarzania dźwięku sygnału nie jest tak duża, ale wydajność jest dość wysoka. Wszystkie pozostałe klasy wzmacniaczy są swego rodzaju modelami pośrednimi między tymi dwiema grupami.

Wszystkie klasy wzmacniaczy można warunkowo podzielić na dwie podgrupy. Pierwsza obejmuje klasyczne modele sterowane klas A, B, a także AB i C. O ich kategorii decyduje parametr ich przewodnictwa w określonym odcinku sygnału wyjściowego. Tak więc działanie wbudowanego tranzystora na wyjściu znajduje się pośrodku między „wyłączonym” a „włączonym”.

Druga kategoria urządzeń obejmuje bardziej nowoczesne modele, które są uważane za tak zwane klasy przełączania - są to modele D, E, F, a także G, S, H i T.

Wzmacniacze te wykorzystują modulację szerokości impulsu, a także obwody cyfrowe do ciągłej konwersji sygnału z pełnego wyłączenia do pełnego włączenia. W konsekwencji następuje silne wyjście w regionie nasycenia.

Bardziej szczegółowo omówimy różne klasy wzmacniaczy.

Modele klasy A są najczęściej używane ze względu na prostotę konstrukcji. Wynika to z kilku parametrów zniekształceń sygnału wejściowego i odpowiednio wysokiej jakości dźwięku w porównaniu ze wszystkimi innymi kategoriami wzmacniaczy. Modele z tej kategorii charakteryzują się dużą liniowością w porównaniu do innych.

Zazwyczaj wzmacniacze pracujące w klasie A wykorzystują w swojej pracy jedną wersję tranzystorów. Jest on połączony z podstawową konfiguracją emitera dla dwóch połówek sygnału, dzięki czemu tranzystor germanowy będzie przez niego niezmiennie przechodził, nawet jeśli nie ma sygnału fazy. Oznacza to, że na wyjściu stopień nie przejdzie w pełni do obszaru odcięcia i nasycenia sygnału. Ma własny punkt odsunięcia w przybliżeniu w środku linii obciążenia. Taka struktura prowadzi do tego, że tranzystor po prostu się nie aktywuje - jest to uważane za jedną z jego podstawowych wad.

Ponieważ urządzenia klasy A są niesymetryczne i działają w strefie liniowej wszystkich określonych krzywych, jedno urządzenie wyjściowe przechodzi przez pełne 360 ​​stopni, w którym to przypadku urządzenie kategorii A w pełni odpowiada źródłu prądu.

Ponieważ wzmacniacze z tej kategorii działają, jak już powiedzieliśmy, w obszarze ultraliniowym, polaryzacja DC musi być ustawiona poprawnie. - zapewni to prawidłowe działanie i da strumień dźwięku o mocy 24 watów. Jednak ze względu na to, że urządzenie wyjściowe jest zawsze w stanie wyłączonym, stale przewodzi prąd, a to stwarza warunki do stałego zaniku mocy w całej konstrukcji. Ta cecha prowadzi do wydzielania dużej ilości ciepła, a ich skuteczność jest raczej niska - poniżej 40%, co czyni je niepraktycznymi w przypadku mocnych systemów akustycznych. Oprócz, ze względu na zwiększony prąd jałowy instalacji, zasilacz musi mieć odpowiednie wymiary i być maksymalnie filtrowany, w przeciwnym razie nie da się uniknąć dźwięku wzmacniacza i szumu osób trzecich. To właśnie te niedociągnięcia skłoniły producentów do dalszej pracy nad wzmacniaczami w bardziej wydajnej kategorii.

Wzmacniacze klasy B zostały zaprojektowane przez producentów w celu rozwiązania problemów związanych z niską wydajnością i przegrzewaniem, związanych z poprzednią kategorią. W swojej pracy modele kategorii B wykorzystują parę dodatkowych tranzystorów, zwykle bipolarnych. Różnica polega na tym, że dla obu połówek sygnał wyjściowy jest zbudowany w układzie push-pull, dzięki czemu każde urządzenie tranzystorowe zapewnia wzmocnienie tylko połowy sygnału wyjściowego.

We wzmacniaczach tej klasy nie ma podstawowego prądu polaryzacji poziomu DC, ponieważ jego prąd spoczynkowy wynosi zero, dlatego parametry mocy DC są zwykle niewielkie. W związku z tym jego wydajność jest znacznie wyższa niż urządzeń A. Jednocześnie gdy sygnał jest dodatni, tranzystor spolaryzowany dodatnio napędza go, podczas gdy ujemny pozostaje wyłączony. Podobnie w momencie, gdy sygnał wejściowy staje się ujemny, dodatni jest wyłączany, a przeciwnie, spolaryzowany ujemnie tranzystor jest aktywowany i dostarcza ujemną połowę sygnału. W rezultacie tranzystor podczas swojej pracy spędza 1/2 cyklu tylko w dodatnim lub ujemnym półcyklu przychodzącego sygnału.

Ta konstrukcja push-pull jest o około 45-60% bardziej wydajna niż wzmacniacze klasy A. Problem z modelami tego typu polega na tym, że dają one znaczne zniekształcenia w momencie przejścia sygnału audio ze względu na „martwą strefę” tranzystorów w korytarzu napięć wejściowych o wartościach od -0,7 V do +0,7 V .

Jak wszyscy wiedzą z kursu fizyki, emiter bazowy musi dostarczyć napięcie około 0,7 V, aby tranzystor bipolarny rozpoczął pełne okablowanie. Dopóki to napięcie nie przekroczy tego znaku, tranzystor wyjściowy nie przesunie się do pozycji włączonej. Oznacza to, że połowa sygnału, który trafia do korytarza 0,7 V, zacznie być nieprecyzyjnie odtwarzana. W konsekwencji sprawia to, że urządzenia kategorii B praktycznie nie nadają się do stosowania w precyzyjnych instalacjach akustycznych.

Do Aby przezwyciężyć te zniekształcenia, stworzono tak zwane urządzenia kompromisowe klasy AB.

Ten model jest rodzajem konstrukcji tandemowej kategorii A i kategorii B. Obecnie wzmacniacze typu AB są uważane za jedną z najczęstszych opcji projektowych. Z zasady działania są trochę podobne do produktów kategorii B, z tym wyjątkiem, że oba urządzenia tranzystorowe mogą jednocześnie przewodzić sygnał w pobliżu punktu przecięcia oscylogramów. To całkowicie eliminuje wszystkie problemy ze zniekształceniami sygnału z poprzedniego wzmacniacza grupy B.Różnica polega na tym, że para tranzystorów ma dość niskie napięcie polaryzacji, zwykle od 5 do 10% prądu spoczynkowego. W tym przypadku element przewodzący pozostaje włączony dłużej niż czas jednego półcyklu, ale jednocześnie jest znacznie krótszy niż czas pełnego cyklu sygnału wejściowego.

Można to śmiało powiedzieć urządzenie typu AB jest uważane za doskonały kompromis pomiędzy modelami klasy A i klasy B pod względem wydajności i liniowości.a wydajność konwersji sygnału audio wynosi około 50%.

Konstrukcja jednostek klasy C ma maksymalną wydajność, ale jednocześnie dość słabą liniowość w porównaniu do wszystkich innych kategorii. Wzmacniacz klasy C jest dość wyraźnie spolaryzowany, więc prąd wejściowy spada do zera i utrzymuje się na tym poziomie przez ponad 1/2 cyklu przychodzącego sygnału. W tym momencie tranzystor jest w trybie gotowości, aby go wyłączyć.

Te cechy konstrukcyjne uniemożliwiają stosowanie wzmacniaczy w systemach głośnikowych. Z reguły modele te znalazły swoje zastosowanie w generatorach wysokiej częstotliwości, a także w niektórych wersjach wzmacniaczy częstotliwości radiowych, w których impulsy prądowe emitowane na wyjściu zamieniane są na fale sinusoidalne o określonej częstotliwości.

Wzmacniacz kategorii D odnosi się do dwukanałowych nieliniowych modeli impulsowych, nazywane są również wzmacniaczami PWM.

W zdecydowanej większości systemów audio stopnie wyjściowe pracują w klasie A lub AB. We wzmacniaczach zintegrowanych grupy D rozproszenie mocy na wejściach liniowych jest znaczące nawet w przypadku ich maksymalnie kompletnej, niemal idealnej realizacji. Daje to modelom klasy D znaczną przewagę w większości obszarów zastosowań ze względu na minimalne wytwarzanie ciepła, zmniejszoną wagę i wymiary urządzenia, a tym samym zmniejszony koszt produktów, podczas gdy żywotność baterii w takich modelach jest zwiększona w porównaniu z modelami inne projekty.

Wzmacniacz klasy F. Modele te zapewniają zwiększoną wydajność, ich sprawność wynosi około 90%.

Wzmacniacz klasy G. Ten wzmacniacz jest w rzeczywistości zaawansowaną, liniową konstrukcją jednostki bazowej TDA klasy AB. Modele z tej kategorii mogą automatycznie przełączać się między różnymi liniami zasilania w przypadku zmiany parametrów przychodzącego sygnału. Takie przełączanie znacznie zmniejsza zużycie energii, a tym samym zmniejsza zużycie energii spowodowane utratą ciepła.

Wzmacniacz klasy I. Takie modele mają kilka zestawów dodatkowych urządzeń wyjściowych. Przed włączeniem znajdują się w konfiguracji push-pull. Pierwsze urządzenie przełącza dodatnią część sygnału, a drugie odpowiada za przełączanie ujemnej, podobnie jak we wzmacniaczach kategorii B. W przypadku braku sygnału audio na wejściu lub gdy sygnał osiągnie punkt przejścia przez zero, mechanizm przełączający włącza się i wyłącza jednocześnie z cyklem głównym.

Wzmacniacz klasy S. Ta klasa wzmacniaczy jest klasyfikowana jako nieliniowy mechanizm przełączania. Pod względem mechanizmu działania są nieco podobne do wzmacniaczy kategorii D. Taki wzmacniacz konwertuje analogowe sygnały wejściowe na cyfrowe, wzmacniając je wielokrotnie. Tak więc, aby zwiększyć moc wyjściową, zwykle sygnał cyfrowy urządzenia przełączającego jest albo całkowicie włączony, albo całkowicie wyłączony, więc sprawność takich urządzeń może wynosić 100%.

Wzmacniacz klasy T. Kolejna opcja dla wzmacniacza cyfrowego. Dziś takie modele zyskują coraz większą popularność dzięki obecności mikroukładów, które umożliwiają cyfrowe przetwarzanie przychodzącego sygnału, a także wbudowanym wielokanałowym wzmacniaczom dźwięku 3D. Efekt ten zapewnia konstrukcja, która umożliwia konwersję sygnałów analogowych na wyższe, cyfrowe dźwięki PWM. Konstrukcja urządzeń klasy C łączy cechy sygnału o niskim poziomie zniekształceń zbliżone do kategorii AV, przy zachowaniu wydajności na poziomie modeli klasy D.

Na początek zastanówmy się, jak w zasadzie działa wzmacniacz. Na pewno się zdziwisz, ale tak naprawdę fabryczny wzmacniacz niczego nie wzmacnia. W rzeczywistości, mechanizm jego działania przypomina działanie najprostszego dźwigu: przekręcasz rączkę i woda z wodociągu zaczyna leć mocniej lub słabiej, a jeśli ją przekręcisz, przepływ zostanie zablokowany. We wzmacniaczach wszystkie procesy zachodzą w ten sam sposób. Z potężnego modułu zasilającego prąd płynie przez głośnik podłączony do urządzenia. W tym przypadku funkcję odczepu przejmują tranzystory – na wyjściu stopień ich zamknięcia i otwarcia kontrolowany jest sygnałem, który przechodzi do wzmacniacza. Z tego, jak dokładnie działa ten dźwig, czyli jak działają tranzystory wyjściowe, i określa się klasę wzmacniaczy.

Jeśli mówimy o urządzeniach AB, to znajdujące się w nich tranzystory mogą mieć nieprzyjemną właściwość otwierania i zamykania się nieproporcjonalnie do docierających do nich sygnałów. W ten sposób ich praca pozostaje niezmieniona. Wracając do analogii z kranem - możesz przekręcić rączkę kranu, ale woda początkowo będzie płynąć słabo, a potem nagle przepływ nagle wzrośnie.

Z tego powodu Tranzystory kategorii AB muszą być utrzymywane w stanie lekko otwartym, nawet jeśli nie ma sygnału. Jest to konieczne, aby natychmiast zaczęły działać i nie czekały, aż sygnał osiągnie określony poziom - tylko w tym przypadku wzmacniacz będzie w stanie odtworzyć dźwięk z minimalnymi zniekształceniami. W praktyce oznacza to, że część użytecznej energii jest marnowana. Wyobraź sobie, że odkręcasz wszystkie krany z wodą w mieszkaniu, a maleńka strużka wody będzie z nich stale wypływać. W efekcie sprawność takich modeli nie przekracza 50-70%, to właśnie niska sprawność jest główną wadą wzmacniaczy klasy AV.

Jeśli mówimy o urządzeniach klasy D, to zasada działania jest absolutnie taka sama: mają własne tranzystory wyjściowe, które można włączać i wyłączać. W ten sposób przepływ prądu przez podłączone do nich głośniki jest regulowany, ale sygnał już kontroluje ich otwarcie, które ze względu na swoją konfigurację jest bardzo dalekie od dochodzącego.

W ten sposób sygnał jest podawany na tranzystory wyjściowe urządzeń klasy D. W tym przypadku będą działać zupełnie inaczej: albo zamkną się w całości, albo otworzą bez żadnych wartości pośrednich. Oznacza to, że sprawność takich modeli może być bliska 100%.

Oczywiście na wysyłanie takich sygnałów do systemów audio jest jeszcze za wcześnie, najpierw powinien wrócić do standardowej konfiguracji. Można to zrobić za pomocą cewki wyjściowej, a także kondensatora - po ich przetworzeniu na wyjściu powstaje wzmocniony sygnał, który swoim kształtem całkowicie powtarza sygnał wejściowy. To on jest przekazywany do głośników.

Główną zaletą urządzeń klasy D jest zwiększona wydajność. i odpowiednio łagodniejsze zużycie energii

Przez długi czas wierzono, że do podłączenia wysokiej jakości zestawów głośnikowych wzmacniacze AB będą optymalnym rozwiązaniem... Modele kategorii D dawały konwersję sygnału przychodzącego na sygnał pulsacyjny o zmniejszonej częstotliwości, w rezultacie dawało dobry dźwięk tylko w trybie subwoofera.W dzisiejszych czasach technologia zrobiła duży krok naprzód, a dziś istnieją już szybkie tranzystory, które mogą otwierać się, a także zamykać niemal natychmiast, w sklepach jest sporo urządzeń szerokopasmowych klasy D.

Modele te są przeznaczone do użytku nie tylko z subwooferami, ale także z nowoczesnymi systemami głośnikowymi wszystkich typów. W przypadku opcji, w których nie jest wymagana duża moc, sensowny jest zakup dość kompaktowego wzmacniacza.

Tak więc, jeśli masz wystarczająco dużo miejsca na podłączenie głośnika, możesz wybrać model klasy AV. Przez kilkadziesiąt lat istnienia obwody tych modeli były dobrze rozwinięte, dają dość dobrą jakość dźwięku, a w przypadku awarii można je łatwo naprawić w najbliższym centrum serwisowym.

Jeśli obszar do instalacji dźwięku jest ograniczony, przyjrzyj się bliżej szerokopasmowym modelom grupy D. Przy tych samych parametrach mocy co produkty klasy AV są znacznie mniejsze i lżejsze, ponadto mniej się nagrzewają, a niektóre modele pozwalają nawet na ich potajemną instalację przy jak najmniejszej ingerencji.

W przypadku podłączenia subwooferów klasa D zapewnia maksymalną przewagę, ponieważ blok basowy jest najbardziej energochłonnym zakresem częstotliwości - w tym przypadku wydajność produktu ma fundamentalne znaczenie, a w tym po prostu nie ma konkurentów dla produktów klasy D.

W tym filmie możesz wyraźniej zapoznać się z klasami wzmacniaczy dźwięku.