Razredi ojačevalcev zvoka

Zagotovo so mnogi slišali, da lahko sodobni ojačevalniki pripadajo različnim razredom. Vendar ljudje, ki so daleč od akustičnih sistemov in tehničnih značilnosti zvočne opreme, verjetno ne bodo razumeli, kaj se skriva za črkovnimi oznakami.

V našem pregledu bomo podrobneje govorili o tem, kaj so razredi ojačevalnikov, kaj so in kako izbrati optimalen model.

Razred ojačevalnika je vrednost izhodnega signala, pri kateri ga v funkcionalnem diagramu med enim obratovalnim ciklom poganja sinusoidni vhodni signal in se spreminja kot posledica tega učinka. Razvrstitev ojačevalnikov v razrede je odvisna od parametrov linearnosti načina, ki se uporablja za ojačanje vhodnih signalov iz kategorij s povečano natančnostjo pri precej zmanjšani učinkovitosti do popolnoma nelinearnih. V tem primeru natančnost zvočne reprodukcije signala ni tako velika, vendar je učinkovitost precej visoka. Vsi drugi razredi ojačevalnikov so neke vrste vmesni modeli med tema dvema skupinama.

Vse razrede ojačevalnikov lahko pogojno razdelimo v dve podskupini. Prvi vključuje klasične krmiljene modele razredov A, B, pa tudi AB in C. Njihova kategorija je določena s parametrom njihove prevodnosti v določenem delu izhodnega signala. Tako se delovanje vgrajenega tranzistorja na izhodu nahaja na sredini med "off" in "on".

Druga kategorija naprav vključuje sodobnejše modele, ki se štejejo za tako imenovane stikalne razrede - to so modeli D, E, F, pa tudi G, S, H in T.

Ti ojačevalniki pri delovanju uporabljajo impulzno-širinsko modulacijo, pa tudi digitalna vezja za neprekinjen prehod signala med "popolnoma izklopljen" in "popolnoma vklopljen". Posledično pride do močnega izhoda v območju nasičenosti.

Podrobneje bomo govorili o različnih razredih ojačevalnikov.

Modeli razreda A so najpogosteje uporabljeni zaradi preprostosti njihove zasnove. To je posledica več parametrov popačenja vhodnega signala in s tem visoke kakovosti zvoka v primerjavi z vsemi drugimi kategorijami ojačevalnih naprav. Modeli v tej kategoriji so v primerjavi z drugimi zelo linearni.

Običajno ojačevalniki razreda A pri svojem delu uporabljajo eno različico tranzistorjev. Povezan je z osnovno konfiguracijo oddajnika za dve polovici signala, tako da germanijev tranzistor vedno prehaja skozenj, tudi če ni faznega signala. To pomeni, da na izhodu stopnja ne bo v celoti prešla v območje izklopa in nasičenosti signala. Ima lastno odklonsko točko približno v središču tovorne črte. Takšna struktura vodi do dejstva, da se tranzistor preprosto ne aktivira - to je tisto, kar velja za eno njegovih osnovnih pomanjkljivosti.

Ker so naprave razreda A enojne in delujejo v linearnem območju vseh danih krivulj, ena izhodna naprava potuje skozi polnih 360 stopinj, v tem primeru je naprava kategorije A popolnoma združljiva s trenutnim virom.

Ker ojačevalniki v tej kategoriji delujejo, kot smo že povedali, v ultra-linearnem območju, mora biti prednapetost enosmernega toka pravilno nastavljena. - to bo zagotovilo pravilno delovanje in dalo zvočni tok z močjo 24 vatov. Vendar pa zaradi dejstva, da je izhodna naprava vedno v izklopljenem stanju, neprekinjeno izvaja tok, kar ustvarja pogoje za stalno izgubo moči v celotni strukturi. Ta lastnost vodi do sproščanja velike količine toplote, medtem ko je njihova učinkovitost precej nizka - ne presega 40%, zaradi česar so nepraktični, ko gre za nekakšne močne akustične sisteme. Poleg tega zaradi povečanega toka v prostem teku inštalacije mora biti napajalnik ustreznih dimenzij in čim bolj filtriran, sicer se zvoku ojačevalca in tujemu brnenju ne moremo izogniti. Prav te pomanjkljivosti so privedle do dejstva, da so bili proizvajalci prisiljeni nadaljevati delo pri ustvarjanju ojačevalnikov učinkovitejše kategorije.

Proizvajalci so ustvarili ojačevalnike razreda B za reševanje težav, povezanih z nizko učinkovitostjo in povečano stopnjo pregrevanja, ki so značilne za naprave prejšnje kategorije. Pri svojem delu modeli kategorije B uporabljajo par dodatnih tranzistorjev, običajno bipolarnih. Njihova razlika je v tem, da je za obe polovici signala izhodni rob zgrajen v skladu s potisnim in vlečnim vezjem, tako da vsaka tranzistorska naprava ojača samo polovico izhodnega signala.

V tem razredu ojačevalnikov ni osnovnega enosmernega prednapetostnega toka, ker je njegov mirovalni tok enak nič, zato so nazivne enosmerne moči običajno nizke. V skladu s tem je njegova učinkovitost veliko večja kot pri napravah A. Hkrati ko je signal pozitiven, ga poganja pozitivno pristranski tranzistor, negativno pristranski tranzistor pa ostane izklopljen. Podobno se v trenutku, ko vhodni signal dobi negativno vrednost, pozitivni izklopi, negativno pristranski tranzistor pa se, nasprotno, aktivira in zagotavlja negativno polovico signala. Posledično tranzistor med svojim delovanjem prepelje 1/2 cikla le v pozitivnem ali negativnem polciklu vhodnega signala.

Ta potisno-vlečna zasnova je približno 45–60 % učinkovitejša od ojačevalnikov razreda A. Težave s tovrstnimi modeli so, da dajejo znatno popačenje v času prehoda zvočnega signala zaradi "mrtve cone" tranzistorjev v koridorju vhodne napetosti z vrednostmi od -0,7 V do +0,7 V.

Kot vsi vedo iz tečaja fizike, mora osnovni oddajnik dati napetost približno 0,7 V, da lahko bipolarni tranzistor začne polno ožičenje.Dokler ta napetost ne preseže te oznake, se izhodni tranzistor ne bo premaknil v položaj za vklop. To pomeni, da se bo polovica signala, ki gre v koridor 0,7 V, začela netočno reproducirati. Skladno s tem so naprave kategorije B praktično neprimerne za uporabo v natančnih akustičnih inštalacijah.

Za za premagovanje teh izkrivljanj so bile ustvarjene tako imenovane kompromisne naprave razreda AB.

Ta model je nekakšen tandem zasnove kategorije A in kategorije B. Danes ojačevalniki tipa AB veljajo za eno najpogostejših možnosti oblikovanja. Delujejo podobno kot izdelki kategorije B, z edino izjemo, da lahko obe tranzistorski napravi hkrati vodita signal blizu presečišča valovne oblike. To popolnoma odpravi vse težave z izkrivljanjem signala prejšnjega ojačevalnika skupine B. Razlika je v tem, da ima par tranzistorjev dokaj nizko prednapetost, praviloma je od 5 do 10% parametrov mirujočega toka. V tem primeru prevodna naprava ostane vključena dlje kot čas enega polcikla, hkrati pa je to veliko manj kot polni cikel vhodnega signala.

S popolno gotovostjo lahko trdimo, da naprava tipa AB velja za odličen kompromis med modeli razreda A in razreda B glede učinkovitosti in linearnosti.in medtem ko je učinkovitost pretvorbe zvočnega signala približno 50 %.

Instalacije razreda C so zasnovane tako, da so čim bolj učinkovite, vendar imajo precej slabo linearnost v primerjavi z vsemi drugimi kategorijami. Ojačevalnik razreda C je precej opazno pristranski, zato gre vhodni tok na nič in tam ostane več kot 1/2 cikla vhodnega signala. V tem času je tranzistor v stanju pripravljenosti za izklop.

Takšne konstrukcijske značilnosti onemogočajo uporabo ojačevalnikov v akustičnih sistemih. Ti modeli so praviloma našli področje uporabe v visokofrekvenčnih generatorjih, pa tudi v posameznih različicah radiofrekvenčnih ojačevalnikov, kjer se tokovni impulzi, oddani na izhodu, pretvorijo v sinusne valove določene frekvence.

Ojačevalnik kategorije D se nanaša na dvokanalne nelinearne preklopne modele, imenujemo jih tudi ojačevalniki PWM.

V veliki večini avdio sistemov izhodne stopnje delujejo v razredih A ali AB. V integriranih ojačevalnikih skupine D je disipacija moči linijskih vhodov pomembna tudi v primeru njihove najbolj popolne, skoraj idealne izvedbe. To daje modelom razreda D pomembno prednost v večini aplikacij zaradi minimalne proizvodnje toplote, zmanjšane teže in dimenzij naprave ter s tem nižjih stroškov izdelka, medtem ko je življenjska doba baterije v takšnih modelih povečana v primerjavi z modeli drugih modelov.

Ojačevalnik razreda F. Ti modeli zagotavljajo povečano učinkovitost, njihova učinkovitost je približno 90%.

Ojačevalnik razreda G. Ta ojačevalnik je pravzaprav napredna visoko linearna zasnova osnovne naprave razreda AB na TDA. Modeli v tej kategoriji lahko samodejno preklapljajo med različnimi električnimi vodi v primeru spremembe parametrov dohodnega signala. Takšen preklop močno zmanjša porabo energije in posledično zmanjša porabo energije, ki nastane zaradi toplotnih izgub.

Ojačevalnik razreda I. Takšni modeli imajo nekaj kompletov dodatnih izhodnih naprav. Pred vklopom so razporejeni v konfiguracijo push-pull. Prva naprava preklopi pozitivni del signala, druga pa je odgovorna za preklop negativnega dela, podobno kot pri ojačevalnikih kategorije B. Če na vhodu ni zvočnega signala ali če signal doseže ničelno križišče, preklop mehanizem se vklopi in izklopi hkrati z glavnim ciklom.

Ojačevalnik razreda S. Ta razred ojačevalnikov je razvrščen kot nelinearni preklopni mehanizem. Po mehanizmu delovanja so nekoliko podobni ojačevalnikom kategorije D. Takšen ojačevalnik pretvori analogne vhodne signale v digitalne in jih večkrat ojača. Tako je za povečanje izhodne moči običajno digitalni signal preklopne naprave popolnoma vklopljen ali popolnoma izklopljen, tako da je učinkovitost takih naprav lahko 100-odstotna.

Ojačevalnik razreda T. Druga različica digitalnega ojačevalnika. Danes takšni modeli postajajo vse bolj priljubljeni zaradi prisotnosti mikrovezij, ki omogočajo digitalno obdelavo dohodnega signala, kot tudi vgrajenih večkanalnih 3D ojačevalnikov zvoka.Ta učinek zagotavlja zasnova, ki omogoča pretvorbo analognih signalov v zvoke digitalnega tipa z visoko PWM. Zasnova naprav razreda C združuje značilnosti nizkega popačenja signala, podobnega kategoriji AB, hkrati pa ohranja učinkovitost modelov razreda D.

Za začetek se osredotočimo na načelo delovanja ojačevalnika. Zagotovo boste presenečeni, a v resnici tovarniški ojačevalnik ne ojača ničesar. Pravzaprav, mehanizem njegovega delovanja je podoben delovanju najpreprostejšega žerjava: zasukaš ročaj in voda iz vodovoda začne teči, močneje ali šibkeje, in če jo zasukaš, se tok zamaši. V ojačevalnikih se vsi procesi odvijajo na enak način. Iz močnega napajalnega modula teče tok skozi zvočnik, priključen na napravo. V tem primeru funkcijo odcepa prevzamejo tranzistorji - na izhodu se stopnja njihovega zapiranja in odpiranja nadzoruje s signalom, ki prehaja na ojačevalnik. Od tega, kako točno ta kran deluje, to je, kako delujejo izhodni tranzistorji, se določi razred ojačevalnikov.

Če govorimo o napravah AB, potem imajo lahko tranzistorji v njih neprijetno lastnost, da se odpirajo in zapirajo nesorazmerno s signali, ki prihajajo do njih. Tako njihovo delo ostane nespremenjeno. Če se vrnemo k analogiji s pipo, lahko obrnete ročaj pipe, vendar bo voda sprva tekla počasi, nato pa se bo pretok nenadoma nenadoma povečal.

Zaradi tega razloga Tranzistorje kategorije AB je treba držati priprte, tudi če ni signala. To je potrebno, da začnejo delovati takoj in ne čakajo, da signal doseže določeno raven - le v tem primeru bo ojačevalnik lahko reproduciral zvok z minimalnim popačenjem. V praksi to pomeni, da se nekaj koristne energije izgubi. Predstavljajte si, da odprete vse vodovodne pipe v stanovanju in iz njih neprestano teče majhen curek vode. Posledično učinkovitost takšnih modelov ne presega 50-70%, prav nizka učinkovitost je glavna pomanjkljivost ojačevalnikov razreda AB.

Če govorimo o napravah razreda D, potem je njihovo načelo delovanja popolnoma enako: imajo lastne izhodne tranzistorje, ki se lahko zapirajo in odpirajo. Tako je reguliran prehod toka skozi zvočnike, povezane z njimi, vendar le signal nadzoruje njihovo odpiranje, ki je po svoji konfiguraciji zelo oddaljen od vhodnega.

Tako se signal uporabi za izhodne tranzistorje naprav razreda D. V tem primeru bodo delovali na popolnoma drugačen način: ali se popolnoma zaprejo ali odprejo brez vmesnih vrednosti. To pomeni, da je učinkovitost takih modelov lahko blizu 100%.

Seveda je še prezgodaj za prenos takšnih signalov v avdio sisteme, najprej bi se moral vrniti v standardno konfiguracijo. To je mogoče storiti z izhodno dušilko, pa tudi s kondenzatorjem - po njihovi obdelavi se na izhodu oblikuje ojačan signal, ki v svoji obliki popolnoma ponovi dohodni. On je tisti, ki se prenaša na zvočnike.

Glavna prednost naprav razreda D je povečana učinkovitost in posledično varčnejša poraba energije

Dolgo časa se je domnevalo, da za priklop kakovostnih akustičnih inštalacij bodo najboljša rešitev AB ojačevalci. Modeli kategorije D so dohodni signal pretvorili v impulzni signal z zmanjšano frekvenco, posledično je dal dober zvok samo v načinu nizkotonca. Tehnologija je dandanes naredila velik korak naprej in danes že obstajajo hitri tranzistorji, ki se lahko odprejo in zaprejo skoraj v trenutku, v trgovinah je kar nekaj širokopasovnih naprav razreda D.

Ti modeli so zasnovani za uporabo ne le z nizkotonskimi zvočniki, ampak tudi s sodobnimi akustičnimi sistemi katere koli vrste. Za tiste možnosti, kjer visoka moč ni potrebna, je smiselno kupiti dokaj kompakten ojačevalnik.

Torej, če imate dovolj prostora za priključitev zvočnikov, potem lahko izberete model razreda AB. V nekaj desetletjih obstoja je bilo vezje teh modelov dobro razvito, dajejo dokaj dobro kakovost zvoka, v primeru okvare pa jih lahko enostavno popravite v najbližjem servisnem centru.

Če je območje za zvočno namestitev omejeno, si morate podrobneje ogledati širokopasovne modele skupine D. Z enakimi parametri moči kot izdelki razreda AB so veliko manjši in lažji, poleg tega se manj segrevajo, nekateri modeli pa vam omogočajo celo diskretno namestitev z najmanj posegi.

Za povezavo globokotonca, največja prednost pri namestitvah razreda D, saj je blok nizkih tonov najbolj energijsko potratno frekvenčno območje - v tem primeru je učinkovitost izdelka temeljnega pomena in v tem preprosto ni konkurentov za izdelke razreda D.

V tem videu se lahko bolj jasno seznanite z razredi ojačevalnikov zvoka.