Класове за аудио усилватели

Със сигурност мнозина са чували, че съвременните усилватели могат да принадлежат към различни класове. Въпреки това, хората, които са далеч от акустични системи и технически характеристики на звуковото оборудване, трудно могат да си представят какво се крие зад буквените обозначения.

В нашия преглед ще говорим по-подробно за това какви са класовете усилватели, какви са те и как да изберем оптималния модел.

Класът на усилвателя е стойността на изходния сигнал, при която той се задвижва от синусоидалния входен сигнал във функционалната верига по време на един работен цикъл и се променя в резултат на това влияние. Класификацията на усилвателите в класове зависи от параметрите на линейността на режима, използван за усилване на входящите сигнали от категории с повишена точност с доста намалена ефективност до напълно нелинеен. В този случай точността на възпроизвеждане на звука на сигнала не е толкова голяма, но ефективността е доста висока. Всички останали класове усилватели са някакъв вид междинни модели между тези две групи.

Всички класове усилватели могат условно да бъдат разделени на две подгрупи. Първият включва класическите управлявани модели от класове A, B, както и AB и C. Категорията им се определя от параметъра на тяхната проводимост в определен участък от изходния сигнал. По този начин работата на вградения транзистор на изхода се намира в средата между "изключено" и "включено".

Втората категория устройства включва по-модерни модели, които се считат за така наречените превключващи класове - това са модели D, E, F, както и G, S, H и T.

Тези усилватели използват широчинна импулсна модулация, както и цифрови схеми за непрекъснато преобразуване на сигнала между напълно изключен и напълно включен. В резултат на това има мощен изход в областта на насищане.

Ще говорим за различните класове усилватели по-подробно.

Моделите от клас А са най-широко използвани поради тяхната простота на дизайн. Това се дължи на няколко параметъра на изкривяването на входния сигнал и съответно на високото качество на звука в сравнение с всички други категории усилватели. Моделите от тази категория се характеризират с висока линейност в сравнение с други.

Обикновено усилвателите от клас А използват една версия на транзистори в своята работа. Той е свързан към основната конфигурация на емитера за двете половини на сигнала, така че германиевият транзистор неизменно ще преминава през него, дори ако няма фазов сигнал. Това означава, че на изхода етапът няма да премине напълно в зоната на прекъсване на сигнала и насищане. Той има своя собствена точка на изместване приблизително в центъра на товарната линия. Тази структура води до факта, че транзисторът просто не се активира - това се счита за един от основните му недостатъци.

Тъй като устройствата от клас А са единични и работят в линейната зона на всички посочени криви, едно изходно устройство преминава през пълни 360 градуса, като в този случай устройството от категория А напълно съответства на източника на ток.

Тъй като усилвателите от тази категория работят, както вече казахме, в ултралинейната област, DC отклонението трябва да бъде настроено правилно. - това ще осигури правилна работа и ще даде звуков поток с мощност 24 вата. Въпреки това, поради факта, че изходното устройство винаги е в изключено състояние, то непрекъснато провежда ток и това създава условия за постоянна загуба на мощност в цялата конструкция. Тази характеристика води до отделяне на голямо количество топлина, докато ефективността им е доста ниска - под 40%, което ги прави непрактични, когато става въпрос за някакъв вид мощни акустични системи. Освен това, поради увеличения ток на празен ход на инсталацията, захранването трябва да има подходящи размери и да се филтрира колкото е възможно повече, в противен случай не може да се избегне звукът от усилвателя и бръмченето на трети страни. Именно тези недостатъци накараха производителите да продължат да работят върху усилватели в по-ефективна категория.

Усилвателите от клас B са проектирани от производителите за справяне с проблемите с ниската ефективност и прегряването, свързани с предишната категория. В работата си моделите от категория B използват двойка допълнителни транзистори, обикновено биполярни. Тяхната разлика е, че и за двете половини на сигнала изходният фронт е изграден по схема на push-pull, така че всяко транзисторно устройство осигурява усилване само на половината от изходния сигнал.

В усилвателите от този клас няма основен DC ниво на отклонение, тъй като неговият ток на покой е нула, следователно параметрите на DC мощност обикновено са малки. Съответно ефективността му е много по-висока от тази на устройства А. В същото време когато сигналът е положителен, транзисторът с положително отклонение го задвижва, докато отрицателният остава изключен. По същия начин, в момента, когато входният сигнал стане отрицателен, положителният се изключва, а транзисторът с отрицателно отклонение, напротив, се активира и осигурява отрицателната половина на сигнала. В резултат на това транзисторът, по време на своята работа, прекарва 1/2 цикъл само в положителния или отрицателния полупериод на входящия сигнал.

Този push-pull дизайн е с около 45-60% по-ефективен от усилвателите от клас А. Проблемите с моделите от този тип са, че те дават значително изкривяване в момента на преминаване на аудиосигнала поради "мъртвата зона" на транзисторите в коридора на входните напрежения със стойности от -0,7 V до +0,7 V .

Както всички знаят от курса по физика, базовият емитер трябва да осигури напрежение от около 0,7 V, за да може биполярният транзистор да започне пълно окабеляване. Докато това напрежение не надвишава този знак, изходният транзистор няма да се премести във включено положение. Това означава, че половината от сигнала, който отива в коридора 0,7 V, ще започне да се възпроизвежда неточно. Следователно, това прави устройствата от категория B практически неподходящи за използване в прецизни акустични инсталации.

За за преодоляване на тези изкривявания бяха създадени така наречените компромисни устройства от клас AB.

Този модел е вид тандемен дизайн от категория A и категория B. Днес усилвателите от тип AB се считат за един от най-често срещаните варианти за дизайн. По принципа на тяхното действие те са малко като продукти от категория B, с единственото изключение, че и двете транзисторни устройства могат да провеждат сигнал едновременно близо до пресечната точка на осцилограмите. Това напълно елиминира всички проблеми с изкривяването на сигнала на предишния усилвател от група B.Разликата е, че двойка транзистори има доста ниско напрежение на отклонение, обикновено 5 до 10% от тока на покой. В този случай проводящото устройство остава включено по-дълго от времето на един полупериод, но в същото време е много по-малко от пълния цикъл на входния сигнал.

Безопасно е да се каже това устройството тип AB се счита за отличен компромис между моделите от клас A и клас B по отношение на ефективност и линейност.и докато ефективността на преобразуване на аудио сигнала е приблизително 50%.

Дизайнът на агрегатите от C-класа има максимална ефективност, но в същото време доста слаба линейност в сравнение с всички други категории. Усилвателят от клас C е доста забележимо предубеден, така че входният ток отива на нула и остава на това ниво за повече от 1/2 цикъл от входящия сигнал. В този момент транзисторът е в режим на готовност, за да го изключи.

Тези конструктивни характеристики правят невъзможно използването на усилватели в системи за високоговорители. По правило тези модели са намерили своята област на приложение във високочестотни генератори, както и в определени версии на радиочестотни усилватели, където токовите импулси, излъчвани на изхода, се преобразуват в синусоидални вълни с определена честота.

Усилвателят от категория D се отнася до двуканални нелинейни импулсни модели, те също се наричат ​​PWM усилватели.

В по-голямата част от аудио системите изходните стъпала работят в клас A или AB. При интегрираните усилватели от група D, разсейването на мощността на линейните входове е значително дори в случай на тяхното максимално пълно, почти идеално изпълнение. Това дава на моделите от клас D значително предимство в повечето области на приложение поради минимално генериране на топлина, намалено тегло и размери на устройството и съответно намалена цена на продуктите, докато животът на батерията в такива модели се увеличава в сравнение с моделите на други дизайни.

Клас F усилвател. Тези модели осигуряват повишена ефективност, тяхната ефективност е около 90%.

Клас G усилвател. Този усилвател всъщност е усъвършенстван дизайн с висока линейност на базовия блок TDA от клас AB. Моделите от тази категория могат автоматично да превключват между различни електропроводи в случай на промяна в параметрите на входящия сигнал. Такова превключване значително намалява консумацията на енергия и съответно намалява консумацията на енергия, причинена от топлинните загуби.

Клас I усилвател. Такива модели имат няколко комплекта допълнителни изходни устройства. Преди включване те са разположени в push-pull конфигурация. Първото устройство превключва положителната част на сигнала, а второто е отговорно за превключването на отрицателната част, подобно на усилвателите от категория B. Ако няма аудио сигнал на входа или ако сигналът достигне точката на пресичане на нулата, превключващият механизъм се включва и изключва едновременно с основния цикъл.

Клас S усилвател. Този клас усилватели се класифицира като нелинеен превключващ механизъм. По своя механизъм на действие те донякъде приличат на усилвателите от категория D. Такъв усилвател преобразува аналоговите входни сигнали в цифрови, като ги усилва многократно. По този начин, за да се увеличи изходната мощност, обикновено цифровият сигнал на превключващото устройство е или напълно включен, или напълно изключен, така че ефективността на такива устройства може да бъде 100%.

Клас Т усилвател. Друг вариант за цифров усилвател. Днес подобни модели набират все по-голяма популярност поради наличието на микросхеми, които позволяват цифрова обработка на входящия сигнал, както и вградени многоканални 3D звукови усилватели. Този ефект се осигурява от дизайн, който позволява преобразуването на аналогови сигнали в по-високи цифрови PWM звуци. Дизайнът на устройствата от клас C съчетава характеристиките на сигнал с ниско изкривяване, подобен на AV категорията, като същевременно запазва ефективността на нивото на моделите от клас D.

За начало нека се спрем на това как работи усилвателят по принцип. Със сигурност ще се изненадате, но всъщност фабричният усилвател не усилва нищо. Всъщност, механизмът на неговата работа прилича на работата на най-простия кран: завъртате дръжката и водата от водопровода започва да се лее, по-силно или по-слабо и ако я завъртите, потокът ще бъде блокиран. В усилвателите всички процеси протичат по един и същи начин. От мощния захранващ модул ток тече през високоговорителя, свързан към устройството. В този случай функцията на кранчето се поема от транзистори - на изхода степента на тяхното затваряне и отваряне се контролира от сигнала, който преминава към усилвателя. От това как точно функционира този кран, тоест как работят изходните транзистори и се определя класът на усилвателите.

Ако говорим за AB устройства, тогава транзисторите в тях може да имат неприятното свойство да се отварят и затварят непропорционално на сигналите, пристигащи към тях. Така работата им остава непроменена. Връщайки се към аналогията с крана - можете да завъртите дръжката на крана, но водата отначало ще тече слабо, а след това изведнъж потокът внезапно ще се увеличи.

Поради тази причина Транзисторите от категория AB трябва да се държат отворени, дори ако няма сигнал. Това е необходимо, за да започнат да работят незабавно, а не да чакат, докато сигналът достигне определено ниво - само в този случай усилвателят ще може да възпроизвежда звук с минимално изкривяване. На практика това означава, че част от полезната енергия се губи. Само си представете, че пускате всички кранове за вода в апартамента и от тях непрекъснато ще изтича малка струйка вода. В резултат на това ефективността на такива модели не надвишава 50-70%, именно ниската ефективност е основният недостатък на усилвателите от AV клас.

Ако говорим за устройства от клас D, тогава принципът на работа е абсолютно същият: те имат собствени изходни транзистори, които могат да се включват и изключват. Така преминаването на ток през свързаните към тях високоговорители се регулира, но сигналът вече контролира отварянето им, което по своята конфигурация е много далеч от входящото.

По този начин сигналът се подава към изходните транзистори на устройства от клас D. В този случай те ще функционират напълно различно: или се затварят напълно, или се отварят без никакви междинни стойности. Това означава, че ефективността на такива модели може да бъде близо до 100%.

Разбира се, твърде рано е да се изпращат такива сигнали към аудио системите, първо трябва да се върне към стандартната конфигурация. Това може да стане с помощта на изходен индуктор, както и кондензатор - след обработката им на изхода се образува усилен сигнал, който по своята форма напълно повтаря входния сигнал. Той е този, който се предава на говорителите.

Основното предимство на устройствата от клас D е повишената ефективност. и съответно по-щадящо потребление на енергия

Дълго време се вярваше, че за свързване на висококачествени високоговорители, усилвателите AB ще бъдат оптималното решение... Моделите от категория D дадоха преобразуване на входящия сигнал в импулсен сигнал с намалена честота, в резултат на което даде добър звук само в режим на субуфер.В днешно време технологията направи голяма крачка напред и днес вече има високоскоростни транзистори, които могат да се отварят и затварят почти мигновено, има доста D-клас широколентови устройства в магазините.

Тези модели са предназначени за използване не само със субуфери, но и със съвременни високоговорители от всякакъв тип. За тези опции, при които не се изисква висока мощност, има смисъл да закупите доста компактен усилвател.

По този начин, ако имате достатъчно място за свързване на високоговорителя, тогава можете да изберете модел от AV клас. В продължение на няколко десетилетия на съществуване схемата на тези модели е добре развита, те дават доста добро качество на звука и в случай на повреда можете лесно да ги поправите в най-близкия сервизен център.

Ако зоната за звукова инсталация е ограничена, тогава трябва да разгледате по-отблизо широколентовите модели от група D. Със същите параметри на мощността като продуктите от клас AV, те са много по-малки и по-леки, освен това загряват по-малко, а някои модели дори позволяват да се инсталират тайно с най-малко смущения.

За свързване на субуфери D-класата задава максимално предимство, тъй като блокът на басите е най-енергийният честотен диапазон - в този случай ефективността на продукта е от основно значение и в това просто няма конкуренти на продуктите от D-клас.

В това видео можете по-ясно да се запознаете с класовете на звуковите усилватели.