Audio zesilovač je obecný termín používaný k popisu obvodu, který produkuje a zesiluje verzi svého vstupního signálu. Ne všechny technologie převodníků jsou však stejné, protože jsou klasifikovány podle jejich konfigurací a provozních režimů.
V elektronice se běžně používají malé zesilovače, protože jsou schopny zesílit relativně malý vstupní signál, například ze senzoru, jako je hudební přehrávač, na mnohem větší výstupní signál pro ovládání relé, lampy nebo reproduktoru, atd.
Existuje mnoho forem elektronických obvodů klasifikovaných jako zesilovače, od provozních a malých převodníků signálu až po velké pulzní a výkonové převodníky. Klasifikace zařízení závisí na velikosti signálu, velký nebo malý, jeho fyzické konfiguraci a způsobu zpracování vstupního toku, tedy vztahu mezi vstupní úrovní a proudem tekoucím zátěží.
Anatomie zařízení
Audiofrekvenční zesilovače lze považovat za jednoduchou krabicinebo blok obsahující zařízení, jako je bipolární, FET nebo provozní senzor, který má dvě vstupní a dvě výstupní svorky (zem je společná). Navíc je výstupní signál mnohem větší díky jeho konverzi na zařízení.
Ideální zesilovač signálu bude mít tři hlavní vlastnosti:
- Vstupní impedance nebo (R IN).
- Výstupní odpor nebo (R OUT).
- Zisk nebo (A).
Bez ohledu na to, jak složitý je obvod zesilovače, lze k demonstraci vztahu těchto tří vlastností použít obecný blokový model.
Obecné pojmy
Vysoce kvalitní audio zesilovače se mohou lišit ve výkonu. Každý typ má digitální nebo analogový převod. Kódy jsou nastaveny tak, aby je oddělovaly.
Zvětšený rozdíl mezi vstupními a výstupními signály se nazývá konverze. Zisk je míra toho, jak moc zesilovač "transformuje" vstupní signál. Pokud je například vstupní úroveň 1 volt a výstupní úroveň 50 voltů, pak převod bude 50. Jinými slovy, vstupní signál byl vyvinut 50krát. Audio frekvenční zesilovač dělá právě to.
Výpočet konverze je jednoduše poměr výstupu dělený vstupem. Tento systém nemá jednotky jako svůj poměr, ale v elektronice se pro zisk běžně používá symbol A. Přepočet se pak jednoduše vypočítá jako "výstup dělený vstupem".
Výkonové měniče
Malá lupaZesilovač signálu je běžně označován jako "napěťový" zesilovač, protože má tendenci převádět malý vstup na mnohem větší výstupní napětí. Někdy je k pohonu motoru nebo reproduktoru vyžadován obvod zařízení a pro tyto typy aplikací, kde jsou zapojeny vysoké spínací proudy, jsou zapotřebí výkonové měniče.
Jak název napovídá, hlavním úkolem výkonového zesilovače (známého také jako velký zesilovač signálu) je dodávat energii do zátěže. Je to součin napětí a proudu aplikovaného na zátěž s výstupním výkonem vyšším, než je úroveň vstupního signálu. Jinými slovy, převodník zvyšuje výkon reproduktoru, takže tento typ blokového obvodu se používá ve vnějších stupních audio převodníků k pohonu reproduktorů.
Princip fungování
Audio zesilovač pracuje na principu přeměny stejnosměrného proudu odebraného z napájecího zdroje na signál střídavého napětí přiváděný do zátěže. Přestože je konverze vysoká, účinnost stejnosměrného napájení na výstupní signál střídavého napětí je obecně nízká.
Ideální blok dává zařízení účinnost 100% nebo alespoň příkon se bude rovnat výkonu VÝSTUPU.
divize třídy
Pokud se uživatelé někdy podívali na specifikaci audio zesilovačů, možná si všimli tříd zařízení, obvykle označených písmenem nebodva. Nejběžnější typy bloků používané v dnešním domácím audiu jsou hodnoty A, A/B, D, G a H.
Tyto třídy nejsou jednoduchými klasifikačními systémy, ale popisem topologie zesilovačů, tedy toho, jak fungují na základní úrovni. I když každý typ zesilovače má svou vlastní sadu silných a slabých stránek, jejich výkon (a způsob měření konečných charakteristik) zůstává stejný.
Slouží ke konverzi tvaru vlny odeslané předjednotkou bez rušení nebo alespoň co nejmenšího zkreslení.
Třída A
Ve srovnání s jinými třídami audio zesilovačů, které budou popsány níže, jsou modely třídy A relativně jednoduchá zařízení. Definujícím principem činnosti je, že všechny výstupní bloky převodníku musí projít kompletním 360stupňovým signálovým cyklem.
Třídu A lze také rozdělit na jednokoncové a push-pull zesilovače. Push/pull se liší od hlavního vysvětlení výše použitím výstupních zařízení ve dvojicích. Zatímco obě zařízení běží celý 360stupňový cyklus, jedno zařízení ponese většinu zátěže během pozitivní části cyklu, zatímco druhé ponese větší část negativního cyklu.
Hlavní výhodou tohoto obvodu je snížené zkreslení ve srovnání s jednořadými konstrukcemi, protože jsou eliminovány rovnoměrné kolísání pořadí. Kromě toho jsou push-pull konstrukce třídy A méně citlivé na hluk.
Vzhledem k pozitivním vlastnostem spojeným s výkonem třídy A je považován za zlatý standard kvality zvuku v mnoha akustických aplikacích. Tyto návrhy však mají jednu důležitou nevýhodu - efektivitu.
Požadavek na tranzistorové audio zesilovače třídy A, aby měla všechna výstupní zařízení neustále zapnutá. Toto působení vede k výrazné ztrátě energie, která se nakonec přemění na teplo. To je dále umocněno skutečností, že konstrukce třídy A vyžadují relativně vysoké úrovně klidového proudu, což je množství proudu protékající výstupními zařízeními, když zesilovač produkuje nulový výstup. Skutečná míra účinnosti může být v řádu 15–35 %, přičemž při použití vysoce dynamického zdrojového materiálu jsou možné jednociferné hodnoty.
Třída B
Zatímco všechny výstupní mechanismy v audio zesilovači třídy A zaberou 100 % času, než se spustí, jednotky třídy B používají push-pull obvody tak, že pouze polovina výstupních zařízení je vedena kdykoli.
Jedna polovina pokrývá +180° část křivky, zatímco druhá polovina pokrývá -180° část. V důsledku toho jsou zesilovače třídy B výrazně účinnější než jejich protějšky třídy A, s teoretickým maximem 78,5 %. Vzhledem k relativně vysoké účinnosti byla třída B použita v některých profesionálních PA převodnících a také v některých domácích lampových zesilovačích. Navzdory nimzjevná síla, šance na získání bloku třídy B pro dům jsou prakticky nulové. Zkoumání audio zesilovače ukázalo příčinu tohoto, známého jako crossover zkreslení.
Problém s latencí při předávání mezi zařízeními zpracovávajícími kladnou a zápornou část křivky je považován za významný. Je samozřejmé, že toto zkreslení je slyšitelné v dostatečném množství, a zatímco některé návrhy třídy B byly v tomto ohledu lepší než jiné, třída B získala od nadšenců čistého zvuku jen malé uznání.
Třída A/B
Elektronový audio zesilovač lze nalézt na mnoha koncertních místech. Má vysoký výkon a nepřehřívá se. Kromě toho jsou modely mnohem levnější než mnoho digitálních bloků. Existují ale i odchylky. Takový modul nemusí fungovat se všemi audio formáty. Proto je lepší používat zařízení jako součást obecného komplexu zpracování signálu.
Třída A/B kombinuje to nejlepší z každého typu zařízení a vytváří jednotku bez nevýhod obou. Díky této kombinaci výhod zesilovače třídy A/B do značné míry dominují spotřebitelskému trhu.
Koncepce řešení je vlastně docela jednoduchá. Tam, kde třída B používá push-pull zařízení s každou polovinou koncového stupně vedoucího o 180 stupňů, mechanismy třídy A/B jej zvyšují na ~181-200 stupňů. Tedy existujemnohem méně pravděpodobné, že dojde k „trhání“smyčky, a proto zkreslení výhybky klesne do bodu, kdy na tom nezáleží.
Ventilové audio výkonové zesilovače mohou absorbovat toto rušení mnohem rychleji. Díky této vlastnosti vychází zvuk ze zařízení mnohem čistěji. Modely těchto charakteristik se často používají k transformaci zvuku akustických a elektrických kytar.
Stačí říci, že třída A/B plní svůj slib a snadno překonává čisté konstrukce třídy A při ~50-70% výkonu v reálném světě. Skutečné úrovně samozřejmě závisí na tom, jak moc je zesilovač offset, stejně jako na materiálu programu a dalších faktorech. Za zmínku také stojí, že některé konstrukce třídy A/B jdou ještě o krok dále ve snaze eliminovat zkreslení výhybky provozem v čistém režimu třídy A až do výkonu několika wattů. To poskytuje určitou účinnost při nízkých úrovních, ale zajišťuje, že se zesilovač při použití velkého množství energie nezmění v pec.
Třídy G a H
Další dvojice designů navržená pro zvýšení účinnosti. Z technického hlediska nejsou zesilovače třídy G ani třídy H oficiálně uznávány. Místo toho se jedná o variace na téma třídy A/B využívající přepínání napětí sběrnice a modulaci sběrnice. V každém případě v podmínkách nízké poptávky systém používá nižší napětí sběrnice než podobný zesilovač třídy A/B, což výrazněsnižuje spotřebu energie. Když nastanou podmínky vysokého výkonu, systém dynamicky zvýší napětí sběrnice (tj. přepne na vysokonapěťovou sběrnici), aby zvládl přechodné jevy s vysokou amplitudou.
Existují také chyby. Hlavní z nich je vysoká cena. Původní síťové spínací obvody používaly bipolární tranzistory k řízení výstupních toků, což zvýšilo složitost a náklady. Vysoce kvalitní elektronkové audiofrekvenční zesilovače tohoto typu jsou běžné, i když cena začíná na 50 tisících rublech. Blok je považován za profesionální techniku pro práci na pódiu nebo nahrávání ve studiu. Existují problémy s tranzistory. Při dlouhodobé zátěži mohou některé z nich selhat.
Dnes je cena často do určité míry snížena použitím výkonných MOSFETů k výběru nebo změně vodítek. Použití MOSFETů nejen zlepšuje účinnost a snižuje teplo, ale také vyžaduje méně dílů (typicky jedno zařízení na závit). Kromě nákladů na přepínání sběrnice, samotné modulace, také stojí za zmínku, že některé zesilovače třídy G používají více výstupních zařízení než typický design třídy A/B.
Jeden pár zařízení bude pracovat v typickém režimu A/B a bude napájen z nízkonapěťových přípojnic. Mezitím je druhý v pohotovostním režimu, aby fungoval jako zesilovač napětí, který se aktivuje pouze v závislosti na situaci. Vydrží vysoké zatížení pouze třídy G a H,spojené s výkonnými zesilovači, kde se zvýšená účinnost vyplatí. Kompaktní konstrukce mohou také používat topologie třídy G/H na rozdíl od A/B vzhledem k tomu, že možnost přepnout do režimu nízké spotřeby znamená, že jim stačí o něco menší chladič.
Třída D
Tento typ zařízení vám umožňuje vytvářet vlastní modulární systémy. Pomocí zařízení probíhá kvalitní zpracování celého odchozího proudu. Navrhování audiofrekvenčních výkonových zesilovačů vám umožní vytvořit si vlastní multimediální systém pro práci nebo zábavu. Jsou zde však určité nuance. Převodníky třídy D, často mylně označované jako digitální zesílení, jsou zárukou účinnosti jednotky a dosahují zisků přesahujících 90 % při skutečném testování.
Nejprve stojí za zvážení, proč se jedná o třídu D, pokud je „digitální zesílení“nesprávné. Bylo to jen další písmeno v abecedě s třídou C používanou v audio systémech. Ještě důležitější je, jak lze dosáhnout účinnosti 90%+. Zatímco všechny výše uvedené třídy zesilovačů mají jedno nebo více výstupních zařízení, která jsou neustále aktivní, i když je převodník skutečně v pohotovostním režimu, jednotky třídy D je rychle vypínají a zapínají. To je docela pohodlné a umožňuje to používat modul pouze ve správný okamžik.
Například výpočet audio zesilovačů třídy T, které jsouImplementace Tripath třídy D na rozdíl od základního zařízení využívá spínací frekvence v řádu 50 MHz. Výstupní zařízení jsou obvykle řízena pulzně šířkovou modulací. To je, když modulátor generuje čtvercové vlny různých šířek, které představují analogový signál pro přehrávání. S přísnou kontrolou výstupních zařízení tímto způsobem je teoreticky možná 100% účinnost (i když zjevně nedosažitelná v reálném světě).
Když se ponoříme do světa audio zesilovačů třídy D, můžete také najít zmínku o analogově a digitálně řízených modulech. Tyto řídicí bloky mají analogový vstupní signál a analogový řídicí systém, obvykle s určitým stupněm korekce chyb zpětné vazby. Na druhou stranu digitální převodní zesilovače třídy D využívají digitální řízení, které spíná výkonový stupeň bez kontroly chyby. Toto rozhodnutí je také schváleno podle recenzí mnoha kupujících. Cenový segment je zde však mnohem vyšší.
Výzkum audio zesilovačů ukázal, že analogově řízená třída D má výkonnostní výhodu oproti digitálnímu analogu, protože obvykle nabízí nižší výstupní impedanci (odpor) a zlepšený profil zkreslení. Tím se zvýší počáteční hodnoty systému při jeho maximální zátěži.
Parametry frekvenčních zesilovačů jsou mnohem vyšší než u základních modelů. Je třeba si uvědomit, že takové výpočty jsou nutné pouze pro tvorbu hudby ve studiu. Pro běžné kupující tytovlastnosti lze přeskočit.
Obvykle L-obvod (induktor a kondenzátor) umístěný mezi zesilovačem a reproduktory pro snížení hluku spojeného s provozem třídy D. Filtr má velký význam. Špatný design může ohrozit účinnost, spolehlivost a kvalitu zvuku. Navíc zpětná vazba za výstupním filtrem má své výhody. Přestože konstrukce, které v této fázi nevyužívají zpětnou vazbu, mohou svou odezvu vyladit na konkrétní impedanci, když mají takové zesilovače komplexní zátěž (tedy spíše reproduktor než odpor), může se frekvenční odezva výrazně lišit v závislosti na zátěži reproduktoru. Zpětná vazba stabilizuje tento problém tím, že poskytuje hladkou odezvu na složitá zatížení.
Složitost audio zesilovačů třídy D má nakonec své výhody. Účinnost a v důsledku toho nižší hmotnost. Protože se na teplo spotřebuje relativně málo energie, je potřeba mnohem méně energie. Jako takové se mnoho zesilovačů třídy D používá ve spojení se spínanými napájecími zdroji (SMPS). Stejně jako koncový stupeň lze i samotný napájecí zdroj rychle zapínat a vypínat pro regulaci napětí, což vede k dalšímu zvýšení účinnosti a schopnosti snížit hmotnost oproti tradičním analogovým/lineárním napájecím zdrojům.
V souhrnu mohou i výkonné zesilovače třídy D vážit jen několik kilogramů. Nevýhodou SMPS zdrojů oproti tradičním lineárním zdrojům ježe ti první obvykle nemají moc místa.
Testy a četné testy audio zesilovačů třídy D s lineárními napájecími zdroji ve srovnání s moduly SMPS ukázaly, že tomu tak skutečně je. Když dva zesilovače zvládaly jmenovitý výkon, ale jeden s lineárním napájením mohl produkovat vyšší dynamické úrovně výkonu. Návrhy SMPS jsou však stále běžnější a můžete očekávat, že v obchodech uvidíte lepší jednotky třídy D nové generace s podobnými tvary.
Porovnání účinnosti tříd AB a D
Přestože se účinnost tranzistorového audio zesilovače třídy A/B zvyšuje, jak se blíží maximální výstupní výkon, konstrukce třídy D si zachovávají vysokou účinnost ve většině provozních rozsahů. V důsledku toho se efektivita a kvalita zvuku stále více přiklání k poslednímu bloku.
Použít jeden převodník
Při správné implementaci může kterýkoli z výše uvedených bloků mimo třídu B tvořit základ vysoce věrného zesilovače. Kromě potenciálních výkonnostních úskalí (která jsou primárně rozhodnutím o návrhu spíše než o konkrétní třídě) je výběr typu bloku z velké části otázkou poměru ceny a efektivity.
Na dnešním trhu dominuje jednoduchý audio zesilovač třídy A/B, a to z dobrého důvodu. Funguje velmi dobře, je relativně levný a jehoúčinnost je zcela dostačující pro aplikace s nízkým výkonem (>200W). Samozřejmě, jak se výrobci měničů snaží posouvat hranice například s 1000W monoblokem Emotiva XPR-1, obracejí se na konstrukce třídy G/H a D, aby se vyhnuli duplikaci svých zesilovačů jako systémů schopných rychle zahřát zařízení. Mezitím na druhé straně trhu jsou fanoušci třídy A, kteří dokážou odpustit neefektivitu zařízení v naději na čistší zvuk.
Výsledek
Koneckonců, třídy převodníků nejsou nutně tak důležité. Samozřejmě existují skutečné rozdíly, zejména pokud jde o cenu, účinnost zesilovače a tedy i hmotnost. 500W spotřebiče třídy A jsou samozřejmě špatný nápad, pokud ovšem uživatel nemá výkonný chladicí systém. Na druhou stranu rozdíly mezi třídami neurčují kvalitu zvuku. Nakonec jde o vývoj a realizaci vlastních projektů. Je důležité pochopit, že převodníky jsou pouze jedním zařízením, které je součástí audio systému.
