Triedy výkonových zosilňovačov

V elektronike je zosilňovač najbežnejšie používaným obvodovým zariadením s obrovskými aplikačnými možnosťami. V elektronike súvisiacej so zvukom sú predzosilňovače a výkonové zosilňovače dva rôzne typy zosilňovacích systémov, ktoré sa používajú na účely súvisiace so zosilňovaním zvuku. Ale okrem tohto účelu špecifického pre aplikáciu existujú obrovské rozdiely v rôznych typoch zosilňovačov, hlavne v zosilňovačoch. Takže tu preskúmame rôzne triedy zosilňovačov spolu s ich výhodami a nevýhodami.

Klasifikácia zosilňovačov pomocou písmen

Triedy zosilňovača sú totožnosťou výkonu a charakteristík zosilňovača. Rôzny typ výkonových zosilňovačov poskytuje rôzne odozvy, keď nimi prechádza prúd. Podľa ich špecifikácií sú zosilňovačom priradené rôzne písmená alebo abecedy, ktoré reprezentujú ich triedy. Existujú rôzne triedy zosilňovačov od A, B, C, AB, D, E, F, T atď. Z týchto tried sú najčastejšie používané triedy zosilňovačov zvuku A, B, AB, C. Ostatné triedy sú moderné zosilňovače, ktoré na riadenie výstupného zaťaženia používajú spínaciu topológiu a techniku ​​PWM (Pulse Width Modulation). Niekedy je vylepšenej verzii tradičných tried priradené písmeno, ktoré ich klasifikuje ako inú triedu zosilňovača, napríklad zosilňovač triedy G je upravenou triedou zosilňovača zosilňovača triedy B alebo AB.

Triedy zosilňovača predstavujú proporciu vstupného cyklu, keď prúd prechádza zosilňovačom. Vstupný cyklus je uhol vedenia odvodený od vedenia sínusovej vlny vo vstupe zosilňovača. Tento vodivý uhol je vysoko proporcionálny so zosilňovačmi včas počas celého cyklu. Ak je zosilňovač počas cyklu vždy zapnutý, bude uhol vedenia 360 stupňov. Pokiaľ teda zosilňovač poskytuje 360-stupňový vodivý uhol, potom použil zosilňovač úplný vstupný signál a aktívny prvok vedený cez 100% časové obdobie úplného sínusového cyklu.

Ďalej si ukážeme tradičné triedy zosilňovačov výkonu od triedy A, B, AB a C a tiež ukážeme zosilňovač triedy D, ktorý je široko používaný v prepínacích prevedeniach. Tieto triedy sa nepoužívajú iba v zosilňovačoch, ale aj v obvodoch zvukových zosilňovačov.

Zosilňovač triedy A.

Zosilňovač triedy A je zosilňovač s vysokým ziskom a vysokou linearitou. V prípade zosilňovača triedy A je uhol vedenia 360 stupňov. Ako sme už uviedli vyššie, 360-stupňový vodivý uhol znamená, že zosilňovač zostáva aktívny po celú dobu a využíva úplný vstupný signál. Na nasledujúcom obrázku je znázornený ideálny zosilňovač triedy A.

Ako vidíme na obrázku, existuje jeden aktívny prvok, tranzistor. Predpätie tranzistora zostáva neustále zapnuté. Kvôli tejto funkcii nikdy nevypnúť poskytuje zosilňovač triedy A lepšiu stabilitu vysokej frekvencie a spätnoväzbovej slučky. Okrem týchto výhod je ľahké zostaviť zosilňovač triedy A s komponentom jedného zariadenia a minimálnym počtom častí.

Napriek výhodám a vysokej linearite má určite veľa obmedzení. Z dôvodu nepretržitého vedenia vedie zosilňovač triedy A k vysokej strate výkonu. Z dôvodu vysokej linearity tiež zosilňovač triedy A poskytuje skreslenie a zvuky. Napájací zdroj a konštrukcia predpätia vyžadujú starostlivý výber komponentov, aby sa zabránilo nežiaducemu šumu a minimalizovalo sa skreslenie.

Z dôvodu vysokej straty výkonu v zosilňovači triedy A vyžaruje teplo a vyžaduje väčší priestor pre chladič. Účinnosť je u zosilňovačov triedy A veľmi slabá, teoreticky sa účinnosť pohybuje medzi 25 až 30%, ak sa používajú s obvyklou konfiguráciou. Účinnosť je možné zvýšiť použitím indukčne viazanej konfigurácie, ale účinnosť v takom prípade nie je vyššia ako 45 - 50%, takže je vhodná iba na účely zosilnenia nízkeho signálu alebo nízkej úrovne výkonu.

Zosilňovač triedy B

Zosilňovač triedy B sa trochu líši od triedy A. Je vytvorený pomocou dvoch aktívnych zariadení, ktoré vedú polovicu skutočného cyklu, tj. 180 stupňov cyklu. Dve zariadenia poskytujú kombinovaný prúdový prúd pre záťaž.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornená konfigurácia zosilňovača Ideal Class B. Skladá sa z dvoch aktívnych zariadení, ktoré sú postupne skreslené počas kladného a záporného polovičného cyklu sínusovej vlny a signál sa tak tlačí alebo tiahne na zosilnenú úroveň z pozitívnej aj negatívnej strany a kombinujú výsledok, ktorý dostane celý cyklus na výstupe. Každé zariadenie sa zaplo alebo sa stalo aktívnym polovicu cyklu, a vďaka tomu sa zvyšuje účinnosť, v porovnaní s 25 - 30% účinnosťou zosilňovača triedy A poskytuje teoreticky viac ako 60% účinnosť. Na nasledujúcom obrázku môžeme vidieť graf vstupných a výstupných signálov každého zariadenia. Účinnosť je nie viac ako 78% pre triedy B zosilňovače . Rozptyl tepla je v tejto triede minimalizovaný, čím sa poskytuje malý priestor pre chladič.

Ale táto trieda má tiež obmedzenia. Veľmi hlbokým obmedzením tejto triedy je skreslenie výhybiek. Pretože dve zariadenia poskytujú každú polovicu sínusových vĺn, ktoré sú kombinované a spojené cez výstup, v oblasti je nesúlad (kríženie), kde sú kombinované dve polovice. Je to tak preto, lebo keď jedno zariadenie dokončí polovičný cyklus, druhé musí poskytnúť rovnaký výkon takmer v rovnakom čase, keď druhé dokončí prácu. Je ťažké opraviť túto chybu v zosilňovači triedy A, pretože počas aktívneho zariadenia zostáva druhé zariadenie úplne neaktívne. Táto chyba poskytuje skreslenie výstupného signálu. Kvôli tomuto obmedzeniu je to zásadný nedostatok v aplikácii presných audio zosilňovačov.

Zosilňovač triedy AB

Alternatívny prístup k prekonaniu naprieč cez skreslenia, je použiť AB zosilňovač. Zosilňovač triedy AB používa stredný uhol vedenia oboch tried A a B, takže v tejto topológii zosilňovačov triedy AB môžeme vidieť vlastnosť zosilňovača triedy A aj triedy B. Rovnako ako trieda B má rovnakú konfiguráciu s dvoma aktívnymi zariadeniami, ktoré vedú počas polovice cyklov jednotlivo, ale každé zariadenie je predpäté inak, aby sa počas nepoužiteľného okamihu (prechodového momentu) úplne nevypli. Každé zariadenie neopúšťa vedenie ihneď po dokončení polovice sínusového priebehu, namiesto toho vedie malé množstvo vstupu v ďalšom pol cykle. Použitím tejto techniky predpätia sa dramaticky zníži nesúlad kríženia počas mŕtveho pásma.

Ale v tejto konfigurácii je účinnosť znížená, pretože je narušená linearita zariadení. Účinnosť zostáva vyššia ako účinnosť typického zosilňovača triedy A, je však nižšia ako zosilňovacieho systému triedy B. Diódy je tiež potrebné starostlivo vyberať s presne rovnakým hodnotením a musia byť umiestnené čo najbližšie k výstupnému zariadeniu. V niektorých konštrukciách obvodov majú návrhári tendenciu pridávať rezistory s malou hodnotou, aby zabezpečili stabilný pokojový prúd v celom zariadení, aby sa minimalizovalo skreslenie na výstupe.

Zosilňovač triedy C.

Okrem zosilňovačov triedy A, B a AB existuje ešte jeden zosilňovač triedy C. Je to tradičný zosilňovač, ktorý pracuje inak ako ostatné triedy zosilňovačov. Zosilňovač triedy C je vyladený zosilňovač, ktorý pracuje v dvoch rôznych prevádzkových režimoch, vyladený alebo nevyladený. Účinnosť zosilňovača triedy C je oveľa vyššia ako účinnosť zosilňovačov A, B a AB. Maximálnu 80% účinnosť je možné dosiahnuť v prevádzkach týkajúcich sa rádiových frekvencií

Zosilňovač triedy C využíva vodivý uhol menší ako 180 stupňov. Počas ladenia sa sekcia tunera vynechá z konfigurácie zosilňovača. V tejto operácii zosilňovač triedy C tiež dáva obrovské skreslenie na výstupe.

Keď je obvod vystavený vyladenej záťaži, obvod upne úroveň výstupného predpätia s priemerným výstupným napätím rovným napájaciemu napätiu. Vyladená operácia sa nazýva svorka. Počas tejto operácie získa signál správny tvar a stredová frekvencia bude menej skreslená.

Pri typickom použití poskytuje zosilňovač triedy C účinnosť 60 - 70%.

Zosilňovač triedy D.

Zosilňovač triedy D je spínací zosilňovač, ktorý využíva moduláciu šírky impulzu alebo PWM. Uhol vedenia nie je faktorom v takom prípade, keď sa priamy vstupný signál mení s premenlivou šírkou impulzu.

V tomto zosilňovačovom systéme triedy D nie je lineárny zisk akceptovaný, pretože fungujú rovnako ako typický prepínač, ktorý má iba dve operácie, ZAPNUTÉ alebo VYPNUTÉ.

Pred spracovaním vstupného signálu je analógový signál konvertovaný na pulzný prúd pomocou rôznych modulačných techník a potom je aplikovaný do zosilňovacieho systému. Pretože trvanie impulzov súvisí s analógovým signálom, je znovu rekonštruovaný pomocou dolnopriepustného filtra na výstupe.

Zosilňovač triedy D je najvyššia energeticky efektívna trieda zosilňovačov v segmentoch A, B, AB a C a D. Má menší odvod tepla, takže je potrebný malý chladič. Obvod vyžaduje rôzne spínacie komponenty, ako napríklad MOSFET, ktorý má nízky odpor.

Je to široko používaná topológia v digitálnych audio prehrávačoch alebo aj pri ovládaní motorov. Mali by sme si však uvedomiť, že nejde o digitálny prevodník. Aj keď pre vyššiu frekvenciu nie je zosilňovač triedy D perfektnou voľbou, pretože má v niektorých prípadoch obmedzenia šírky pásma v závislosti od schopností dolnopriepustného filtra a modulu prevodníka.

Ostatné triedy zosilňovačov

Okrem tradičných zosilňovačov existuje ešte niekoľko tried, ktoré sú triedy E, triedy F, triedy G a H.

Zosilňovač triedy E je vysoko efektívny výkonový zosilňovač, ktorý využíva spínaciu topológiu a pracuje na rádiových frekvenciách. Jednopólový spínací prvok a vyladená reaktívna sieť je hlavným komponentom na použitie so zosilňovačom triedy E.

Trieda F je vysokoimpedančný zosilňovač vzhľadom na harmonické. Môže byť poháňaný pomocou štvorcovej alebo sínusovej vlny. Pre vstup sínusovej vlny môže byť tento zosilňovač vyladený pomocou tlmivky a môže byť použitý na zvýšenie zosilnenia.

Trieda G používa prepínanie koľajníc na zníženie spotreby energie a na zvýšenie efektívnosti výkonu. A trieda H je ďalšou vylepšenou verziou triedy G.

Ďalšie triedy sú zosilňovače špeciálneho určenia. V niektorých prípadoch listy poskytuje výrobca na označenie svojho patentovaného dizajnu. Jedným z najlepších príkladov je zosilňovač triedy T, ktorý je ochrannou známkou pre špeciálny typ spínacieho zosilňovača triedy D, ktorý sa používa pre technológie zosilňovača Tripath, čo je patentovaný dizajn.