Практичность правит миром или усилители класса «АВ»
10.09.2019
Класс АВ — это тот тип усилителей, который до недавнего времени применялся в Hi-Fi-аппаратуре в разы чаще, чем любой другой.
Сейчас над ним уже нависла угрожающая тень усилителей класса D, занимающих все большую долю рынка Hi-Fi, но пока модели класса АВ по-прежнему в большинстве и сдаваться так легко они не собираются. В классе АВ могут работать как ламповые, так и транзисторные схемы, но если говорить об абсолютном большинстве класс АВ ассоциируется скорее с эпохой транзисторного Hi-Fi.
Принцип работы
Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А.
Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.
Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».
Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.
Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.
Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.
Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.
На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.
Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.
Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект.
+ Плюсы +
Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости
Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем
— Минусы —
Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей
* Особенности *
Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.
В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.
Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.
Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.
Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.
Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки.
В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.
Практика
Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.
Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.
С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.
Звук
Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.
В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом.
Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.
Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.
Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален.
Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.
Выводы
Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.
Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.
Источник: stereo & video
какой лучше для дома и автомобиля
Современные звуковые усилители относят к нескольким классам. Если у человека нет опыта в настройке аудиоаппаратуры и работе с акустикой, обозначения классов ни о чем не скажут. А между тем, эти буквенные маркировки скрывают в себе конкретные характеристики и показатели, влияющие на качество работы звукового оборудования. Ниже будет подробнее рассказано о том, что такое классы усилителей звука, а также о методах подбора аппаратуры для конкретных задач.
Что такое класс усилителя
Класс усилителя – уровень выходного сигнала, формирующийся из входного сигнала в процессе работы акустической установки. В одном цикле этот сигнал меняется в некотором диапазоне.
Преобразователи частоты разделяются на категории в зависимости от показателей линейности той технологии, которая используется для усиления. Встречаются модели с нужной точностью воспроизведения начального сигнала НЧ и УНЧ, а также нелинейные схемы.
Во втором случае звуковой сигнал воспроизводится с меньшей точностью, однако КПД оказывается выше.
A
У всего есть свое начало, и, если мы говорим о режимах работы усилителя, у истоков стоит конечно же класс А. Именно с него началась история усилителей в частности и электронного аудио в целом.
Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла Статья
Теория и практика Усилители Octave как работает усилитель
naumov 28 июня 2021 в 09:10
98 9
Классификация усилителей
Классификация усилителей звука по классам предусматривает разделение на две группы. В первую группу входят устройства A, B, AB и C. Обладают сходными показателями проводимости. Транзистор устанавливается в положении между включением и выключением.
ТОП лучших усилителей по качеству звука
Вторая группа включает в себя устройства с маркировками D, E, F, G, S, H и T. Эти приборы также называются переключающимися. Для работы тут используется принцип импульсной модуляции, а также современные цифровые методики для непрерывного прохода сигнала между положениями выключено и включено.
В результате получают нужный выходной сигнал в диапазоне насыщения.
Ниже представлена таблица сравнения характеристик усилителей первой группы, включающей в себя модели A, B, AB и C. Они чаще берутся для рассмотрения, тогда как усилители второй группы представляют собой различные вариации со средними показателями для использования в конкретных условиях.
| Характеристики | А | В | АВ | С |
| Теоретический КПД | 50% | 78% | Зависит от выбранного режима | 100% |
| Реальный КПД | 15-30% | 50-60% | 40-50% | 80-100% |
| Нелинейные искажения | малые | высокие | средние | высокие |
| Потребляемая мощность | постоянная | зависит от выходных параметров | зависит от выходных параметров | зависит от выходных параметров |
| Термическая стабильность | низкая | высокая | средняя | высокая |
Выводы
Если подытожить вышесказанное, то независимо от класса, любой усилитель может быть как плохим, так и хорошим.
Результат зависит не от класса, а от конкретной схемотехники. КПД – важный показатель усилителя, и самый высокий он у D-класса.
При выборе усилителя, по большому счету, стоит обращать внимание на две вещи: выдаваемую мощность на заданное сопротивление нагрузки и цену. Наиболее популярны сейчас усилители А/В класса, что объясняется наилучшим соотношением вышеназванных критериев: работают они хорошо при относительно невысокой стоимости. Аудиофилы остаются поклонниками А-класса за их чистый звук. Профессионалы с деньгами всё чаще смотрят на D-класс, всё-таки его КПД существенно выше, а также в большинстве своем они имеют на борту дополнительную динамическую обработку – кроссовер, эквалайзер, лимитер и даже настройку задержки аудио сигнала, необходимую для крупных инсталляций, где акустические системы могут находиться от сцены на расстоянии порядка сотни метров. Нет предела совершенству, как и поискам новых решений. Поэтому экспериментируйте и ищите лучшее решение для своих задач.
В чем отличие между классами усилителей
Для полного понимания классификации усилителей рекомендуется подробно изучить каждую категорию, рассмотрев особенности функционирования приборов, а также специфику применения в тех или иных случаях.
Класс А
Усилители категории А считаются распространенными и доступными для использования. Просты по конструкции, характеризуются линейностью, а также средними показателями искажения. Эти особенности помогают добиться нужного качества звучания при организации акустики.
Чаще в конструкции используется один вид транзисторов. Его подсоединяют так, чтобы ток на колонки шел даже тогда, когда основной входной сигнал не идет.
Отнести прибор к группе A можно в том случае, если ток нуля во время холостого хода будет идентичен току нагрузки во время работы.
Усилители категории A функционируют в ультралинейной частотной области, а значит, смещение требует правильной установки. Только так гарантируется работа с достижением необходимого звукового потока.
усилитель А класса
Так как оборудование на выходе отключено, оно проводит ток и вызывает мощностные потери. Выделяется тепло, а КПД снижается до 40%. Так что аппараты представляются непрактичными при организации высокомощных установок.
Чтобы оборудование могло правильно работать, блоку питания придаются необходимые габариты, а входной сигнал фильтруется перед подачей на усилитель. Иначе повышается вероятность появления постороннего гула во время работы.
Класс В
Для повышения КПД и уменьшения нагрева конструкции было решено разработать усилители группы B. Приборы оснащаются двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых усиливает только половину сигнала. Специфика конструкции обуславливает осуществление 50% цикла в положительном или отрицательном периоде.
Тока смещения тут не будет, потому что ток покоя прибора нулевой. Это привело к тому, что мощность аппаратуры невысока. КПД же выше, чем у аппаратов категории А.
Оборудование вдвое эффективнее приборов группы А.
Но есть и минус, который представлен искажениями во время работы.
Искажения обусловлены наличием некоторого коридора в транзисторах. Часть сигнала в этом коридоре будет видоизменяться, что вносит корректировки в выходной сигнал.
Класс АВ
Объединив свойства приборов категорий А и B инженерам удалось получить функциональный аппарат, объединяющий положительные качества этих приборов. По конструкции больше похожи на усилители группы В. Главное отличие в том, что транзисторы одновременно проводят сигнал в непосредственной близости с точками пересечения осциллограмм. Смещающее напряжение тут составит 5-10% соответствующих показателей тока покоя.
Описанный подход помогает устранить проблемы больших искажений сигнала, характерных для устройств категории В.
Оборудование AB представляется компромиссом между минимальными искажениями и КПД. Эффективность преобразования составляет 50%.
Класс С
Установки класса C характеризуются эффективностью, но при этом нелинейны.
Входной ток равен нулю и сохраняется на данной отметке половину времени цикла обработки сигнала. Транзистор в этот момент переключен в ожидание.
Подобный подход гарантирует КПД около 80%, однако во время использования прибора в сигнал вносятся изменения. Из-за этого усилители редко используют в акустике. Гораздо чаще встречаются в различных генераторах, радиоприборах, а также других преобразователях сигнала.
Класс D
Усилители класса D принято относить к группе нелинейных импульсных приборов, которые также называются ШИМ-усилителями.
Интегральные схемы отличаются мощным рассеиванием даже при идеальной реализации. Подход дает некоторые преимущества приборам за счет малого теплового выделения, легкости и компактных размеров. Приборы обходятся дешевле, а время самостоятельной работы больше.
Для правильного функционирования приборов потребуется высоковольтная плата в 10000 ватт.
Другие классы
Отдельно принято рассматривать другие классы работы усилителей, применяемые для решения специфических задач:
- Класс F.
Прогрессивные модели, КПД которых достигает 90%. - Класс G. Усовершенствованная высоколинейная вариация прибора AB. Автоматически переключаются по линиям питания, оценивая необходимые параметры входного сигнала. Такой подход сокращает энергопотребление, а также уменьшает потери энергии на нагрев.
- Класс I. Расположение в двухтактной конфигурации непосредственно перед включением помогает быстро переключать механизм даже при отсутствии нужного напряжения на входном разъеме.
- Класс S. Усилители нелинейного типа, по принципу работы больше напоминающие аппараты класса D. С помощью оборудования преобразовывается входной аналоговый сигнал в цифровой с нужным усилением. Повышается мощность на выходе, а КПД достигает 100%.
- Класс T. Цифровые усилители, включающие специальные микросхемы для обработки и повышения частот входящих сигналов. Специально предусмотренные многоканальные компоненты 3D звучания гарантируют эффективность оборудования при создании полноценного домашнего кинотеатра или центра для прослушивания музыки.
Прогрессивные модели, КПД которых достигает 90%.
Практика
Проверить все вышеописанные тезисы на живом примере мы решили с помощью Arcam HDA SA20. Во-первых, этот аппарат отлично демонстрирует все преимущества класса G, а во-вторых, реальный выбор устройств с такой схемотехникой довольно скуден, особенно на российском рынке.
Имея выходную мощность 90 Вт на канал при импедансе нагрузки 8 Ом, Arcam HDA SA20 демонстрирует скромные габаритные размеры с высотой корпуса в половину типичного интегрированного усилителя такой мощности. Радиаторы установлены внутри и имеют размеры, сравнимые с усилителем класса АВ в полтора-два раза меньшей мощности, наглядно демонстрируя преимущества класса G. В блоке питания используется двухступенчатая схема. Две пары обмоток трансформатора и два набора конденсаторов разной емкости формируют две шины питания: основную и дополнительную, подключаемую при возрастании нагрузки. Весьма показательным является значение гармонических искажений. При нагрузке 80% они составляют 0,002%.
Какой класс усилителей звука лучше
В зависимости от сферы использования и особенностей окружающих условий подходящими вариантами становятся усилители всех групп. Отдельно стоит рассматривать оборудование для дома и авто.
Для дома
Подбирая усилитель для домашней акустики, лучше вперед рассмотреть устройства категорий АВ и D с маркировками «sound». Первый тип представляет собой аналоговый прибор, который гарантирующий качественное звучание со средними искажениями.
Устройства категории D – цифровые модели, которые способны обладать любыми характеристиками в зависимости от установленных на схеме компонентов.
Для автомобиля
На автомобилях используют классы автоусилителей А, В, АВ и D. Модели разновидности А на практике встречаются редко из-за дороговизны и низкого КПД.
Стереоусилитили класса В характеризуются большим КПД, но проигрывают в плане искажений звучания. В автоакустике также применяются редко.
Распространенными среди автолюбителей считаются устройства категории АВ.
Характеризуются средним качеством звучания, нужными показателями мощности, чистым звуком и повышенным КПД. Подходит для сабвуферов мощностью от 500 до 600 Вт.
Оборудование категории D используют для обработки цифровых сигналов. Приборы компактны, а также характеризуются повышенными показателями мощности. КПД на уровне 90-98% сводит к минимуму вероятность перегрева прибора, а значит, тут не требуется специальный радиатор охлаждения. Среди автомобилистов такие модели не распространены по причине дороговизны.
XD/XA
Нулевая точка — это самое уязвимое место в музыкальном сигнале, и, несмотря на все ухищрения со смещением, производимые в классе АВ, все же куда лучше, когда нулевую точку сигнала воспроизводит один транзистор, и его затвор не балансирует на грани открытия или закрытия.
Как работает усилитель класса XD и XA, или Немного экзотики Статья
Теория и практика Усилители Cambridge Audio как работает усилитель
naumov 09 августа 2021 в 09:10
24 5
Особенности
С точки зрения качества и характера звучания каждый тип ламп и каждый режим включения имеет свои особенности, настолько очевидные на слух, что даже ультралинейный режим, по факту, не стал золотой серединой.
Триоды в чистом виде и триодное включение пентодов обеспечивают наиболее чистый и объемный звук до тех пор, пока дело не дойдет до энергичной музыки с быстрыми и значительными по амплитуде перепадами громкости. Иными словами — для спокойного джаза триоды подходят куда лучше, чем для прослушивания рока.
Пентодный и ультралинейный режимы, напротив, больше подходят для энергичной музыки, но в ряде случаев звучат недостаточно чисто, точно и детально. Особенно часто эти претензии относятся к пентодному режиму, а в целом характер звучания и пентодного, и ультралинейного режимов нередко сравнивают с транзисторными усилителями.
История
Радиолампы, как и другие электронные компоненты, имеют богатую историю, в ходе которой произошла заметная эволюция. Началось все в нулевых годах прошлого века, а закатом ламповой эры можно считать шестидесятые годы, когда свет увидела последняя фундаментальная разработка — миниатюрные радиолампы нувисторы, а транзисторы уже начали активно завоевывать рынок.
Но из всей истории нас интересует лишь ключевые этапы, когда были созданы основные типы радиоламп и разработаны основные схемы их включения.
Первый в мире триод изобретателя Ли де Фореста, 1908 год
Первой разновидностью радиоламп, разработанной для создания усилителей, были триоды. Цифра 3 слышится в названии не случайно — именно столько активных выводов имеет триод. Принцип работы триода предельно прост. Между анодом и катодом лампы последовательно включаются источник питания и первичная обмотка выходного трансформатора (ко вторичной обмотке которого подключается акустика). Полезный сигнал подается на сетку лампы. При подаче напряжения в схему усилителя между катодом и анодом протекает поток электронов, а расположенная между ними сетка модулирует этот поток соответственно изменениям уровня входящего сигнала.
В ходе использования триодов в различных отраслях промышленности потребовалось улучшить их характеристики. Одной из таких характеристик была проходная емкость, величина которой ограничивала максимальную рабочую частоту лампы.
В процессе решения этой проблемы появились тетроды — радиолампы, имеющие внутри не три, а четыре электрода. Четвертым стала экранирующая сетка, установленная между управляющей сеткой и анодом. Задачу повышения рабочей частоты это решало в полной мере, что вполне удовлетворило создателей технологии, разрабатывавших тетроды для того, чтобы радиостанции и радиоприемники работали в коротковолновом диапазоне, имеющим более высокие несущие частоты нежели средне- и длинноволновый.
Строение триода
С точки зрения качества воспроизведения звука тетрод не превзошел триод принципиально, поэтому другая группа ученых, озадаченная вопросами воспроизведения звуковых частот, усовершенствовала тетрод, используя, по сути, тот же подход — просто добавив в конструкцию лампы еще одну дополнительную сетку, располагающуюся между экранирующей сеткой и анодом. Это было необходимо для того, чтобы подавить динатронный эффект — обратную эмиссию электронов от анода к экранирующей сетке. Подключение дополнительной сетки к катоду препятствовало этому процессу, делая выходную характеристику лампы более линейной и повышая выходную мощность.
Так появился новый тип ламп: пентод.
ЛАМПА!
Классы усиления — вполне логичный и понятный способ отличить одну типовую схему от другой. Однако, применительно к ламповой схемотехнике такого подхода оказалось недостаточно.
Как работают ламповые усилители, или Особенности теплого звука Статья
Усилители Теория и практика Cayin как работает усилитель
naumov 06 сентября 2021 в 09:10
20 5
Подборка подготовлена при поддержке , тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона
Разбираемся с усилителями классов AB и D
Работа усилителей очень тяжелая. Они должны взять сигнал очень низкого напряжения и увеличить его амплитуду, чтобы он мог управлять динамиком. В этом преобразовании мы ожидаем, что сигнал останется чистым — не нужно добавлять никаких искажений или шума. Мы также хотим, чтобы наши динамики потребляли значительное количество энергии, даже несмотря на то, что мы питаем наши усилители только от 12 до 14 вольт электричества.
Законы физики, кажется, хотят работать против нас на каждом шагу, но мы побеждаем! Современные автомобильные усилители звука — это удивительные достижения инженерной мысли и дизайна. В этой статье рассматриваются два основных типа классов усилителей, используемых в автомобильной аудиоиндустрии, а также преимущества и недостатки каждого из них. Добро пожаловать в класс AB против класса D.
Математика того, как усилители создают мощность
Независимо от того, как мы конфигурируем компоненты внутри усилителя, цель одна и та же: увеличить напряжение аудиосигнала предусилителя, чтобы он мог управлять динамиком. Поскольку динамики, которые мы используем, имеют низкий импеданс (2 или 4 Ом для большинства среднечастотных динамиков), мы также должны иметь возможность подавать на динамик значительный ток. Подача тока на динамик — вторая задача, которую должен выполнять усилитель.
При помощи быстрых вычислений, если 4-омный динамик получает среднеквадратичное значение 12 В, мы можем сделать несколько расчетов.
Чтобы рассчитать ток, протекающий через динамик, мы делим подаваемое напряжение на импеданс динамика. В этом примере у нас есть 12, деленное на 4, поэтому по проводам динамика и звуковой катушке протекает ток силой 3 ампера. Простой способ рассчитать мощность, поступающую на динамик, — умножить подаваемое напряжение на подаваемый ток. Произведение 12, умноженное на 3, равно 36. Этот динамик получает мощность 36 Вт.
Давайте рассмотрим тот же пример, как если бы это был усилитель сабвуфера. Во втором примере мы предположим, что у нас есть сабвуфер с двойной звуковой катушкой на 2 Ом, в котором обе катушки подключены параллельно для получения нагрузки 1 Ом. Если мы подадим на этот динамик сигнал 12 В (среднеквадратичное значение), то через провод динамика и сабвуфер будет протекать ток 12 ампер. Чтобы рассчитать мощность, мы умножаем 12 на 12, чтобы получить 144 Вт. 144 ватта это на много больше мощности и тока на при том же количестве напряжения.
Общий обзор функций усилителя
Большинство усилителей состоят из трех или четырех основных секций (или каскадов), в зависимости от их конструкции и сложности.
Входной каскад — это часть усилителя, где низкоуровневый аудиосигнал предусилителя поступает в усилитель и подвергается любой обработке в виде выравнивания или фильтрации.
У усилителя есть блок питания. Блок питания преобразует подаваемые 12–14 В постоянного тока в положительное и отрицательное напряжения шины. Допустим, например, что теоретический усилитель имеет шины +25 и -25 В относительно нашего эталона земли. В зависимости от размера усилителя будет каскад драйвера. Каскад драйвера отвечает за усиление низкоуровневого аудиосигнала до более высокого напряжения. Насколько каскад драйвера увеличивает напряжение, зависит от того, какую мощность будет производить усилитель.
Мосфеты с годами уменьшились в размерах до мизерных размеров, доступных сейчас (справа). Наконец, у нас есть выходной каскад. Выходной каскад относительно прост — он существенно не изменяет сигнал, поступающий от каскада драйвера, но устройства (МОП-транзисторы или транзисторы), используемые для обеспечения выходного сигнала током, требуемым нагрузкой.
Блок питания и выходной каскад — это две части усилителя, которые выполняют наиболее «тяжелую работу». Другими словами, это этапы, через которые проходит большой ток.
Почти во всех усилителях на рынке мы используем специальные устройства для положительной половины сигнала и отдельные устройства для отрицательной половины сигнала. Чтобы уточнить, если мы измерим выходной сигнал усилителя относительно земли автомобиля, мы увидим, что он колеблется взад и вперед выше и ниже 0 В. Вспомните наши шины питания +25 В и -25 В. Динамики не заботятся о ценности посылаемого им сигнала; все, что их волнует, это разница в напряжении от одного конца звуковой катушки до другого конца.
Усилители класса AB
В этой статье мы собираемся обобщить усилители класса AB в модель аналогового усилителя. В нашем аналоговом усилителе у нас есть большие транзисторы в выходном каскаде усилителя. Когда нам нужна половина напряжения положительной шины на выходе, мы подаем половину напряжения на положительное выходное устройство.
Когда сигнал становится отрицательным, мы отключаем положительное устройство и начинаем использовать только отрицательное устройство. С другой стороны, аудиосигнал от драйвера управляет сопротивлением выходных устройств и, следовательно, тем, какой ток может протекать через динамик.
В аналоговом усилителе устройства вывода могут быть «включены» в разной степени относительно аудиосигнала. Это означает, что выходные устройства часто действуют как резисторы. Энергия теряется в виде тепла, когда мы пропускаем ток через резистор. Имейте это в виду как часть нашего сравнения позже в статье.
Усилители класса D
В усилителе класса D выходные устройства получают управление от интегральной схемы контроллера (ИС). Этот контроллер посылает прямоугольную волну с переменным рабочим циклом. Амплитуда прямоугольной волны достаточно высока, чтобы полностью включать или выключать выходные устройства. Выходные устройства очень мало времени работают как резисторы и больше действуют как переключатели.
Логичный вопрос: как же нам получить музыку из прямоугольной волны? Если вы так подумали, хорошо для вас! Частота прямоугольной волны намного выше, чем максимальная частота нашей музыки. На самом деле, некоторые современные усилители класса D переключают выходные устройства на частотах до 600 кГц. Дополнительным преимуществом усилителей класса D является чрезвычайно компактный размер.
Для воссоздания музыки контроллер класса D посылает сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Количество времени «включено» относительно времени «выключено» определяет выходной уровень сигнала. В качестве очень общей аналогии, если на устройства с положительным выходом посылается прямоугольная волна с рабочим циклом 50% (включен столько же времени, сколько он был выключен), то среднее значение выходного сигнала будет 50% от напряжения положительной шины. Если прямоугольная волна включена в течение 75% времени, а затем выключена в течение 25%, то мы получим на выходе 75% напряжения на шине.
Как вы понимаете, сигнал от контроллера класса D довольно сложный. Он должен достаточно быстро модулировать рабочий цикл прямоугольной волны, идущей к положительным и отрицательным устройствам, чтобы точно воссоздать звуковой сигнал. Он также должен управлять как положительными, так и отрицательными выходными устройствами отдельно.
Преимущества и недостатки аналоговых усилителей
Поскольку звуковой сигнал в аналоговом усилителе никогда не разбивается на мелкие кусочки, аналоговые усилители могут оставаться верными исходному сигналу. Аналоговые усилители с лучшим звучанием в индустрии мобильной электроники. Исторически сложилось так, что аналоговые усилители имеют репутацию точных высокочастотных характеристик.
Недостатком аналогового усилителя является его эффективность. Эффективность описывает, сколько энергии теряется в виде тепла по сравнению с энергией, передаваемой динамику. Поскольку выходные устройства в аналоговом усилителе работают как переменные резисторы, они нагреваются.
Типичные аналоговые усилители работают в диапазоне эффективности 70-80% относительно общей эффективности при работе на полной мощности. Недостающие 20-30% выделяются в виде тепла. При более низком уровне выходного сигнала эффективность падает еще больше.
Преимущества и недостатки цифровых усилителей
Интегральная схема усилителя класса D управляет переключением. Современные цифровые усилители переключаются на чрезвычайно высоких частотах. Мы видим усилители, способные воспроизводить звуковые частоты выше 50 кГц, а некоторые даже выше 70 кГц. Эти характеристики далеки от первых усилителей класса D, которые предназначались только для сабвуферов и с трудом воспроизводили звук выше 5 кГц. Тем не менее, поскольку цифровые усилители требуют сети фильтров в конце выходного каскада, они все еще не могут полностью соответствовать характеристикам аналогового усилителя премиум-класса. Имея в виду эту информацию, примите во внимание, что есть хорошие цифровые усилители, которые звучат лучше, чем многие плохо спроектированные аналоговые усилители.
Поскольку выходные устройства цифрового усилителя редко работают в своем резистивном диапазоне, эти усилители могут быть очень эффективными. Хорошо спроектированный усилитель класса D может иметь КПД около 92%.
Другой проблемой усилителей класса D является шум. Поскольку выходные устройства управляются прямоугольной волной, в выходном сигнале много высокочастотной энергии. Сеть фильтров, о которой мы говорили, удаляет большую часть этого из выходного сигнала, но эта энергия все еще может оказывать пагубное воздействие на другие системы автомобиля. К сожалению, общей чертой многих усилителей класса D является то, что они создают помехи радиоприему во время работы.
Выбор между классами усилителей
Было бы неплохо, если бы мы могли сформулировать набор жестких и быстрых правил для выбора правильного усилителя для вашей системы. С таким количеством вариаций каждого типа усилителя в столь разных ценовых категориях это действительно невозможно. Мы настоятельно рекомендуем, чтобы единственный способ выбрать усилитель — сравнить его с другим в контролируемых условиях: использовать одну и ту же музыку и одни и те же динамики и слушать с одинаковой громкостью.
Вы услышите различия в частотных характеристиках и существенные различия в возможностях визуализации и постановки.
Один вид усилителя лучше другого? Для установки, посвященной исключительно качеству звука, выбор очевиден. Для установки, где подача энергии ограничена или требуется большое количество энергии, выбор очевиден. В середине, это зависит от вашего приложения и бюджета.
Загляните в местный специализированный магазин мобильной электроники, чтобы узнать о новейших усилителях на рынке. Они будут рады помочь вам выбрать тот, который соответствует вашим требованиям и работает с вашим бюджетом.
Полное руководство по классам усилителей — HiFiReport
Выбор лучшего усилителя — непростая задача. Существует так много типов усилителей, что кажется невозможным найти «тот самый», который даст вам именно то, что вам нужно. Цель этой статьи — разбить наиболее популярные типы усилителей и их различия, чтобы облегчить ваше решение.
Какой тип усилителя мне нужен? Что делает эта кнопка? Как подключить динамики? Совместимы ли эти динамики с моим ресивером? Это вопросы, которые мы все задавали себе перед первой настройкой нашего нового аудиооборудования.
Неудивительно, что они часто встречают пустые взгляды или пожимают плечами, когда спрашивают продавцов, специализирующихся на системах домашнего кинотеатра; в конце концов, это может быть пугающе, если вы не знакомы с основами аудиооборудования. Поэтому в этом посте я сосредоточусь на основных типах усилителей.
Как классифицируются усилители?
Усилители мощности классифицируются как классы A, B, AB и C для линейных конструкций и классы D и E для импульсных конструкций.
Усилитель класса А
Усилители класса A имеют очень высокую «эффективность», определяемую как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженная в процентах от 50% или более. Но они расточительны в несколько раз. Их фактическая потребность в электроэнергии рассеивается, даже если их мощность равна нулю.
Усилитель класса B
Усилители класса B имеют низкий КПД, определяемый как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженный в процентах, равный 50%.
Он достигает пика при 100% модуляции. К сожалению, это также означает, что электрическая энергия рассеивается, когда фактический выходной сигнал нуля возрастает до своего максимального значения при 100% амплитуды входного сигнала.
Усилитель класса AB
Чтобы преодолеть ограничения усилителей классов A и B, усилитель, который находится между этими двумя классами, был определен путем проведения линии между ними.
Усилитель класса AB представляет собой электронную схему, которая может управлять громкоговорителем. Усилители класса AB более эффективны, чем усилители класса B, поскольку они обеспечивают питание нагрузки в гораздо более широком диапазоне входных напряжений сигнала.
Термин «Класс AB» является ретронимом, поскольку исторически многие конструкции класса B были преобразованы в усилители класса AB путем добавления отрицательной обратной связи. На заре радио этого не делали, потому что это было слишком дорого и ненужно. Поэтому становится необходимым улучшить эти конструкции позже, чтобы довести их эффективность до приемлемого уровня.
Усилитель класса C
Усилители класса C имеют очень низкую «эффективность», определяемую как выходная мощность/мощность на входе или (Pout-Pin), выраженная в процентах от 30% или менее. Поэтому они используются только для радиочастотных приложений на частотах от 500 МГц до 1 ГГц, где их выходная мощность минимальна по сравнению с их входными требованиями.
Усилитель класса D
Этот тип усилителя использует технологию ШИМ, которая генерирует большое количество гармоник наряду с основной частотой, что позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы значительно меньшего размера, поскольку на более высоких частотах они становятся меньше по размеру и дешево тоже.
Другие преимущества по сравнению с аналоговыми конструкциями заключаются в том, что они обеспечивают гораздо более высокую эффективность (90-95%) и лучшее отношение сигнал/шум (SNR) 100 дБ, чего более чем достаточно для любого аудиоприложения.
Усилитель класса E
Усилители класса E представляют собой особый класс импульсных источников питания, которые работают так же, как и класс D.
Тем не менее, их выходные каскады используют разные методы для достижения эффективности более 90%.
Это также позволяет им обеспечивать> 60 В при> 1 А, что очень полезно для автомобильных аудиоприложений. Они могут использоваться как с обычным трансформаторным источником питания, так и с импульсными источниками питания (SMPS).
Каковы плюсы и минусы каждого типа усилителя?
Двумя наиболее важными факторами при выборе конструкции усилителя являются его «эффективность» и «стоимость». Эффективность усилителя — это процент электрической мощности, которую он выдает на свою нагрузку (динамик), по сравнению с мощностью, которую он потребляет от источника питания (настенной розетки). КПД усилителя обычно выражается в процентах (%).
Плюсы и минусы усилителя класса А
Он имеет очень высокий КПД, как упоминалось ранее, на уровне 50% и более. Тем не менее, он тратит энергию даже при отсутствии выходного сигнала, потому что он рассеивает гораздо больше энергии, чем требуется для фактического выходного сигнала.
Кроме того, усилители класса А дороги по стоимости и размерам из-за больших радиаторов, необходимых для их рассеивания.
Плюсы и минусы усилителей класса B
Усилители класса B имеют низкую «эффективность», как упоминалось ранее, на уровне 50%, и достигает пика при 100%. Это делает их дешевыми и маленькими по сравнению с усилителями класса А, но они страдают от проблем с нагревом с обеих сторон (даже при отсутствии выхода).
Плюсы и минусы усилителей класса AB
Усилители класса AB имеют умеренный «КПД» на уровне 75%, что лучше, чем у усилителей класса B, но не так хорошо, как у усилителей класса A. Они не слишком малы и не слишком велики, но обладают некоторыми недостатки каждого типа, что делает их дорогими с точки зрения стоимости.
Плюсы и минусы усилителей класса C
Усилители класса C имеют очень низкий КПД, как упоминалось ранее, 30% или меньше. Это означает, что они будут эффективно работать только при преобразовании переменного тока в переменный без абсолютного падения напряжения, что нереально.
Поэтому они используются только для радиочастотных приложений на частотах от 500 МГц до 1 ГГц, где их выходной сигнал минимален по сравнению с входными требованиями.
Плюсы и минусы усилителя класса D
Усилители класса D имеют очень высокую «эффективность», как уже упоминалось ранее в 90% или более, что делает их недорогими как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения размера, но они страдают от проблемы нагрева с одной стороны (блок питания) из-за плохой «отсутствия регулирования» или «пульсации» производительности.
Для них не требуются радиаторы, но они рассеивают энергию и компоненты источника питания в процессе переключения, что делает их дорогостоящими с точки зрения стоимости, поскольку даже при значительной экономии на радиаторах. В результате вам потребуются более дорогостоящие компоненты, чтобы компенсировать это, что в конечном итоге компенсирует экономию, достигнутую при использовании конструкции класса D.
Плюсы и минусы усилителя класса E
Усилители класса E очень похожи на усилители класса D с точки зрения «эффективности», как упоминалось ранее, >90%, но имеют некоторые отличия при сравнении.
Из названия видно, что он относится к категории переключателей, использующих метод ШИМ и генерирующих много гармоник и основную частоту, что позволяет использовать катушки индуктивности и конденсаторы значительно меньшего размера. Потому что на более высоких частотах они тоже становятся маленькими по размеру и дешевыми.
Другие преимущества по сравнению с аналоговыми конструкциями заключаются в том, что они обеспечивают гораздо более высокий КПД (90-95%) и лучшее отношение сигнал/шум (SNR) благодаря бесшумной работе. Усилители класса E в основном используются в бытовых устройствах, требующих большой мощности, но не для приложений с ограниченным пространством.
Класс T
Относительно новый метод достижения высокой эффективности с использованием технологии, называемой «Т-трансформаторы», был открыт компанией Tripath Technology и назван усилителями «класса Т». Он использует выходной каскад, который работает либо в линейном режиме, либо в режиме ШИМ с чрезвычайно низкими искажениями и включает в себя несимметричную первичную индуктивность L2, соединенную с первичной обмоткой с центральным отводом на стороне трансформатора.
Позволяет достичь высокого КПД (>90 %) без генерации каких-либо гармоник входного сигнала. Однако их главный недостаток заключается в том, что их нельзя использовать в приложениях, где коэффициент заполнения входного сигнала сильно варьируется, поскольку он работает в режиме ШИМ, а коэффициент заполнения может изменяться в зависимости от условий входного сигнала.
Класс D и класс E
Сравнение конструкции класса D/E с традиционными конструкциями усилителей показывает уникальные преимущества и недостатки, что делает их подходящими только для конкретных приложений. В то же время класс D используется чаще, чем класс E в основном из-за его экономичности.
С другой стороны, класс E также используется в настоящее время из соображений превосходного качества звука благодаря низким шумовым характеристикам на более высоких частотах, где компоненты меньше, что приводит к большей экономии средств.
Если вы посмотрите на многие современные аудиоусилители, то заметите, что они обычно имеют либо одну (класс D), либо две (класс D + E) схемы усилителя.
Класс D в основном используется для динамиков, а класс E используется для гарнитур, которые очень чувствительны к шуму, поскольку пользователи слушают свою музыку и в шумной обстановке, поэтому необходимо реализовать эффективную конструкцию.
Класс A по сравнению с классом C
Выходные каскады класса A являются самыми неэффективными усилителями с точки зрения мощности, используемой для достижения определенного уровня производительности, и они имеют высокие уровни искажений. С другой стороны, класс C является наименее эффективной конструкцией, потому что их транзистор большую часть времени выключен, что приводит к рассеиванию меньшего количества тепла по сравнению с другими типами.
Класс B по сравнению с Классом D
Выходы класса B занимают второе место по общему гармоническому искажению. Тем не менее, они имеют гораздо более высокие потери в режиме холостого хода, чем класс A, потому что они содержат два транзистора, которые необходимо правильно смещать, что приводит к более сложной схеме и потере энергии (тепла).
Если напряжение база-эмиттер одного транзистора незначительно изменяется, это также влияет на напряжение база-эмиттер другого транзистора, поскольку оба транзистора работают в одной и той же точке схемы, что необходимо учитывать при проектировании каскадов класса B.
Класс D может управлять обоими транзисторами в разных точках всего цикла усиления (широтно-импульсная модуляция), что означает, что напряжение база-эмиттер каждого транзистора может изменяться независимо друг от друга, не влияя на его работу. Таким образом, эта конструкция имеет преимущество перед классом B, потому что она не страдает от потери тепла и не излучает тепло в окружающее пространство.
Класс B и класс C
Усилители классов B и C похожи, потому что они имеют только один транзистор, который включается и выключается, но класс B использует конденсатор для компенсации пульсаций, вызванных источником питания, в то время как класс C делает нет.
В результате класс B имеет меньше искажений, чем класс C, но является более расточительным с точки зрения энергии, поскольку ему необходимо отводить тепло от своих потерь, а также заниматься зарядкой/разрядкой конденсатора, что требует времени.
