Audio pojačalo je opšti termin koji se koristi za opisivanje kola koje proizvodi i pojačava verziju svog ulaznog signala. Međutim, nisu sve tehnologije pretvarača iste jer su klasificirane prema svojim konfiguracijama i načinima rada.
U elektronici se obično koriste mala pojačala jer su u stanju da pojačaju relativno mali ulazni signal, kao što je sa senzora kao što je muzički plejer, u mnogo veći izlazni signal za pokretanje releja, lampe ili zvučnika, itd.
Postoje mnogi oblici elektronskih kola klasifikovanih kao pojačala, od operativnih i malih pretvarača signala do velikih impulsnih i energetskih pretvarača. Klasifikacija uređaja zavisi od veličine signala, velikog ili malog, njegove fizičke konfiguracije i načina na koji se ulazni tok obrađuje, odnosno odnosa između ulaznog nivoa i struje koja teče u opterećenju.
Anatomija uređaja
Pojačala audio frekvencije se mogu posmatrati kao jednostavna kutijaili blok koji sadrži uređaj, kao što je bipolarni, FET ili operativni senzor, koji ima dva ulazna i dva izlazna terminala (uzemljenje je uobičajeno). Štaviše, izlazni signal je mnogo veći zbog konverzije na uređaju.
Idealno pojačalo signala će imati tri glavna svojstva:
- Ulazna impedansa, ili (R IN).
- Izlazni otpor, ili (R OUT).
- Poboljšanje, ili (A).
Bez obzira koliko je složeno kolo pojačala, opšti blok model se može koristiti za demonstriranje odnosa ova tri svojstva.
Opći koncepti
Visokokvalitetna audio pojačala mogu se razlikovati u performansama. Svaki tip ima digitalnu ili analognu konverziju. Kodovi su postavljeni da ih razdvoje.
Povećana razlika između ulaznih i izlaznih signala naziva se konverzija. Pojačanje je mjera koliko pojačalo "transformiše" ulazni signal. Na primjer, ako postoji ulazni nivo od 1 volt i izlazni nivo od 50 volti, tada će konverzija biti 50. Drugim riječima, ulazni signal je razvijen 50 puta. Pojačalo audio frekvencije radi upravo to.
Izračun konverzije je jednostavno omjer izlaza podijeljen sa ulazom. Ovaj sistem nema jedinice kao svoj omjer, ali u elektronici se za pojačanje obično koristi simbol A. Pretvorba se tada jednostavno izračunava kao "izlaz podijeljen sa ulazom".
pretvarači
Mala lupaPojačalo signala se obično naziva pojačalo "napona" jer ima tendenciju da pretvori mali ulaz u mnogo veći izlazni napon. Ponekad je potrebno kolo uređaja za pokretanje snage motora ili zvučnika, a za ove vrste aplikacija, gdje su uključene velike struje prebacivanja, potrebni su pretvarači snage.
Kao što ime sugerira, glavni zadatak pojačala snage (također poznatog kao veliko pojačalo signala) je da opskrbi opterećenje. To je proizvod napona i struje primijenjenog na opterećenje s izlaznom snagom većom od razine ulaznog signala. Drugim riječima, pretvarač povećava snagu zvučnika, tako da se ovaj tip blok kola koristi u vanjskim stupnjevima audio pretvarača za pogon zvučnika.
Princip rada
Audio pojačalo radi na principu pretvaranja istosmjerne struje iz izvora napajanja u signal naizmjeničnog napona koji se dovodi do opterećenja. Iako je konverzija visoka, efikasnost od DC napajanja do izlaznog signala izmjeničnog napona je općenito niska.
Idealan blok daje uređaju efikasnost od 100% ili će barem power IN biti jednak power OUT.
Class division
Ako su korisnici ikada pogledali specifikacije audio pojačala, možda su primijetili klase opreme, obično označene slovom ilidva. Najčešći tipovi blokova koji se danas koriste u kućnom audio za potrošače su A, A/B, D, G i H vrijednosti.
Ove klase nisu jednostavni sistemi klasifikacije, već opisi topologije pojačala, odnosno kako funkcionišu na nivou jezgra. Iako svaki tip pojačala ima svoj skup prednosti i mana, njihove performanse (i način na koji se mjere konačne karakteristike) ostaju iste.
To je pretvaranje talasnog oblika koji šalje pred-jedinica bez uvođenja smetnji ili barem što manje distorzije.
Klasa A
U poređenju sa drugim klasama audio pojačala koji će biti opisani u nastavku, modeli klase A su relativno jednostavni uređaji. Definirajući princip rada je da svi izlazni blokovi pretvarača moraju proći kroz kompletan ciklus signala od 360 stepeni.
Klasa A se također može podijeliti na jednostruka i push-pull pojačala. Push/pull se razlikuje od glavnog objašnjenja iznad korištenjem izlaznih uređaja u parovima. Dok oba uređaja rade puni ciklus od 360 stepeni, jedan uređaj će nositi većinu opterećenja tokom pozitivnog dijela ciklusa, dok će drugi nositi veći dio negativnog ciklusa.
Glavna prednost ovog kola je smanjeno izobličenje u poređenju sa jednostranim dizajnom, pošto su eliminisane čak i fluktuacije redosleda. Osim toga, dizajni klase A push-pull manje su osjetljivi na buku.
Zbog pozitivnih kvaliteta povezanih sa performansama klase A, smatra se zlatnim standardom za kvalitet zvuka u mnogim akustičnim aplikacijama. Međutim, ovi dizajni imaju jedan važan nedostatak - efikasnost.
Zahtjev da tranzistorska audio pojačala klase A imaju sve izlazne uređaje uključene u svakom trenutku. Ovo djelovanje dovodi do značajnog gubitka energije, koja se na kraju pretvara u toplinu. Ovo je dodatno pogoršano činjenicom da dizajn klase A zahtijeva relativno visoke nivoe struje mirovanja, što je količina struje koja teče kroz izlazne uređaje kada pojačalo proizvodi nulti izlaz. Stope efikasnosti u stvarnom svijetu mogu biti poretka od 15-35%, uz moguće jednocifrene cifre koristeći visoko dinamičan izvorni materijal.
Klasa B
Dok je svim izlaznim mehanizmima u audio pojačalu klase A potrebno 100% vremena za rad, jedinice klase B koriste push-pull kola tako da samo polovina izlaznih uređaja provode u bilo kom trenutku.
Jedna polovina pokriva +180 stepeni talasnog oblika, dok druga polovina pokriva deo od -180 stepeni. Kao posledica toga, pojačala klase B su znatno efikasnija od svojih kolega klase A, sa teorijskim maksimumom od 78,5%. S obzirom na relativno visoku efikasnost, klasa B se koristi u nekim profesionalnim PA pretvaračima, kao iu nekim kućnim cevnim pojačalima. Uprkos njimaočigledna snaga, šanse za stjecanje bloka klase B za kuću su praktički ravne nuli. Pregled audio pojačivača pokazao je uzrok tome, poznat kao skretno izobličenje.
Problem sa kašnjenjem u primopredaji između uređaja koji obrađuju pozitivne i negativne dijelove valnog oblika smatra se značajnim. Podrazumeva se da se ovo izobličenje čuje u dovoljnim količinama, i dok su neki dizajni klase B bili bolji od drugih u tom pogledu, klasa B je dobila malo priznanja od entuzijasta čistog zvuka.
Klasa A/B
Cijevno audio pojačalo se može naći na mnogim koncertnim prostorima. Ima visoke performanse i ne pregrijava se. Osim toga, modeli su mnogo jeftiniji od mnogih digitalnih blokova. Ali ima i odstupanja. Takav modul možda neće raditi sa svim audio formatima. Stoga je bolje koristiti opremu kao dio općeg kompleksa za obradu signala.
Klasa A/B kombinuje najbolje od svakog tipa uređaja kako bi stvorila jedinicu bez nedostataka bilo kojeg drugog. Sa ovom kombinacijom prednosti, pojačala klase A/B u velikoj mjeri dominiraju potrošačkim tržištem.
Rješenje je zapravo prilično jednostavno u konceptu. Tamo gdje klasa B koristi push-pull uređaj pri čemu svaka polovina izlaznog stupnja provodi 180 stepeni, mehanizmi klase A/B ga povećavaju na ~181-200 stepeni. Dakle, postojimnogo je manja vjerovatnoća da će doći do "puzanja" u petlji, pa stoga distorzija skretnice pada do tačke u kojoj nije bitno.
Valve audio pojačala mogu apsorbirati ove smetnje mnogo brže. Zahvaljujući ovoj osobini, zvuk izlazi iz uređaja mnogo čistiji. Modeli ovih karakteristika se često koriste za transformaciju zvuka akustičnih i električnih gitara.
Dovoljno je reći da klasa A/B ispunjava svoje obećanje, lako nadmašujući čiste konstrukcije klase A sa ~50-70% performansi u stvarnom svijetu. Stvarni nivoi, naravno, zavise od toga koliko je pojačalo offset, kao i od programskog materijala i drugih faktora. Također je vrijedno napomenuti da neki dizajni klase A/B idu korak dalje u svojoj potrazi za eliminacijom skretnih distorzija radeći u čistom načinu rada klase A do nekoliko vati snage. Ovo daje određenu efikasnost na niskim nivoima, ali osigurava da se pojačalo ne pretvori u peć kada se primjenjuje velika količina energije.
Klase G i H
Još jedan par dizajna dizajniranih da poboljšaju efikasnost. Sa tehničke tačke gledišta, ni pojačala klase G ni klase H nisu zvanično priznata. Umjesto toga, to su varijacije na temu klase A/B koristeći prebacivanje napona sabirnice i modulaciju magistrale, respektivno. U svakom slučaju, u uslovima niske potražnje, sistem koristi niži napon sabirnice od sličnog pojačala klase A/B, što značajnosmanjuje potrošnju energije. Kada se pojave uslovi velike snage, sistem dinamički povećava napon sabirnice (tj. prebacuje se na visokonaponsku sabirnicu) da bi se nosio sa tranzijentima velike amplitude.
Ima i nedostataka. Glavni među njima je visoka cijena. Originalni mrežni sklopovi koristili su bipolarne tranzistore za kontrolu izlaznih tokova, dodajući složenost i cijenu. Visokokvalitetna cijevna audio frekvencijska pojačala ovog tipa su uobičajena, iako cijena počinje od 50 tisuća rubalja. Blok se smatra profesionalnom tehnikom za rad na sceni ili snimanje u studiju. Postoje problemi sa tranzistorima. Pod dužim opterećenjem, neki od njih mogu pokvariti.
Danas je cijena često smanjena u određenoj mjeri korištenjem MOSFET-a velike struje za odabir ili promjenu vodiča. Upotreba MOSFET-a ne samo da poboljšava efikasnost i smanjuje toplotu, već zahteva i manje delova (obično jedan uređaj po niti). Pored troškova prebacivanja magistrale, same modulacije, također je vrijedno napomenuti da neka pojačala klase G koriste više izlaznih uređaja od tipičnog dizajna klase A/B.
Jedan par uređaja će raditi u tipičnom A/B modu, napajani niskonaponskim sabirnicama. U međuvremenu, drugi je u stanju pripravnosti da djeluje kao pojačivač napona, koji se aktivira samo ovisno o situaciji. Izdrži velika opterećenja samo klase G i H,povezan sa moćnim pojačalima, gde se povećana efikasnost isplati. Kompaktni dizajni također mogu koristiti topologije klase G/H za razliku od A/B s obzirom da mogućnost prebacivanja na način rada niske potrošnje znači da se mogu izvući s malo manjim hladnjakom.
Klasa D
Ova vrsta uređaja vam omogućava da kreirate sopstvene modularne sisteme. Uz pomoć opreme odvija se kvalitetna obrada cjelokupnog odlaznog toka. Dizajniranje audio frekvencijskih pojačala vam omogućava da kreirate sopstveni multimedijalni sistem za rad ili zabavu. Međutim, ovdje postoje neke nijanse. Često pogrešno nazivani digitalnim pojačanjem, pretvarači klase D su garancija efikasnosti jedinice i postižu dobit od preko 90% u stvarnom testiranju.
Prvo vredi razmisliti zašto je ovo klasa D ako je "digitalno pojačanje" netačno. Bilo je to samo sljedeće slovo u abecedi, s klasom C koja se koristila u audio sistemima. Još važnije, kako se može postići efikasnost od 90%+. Dok sve prethodno navedene klase pojačala imaju jedan ili više izlaznih uređaja koji su stalno aktivni čak i kada je pretvarač u stanju pripravnosti, jedinice klase D ih brzo isključuju i uključuju. Ovo je prilično zgodno i omogućava korištenje modula samo u pravim trenucima.
Na primjer, proračun audio pojačala klase T, koji suTripathova implementacija klase D, za razliku od osnovnog uređaja, koristi preklopne frekvencije reda veličine 50 MHz. Izlazni uređaji se obično kontrolišu modulacijom širine impulsa. Ovo je kada modulator generira kvadratne valove različite širine koji predstavlja analogni signal za reprodukciju. Uz striktnu kontrolu izlaznih uređaja na ovaj način, 100% efikasnost je teoretski moguća (iako očigledno nije dostižna u stvarnom svijetu).
Kopajući u svijet audio pojačala klase D, možete pronaći i pominjanje analognih i digitalnih kontrolisanih modula. Ovi kontrolni blokovi imaju analogni ulazni signal i analogni kontrolni sistem, obično sa određenim stepenom korekcije greške povratne sprege. S druge strane, pojačala klase D digitalne konverzije koriste digitalnu kontrolu, koja prebacuje stepen snage bez kontrole greške. Ova odluka također nailazi na odobravanje, prema recenzijama mnogih kupaca. Međutim, ovdje je segment cijena mnogo veći.
Istraživanje audio pojačala je pokazalo da klasa D sa analognim pogonom ima prednost u performansama u odnosu na digitalno analogno, jer tipično nudi nižu izlaznu impedanciju (otpor) i poboljšani profil izobličenja. Ovo podiže početne vrijednosti sistema pri njegovom maksimalnom opterećenju.
Parametri pojačala audio frekvencije su mnogo veći od onih kod osnovnih modela. Treba shvatiti da su takvi proračuni potrebni samo za stvaranje muzike u studiju. Za obične kupce, ovekarakteristike se mogu preskočiti.
Obično L-kolo (induktor i kondenzator) postavljeno između pojačala i zvučnika radi smanjenja buke povezane s radom klase D. Filter je od velike važnosti. Loš dizajn može ugroziti efikasnost, pouzdanost i kvalitet zvuka. Osim toga, povratna informacija nakon izlaznog filtera ima svoje prednosti. Iako dizajni koji ne koriste povratnu informaciju u ovoj fazi mogu podesiti svoj odgovor na specifičnu impedanciju, kada takva pojačala imaju složeno opterećenje (tj. zvučnik umjesto otpornika), frekvencijski odziv može značajno varirati ovisno o opterećenju zvučnika. Povratne informacije stabiliziraju ovaj problem pružanjem glatkog odgovora na složena opterećenja.
Na kraju, složenost audio pojačala klase D ima svoje prednosti. Efikasnost i, kao rezultat, manja težina. Budući da se relativno malo energije troši na toplinu, potrebno je mnogo manje energije. Kao takva, mnoga pojačala klase D se koriste u kombinaciji sa napajanjem u komutiranom režimu (SMPS). Kao i izlazni stepen, samo napajanje se može brzo uključiti i isključiti kako bi se regulisao napon, što rezultira daljim povećanjem efikasnosti i mogućnošću smanjenja težine u odnosu na tradicionalne analogne/linearne izvore napajanja.
Ukupno, čak i moćna pojačala klase D mogu težiti samo nekoliko kilograma. Nedostatak SMPS napajanja u odnosu na tradicionalna linearna napajanja jeda prvi obično nemaju mnogo prostora za glavu.
Testovi i brojni testovi audio pojačala klase D sa linearnim napajanjem u poređenju sa SMPS modulima su pokazali da je to zaista slučaj. Kada su dva pojačala rukovala nazivnom snagom, ali je jedno sa linearnim napajanjem moglo proizvesti više dinamičke nivoe snage. Međutim, SMPS dizajni postaju sve uobičajeniji i možete očekivati da ćete vidjeti bolje jedinice klase D sljedeće generacije koje koriste slične oblike u trgovinama.
Poređenje efikasnosti klasa AB i D
Iako efikasnost tranzistorizovanog audio pojačala klase A/B raste kako se približava maksimalnoj izlaznoj snazi, dizajn klase D održava visoku efikasnost u većini radnih opsega. Kao rezultat toga, efikasnost i kvalitet zvuka sve više naginju posljednjem bloku.
Koristite jednu sondu
Kada se pravilno implementira, bilo koji od gore navedenih blokova izvan klase B može činiti osnovu pojačala visoke vjernosti. Osim potencijalnih zamki u pogledu performansi (koje su prvenstveno odluka o dizajnu, a ne specifična za klasu), odabir tipa bloka je u velikoj mjeri pitanje cijene u odnosu na efikasnost.
Na današnjem tržištu, jednostavno audio pojačalo klase A/B dominira, i to s dobrim razlogom. Radi vrlo dobro, relativno je jeftin, i svojefikasnost je sasvim adekvatna za aplikacije male snage (>200W). Naravno, kako proizvođači pretvarača pokušavaju da poguraju okvire sa, na primjer, monoblokom Emotiva XPR-1 od 1000 W, oni se okreću dizajnu G/H i D klase kako bi izbjegli dupliciranje svojih pojačala kao sistema koji mogu brzo zagrijati opremu. U međuvremenu, na drugoj strani tržišta nalaze se obožavatelji klase A koji mogu oprostiti nedostatak efikasnosti uređaja u nadi da će zvuk biti čistiji.
Rezultat
Uostalom, konverterske klase nisu nužno toliko važne. Naravno da postoje stvarne razlike, posebno kada su u pitanju troškovi, efikasnost pojačala i samim tim težina. Naravno, uređaji klase A od 500W su loša ideja, osim ako, naravno, korisnik nema moćan sistem hlađenja. S druge strane, razlike između klasa ne određuju kvalitet zvuka. Na kraju, sve se svodi na razvoj i implementaciju vlastitih projekata. Važno je shvatiti da su sonde samo jedan uređaj koji je dio audio sistema.
