Klasy pracy wzmacniacza.doc

Klasy pracy wzmacniacza



Klasa A

Jest to podstawowa klasa pracy tranzystora (lampy) gdzie wykorzystywany jest jego liniowy odcinek charakterystyki wzmocnienia. A po ludzku to podczas pracy wzmacniacza przez element wzmacniający zawsze płynie prąd. Nie następuje jego wyłączenie. Wszystkie wzmacniacze pracujące w konfiguracji "single ended" pracują w klasie A. W układach tych nie występują zniekształcenia skrośne ale słyną z nieparzystych harmonicznych ocieplających dźwięk. Wzmacniacze klasy A posiadają niską sprawność energetyczną ze względu na duże straty mocy, które są zamieniane w ciepło. Dla tego przy tranzystorach mocy występował parametr "moc admisyjna", czyli jaką moc tranzystor może wypromieniować w postaci ciepła. Inaczej mówiąc ile mocy może stracić tak aby nie została uszkodzona jego struktura. Parametr ten jest teraz zastąpiony oznaczeniem Ptot - moc maksymalna, ale producent podaje ten parametr w odniesieniu do temperatury złącza lub otoczenia (przynajmniej powinien).


Klasa B

Określana jako klasa pracy tranzystorów (lamp) w konfiguracji przeciwsobnej lub z angielskiego "push pull". W układzie tym polaryzowany jest zawsze tylko jeden element wzmacniający i tylko przez jeden płynie prąd do obciążenia. Obciążenie jest sterowane z dwóch kluczy osobno dla dodatniej i ujemnej połówki sygnału. Wzmacniacz w takiej konfiguracji posiada największą sprawność energetyczną ze wzmacniaczy analogowych. Powstał układ par komplementarnych tranzystorów mocy przeznaczonych do pracy w takich układach. Dla tego nieraz taki wzmacniacz jest nazywany układem komplementarnym. Komplementarna para tranzystorów jest taka wtedy, gdy jeden z nich jest PNP, drugi NPN i odpowiadają sobie parametrami (tak jest najlepiej).


Klasa AB

Jest to pośredni układ pracy tranzystorów w układzie przeciwsobnym, gdzie do pewnego prądu wyjściowego polaryzowane są obie połówki w kluczach wyjściowych. Dopiero po przekroczeniu pewnego prądu wyjściowego, gdy na rezystorach emiterowych powstanie spadek napięcia odejmującego się od napięcia polaryzacji i jeden z kluczy zostanie odcięty, wzmacniacz przechodzi w klasę B. Generalnie to bez sygnału i przy małym wysterowaniu wzmacniacz taki pracuje w klasie A by przy dużym wysterowaniu przejść w klasę B. Zaletą takiego rozwiązania jest brak zniekształceń skrośnych przy małych sygnałach, a przy dużym wysterowaniu wzmacniacza zniekształcenia te są maskowane przez sygnał. Wzmacniacze te mają trochę mniejszą sprawność od wzmacniacza w klasie B. Niekiedy w takiej konfiguracji są budowane wzmacniacze w klasie A, po prostu ustawiony jest duży prąd spoczynkowy tranzystorów mocy i wzmacniacz nie wchodzi w klasę B. Nieraz niechcący tak wyjdzie i mówimy, że wzmacniacz brzmi bardzo miękko.


Klasa C

Tranzystor lub lampa pracują w nieliniowym odcinku swojej charakterystyki, nie posiadając stałej polaryzacji i sterowne są wyłącznie sygnałem wejściowym. Główne zastosowanie to stopnie mocy w.cz. w nadajnikach radiowych. W akustyce ta klasa pracy nie jest stosowana, chyba że wyjdzie znów niechcący i wtedy wzmacniacz "charczy".


Klasa D

Jest to układ pracy wzmacniacz w którym tranzystory mocy występują wyłącznie jako klucze i nie pracują w liniowym odcinku charakterystyki. Przewodzą lub nie. Sterowane są z generatora o zmiennej szerokości impulsu PWM (pulse with modulation). Może to być w najprostszej konfiguracji generator przebiegu trójkątnego z pływającym zerem w ten sposób wpływając na różnicę w czasie trwania dodatniej i ujemnej połówki sygnału. Generator ten jest oczywiście sterowany sygnałem wejściowym. Na wyjściu takiego wzmacniacza znajduje się filtr dolnoprzepustowy filtrujący z sygnału użytecznego częstotliwość nośną. Wzmacniacze te charakteryzują się małymi stratami mocy, na poziomie 5%, ale też bardzo dużymi zniekształceniami. Największym problemem w tych wzmacniaczach jest skonstruowanie układów sterujących kluczami tak aby dobrać odpowiednie czasy załączenia tak aby się nie pokrywały zbocza, lub nie "rozjeżdżały", czyli wypracować kompromis między zniekształceniami i mocą traconą, lub traconymi tranzystorami mocy.


Klasa "AA", New Class A, Optical Class A, Class H(+), Klasa T i inne

Są to oznaczenia marketingowe, nie techniczne. Chociaż pewne z nich (New i Optical Class A) podpierają się rozwiązaniami technicznym zawartymi w nazwie, ale nie są to wzmacniacze pracujące w klasie A. Klasa T nazywa się tak, gdyż jest to w zasadzie klasa D ale została w szczególny sposób obłaskawiona przez firmę Tripath. Opiszę te rozwiązania przy okazji prezentacji produktów różnych firm w dziale GALERIA.

Wzmacniacze z klasą
Czym jest klasa wzmacniacza mocy i co z tego wynika dla brzmienia

Tomasz Wróblewski

Na temat wzmacniaczy mocy pisaliśmy na naszych łamach niejednokrotnie,
ale tej tematyki - przy skromnej liczbie publikacji z nią związanych - nigdy nie za wiele. W artykule tym przyjrzymy się klasom pracy wzmacniacza mocy.
Z założenia nie wnikamy w bardziej zaawansowane problemy techniczne, skupiając się tylko na ogólnych informacjach mających znaczenie dla muzyków i realizatorów.

Każdy wzmacniacz mocy składa się ze stopnia wejściowego, stopnia wzmocnienia napięciowego, stopnia sterowania, stopnia wykonawczego i zasilacza. Wzajemna konfiguracja trzech ostatnich bloków wyznacza klasę pracy wzmacniacza i ma bardzo duży wpływ na wiele czynników - począwszy od brzmienia na poborze mocy skończywszy. Informacja o klasie pracy wzmacniacza jest jedną z najważniejszych informacji, którą należy brać pod uwagę - na równi z mocą wyjściową i dopuszczalnymi parametrami obciążenia.

Klasa A.
Z taką konfiguracją stopni mocy spotykamy się od pierwszych lat istnienia elektroniki. Paradoksalnie - właśnie ta najprostsza i najmniej efektywna klasa pracy pozwala na uzyskanie najlepszej jakości dźwięku, choć jest to okupione bardzo dużym poborem prądu i - co zawsze się z tym wiąże - dużą masą urządzenia. Wzmacniacze pracujące w klasie A znajdują zastosowanie głównie w studiach jako wzmacniacze odsłuchowe, choć jest kilka wyjątków. Jednym z nich jest niemiecka firma Glockenklang, znana z produkcji najwyższej jakości sprzętu nagłośnieniowego dla basistów. Ma ona w swej ofercie między innymi wzmacniacze pracujące w czystej klasie A, często wykorzystywane jako wzorcowe przez wielu najważniejszych producentów gitar basowych.
W przypadku klasy A elementy wykonawcze (tranzystory lub lampy mocy) zawsze pobierają prąd, nawet wtedy, gdy nie są wysterowane żadnym sygnałem. Wartość tego prądu jest dobierana w ten sposób, by elementy te pracowały w liniowym odcinku swej charakterystyki. Dzięki temu znacząco spada poziom zniekształceń nieliniowych. Inną zaletą tych wzmacniaczy jest stabilizacja cieplna - układy wykonawcze są cały czas podgrzewane prądem przez nie płynącym i zachowują mniej więcej stałą temperaturę roboczą, co ma duży wpływ na liniowość przetwarzania sygnału. Układy w klasie A są stosunkowo proste do zbudowania, składają się z niewielkiej liczby elementów i przy prawidłowym doborze podzespołów wykazują się dużą niezawodnością. Wadą tej konstrukcji jest niska sprawność (stosunek mocy oddawanej do pobieranej) nie przekraczająca na ogół 20%. Ich moc wyjściowa też jest niewielka - najpotężniejsze konstrukcje oferują w porywach 300 watów. Pomijając aspekty ekologiczne, wzmacniacze w klasie A najwięcej mocy zużywają na grzanie się, co zwiększa wymagania w odniesieniu do jakości zastosowanych podzespołów. Pomimo faktu, że wzmacniacze mocy pracujące w tej klasie oferują zdecydowanie najlepsze brzmienie, ich wysoka cena, duża waga i bardzo niska sprawność energetyczna sprawiają, że chyba pozostaną urządzeniami ekskluzywnymi, raczej z niewielkimi perspektywami na ich bardziej powszechne wykorzystanie w typowych systemach nagłośnieniowych.

Klasa B.
Wzmacniacze pracujące w klasie B pozwalają na uzyskanie większej mocy wyjściowej, mają mniejszą zawartość parzystych harmonicznych (zjawisko mniej korzystne z muzycznego punktu widzenia - brzmienie tych wzmacniaczy odbieramy jako bardziej metaliczne i surowe) i charakteryzują się małym poborem prądu w stanie spoczynku (bez sygnału wejściowego). Podstawową wadą tego rozwiązania jest stosunkowo duży poziom zniekształceń nieliniowych i konieczność stosowania dość głębokiego ujemnego sprzężenia zwrotnego, najczęściej przez dwa stopnie. To powoduje występowanie znaczących przesunięć fazowych na krańcach pasma. Czysta klasa B to konstrukcja ekonomiczna, ale z uwagi na wysoki poziom zniekształceń bardzo rzadko stosowana w praktyce.

W dziedzinie wzmacniaczy pracujących w klasie H dużą popularnością cieszą się konstrukcje firmy Carver. Przed transformatorem zasilającym zastosowano w nich specjalny układ z triakiem sterowanym poziomem sygnału wejściowego. Układ ten pozwala na wydłużenie czasu pracy w ramach jednego okresu (rysunek po prawo), co pozwala na zwiększenie sprawności wzmacniacza podczas przenoszenia silnych sygnałów impulsowych i znacząco redukuje zakłócenia wywołane kluczowaniem zasilania.

Klasa AB.
Konstrukcja w klasie AB jest naturalnym rozwinięciem klasy B i podobnie jak ona zbudowana jest w oparciu o układ przeciwsobny. Każda połówka sygnału przetwarzana jest przez oddzielną gałąź stopnia wyjściowego, co w sumie daje pełne odwzorowanie sygnału przemiennego na wyjściu wzmacniacza. O ile w przypadku klasy B największe problemy występują właśnie przy przechodzeniu przebiegu przez oś 0, o tyle w klasie AB zastosowano wstępną polaryzację (wymuszenie stałego przepływu prądu o niewielkiej wartości przez stopnie wykonawcze), co poprawiło sytuację dzięki wyeliminowaniu zjawiska tzw. zniekształceń skrośnych i znacznie zbliżyło brzmienie klasy AB do brzmienia wzmacniaczy pracujących w klasie A. Sprawność wzrosła do ok. 50%, więc konstrukcja stała się uzasadniona ekonomicznie. A zatem same zalety? Nie do końca. Wzmacniacze pracujące w klasie AB są dość skomplikowane konstrukcyjnie i wymagają starannych zabezpieczeń przed przeciążeniami. Wynika to z faktu, że zastosowane w nich ujemne sprzężenie zwrotne (część sygnału z wyjścia podawana jest na wejście, co ma na celu wymuszenie bardziej liniowej pracy wzmacniacza) w sytuacjach ekstremalnych (przeciążenie wyjścia, gwałtowne zmniejszenie impedancji obciążenia) może spowodować eskalację niekorzystnych zjawisk. Należy zadbać również o stabilność termiczną całego układu i precyzyjne dopasowanie pod względem parametrów elementów pracujących w obu gałęziach przeciwsobnego stopnia wyjściowego. Dobrze zaprojektowany wzmacniacz w klasie AB potrafi jednak zabrzmieć znakomicie, a prawidłowy dobór elementów i skuteczność zabezpieczeń pozwolą mu na długą i efektywną pracę nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach.

Klasa G i H.
Wzmacniacze pracujące w tych klasach znane są od połowy lat 80. i wykorzystywane są we wzmacniaczach o najwyższej mocy - do 5000 watów (5kW) na kanał. Idea klas G i H sprowadza się do założenia, że wzmacniacz mocy nie potrzebuje dużego napięcia zasilania przez cały czas, a jedynie podczas przetwarzania sygnałów o dużej amplitudzie. Z analizy typowych przebiegów audio wynika, że sygnały takie stanowią 50% całości sygnałów przetwarzanych przez aparaturę nagłaśniającą. Stąd już prosta droga do opracowania układu, który będzie załączał większe napięcie zasilania tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy wzrośnie powyżej pewnej wartości. Wzmacniacze pracujące w klasach G i H pozwalają na zwiększenie sprawności (a zatem zmniejszenie wydzielanego ciepła) i redukcję kosztów (mniejsze wymagania odnośnie radiatorów chłodzących i tranzystorów mocy).
Od strony praktycznej wzmacniacz w klasie G to w zasadzie dwa oddzielne stopnie wyjściowe. Jeden ma mniejszą moc i cały czas pracuje, niezależnie od poziomu sygnału. Drugi stopień podłączony jest do większego zasilania i "dokłada" się do stopnia o mniejszej mocy tylko w momentach większego zapotrzebowania na energię. W przypadku klasy H mamy do czynienia z jednym wzmacniaczem, z którym współpracuje zasilacz o stopniowanym napięciu wyjściowym, przełączanym w zależności od potrzeb. Współczesne wzmacniacze pracujące w klasach G i H pozbawione są już przypadłości pierwszych konstrukcji tego typu, polegających na słyszalnym szumie przełączania i sporych zniekształceniach sygnału w wyższych częstotliwościach. Mimo tego lepszym pomysłem jest wykorzystanie tych wzmacniaczy w zakresie niskich i średnich częstotliwości (bronią się dużą mocą, sprawnością i stosunkowo niewielką wagą) i pozostawienie sterowania driverów wysokotonowych lepszym pod tym względem wzmacniaczom pracującym w klasie AB.

Klasa D.
Wzmacniacze pracujące w tej klasie znane są pod nazwą wzmacniaczy impulsowych. Punktem wyjścia do zrozumienia zasady ich działania jest zjawisko znane w elektronice pod nazwą modulacji szerokości impulsu (PWM). Sygnał wejściowy jest zamieniany na impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wyniku pomiaru próbki sygnału, dokonywanego z częstotliwością ponadakustyczną (od 200 do 500kHz). Impulsy te są wzmacniane przez stopień mocy, a następnie wygładzane i filtrowane za pomocą filtrów o dużym nachyleniu charakterystyki. Z pewnością wielu z Was obruszy się na myśl, że starannie wypielęgnowany w przedwzmacniaczach, korektorach i kompresorach sygnał trafia do swego rodzaju "szatkownicy dźwięku". Ale nie ma powodu do niepokoju. Współczesne konstrukcje wzmacniaczy pracujących w klasie D to zaawansowane i starannie przemyślane układy, które nie mają wiele wspólnego z pierwszymi urządzeniami tego typu - bardzo zawodnymi i kiepsko brzmiącymi. Powodami, dla którego je kiedyś tolerowano, była ich rewelacyjna sprawność sięgająca 95%, znikoma waga wynikająca z braku dużego transformatora zasilającego i małe wymiary. Dzisiejsze wzmacniacze PWM często brzmią bardzo dobrze w całym zakresie audio, a ich dość wysoka cena szybko zostanie zrekompensowana przez redukcję kosztów transportu z uwagi na mniejsze wymiary i niemal pomijalną wagę.

Co dalej?
Na horyzoncie co rusz pojawiają się nowe opracowania wzmacniaczy mocy. Poszukiwania konstruktorów idą w kierunku dalszego zmniejszenia wymagań odnośnie chłodzenia i zasilania. Jedną z najbardziej znaczących nowości ostatnich lat jest opracowana przez firmę TriPath technologia znana pod nazwą klasy T. Firma jest producentem układów scalonych będących kompletnym, zintegrowanym stopniem mocy wymagającym niewielkiego chłodzenia. W przeciwieństwie do klasy D zastosowano tu cyfrowy układ inteligentnie dostosowujący sposób próbkowania do charakteru sygnału, parametrów stopnia wyjściowego i wielu innych czynników. To sprawia, że od wzmacniaczy w klasie T możemy oczekiwać lepszej jakości dźwięku niż w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, gdzie proces próbkowania pozostawał bez zmian.
Doświadczenie uczy, że wzmacniacze mocy nie są li tylko przezroczystym brzmieniowo urządzeniem, którego zadaniem jest wzmocnienie sygnału podawanego na głośniki. Każdy z nich, nawet w ramach tej samej klasy, charakteryzuje się innym brzmieniem wynikającym z zastosowanych elementów, doboru punktów pracy czy wyboru określonych rozwiązań układowych.
Z pewnością najpopularniejsza i najczęściej stosowana klasa AB długo jeszcze będzie wykorzystywana w estradowych wzmacniaczach mocy. Jednak stale rosnąca świadomość ekologiczna i - dla wielu użytkowników bardziej istotna - oszczędność wynikająca z małej wagi i wymiarów wzmacniaczy klasy G, H i D spowoduje zapewne dalszy wzrost popularności tychże konstrukcji.
Techniki cyfrowe nieśmiało wkraczają do tej dziedziny przemysłu audio, ale przełom w postaci klasy T może zmienić nastawienie wielu producentów i użytkowników.