Zosilňovač zvuku je všeobecný pojem používaný na opis obvodu, ktorý vytvára a zosilňuje verziu svojho vstupného signálu. Nie všetky technológie prevodníkov sú však rovnaké, pretože sú klasifikované podľa ich konfigurácií a prevádzkových režimov.
V elektronike sa bežne používajú malé zosilňovače, pretože sú schopné zosilniť relatívne malý vstupný signál, napríklad zo snímača, akým je hudobný prehrávač, na oveľa väčší výstupný signál na ovládanie relé, lampy alebo reproduktora, atď.
Existuje mnoho foriem elektronických obvodov klasifikovaných ako zosilňovače, od prevádzkových a malých prevodníkov signálu až po veľké prevodníky impulzov a výkonu. Klasifikácia zariadenia závisí od veľkosti signálu, veľkého alebo malého, jeho fyzickej konfigurácie a spôsobu spracovania vstupného toku, teda vzťahu medzi vstupnou úrovňou a prúdom tečúcim v záťaži.
Anatómia zariadenia
Audiofrekvenčné zosilňovače možno považovať za jednoduchú škatuľualebo blok obsahujúci zariadenie, ako je bipolárny, FET alebo operačný senzor, ktorý má dve vstupné a dve výstupné svorky (uzemnenie je spoločné). Okrem toho je výstupný signál oveľa väčší vďaka jeho konverzii na zariadení.
Ideálny zosilňovač signálu bude mať tri hlavné vlastnosti:
- Vstupná impedancia alebo (R IN).
- Výstupný odpor alebo (R OUT).
- Zisk alebo (A).
Bez ohľadu na to, aký zložitý je obvod zosilňovača, na demonštráciu vzťahu týchto troch vlastností možno použiť všeobecný blokový model.
Všeobecné pojmy
Zosilňovače zvuku vysokej kvality sa môžu líšiť vo výkone. Každý typ má digitálny alebo analógový prevod. Kódy sú nastavené tak, aby ich oddeľovali.
Zväčšený rozdiel medzi vstupnými a výstupnými signálmi sa nazýva konverzia. Zisk je miera toho, do akej miery zosilňovač "transformuje" vstupný signál. Napríklad, ak je vstupná úroveň 1 volt a výstupná úroveň 50 voltov, potom bude konverzia 50. Inými slovami, vstupný signál bol vyvinutý 50-krát. Zvukový frekvenčný zosilňovač robí presne to.
Výpočet konverzie je jednoducho pomer medzi výstupom a vstupom. Tento systém nemá jednotky ako pomer, ale v elektronike sa pre zisk bežne používa symbol A. Prepočet sa potom jednoducho vypočíta ako "výstup delený vstupom".
Meniče výkonu
Malá lupaZosilňovač signálu sa bežne označuje ako "napäťový" zosilňovač, pretože má tendenciu konvertovať malý vstup na oveľa väčšie výstupné napätie. Niekedy je na pohon motora alebo reproduktora potrebný obvod zariadenia a pre tieto typy aplikácií, kde sú zahrnuté vysoké spínacie prúdy, sú potrebné výkonové meniče.
Ako už názov napovedá, hlavnou úlohou výkonového zosilňovača (známeho aj ako veľký zosilňovač signálu) je dodávať energiu do záťaže. Je to súčin napätia a prúdu aplikovaného na záťaž s výstupným výkonom väčším ako je úroveň vstupného signálu. Inými slovami, prevodník zvyšuje výkon reproduktora, takže tento typ blokového obvodu sa používa vo vonkajších stupňoch audio prevodníkov na pohon reproduktorov.
Princíp fungovania
Zosilňovač zvuku funguje na princípe premeny jednosmerného prúdu odoberaného z napájacieho zdroja na signál striedavého napätia privádzaný do záťaže. Hoci je konverzia vysoká, účinnosť z jednosmerného napájania na výstupný signál striedavého napätia je vo všeobecnosti nízka.
Ideálny blok dáva zariadeniu účinnosť 100 % alebo sa aspoň príkon IN bude rovnať výkonu OUT.
Triedová divízia
Ak sa používatelia niekedy pozreli na špecifikáciu zosilňovačov zvuku, možno si všimli triedy zariadení, zvyčajne označené písmenom alebodva. Najbežnejšie typy blokov, ktoré sa dnes používajú v spotrebiteľskom domácom audiu, sú hodnoty A, A/B, D, G a H.
Tieto triedy nie sú jednoduchými klasifikačnými systémami, ale popisom topológie zosilňovača, teda toho, ako fungujú na základnej úrovni. Zatiaľ čo každý typ zosilňovača má svoj vlastný súbor silných a slabých stránok, ich výkon (a spôsob merania konečných charakteristík) zostáva rovnaký.
Slúži na konverziu tvaru vlny odoslanej predbežnou jednotkou bez rušenia alebo aspoň čo najmenšieho skreslenia.
Trieda A
V porovnaní s inými triedami audio zosilňovačov, ktoré budú popísané nižšie, sú modely triedy A relatívne jednoduché zariadenia. Definujúcim princípom činnosti je, že všetky výstupné bloky prevodníka musia prejsť úplným 360-stupňovým signálovým cyklom.
Triedu A možno tiež rozdeliť na zosilňovače s jedným zakončením a zosilňovače typu push-pull. Push/pull sa líši od hlavného vysvetlenia vyššie použitím výstupných zariadení v pároch. Zatiaľ čo obe zariadenia bežia celý 360-stupňový cyklus, jedno zariadenie ponesie väčšinu záťaže počas pozitívnej časti cyklu, zatiaľ čo druhé prenesie väčšiu časť negatívneho cyklu.
Hlavnou výhodou tohto obvodu je menšie skreslenie v porovnaní s dizajnom s jedným zakončením, pretože je eliminované rovnomerné kolísanie poradia. Navyše, dizajny triedy A push-pull sú menej citlivé na hluk.
Vďaka pozitívnym vlastnostiam spojeným s výkonom triedy A sa považuje za zlatý štandard kvality zvuku v mnohých akustických aplikáciách. Tieto návrhy však majú jednu dôležitú nevýhodu – efektívnosť.
Požiadavka na tranzistorové audio zosilňovače triedy A, aby mali všetky výstupné zariadenia neustále zapnuté. Toto pôsobenie vedie k výraznej strate energie, ktorá sa nakoniec premení na teplo. Toto je ďalej umocnené skutočnosťou, že konštrukcie triedy A vyžadujú relatívne vysoké úrovne pokojového prúdu, čo je množstvo prúdu pretekajúceho cez výstupné zariadenia, keď zosilňovač produkuje nulový výstup. Miera efektívnosti v reálnom svete môže byť rádovo 15 – 35 %, pričom pri použití vysoko dynamického zdrojového materiálu sú možné jednociferné čísla.
Trieda B
Zatiaľ čo fungovanie všetkých výstupných mechanizmov v audio zosilňovači triedy A trvá 100 % času, jednotky triedy B využívajú push-pull obvody, takže len polovica výstupných zariadení je vedená kedykoľvek.
Jedna polovica pokrýva +180 stupňovú časť tvaru vlny, zatiaľ čo druhá polovica pokrýva -180 stupňovú časť. V dôsledku toho sú zosilňovače triedy B výrazne efektívnejšie ako ich náprotivky triedy A, s teoretickým maximom 78,5 %. Vzhľadom na relatívne vysokú účinnosť bola trieda B použitá v niektorých profesionálnych PA prevodníkoch, ako aj v niektorých domácich elektrónkových zosilňovačoch. Napriek nimzjavná sila, šance na získanie bloku triedy B pre dom sú prakticky nulové. Preskúmanie audio zosilňovača ukázalo príčinu tohto javu, známeho ako crossover skreslenie.
Problém s latenciou pri odovzdávaní medzi zariadeniami spracovávajúcimi kladnú a zápornú časť tvaru vlny sa považuje za významný. Je samozrejmé, že toto skreslenie je počuteľné v dostatočnom množstve, a hoci niektoré návrhy triedy B boli v tomto ohľade lepšie ako iné, trieda B získala len malé uznanie od nadšencov čistého zvuku.
Trieda A/B
Elektrónkový audio zosilňovač nájdete na mnohých koncertných miestach. Má vysoký výkon a neprehrieva sa. Okrem toho sú modely oveľa lacnejšie ako mnohé digitálne bloky. Existujú však aj odchýlky. Takýto modul nemusí fungovať so všetkými zvukovými formátmi. Preto je lepšie používať zariadenie ako súčasť všeobecného komplexu spracovania signálu.
Trieda A/B spája to najlepšie z každého typu zariadenia, aby vytvorila jednotku bez nevýhod oboch. Vďaka tejto kombinácii výhod zosilňovače triedy A/B do značnej miery dominujú spotrebiteľskému trhu.
Riešenie je v podstate celkom jednoduché. Tam, kde trieda B používa push-pull zariadenie s každou polovicou výstupného stupňa vedúcou 180 stupňov, mechanizmy triedy A/B ho zvyšujú na ~181-200 stupňov. Existuje tedaje oveľa menej pravdepodobné, že dôjde k "trhnutiu" v slučke, a preto skreslenie výhybky klesne do bodu, kedy na tom nezáleží.
Ventilové audio zosilňovače dokážu absorbovať toto rušenie oveľa rýchlejšie. Vďaka tejto vlastnosti vychádza zvuk zo zariadenia oveľa čistejšie. Modely týchto charakteristík sa často používajú na transformáciu zvuku akustických a elektrických gitár.
Stačí povedať, že trieda A/B plní svoj sľub a ľahko prekonáva čisté konštrukcie triedy A pri ~50-70% výkonu v reálnom svete. Skutočné úrovne samozrejme závisia od toho, ako veľmi je zosilňovač posunutý, ako aj od materiálu programu a ďalších faktorov. Za zmienku tiež stojí, že niektoré dizajny triedy A/B idú ešte o krok ďalej vo svojej snahe eliminovať skreslenie kríženia prevádzkou v čistom režime triedy A až do výkonu niekoľkých wattov. To poskytuje určitú účinnosť pri nízkych úrovniach, ale zaisťuje, že sa zosilňovač pri použití veľkého množstva energie nezmení na pec.
Triedy G a H
Ďalší pár dizajnov navrhnutých na zvýšenie efektivity. Z technického hľadiska nie sú oficiálne uznané zosilňovače triedy G ani triedy H. Namiesto toho sú to variácie na tému triedy A/B využívajúce prepínanie napätia zbernice a moduláciu zbernice. V každom prípade, v podmienkach nízkeho dopytu systém používa nižšie napätie zbernice ako podobný zosilňovač triedy A/B, čo výrazneznižuje spotrebu energie. Keď nastanú podmienky vysokého výkonu, systém dynamicky zvýši napätie zbernice (t. j. prepne na vysokonapäťovú zbernicu), aby zvládol prechodné javy s vysokou amplitúdou.
Sú tam aj nedostatky. Hlavnou z nich sú vysoké náklady. Pôvodné sieťové spínacie obvody používali bipolárne tranzistory na riadenie výstupných tokov, čím sa zvýšila zložitosť a náklady. Vysokokvalitné elektrónkové audiofrekvenčné zosilňovače tohto typu sú bežné, hoci cena začína na 50 000 rubľov. Blok je považovaný za profesionálnu techniku na prácu na javisku alebo nahrávanie v štúdiu. Vyskytujú sa problémy s tranzistormi. Pri dlhšom zaťažení môžu niektoré z nich zlyhať.
Dnes sa cena často do určitej miery znižuje použitím vysoko prúdových MOSFETov na výber alebo zmenu vodítok. Použitie MOSFETov nielen zlepšuje účinnosť a znižuje teplo, ale vyžaduje aj menej dielov (zvyčajne jedno zariadenie na závit). Okrem nákladov na prepínanie zberníc a samotnej modulácie je tiež potrebné poznamenať, že niektoré zosilňovače triedy G využívajú viac výstupných zariadení ako typický dizajn triedy A/B.
Jeden pár zariadení bude fungovať v typickom režime A/B napájaný z nízkonapäťových prípojníc. Medzitým je druhý v pohotovostnom režime, aby fungoval ako zosilňovač napätia, ktorý sa aktivuje iba v závislosti od situácie. Vydržia vysoké zaťaženie iba triedy G a H,spojené s výkonnými zosilňovačmi, kde sa zvýšená účinnosť vyplatí. Kompaktné dizajny môžu využívať aj topológie triedy G/H na rozdiel od A/B, keďže možnosť prepnúť do režimu nízkej spotreby znamená, že im stačí o niečo menší chladič.
Trieda D
Tento typ zariadenia vám umožňuje vytvárať si vlastné modulárne systémy. Pomocou zariadenia prebieha kvalitné spracovanie celého odchádzajúceho prúdu. Navrhovanie zosilňovačov audio frekvencie vám umožňuje vytvoriť si vlastný multimediálny systém pre prácu alebo zábavu. Tu však existujú určité nuansy. Prevodníky triedy D, často mylne označované ako digitálne zosilnenie, sú zárukou účinnosti jednotky a pri skutočnom testovaní dosahujú zisky presahujúce 90 %.
Najprv stojí za zváženie, prečo je to trieda D, ak je „digitálne zosilnenie“nesprávne. Bolo to len ďalšie písmeno v abecede s triedou C používanou v audio systémoch. Ešte dôležitejšie je, ako možno dosiahnuť 90%+ účinnosť. Zatiaľ čo všetky vyššie uvedené triedy zosilňovačov majú jedno alebo viac výstupných zariadení, ktoré sú neustále aktívne, aj keď je prevodník skutočne v pohotovostnom režime, jednotky triedy D ich rýchlo vypínajú a zapínajú. Je to celkom pohodlné a umožňuje to používať modul iba v správnych okamihoch.
Napríklad výpočet zosilňovačov zvuku triedy T, ktoré súImplementácia Tripath triedy D na rozdiel od základného zariadenia využíva spínacie frekvencie rádovo 50 MHz. Výstupné zariadenia sú zvyčajne riadené pulznou šírkovou moduláciou. Toto je, keď modulátor generuje štvorcové vlny rôznych šírok, ktoré predstavujú analógový signál na prehrávanie. S prísnou kontrolou výstupných zariadení týmto spôsobom je teoreticky možná 100% účinnosť (hoci zjavne nie je dosiahnuteľná v reálnom svete).
Vo svete audio zosilňovačov triedy D nájdete zmienku aj o analógovo a digitálne riadených moduloch. Tieto riadiace bloky majú analógový vstupný signál a analógový riadiaci systém, zvyčajne s určitým stupňom korekcie chýb spätnej väzby. Na druhej strane digitálne konverzné zosilňovače triedy D využívajú digitálne riadenie, ktoré spína výkonový stupeň bez kontroly chýb. Toto rozhodnutie je tiež schválené podľa recenzií mnohých kupujúcich. Cenový segment je tu však oveľa vyšší.
Výskum audio zosilňovačov ukázal, že analógovo riadená trieda D má výkonnostnú výhodu oproti digitálnemu analógovému, pretože zvyčajne ponúka nižšiu výstupnú impedanciu (odpor) a vylepšený profil skreslenia. Tým sa zvýšia počiatočné hodnoty systému pri jeho maximálnom zaťažení.
Parametre frekvenčných zosilňovačov sú oveľa vyššie ako u základných modelov. Malo by byť zrejmé, že takéto výpočty sú potrebné iba na vytváranie hudby v štúdiu. Pre bežných kupujúcich tietocharakteristiky je možné preskočiť.
Obyčajne L-obvod (induktor a kondenzátor) umiestnený medzi zosilňovačom a reproduktormi na zníženie hluku spojeného s prevádzkou triedy D. Filter má veľký význam. Zlý dizajn môže ohroziť efektivitu, spoľahlivosť a kvalitu zvuku. Navyše spätná väzba po výstupnom filtri má svoje výhody. Aj keď konštrukcie, ktoré v tejto fáze nevyužívajú spätnú väzbu, dokážu vyladiť svoju odozvu na konkrétnu impedanciu, keď majú takéto zosilňovače zložitú záťaž (t.j. reproduktor a nie odpor), frekvenčná odozva sa môže výrazne líšiť v závislosti od záťaže reproduktora. Spätná väzba stabilizuje tento problém tým, že poskytuje hladkú odozvu na zložité zaťaženia.
V konečnom dôsledku má zložitosť audio zosilňovačov triedy D svoje výhody. Efektívnosť a v dôsledku toho nižšia hmotnosť. Keďže na teplo sa spotrebuje relatívne málo energie, je potrebné oveľa menej energie. Mnoho zosilňovačov triedy D sa preto používa v spojení so spínanými zdrojmi napájania (SMPS). Rovnako ako koncový stupeň, aj samotný napájací zdroj sa dá rýchlo zapnúť a vypnúť, aby sa regulovalo napätie, čo vedie k ďalšiemu zvýšeniu účinnosti a schopnosti znížiť hmotnosť v porovnaní s tradičnými analógovými/lineárnymi zdrojmi napájania.
V súhrne môžu dokonca aj výkonné zosilňovače triedy D vážiť len niekoľko kilogramov. Nevýhodou napájacích zdrojov SMPS v porovnaní s tradičnými lineárnymi zdrojmi ježe tí prví zvyčajne nemajú veľa priestoru.
Testy a početné testy audio zosilňovačov triedy D s lineárnym napájaním v porovnaní s modulmi SMPS ukázali, že je to skutočne tak. Keď dva zosilňovače zvládali menovitý výkon, ale jeden s lineárnym napájaním mohol produkovať vyššie dynamické úrovne výkonu. Dizajn SMPS je však čoraz bežnejší a môžete očakávať, že v obchodoch uvidíte lepšie jednotky novej generácie triedy D s podobnými tvarmi.
Porovnanie účinnosti tried AB a D
Aj keď sa účinnosť tranzistorového audio zosilňovača triedy A/B zvyšuje, keď sa blíži maximálny výstupný výkon, konštrukcie triedy D si zachovávajú vysokú účinnosť vo väčšine prevádzkových rozsahov. Výsledkom je, že efektivita a kvalita zvuku sa čoraz viac prikláňa k poslednému bloku.
Použiť jeden prevodník
Pri správnej implementácii môže ktorýkoľvek z vyššie uvedených blokov mimo triedy B tvoriť základ vysoko verného zosilňovača. Odhliadnuc od potenciálnych výkonnostných úskalí (ktoré sú v prvom rade rozhodnutím o dizajne a nie špecifickom pre triedu), je výber typu bloku do značnej miery otázkou pomeru ceny a efektívnosti.
Na dnešnom trhu dominuje jednoduchý audio zosilňovač triedy A/B, a to z dobrého dôvodu. Funguje veľmi dobre, je relatívne lacný a jehoúčinnosť je celkom dostatočná pre aplikácie s nízkym výkonom (>200W). Samozrejme, keďže sa výrobcovia meničov snažia posunúť hranice napríklad s 1000W monoblokom Emotiva XPR-1, obracajú sa na dizajn triedy G/H a D, aby sa vyhli duplikácii svojich zosilňovačov ako systémov schopných rýchlo zahriať zariadenia. Medzitým, na druhej strane trhu, sú fanúšikovia triedy A, ktorí dokážu odpustiť nedostatočnú efektivitu zariadenia v nádeji na čistejší zvuk.
Výsledok
Triedy prevodníkov nie sú napokon nevyhnutne také dôležité. Samozrejme, existujú skutočné rozdiely, najmä pokiaľ ide o náklady, účinnosť zosilňovača a tým aj hmotnosť. Samozrejme, 500W spotrebiče triedy A sú zlý nápad, pokiaľ, samozrejme, používateľ nemá výkonný chladiaci systém. Na druhej strane rozdiely medzi triedami neurčujú kvalitu zvuku. Nakoniec príde na rad vývoj a implementácia vlastných projektov. Je dôležité pochopiť, že prevodníky sú iba jedným zariadením, ktoré je súčasťou audio systému.
