Что такое классы усилителей мощности

Классы усилителей мощности-01

Классы усилителей мощности — чем должен руководствоваться аудиолюбитель при выборе усилителя? Если бы на этот вопрос можно было ответить просто и лаконично, возможно, никто не стал бы заморачиваться с тестами и прослушиванием. Но предположим, что у вас уже есть некоторое представление о предмете, и из длинного списка моделей, представленных на рынке, вы хотите выбрать несколько, может быть, дюжину или около того, конструкций, к которым вы хотели бы присмотреться повнимательнее. Сначала на ум приходят вполне очевидные вопросы.

Классы усилителей мощности: практическое руководство по усилителям звука

К чему вы больше склоняемся — к пуританским аналоговым моделям или к многофункциональным усилителям? Какой усилитель вам нужен — ламповый, транзисторный или гибридный? Вы будете обращать внимание на разъемы и характеристики, выходную мощность и, возможно, другие параметры, такие как частотная характеристика, искажения, соотношение сигнал/шум или коэффициент демпфирования. В какой-то момент, возникнет другой фундаментальный вопрос — в каком классе должен работать усилитель вашей мечты?

Выберете ли вы пуристический класс A, более эффективный класс AB или, может быть, современный интегральник или усилитель мощности класса D? А что, если вы остановитесь на чем-то более экзотическом, например, на классе AA, XD или V? Что, если вы вообще не представляете, о чем идет речь, в чем разница между этими классами и что это может означать для вас? Что ж, ничего не остается, как потратить время на изучение вопроса, вернуться к теме с новыми знаниями и изучить, как теория работает на практике.

Что такое рабочие классы усилителей? Проще говоря, это некая система, в которой мы используем усилительные элементы — лампы или транзисторы. В профессиональной терминологии рабочий класс усилителя определяется тем, какая часть сигнала — а он имеет форму синусоиды — проходит через один усилительный элемент. Другими словами, на какую нагрузку он рассчитан. Различия между рабочими классами определяют множество важных параметров усилителя, среди которых, с точки зрения инженера-электронщика, наиболее важными являются КПД.

То есть мощность, которую можно получить при минимально возможном потреблении электроэнергии, а также величина генерируемых искажений или степень сложности всей конструкции. В первую очередь речь идет о качестве звука. Но не только. Для потенциального покупателя, как и для специалиста по электронике, важны также выходная мощность или уровень искажений, хотя некоторые — в зависимости от собственных предпочтений и системы, которой они владеют, — они могут смирится, например, с более слабыми результатами в таблице технических данных, если взамен получат изысканный, убедительный и поглощающий звук на долгие часы.

Классы усилителей мощности-1

Классы усилителей мощности, которые обязательно нужно знать

Класс А

Класс А усилителя мощности некоторые любят, другие ненавидят. Сторонники ценят музыкальность и ламповое очарование этих конструкций, а противники жалуются на высокое энергопотребление, выделение большого количества тепла или не очень компактные размеры. Не вдаваясь в подробности конструкции, можно сказать, что класс А обеспечивает постоянное протеканием тока покоя через транзисторы или лампы – независимо от того, подается ли на них сигнал. Транзисторы или лампы класса А устроены таким образом, чтобы проводить полный период синусоидальной волны. К сожалению, это влечет за собой с очень низкий КПД такой системы.

Теоретически он должен составлять 50 %, но в реальности вы скорее всего добьетесь 20-25 %, а это предполагает высокие счета за электричество. Проще говоря, в классе А — слушаем ли мы музыку или просто отдыхаем — из сети всегда потребляется большой ток (в зависимости от выходной мощности усилителя). Поэтому радиаторы, отводящие тепло от транзисторов, должны быть большими. Во время работы они часто достигают температуры 50-60 градусов. Кроме того, обычно используется большой трансформатор и массивный корпус. В результате иногда мы имеем дело с настоящим монстром весом 50 кг. Однако на рынке можно найти и менее мощные усилители, работающие в классе А, или, что еще чаще, конструкции, работающие в этом режиме до определенного уровня громкости.

Читайте также:  Простой индикатор уровня звука

Для снижения энергопотребления такие конструкции часто используют в паре с высокоэффективными акустическими системами. В результате, усилителей мощностью 20-30 Вт оказывается более чем достаточно для обеспечения комнаты звуком. Самые пуританские и аудиофильские усилители — это одноканальные устройства класса А, то есть с одним усилительным элементом. Но есть и модели, работающие в режиме push-pull, когда сигнал подается на два элемента, работающих таким образом, что один «тянет», а другой «толкает».

Необходимо также отметить, что усилители, работающие в классе А, показывают, на что они способны, только после стабилизации температуры, которая может занять до 30-45 минут. Высокие температуры и более высокая нагрузка на транзисторы, чем в других классах, приводят к тому, что компоненты изнашиваются гораздо быстрее. Если использовать аналогию, то усилители, работающие в классе А, можно сравнить со спортивными автомобилями с большими двигателями, которые из-за повышенной нагрузки на компоненты требуют более частого обслуживания, но при этом могут доставить водителю массу удовольствия.

Классы усилителей мощности-2

Класс B

Этот класс очень редко встречается в аудиоаппаратуре, но его нужно упомянуть из-за его идентичности с конструкциями AB. Здесь транзисторы проводят ровно половину периода синусоиды, а при отсутствии сигнала не проводят вообще. Сама схема такого усилителя напоминает push-pull класс A, за исключением того, что каждый усилительный элемент принимает только одну половину сигнала — положительную или отрицательную. После усиления обе половины суммируются на выходе. Полярность схемы выбрана таким образом, что транзисторы или лампы, которые в данный момент не работают, фактически «выключены» и не потребляют ток. Это приводит к значительному снижению тепловыделения.

Большим преимуществом такой схемы является высокий КПД, теоретически достигающий почти 80 %. Самая большая проблема усилителей, работающих в классе B, — это искажения, связанные со «складыванием» положительной и отрицательной половин сигнала. Это связано с тем, что и в транзисторах, и в лампах малые сигналы усиливаются на нелинейной части характеристики, и наибольшие искажения возникают при прохождении сигнала через ноль (то есть там, где он делится на две части). В результате возникает высокий уровень так называемых кроссоверных искажений. По этой причине усилители, работающие в классе B, чаще всего встречаются в недорогом сценическом оборудовании, где главное — выходная мощность.

Класс C

Классы усилителей мощности работающие в С классе. В материалах по аудиотехнике об этом типе усилителя почти не говорят, потому что и говорить-то не о чем. В этой конструкции активный элемент проводит меньше половины периода синусоиды. Не нужно разбираться в электронике, чтобы понять, что с этим связаны очевидные проблемы, например, упомянутая в описании класса B проблема с прохождением формы волны через ноль. В усилителе классе C искажения кроссовера буквально гигантские. Образно говоря, в таком УМ малые сигналы вообще не проходят через лампы или транзисторы, а большие характеризуются сильными искажениями в начале или конце усилительного элемента. Из-за сильного искажения сигнала схемы такого типа вообще не используются в аудиоаппаратуре. Они скорее применяются в радиопередатчиках, системах сигнализации и т. д.

Классы усилителей мощности-3

Класс AB

Это самый распространенный класс работы усилителя. Почему? Ну, это такая золотая середина, способ совместить высокую выходную мощность с низкими искажениями и нормальным энергопотреблением. В самом общем виде это смесь классов A и B. Классы усилителей мощности AB характеризуется низким током покоя при отсутствии сигнала на входе. В этом случае транзисторы или лампы отрабатывают чуть больше половины полного периода синусоиды и поляризованы так, что через них всегда протекает хотя бы небольшой ток.

Это не только уменьшает проблему кроссоверных искажений, но и делает фактический класс работы усилителя зависимым от выходной мощности в любой момент времени. Следовательно, устройство такого типа может выдавать первые несколько ватт в классе A. Затем оно потребляет больше энергии, имеет большие размеры и в некотором смысле «притворяется» устройством чистого класса А. Очень важным преимуществом усилителей этого типа является их энергоэффективность, достигающая 50-70 %. Хотя приверженцы пуризма будут удовлетворены только усилителем, работающим в чистом классе А, большинство же производителей выбирают класс АВ как наилучший возможный компромисс.

Читайте также:  Принципиальная схема электронных часов

Что такое классы усилителей мощности

Классы усилителей мощности — Класс D

В усилителях этого класса используется широтно-импульсная модуляция. Это совершенно иная конструкция, чем в классах A, B или AB. КПД класса D находится в районе 90 %, поэтому это очень энергоэффективные конструкции. Следовательно, они не выделяют тепла и имеют компактные размеры. Потери в основном связаны с сопротивлением транзисторов в проводящем состоянии и процессом их переключения. Все выглядит красиво, но всегда есть какой-то подвох. В данном случае он заключается в том, что на выходе получается серия прямоугольных импульсов с переменным коэффициентом заполнения. К сожалению, это не чистая синусоида. Во входном каскаде есть компаратор, который сравнивает форму сигнала со схемой, генерирующей его. Силовые транзисторы выступают в роли переключателей (так называемых «ключей»). Процесс происходит на частотах, в несколько раз превышающих слышимый человеком диапазон. Тем не менее, схема должна отсекать эти сигналы, поэтому на выходе всегда стоит фильтр нижних частот, обычно это индукционная катушка и конденсатор. С годами усилители класса D совершенствовались, например, с помощью фильтров обратной связи, которые помогают снизить уровень искажений THD и IMD.

Что такое классы усилителей мощности

Класс G

Когда речь идет о стационарных аудиоустройствах, первоочередной задачей является обеспечение наилучшего качества звука, а поскольку большие размеры, вес и энергопотребление не являются критичными для пользователей, энергоэффективности придается меньшее значение. Совсем другая ситуация с портативными плеерами, карманными усилителями для наушников и беспроводными наушниками. Здесь важна продолжительность автономной работы, поэтому энергоэффективность устройства является одним из приоритетов. А это во многом зависит от эффективности усилителя мощности. Вклад этого компонента в общее потребление электроэнергии устройством может достигать 80 %.

Чтобы увеличить время работы оборудования на одном заряде, инженеры начали работать над схемами усилителей, и так появился класс G. В двух словах, мы имеем дело с усилителем класса AB, имеющим как минимум два напряжения питания. Система заключается в регулировке напряжения питания усилителя в соответствии с выходной мощностью, необходимой в каждый момент времени. Когда нам не нужна большая мощность, усилитель питается от источника с более низким напряжением, но когда возникает необходимость, он переключается на источник с более высоким напряжением.

Разумеется, когда входной сигнал снова падает ниже определенного уровня, источник питания снова переключается. Аналогичным решением является схема с двумя совершенно отдельными каскадами усиления. Принцип работы остается аналогичным. Когда сигнал мал, работает только каскад с меньшей мощностью, а когда потребность в мощности возрастает, включается второй каскад. Если не принимать во внимание экономию энергии, усилители этого класса вряд ли будут иметь лучшие характеристики, чем конструкции, работающие в классе AB. Однако благодаря такому решению время работы портативного плеера или карманного ЦАПа может быть заметно увеличено.

Класс Н

Принцип работы усилителей, работающих в классе H, очень похож на принцип работы усилителей, использующих класс G. По этой причине эти два решения путают друг с другом, а системы с коммутируемым напряжением питания обычно называют классом H. В отличие от класса G, здесь вся система усиления питается от одного источника, но через блок питания с регулируемым выходным напряжением, соответствующим требуемой в данный момент выходной мощности.

Естественно, источник питания с возможностью изменения параметров в зависимости от текущей потребности должен быть более объемным и сложным по конструкции, но это оправдано, поскольку в этом случае нет необходимости использовать несколько отдельных источников питания или два разных выходных каскада. Адаптивное изменение параметров источника питания позволяет значительно снизить потери мощности — даже более эффективно, чем в усилителях, работающих в классе G. Еще один плюс — снижение искажений за счет отсутствия артефактов, связанных с переключением с одного источника питания на другой.

Фирменные усилители мощности