Az audioerősítő egy általános kifejezés, amely egy olyan áramkör leírására szolgál, amely a bemeneti jelének egy változatát állítja elő és erősíti. Azonban nem minden konvertertechnológia azonos, mivel konfigurációjuk és működési módjaik szerint vannak besorolva.
Az elektronikában általában kis erősítőket használnak, mivel képesek egy viszonylag kis bemeneti jelet, például egy érzékelőből, például egy zenelejátszóból, sokkal nagyobb kimeneti jellé erősíteni relé, lámpa vagy hangszóró meghajtásához. stb.
Az erősítőknek minősített elektronikus áramkörök számos formája létezik, a működési és kis jelátalakítóktól a nagy impulzus- és teljesítményátalakítókig. Az eszközök besorolása függ a jel méretétől, kicsi vagy nagy, a fizikai konfigurációtól és a bemeneti adatfolyam feldolgozási módjától, vagyis a bemeneti szint és a terhelésben folyó áram közötti kapcsolattól.
Eszköz anatómiája
A hangfrekvenciás erősítők egyszerű doboznak tekinthetőkvagy egy eszközt, például bipoláris, FET-et vagy működési érzékelőt tartalmazó blokk, amely két bemeneti és két kimeneti csatlakozóval rendelkezik (a föld közös). Ráadásul a kimeneti jel sokkal nagyobb az eszközön történő átalakítás miatt.
Egy ideális jelerősítőnek három fő tulajdonsága van:
- Bemeneti impedancia vagy (R IN).
- Kimeneti ellenállás, vagy (R OUT).
- Gain, vagy (A).
Bármilyen bonyolult is az erősítő áramkör, egy általános blokkmodell használható e három tulajdonság kapcsolatának bemutatására.
Általános fogalmak
A jó minőségű hangerősítők teljesítménye eltérő lehet. Mindegyik típus rendelkezik digitális vagy analóg konverzióval. A kódok úgy vannak beállítva, hogy elválasztsák őket.
A bemeneti és kimeneti jelek közötti megnövekedett különbséget konverziónak nevezzük. Az erősítés annak mértéke, hogy az erősítő mennyivel "transzformálja" a bemeneti jelet. Például, ha van egy 1 voltos bemeneti és 50 voltos kimeneti szint, akkor az átalakítás 50 lesz. Más szóval, a bemeneti jelet 50-szer fejlesztették ki. Egy hangfrekvenciás erősítő pontosan ezt teszi.
A konverziós számítás egyszerűen a kimenet és a bemenet aránya. Ennek a rendszernek nincs mértékegysége az arány, de az elektronikában általában az A szimbólumot használják az erősítésre. Az átalakítást ezután egyszerűen a "kimenet osztva bemenettel" számítja ki.
Átalakítók
Kicsi nagyítóA jelerősítőket általában "feszültségű" erősítőnek nevezik, mert hajlamos egy kis bemenetet sokkal nagyobb kimeneti feszültséggé alakítani. Néha egy eszközáramkörre van szükség a motor vagy a hangszóró áramellátásához, és az ilyen típusú alkalmazásokhoz, ahol nagy kapcsolási áramokról van szó, teljesítmény-átalakítókra van szükség.
Amint a neve is sugallja, a teljesítményerősítők (más néven nagy jelerősítők) fő feladata a terhelés tápellátása. A bemeneti jelszintnél nagyobb kimeneti teljesítményű terhelésre alkalmazott feszültség és áram szorzata. Más szavakkal, az átalakító növeli a hangszóró teljesítményét, ezért ezt a típusú blokkáramkört használják az audiokonverterek külső fokozataiban a hangszórók meghajtására.
Működési elv
Az audioerősítő azon az elven működik, hogy a tápegységről felvett egyenáramot a terhelésre továbbított váltakozó feszültségű jellé alakítja. Bár az átalakítás magas, az egyenáramú tápegység és az AC feszültség kimeneti jelének hatékonysága általában alacsony.
Egy ideális blokk 100%-os hatásfokot ad az eszköznek, vagy legalább az IN teljesítmény megegyezik a KI teljesítményével.
Osztályfelosztás
Ha a felhasználók valaha is megnézték az audio teljesítményerősítők specifikációit, észrevehették a berendezésosztályokat, amelyeket általában betűvel vagykét. A fogyasztói otthoni audiorendszerben manapság a leggyakoribb blokktípusok az A, A/B, D, G és H értékek.
Ezek az osztályok nem egyszerű osztályozási rendszerek, hanem az erősítők topológiájának leírásai, vagyis hogy hogyan működnek a mag szintjén. Bár minden erősítőtípusnak megvannak a maga erősségei és gyengeségei, teljesítményük (és a végső jellemzők mérésének módja) ugyanaz marad.
Az előegység által küldött hullámforma átalakítása interferencia vagy legalább a lehető legkisebb torzítás nélkül.
A osztály
Az alábbiakban ismertetett audio teljesítményerősítők más osztályaihoz képest az A osztályú modellek viszonylag egyszerű eszközök. A működés meghatározó elve, hogy minden jelátalakító kimeneti blokknak egy teljes 360 fokos jelcikluson kell keresztülmennie.
Az A osztály egyvégű és push-pull erősítőkre is felosztható. A push/pull eltér a fenti fő magyarázattól azáltal, hogy a kimeneti eszközöket párban használja. Míg mindkét eszköz egy teljes 360 fokos ciklust futtat, az egyik eszköz a terhelés nagy részét a ciklus pozitív része, míg a másik a negatív ciklus nagyobb részét viseli.
Ennek az áramkörnek a fő előnye a kisebb torzítás az egyvégű kivitelekhez képest, mivel a sorrendi ingadozások is megszűnnek. Ezenkívül az A osztályú push-pull kialakítások kevésbé érzékenyek a zajra.
Az A osztályú teljesítményhez kapcsolódó pozitív tulajdonságok miatt számos akusztikai alkalmazásban a hangminőség arany szabványának számít. Azonban ezeknek a terveknek van egy fontos hátrányuk: a hatékonyság.
Az A osztályú tranzisztoros audioerősítők követelménye, hogy minden kimeneti eszköznek folyamatosan bekapcsolva kell lennie. Ez a művelet jelentős energiaveszteséghez vezet, amely végül hővé alakul. Ezt tovább súlyosbítja az a tény, hogy az A osztályú kialakítások viszonylag magas szintű nyugalmi áramot igényelnek, ami a kimeneti eszközökön átfolyó áram mennyisége, amikor az erősítő nulla kimenetet produkál. A valós hatásfok 15-35%-os nagyságrendű lehet, rendkívül dinamikus forrásanyag használatával egy számjegyű is lehet.
B osztály
Míg az A osztályú audioerősítők összes kimeneti mechanizmusa az idő 100%-át igényli, a B osztályú egységek push-pull áramkört használnak, így a kimeneti eszközöknek csak a fele vezet bármikor.
Az egyik fele a hullámforma +180 fokos részét, míg a másik fele a -180 fokos szakaszt fedi le. Ennek eredményeként a B osztályú erősítők lényegesen hatékonyabbak, mint az A osztályú társaik, elméleti maximumuk 78,5%. A viszonylag magas hatásfok miatt a B osztályt használták egyes professzionális PA átalakítókban, valamint néhány otthoni csöves erősítőben. Ezek ellenérenyilvánvaló erőssége, gyakorlatilag nulla az esélye annak, hogy egy házhoz B osztályú blokkot szerezzenek. Az audioerősítő vizsgálata kimutatta ennek az okát, az úgynevezett crossover torzítást.
A hullámforma pozitív és negatív részeit feldolgozó eszközök közötti handover késleltetésével kapcsolatos probléma jelentősnek tekinthető. Magától értetődik, hogy ez a torzítás elegendő mennyiségben hallható, és bár egyes B osztályú tervek ebben a tekintetben jobbak voltak, mint mások, a B osztály csak kevés elismerést kapott a tiszta hangzású rajongóktól.
A/B osztály
A csöves audioerősítő számos koncerthelyszínen megtalálható. Nagy teljesítményű és nem melegszik túl. Ráadásul a modellek sokkal olcsóbbak, mint sok digitális blokk. De vannak eltérések is. Előfordulhat, hogy egy ilyen modul nem működik minden hangformátummal. Ezért jobb, ha a berendezést egy általános jelfeldolgozó komplexum részeként használja.
Az A/B osztály az egyes készüléktípusok legjobbjait egyesíti, hogy egy egységet hozzon létre az egyik hátránya nélkül. Az előnyök ezen kombinációjával az A/B osztályú erősítők nagyrészt uralják a fogyasztói piacot.
A megoldás valójában meglehetősen egyszerű. Ahol a B osztály push-pull eszközt használ, ahol a végfok mindkét fele 180 fokot vezet, az A/B osztályú mechanizmusok ezt ~181-200 fokra növelik. Így vansokkal kevésbé valószínű, hogy "szakadás" van a hurokban, és ezért a keresztezési torzítás addig a pontig csökken, ahol már nem számít.
A Valve audio teljesítményerősítők sokkal gyorsabban képesek elnyelni ezt az interferenciát. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a hang sokkal tisztábban jön ki a készülékből. Az ilyen jellemzők modelljeit gyakran használják az akusztikus és elektromos gitárok hangzásának átalakítására.
Elég annyit mondanunk, hogy az A/B osztály beváltja ígéretét, és könnyedén felülmúlja a tiszta A osztályú konstrukciókat ~50-70%-os valós teljesítmény mellett. A tényleges szintek természetesen az erősítő eltolásától, valamint a programanyagtól és egyéb tényezőktől függenek. Azt is érdemes megjegyezni, hogy egyes A/B osztályú kialakítások egy lépéssel tovább mennek azon törekvésükben, hogy kiküszöböljék a keresztezési torzítást azáltal, hogy tiszta A osztályú üzemmódban működnek néhány watt teljesítményig. Ez némi hatékonyságot ad alacsony szinten, de biztosítja, hogy az erősítő ne váljon kemencévé, ha nagy teljesítményt alkalmazunk.
G és H osztály
Másik pár kialakítás a hatékonyság javítására. Műszaki szempontból sem a G, sem a H osztályú erősítőket nem ismerik el hivatalosan. Ehelyett az A/B osztályú téma variációi, amelyek buszfeszültség kapcsolást és buszmodulációt alkalmaznak. Mindenesetre alacsony igény esetén a rendszer alacsonyabb buszfeszültséget használ, mint egy hasonló A/B osztályú erősítő, ami jelentősencsökkenti az energiafogyasztást. Ha nagy teljesítményű körülmények lépnek fel, a rendszer dinamikusan növeli a busz feszültségét (vagyis átvált a nagyfeszültségű buszra), hogy kezelje a nagy amplitúdójú tranzienseket.
Vannak hibái is. Ezek közül a legfontosabb a magas költségek. Az eredeti hálózati kapcsolóáramkörök bipoláris tranzisztorokat használtak a kimeneti folyamok szabályozására, ami bonyolultabbá és költségesebbé tette. Az ilyen típusú kiváló minőségű csöves hangfrekvenciás erősítők gyakoriak, bár az ára 50 ezer rubeltől kezdődik. A blokkot professzionális technikának tekintik a színpadon való munkavégzéshez vagy a stúdióban történő felvételhez. Problémák vannak a tranzisztorokkal. Hosszan tartó terhelés alatt egyesek meghibásodhatnak.
Ma az árat gyakran bizonyos mértékig csökkentik azáltal, hogy nagy áramerősségű MOSFET-eket használnak az útmutatók kiválasztásához vagy módosításához. A MOSFET-ek használata nemcsak javítja a hatékonyságot és csökkenti a hőt, hanem kevesebb alkatrészt is igényel (menetenként jellemzően egy eszköz). A buszváltás költségein, magán a moduláción kívül azt is érdemes megjegyezni, hogy egyes G osztályú erősítők több kimeneti eszközt használnak, mint egy tipikus A/B osztályú kivitel.
Egy pár eszköz tipikus A/B módban fog működni, az alacsony feszültségű gyűjtősínről táplálva. Eközben a másik készenlétben van, hogy feszültségfokozóként működjön, csak a helyzettől függően aktiválódik. Csak G és H osztályú nagy terhelésnek ellenáll,nagy teljesítményű erősítőkhöz kapcsolódik, ahol a megnövekedett hatásfok kifizetődik. A kompakt kialakítások G/H osztályú topológiákat is használhatnak az A/B-vel szemben, mivel az alacsony fogyasztású üzemmódra váltás képessége azt jelenti, hogy megúszhatják egy kicsit kisebb hűtőbordát.
D osztály
Ez az eszköztípus lehetővé teszi saját moduláris rendszerek létrehozását. A berendezés segítségével a teljes kimenő adatfolyam minőségi feldolgozása megy végbe. Az audiofrekvenciás teljesítményerősítők tervezése lehetővé teszi saját multimédiás rendszer létrehozását munkához vagy szórakozáshoz. Azonban van itt néhány árnyalat. A gyakran tévesen digitális erősítésnek nevezett D osztályú konverterek garantálják az egység hatékonyságát, és 90%-ot meghaladó nyereséget érnek el a tényleges tesztelés során.
Először is érdemes átgondolni, hogy ez miért D osztály, ha a "digitális erősítés" helytelen. Ez csak a következő betű volt az ábécében, az audiorendszerekben használt C osztályt használva. Ennél is fontosabb, hogy hogyan lehet 90%+ hatékonyságot elérni. Míg a korábban említett erősítőosztályok mindegyike rendelkezik egy vagy több kimeneti eszközzel, amelyek akkor is aktívak, ha az átalakító ténylegesen készenléti üzemmódban van, a D osztályú egységek gyorsan ki- és bekapcsolják őket. Ez meglehetősen kényelmes, és lehetővé teszi a modul használatát csak a megfelelő pillanatokban.
Például a T osztályú hangerősítők számítása, amelyekA Tripath D osztályú megvalósítása az alapkészüléktől eltérően 50 MHz-es nagyságrendű kapcsolási frekvenciákat használ. A kimeneti eszközöket általában impulzusszélesség-moduláció vezérli. Ilyenkor különböző szélességű négyszöghullámokat generál egy modulátor, amely analóg jelet ad le lejátszáshoz. A kimeneti eszközök szigorú ellenőrzésével elméletileg lehetséges a 100%-os hatékonyság (bár a való világban nyilvánvalóan nem érhető el).
A D osztályú audioerősítők világába ásva analóg és digitális vezérlésű modulokról is találhatunk említést. Ezek a vezérlőblokkok analóg bemeneti jellel és analóg vezérlőrendszerrel rendelkeznek, általában bizonyos fokú visszacsatolási hibajavítással. Másrészt a digitális konverziós D osztályú erősítők digitális vezérlést használnak, amely hibavezérlés nélkül kapcsolja a teljesítményfokozatot. Sok vásárló véleménye szerint ez a döntés is jóváhagyásra talál. Az árszegmens azonban itt sokkal magasabb.
Audioerősítők kutatása kimutatta, hogy az analóg vezérlésű D osztály teljesítményelőnnyel rendelkezik a digitális analóghoz képest, mivel jellemzően alacsonyabb kimeneti impedanciát (ellenállást) és jobb torzítási profilt kínál. Ez megemeli a rendszer kezdeti értékeit a maximális terhelésnél.
A hangfrekvenciás erősítők paraméterei jóval magasabbak, mint az alapmodelleké. Meg kell érteni, hogy az ilyen számítások csak a stúdióban történő zene létrehozásához szükségesek. A hétköznapi vásárlók számára ezeka jellemzők kihagyhatók.
Általában egy L-áramkör (induktor és kondenzátor) az erősítő és a hangszórók közé kerül, hogy csökkentse a D osztályú működéssel járó zajt. A szűrőnek nagy jelentősége van. A rossz tervezés veszélyeztetheti a hatékonyságot, a megbízhatóságot és a hangminőséget. Ezenkívül a kimeneti szűrő utáni visszacsatolásnak megvannak az előnyei. Bár a visszacsatolást ebben a szakaszban nem használó konstrukciók egy adott impedanciára hangolhatják válaszukat, ha az ilyen erősítők összetett terhelésűek (azaz a hangszóró helyett az ellenállás), a frekvenciamenet jelentősen változhat a hangszóró terhelésétől függően. A visszajelzés stabilizálja ezt a problémát azáltal, hogy zökkenőmentes választ ad az összetett terhelésekre.
Végül a D osztályú audioerősítők összetettségének megvannak az előnyei. Hatékonyság és ennek eredményeként kisebb súly. Mivel viszonylag kevés energiát fordítanak hőre, sokkal kevesebb energiára van szükség. Mint ilyen, sok D osztályú erősítőt használnak kapcsolóüzemű tápegységekkel (SMPS) együtt. A kimeneti fokozathoz hasonlóan maga a tápegység is gyorsan be- és kikapcsolható a feszültség szabályozása érdekében, ami további hatékonyságnövekedést és a hagyományos analóg/lineáris tápegységekkel szembeni súlycsökkentést eredményez.
Összességében még a nagy teljesítményű D osztályú erősítők is csak néhány kilogrammot nyomnak. Az SMPS tápegységek hátránya a hagyományos lineáris tápokhoz képesthogy az előbbiekben általában nem sok a belmagasság.
A lineáris tápegységgel rendelkező D osztályú audioerősítők és az SMPS modulok összehasonlítása során végzett tesztek és számos teszt kimutatta, hogy ez valóban így van. Amikor két erősítő kezelte a névleges teljesítményt, de egy lineáris tápegységgel magasabb dinamikus teljesítményszintet tudott produkálni. Az SMPS-tervek azonban egyre általánosabbak, és várhatóan jobb, következő generációs, D osztályú, hasonló formákat használó egységeket láthat majd az üzletekben.
Az AB és D osztályok hatékonyságának összehasonlítása
Bár az A/B osztályú tranzisztoros hangteljesítmény-erősítők hatékonysága a maximális kimeneti teljesítményhez közeledve növekszik, a D osztályú kialakítások a legtöbb működési tartományban megőrzik a magas hatásfokot. Ennek eredményeként a hatékonyság és a hangminőség egyre inkább az utolsó blokk felé hajlik.
Használjon egy jelátalakítót
Megfelelően megvalósítva a fenti B osztályon kívüli blokkok bármelyike alapját képezheti egy nagy hűségű erősítőnek. A potenciális teljesítménybeli buktatókon kívül (amelyek elsősorban tervezési döntések, nem pedig osztályspecifikusak), a blokktípus kiválasztása nagyrészt a költség és a hatékonyság kérdése.
A mai piacon az egyszerű A/B osztályú hangerősítők dominálnak, és ennek jó oka van. Nagyon jól működik, viszonylag olcsó, és aza hatékonyság meglehetősen megfelelő kis teljesítményű alkalmazásokhoz (>200W). Természetesen, mivel a konvertergyártók megpróbálják túlszárnyalni a borítékot például az 1000 W-os Emotiva XPR-1 monoblokkkal, ezért a G/H és D osztályú kialakítások felé fordulnak, hogy elkerüljék az erősítők megkettőzését, mint a berendezések gyors felfűtésére alkalmas rendszereket. Mindeközben a piac másik oldalán ott vannak az A osztályú rajongók, akik a tisztább hangzás reményében megbocsáthatják a készülék hatékonyságának hiányát.
Eredmény
Végül is a konverterosztályok nem feltétlenül olyan fontosak. Természetesen vannak tényleges különbségek, különösen ami a költségeket, az erősítő hatásfokát és így a súlyát illeti. Természetesen az 500 W-os A osztályú készülékek rossz ötlet, kivéve persze, ha a felhasználónak erős hűtőrendszere van. Másrészt az osztályok közötti különbségek nem határozzák meg a hangminőséget. Végül a saját projektek kidolgozásán és megvalósításán múlik. Fontos megérteni, hogy a jelátalakítók csak egy olyan eszköz, amely az audiorendszer részét képezi.
