Klase pojačala:Razmišljanje o pojačalima klase AB i klase D

Pojačala imaju vrlo težak posao. Moraju uzeti signal vrlo niskog napona i povećati mu amplitudu kako bi mogao pokrenuti zvučnik. U ovoj transformaciji očekujemo da signal ostane čist – ne bi trebalo dodavati izobličenje ili šum. Također želimo značajne količine energije za pogon naših zvučnika, iako svoja pojačala napajamo samo s bijednih 12 do 14 volti električne energije. Čini se da zakoni fizike žele raditi protiv nas na svakom koraku - ali mi pobjeđujemo! Moderna audio pojačala za automobile nevjerojatna su dostignuća inženjerstva i dizajna. Ovaj članak razmatra dvije glavne vrste klasa pojačala koja se koriste u audio industriji automobila te prednosti i nedostatke svake od njih. Dobrodošli u Klasu AB protiv Klase D.

Matematika iza toga kako pojačala stvaraju snagu

Bez obzira na to kako konfiguriramo komponente unutar pojačala, cilj je isti:povećati napon audio signala pretpojačala tako da može pokretati zvučnik. Budući da zvučnici koje koristimo imaju nisku impedanciju (2 ili 4 ohma za većinu srednjetonskih zvučnika), moramo biti u mogućnosti osigurati značajnu količinu struje i za zvučnik. Ovo dovođenje struje do zvučnika drugi je zadatak koji pojačalo mora obaviti.

Putem neke brze matematike, ako zvučnik od 4 ohma dobiva 12 V RMS signal, možemo napraviti nekoliko izračuna. Kako bismo izračunali struju koja teče kroz zvučnik, dovedeni napon podijelimo s impedancijom zvučnika. U ovom primjeru, imamo 12 podijeljeno sa 4, tako da 3 ampera struje teče kroz žice zvučnika i glasovnu zavojnicu. Jednostavan način za izračunavanje snage koja ide do zvučnika je da se dovedeni napon pomnoži s dovedenom strujom. Umnožak 12 puta 3 je 36. Ovaj zvučnik ima snagu od 36 vata.

Pogledajmo isti primjer kao da je ovo subwoofer pojačalo. U ovom drugom primjeru, pretpostavit ćemo da imamo dvostruki subwoofer s glasovnom zavojnicom od 2 Ohma s obje zavojnice paralelno spojene da proizvedu opterećenje od 1 ohma. Ako ovaj zvučnik opskrbimo signalom od 12 Vrms, tada kroz žicu zvučnika i subwoofer teče 12 ampera struje. Da bismo izračunali snagu, pomnožimo 12 puta 12 da bismo dobili 144 vata. 144 vata je puno više snage i struje za istu količinu napona.

Opći pregled funkcija pojačala

Većina pojačala sastoji se od tri ili četiri ključna dijela (ili stupnja), ovisno o dizajnu i složenosti. Ulazni stupanj je dio pojačala gdje audio signal pretpojačala niske razine ulazi u pojačalo i prima bilo kakvu obradu u obliku ekvilizacije ili filtriranja.

Pojačalo ima napajanje. Napajanje pretvara dobavljenih 12 do 14 V istosmjerne struje u pozitivne i negativne napone tračnice. Recimo, na primjer, teoretsko pojačalo ima +25 i -25V tračnice, u odnosu na našu referencu uzemljenja. Ovisno o veličini pojačala, bit će pokretački stupanj. Pogonski stupanj odgovoran je za povećanje niskog audio signala na viši napon. Koliko pogonski stupanj povećava napon ovisi o tome koliku će snagu pojačalo stvarati.

Konačno, imamo izlazni stupanj. Izlazni stupanj je relativno jednostavan – ne mijenja značajno signal koji dolazi iz pogonskog stupnja, već uređaji (MOSFET-ovi ili tranzistori) koji se koriste da daju izlazni signal sa strujom koja je potrebna opterećenju. Napajanje i izlazni stupanj dva su dijela pojačala koji obavljaju najviše "teškog posla". Drugim riječima, to su stupnjevi koji prolaze kroz veliku struju.

U gotovo svim pojačalima na tržištu koristimo namjenske uređaje za pozitivnu polovicu valnog oblika i zasebne uređaje za negativnu polovicu valnog oblika. Da pojasnimo, ako izmjerimo izlazni signal pojačala oko mase vozila, vidjet ćemo da se on ljulja naprijed-natrag iznad i ispod 0V. Sjetite se naših +25 V i -25 V tračnica za napajanje. Govornici ne mare za vrijednost signala koji im se šalje; sve što ih zanima je razlika u naponu s jednog kraja glasovne zavojnice na drugi kraj.

Pojačala klase AB

Za ovaj ćemo članak generalizirati pojačala klase AB u model analognog pojačala. U našem analognom pojačalu imamo velike tranzistore u izlaznom stupnju pojačala. Kada želimo polovicu pozitivnog napona tračnice na izlazu, dovodimo polovicu napona na pozitivni izlazni uređaj. Kada signal postane negativan, gasimo pozitivni uređaj i počinjemo koristiti samo negativni uređaj. Gledano s druge strane, audio signal iz pogonskog stupnja kontrolira otpor izlaznih uređaja i, posljedično, koliko struje može teći do zvučnika.

U analognom pojačalu, izlazni uređaji mogu se "uključiti" u različitim količinama audio signala. To znači da izlazni uređaji često djeluju kao otpornici. Snaga se gubi kao toplina kada struju propustimo kroz otpornik. Imajte to na umu kao dio naše usporedbe kasnije u članku.

Pojačala klase D

U pojačalu klase D, izlazni uređaji dobivaju kontrolu od integriranog kruga kontrolera (IC). Ovaj kontroler šalje kvadratni val varijabilnog radnog ciklusa. Amplituda pravokutnog vala dovoljno je visoka da do kraja uključuje ili isključuje izlazne uređaje. Izlazni uređaji provode vrlo malo vremena radeći kao otpornici i ponašaju se više kao sklopke.

Logično pitanje je, kako, zaboga, dobiti glazbu iz kvadratnog vala? Ako ste to mislili, blago vama! Frekvencija kvadratnog vala mnogo je veća od maksimalne frekvencije naše glazbe. Zapravo, neka moderna pojačala klase D prebacuju izlazne uređaje na frekvencijama visokim do 600 kHz.

Za ponovno stvaranje glazbe, kontroler klase D šalje signal koji je moduliran širinom pulsa. Količina "uključenog" vremena u odnosu na "isključeno" vrijeme određuje izlaznu razinu signala. Kao vrlo općenita analogija, ako se pozitivnim izlaznim uređajima pošalje kvadratni val s 50% radnog ciklusa (uključen onoliko vremena koliko je bio isključen), tada bi prosjek izlaza bio 50% pozitivnog napona tračnice. Ako je kvadratni val uključen 75% vremena, a zatim isključen 25%, tada bismo dobili 75% napona tračnice na izlazu.

Kao što možete zamisliti, signal iz kontrolera klase D prilično je složen. Mora modulirati radni ciklus kvadratnog vala koji ide prema pozitivnim i negativnim uređajima dovoljno brzo da točno rekreira audio signal. Također mora zasebno kontrolirati i pozitivne i negativne izlazne uređaje.

Prednosti i nedostaci analognih pojačala

Budući da audio signal u analognom pojačalu nikada nije usitnjen na sitne komadiće, analogna pojačala mogu ostati vjerna izvornom signalu. Analogna su pojačala koja najbolje zvuče u industriji mobilne elektronike. Analogna pojačala su povijesno poznata po preciznom visokofrekventnom odzivu.

Nedostatak analognog pojačala je njegova učinkovitost. Učinkovitost opisuje koliko se energije gubi kao toplina u usporedbi s energijom poslanom zvučniku. Budući da izlazni uređaji u analognom pojačalu rade kao promjenjivi otpornici, oni se zagrijavaju. Tipična analogna pojačala rade u rasponu učinkovitosti od 70-80% u odnosu na ukupnu učinkovitost, dok rade punom snagom. Tih 20-30% koji nedostaje oslobađa se kao toplina. Na nižoj izlaznoj razini, učinkovitost još više pada.

Prednosti i nedostaci digitalnih pojačala

Moderna digitalna pojačala prebacuju se na ekstremno visokim frekvencijama. Vidimo pojačala sposobna za audio frekvencijski odziv iznad 50 kHz, a neka prelaze i 70 kHz. Ova izvedba daleko je od prvih pojačala klase D koja su bila samo za subwoofere i koja su se borila za proizvodnju zvuka iznad 5 kHz. Uz to, budući da digitalna pojačala zahtijevaju mreže filtera na kraju izlaznog stupnja, još uvijek ne mogu sasvim odgovarati performansama vrhunskog analognog pojačala. Imajući ove informacije na umu, razmislite o tome da postoje neka dobra digitalna pojačala koja zvuče bolje od mnogih loše dizajniranih analognih pojačala.

Budući da izlazni uređaji digitalnog pojačala rijetko rade u svom otpornom rasponu, ova pojačala mogu biti vrlo učinkovita. Dobro dizajnirano pojačalo klase D može imati učinkovitost od oko 92%.

Drugi problem s pojačalima klase D je šum. Budući da izlazne uređaje pokreću pravokutni valovi, u izlaznom signalu ima puno visokofrekventne energije. Mreža filtera o kojoj smo govorili uklanja veliki dio toga iz izlaznog signala, ali ta energija i dalje može imati štetne učinke na druge sustave u vozilu. Nažalost, zajednička osobina za mnoga pojačala klase D je da uzrokuju smetnje u radijskom prijemu kada rade.

Odabir između klasa pojačala

Bilo bi lijepo kada bismo mogli formulirati skup čvrstih i brzih pravila za odabir pravog pojačala za vaš sustav . S toliko varijacija svake vrste pojačala po toliko različitih cijena, to je doista nemoguće. Čvrsto predlažemo da je jedini način odabira pojačala usporedba jednog s drugim u kontroliranim uvjetima:koristite istu glazbu i iste zvučnike i slušajte na istoj glasnoći. Čut ćete razlike u frekvencijskom odzivu i dramatične razlike u slikovnim i inscenacijskim mogućnostima.

Je li jedna vrsta pojačala bolja od druge? Za instalaciju posvećenu isključivo kvaliteti zvuka, izbor je jasan. Za instalaciju gdje je isporuka energije ograničena ili su potrebne ogromne količine energije, izbor je također jasan. U sredini, ovisi o vašoj aplikaciji i proračunu.

Posjetite svog lokalnog specijaliziranog prodavača mobilne elektronike i saznajte više o najnovijim pojačalima na tržištu. Oni će vam rado pomoći da odaberete onaj koji odgovara vašoj aplikaciji i odgovara vašem proračunu.