Gra w klasy - Wzmacniacze mocy cz. I

W tym przypadku należałoby raczej mówić o „urządzeniu” akustycznym skupiającym energię fali akustycznej, a tym samym zwiększającym jego kierunkowość, co w efekcie daje mniejszy spadek natężenia dźwięku wraz z odległością (tak w dużym skrócie i uproszczeniu). Nas jednak w tym artykule nie będą interesować układy akustyczne poprawiające kierunkowość i przesyłanie energii akustycznej, ale układy elektroniczne, dzięki którym sygnał elektryczny, odpowiadający przebiegom akustycznym, może zostać odpowiednio wzmocniony, co pozwoli nam na wygenerowanie przez urządzenie głośnikowe fali akustycznej o odpowiednio dużym poziomie ciśnienia akustycznego, czyli o

WZMACNIACZACH MOCY

Dla zwykłego śmiertelnika wzmacniacz to wzmacniacz, i każdy do siebie podobny. Ale tak na dobrą sprawę wystarczy odkręcić obudowę i zajrzeć do środka, aby dostać zawrotu głowy. Ponieważ wzmacniacze to elementy stricte elektroniczne, nie obejdzie się bez zagłębienia się nieco w te tematy. Ale bez obaw, nie taki diabeł straszny, jak go malują, a ja postaram się go odmalować we w miarę przejrzystych kolorach. Zaczniemy od klas wzmacniaczy, gdyż według tego będziemy mogli je pogrupować i stwierdzić jakie są ich wady i jakie zalety. Najbardziej znane to klasy: A, B, AB, zaś ostatnimi czasy coraz więcej mówi się o klasach: D, G, H i T (TD). Ale po kolei.

KLASA A

Pierwsza chronologicznie to klasa A. Najprostszy układ pracujący w klasie A to jeden tranzystor w konfiguracji tzw. wspólnego emitera (OE), rysunek 1. Nie będziemy się zagłębiać w szczegółowe rozważania jak płyną prądy i jak rozkładają się napięcia na poszczególnych elementach. Dla nas najistotniejsze jest to, jaka jest sprawność takiego układu. Klasa A wzmacniacza występuje wszędzie tam, gdzie poprzez tranzystory lub lampy stopnia końcowego zawsze płynie prąd spoczynkowy, bez względu na to, czy podawany jest sygnał, czy nie. I to jest cecha charakterystyczna tej klasy wzmacniaczy.

Przepływ prądu jest duży i dlatego wzmacniacze te pobierają dużo energii, przy małej sprawności. Teoretycznie powinna ona wynosić 50%, praktycznie często nie przekracza 10-20%. Jest to poważna wada, bowiem stosować musimy zasilacze dużej mocy i potężne radiatory. Jeżeli sygnał nie jest podawany, wzmacniacz pracuje jako grzejnik. Pół biedy w zimie... ale latem? We wzmacniaczach lampowych dochodzi jeszcze żarzenie grzejników lamp, dlatego wiemy już skąd bierze się pobór mocy np. 400 W przy oddawanej 35 W. Ale wzmacniacze takie mają też zalety - dają czysty, niezniekształcony dźwięk (pomijając wpływ innych elementów toru). Dlatego marzeniem wielu audiofilów jest posiadanie wysokiej klasy wzmacniacza klasy A.

Wzmacniacz klasy A może pracować w dwóch układach, tzw. „single ended”, w którym cały sygnał jest wzmacniany na jednym elemencie (tranzystorze czy lampie - rysunek 1), i w układzie przeciwsobnym czyli „push-pull” - rysunek 2. Ponieważ w systemach nagłośnieniowych w zasadzie stosuje się duże moce (a nawet jeśli są to małe instalacje, nazwijmy je oszczędnościowe, to tym bardziej nikt nie będzie stosował drogich końcówek lampowych czy audiofilskich klasy A), więc wzmacniaczami klasy A nie będziemy sobie zaprzątać więcej głowy.

KLASA B

Układ wzmacniacza klasy B jest bardzo podobny do wzmacniacza klasy A „pushpull” (porównajmy rysunki 2 i 3). Rożni się tylko tym, że polaryzacja układu jest tak dobrana, aby tranzystory w stanie spoczynku nie przewodziły prądu. Dzięki temu nie grzeją się, a sprawność wzmacniaczy w klasie B jest wysoka - teoretycznie do 78%. W tej klasie każdy tranzystor wyjściowy (lampa) wzmacnia odpowiednio tylko jedną połówkę sygnału - albo dodatnią, albo ujemną. Na wyjściu połówki są sumowane, dając pełny, wzmocniony sygnał. Dokładne zsumowanie obu połówek wymaga doskonałej jakości elementów i dokładnego ich zestrojenia.

Największym problemem wzmacniaczy tej klasy są tzw. zniekształcenia skrośne. Ponieważ tranzystor czy lampa jest elementem nieliniowym, a małe sygnały są wzmacniane na najmniej liniowej części charakterystyki, po złożeniu obu połówek sygnał wyjściowy rożni się od podanego na wejście wzmacniacza. Największe zniekształcenia powstają przy przejściu sygnału przez zero. Czystej klasy B nie stosuje się przeto w sprzęcie audiofilskim, ale spotkać ją możemy czasem w sprzęcie estradowym niższej klasy, gdzie ważna jest duża sprawność i moc, a mniejsze znaczenie ma wysoka jakość odtwarzania.

KLASA AB

Jak już wspomniałem, w sprzęcie nagłośnieniowym wzmacniacze klasy B wykorzystywane są rzadko, a wzmacniacze klasy A praktycznie nigdy. Znaczna część współczesnych wzmacniaczy pracuje w klasie mieszanej - AB. Tranzystory (lampy) są spolaryzowane tak, aby w stanie spoczynku przepływał przez nie niewielki prąd. Przy mniejszych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie A, a przy większych - w klasie B (rysunek 4). Wzmacniacze klasy AB łączą zalety klas A i B: mają nieduże zniekształcenia i stosunkowo dużą sprawność, rzędu 50-70%. W zależności od wartości prądu spoczynkowego mówimy o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym większy prąd spoczynkowy, tym mniejsza sprawność, ale i mniejsze zniekształcenia. Czym różnią się między sobą klasy A, B i AB pod względem doboru punktu pracy pokazuje rysunek 4.

KLASA AA

Możemy się natknąć i na taki „wynalazek”. Jest to sposób budowy wzmacniacza „dwa w jednym”, czyli dobrej jakości wzmacniacz małej mocy, pracujący w klasie A, i drugi, który pracuje w klasie B, o większej mocy. Oba wzmacniacze są połączone specjalnym mostkiem, tak aby przy małych sygnałach pracował ten o mniejszej mocy, przy większym zaś sygnale płynnie włączany jest drugi, mocniejszy. Wzmacniacze takie mają niskie zniekształcenia nieliniowe i bardzo małe przesunięcia fazowe. Propagowane są m.in. przez firmę Technics. Jest to bardziej klasa marketingowa, nie mająca wiele wspólnego z tradycyjnym podziałem wzmacniaczy na klasy.

KLASA C

W tej klasie wykorzystuje się całą szerokość charakterystyki, także tą nieliniową. Wzmacniacze takie dają dużą moc, lecz o bardzo dużych zniekształceniach. Małe sygnały nie są wzmacniane. Wykorzystuje się je w układach generacyjnych, alarmowych, itp.

KLASA D

Producenci, dążąc do polepszenia sprawności wzmacniaczy, zwrócili swoją uwagę na technikę impulsową. Jeżeli tranzystory będą na przemian albo całkowicie otwierane, albo całkowicie zamykane, uzyskamy tryb pracy w klasie D. W jaki sposób to działa? Wykorzystuje się fakt, iż głośniki dynamiczne mają pewną bezwładność, ponadto pole magnetyczne w cewce głośnika nie zanika natychmiast w chwili przejścia tranzystorów w stan wyłączenia (zatkania). Ponadto na wyjściu stosuje się odpowiednio zaprojektowany filtr, dzięki któremu uzyskuje się niezniekształcony sygnał. Ponieważ każdy z tranzystorów znajduje się albo w stanie odcięcia, albo w stanie pełnego włączenia, oznacza to w przybliżeniu przepływ zerowego prądu lub zerowy spadek napięcia. Konsekwencją tego jest, w teorii, zerowa moc tracona w tranzystorze.

Warunkiem otrzymania prawidłowego przebiegu sygnału jest to, że otwieranie i zamykanie tranzystorów odbywa się z dużą częstotliwością (kilku lub kilkunastokrotna maksymalna częstotliwość sygnałów audio), a współczynnik wypełnienia impulsów jest proporcjonalny do chwilowej wartości sygnału audio. Wzmacniacze te nazywamy wzmacniaczami impulsowymi lub wzmacniaczami o modulowanej szerokości impulsu (PWM, Pulse Width Modulation) - rysunek 5.

Poziom głośności ustalany jest za pomocą regulacji napięcia wyjściowego ze wzmacniacza. Na rysunku 6 widzimy stopień końcowy takiego wzmacniacza. W rzeczywistości układ jest bardziej skomplikowany. O ile filtr wyjściowy jest stosunkowo prosty, o tyle układy sterujące i przetwarzające sygnał wejściowy na ciąg impulsów wymagają obróbki cyfrowej. Sprawność takiego wzmacniacza jest bardzo wysoka, teoretycznie do 100%, praktycznie wynosi 90-95%, co i tak jest rewelacyjną wartością.

KLASA G

Poszukiwania oszczędności energii i lepszej sprawności wzmacniaczy doprowadziły do powstania klasy G. Jest to wzmacniacz klasy AB o dwóch napięciach zasilających. Konstrukcja stopnia końcowego jest taka, że przy małych sygnałach pracuje on przy niższym stopniu zasilania. W chwilach większego poboru mocy płynnie podawane jest wyższe napięcie zasilania. Innym rozwiązaniem jest układ z dwoma oddzielnymi stopniami wzmacniającymi. Przy małych sygnałach pracuje jeden z nich (o mniejszej mocy), przy czym pracuje on przez cały czas. W chwilach większego zapotrzebowania na moc dołączany jest drugi stopień. Wzmacniacze tej klasy, poza pewną oszczędnością energii, nie charakteryzują się lepszymi parametrami niż „czysta” klasa AB.

KLASA H

Idea podobna, jak w klasie G, ale idąca o krok dalej. Jest to układ zawierający jeden stopień końcowy AB, ale o rozbudowanym zasilaczu (bateria kondensatorów). Podczas normalnej pracy wzmacniacz jest zasilany niższym (znamionowym) napięciem zasilacza. Gdy następuje zapotrzebowanie na większą moc, napięcie jest zwiększane za pomocą „ładunku pomp”. Dzięki temu sprawność jest jeszcze większa niż w klasie G. Układy klasy G i H są często mylone, co wynika z podobnej idei ich działania, przy czym przeważnie jest tak, że zwykłe układy z przełączanym napięciem zasilania określa się mianem klasy H. Nie jest to do końca zgodne z prawdą, gdyż w przypadku klasy H mamy do czynienia nie z przełączaniem zasilania (tzw. układ switching rail), ale z modulowaniem napięcia zasilającego - różnicę między tymi klasami odzwierciedla rysunek 7.

W przypadku wzmacniacza pracującego w klasie G, po przekroczeniu przez sygnał audio progowego napięcia zasilania (podstawowego, czyli Vs) załączane jest drugie napięcie zasilające (Vss) lub drugi stopień mocy - w zależności od rozwiązania układu. W klasie H, po przekroczeniu napięcia Vs napięcie zasilające podąża za sygnałem, przewyższając go przez cały czas, ale tylko o kilka woltów. Zapewnia to niezakłóconą pracę wzmacniacza przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności.

KLASY E, F, S

Dotyczą one wzmacniaczy przełączanych. Nie mają one zastosowania w urządzeniach audio.

KLASA I

Opatentowana przez firmę Crown topologia Balanced Current Amplifier (BCA) Class-I, stanowi fundament całej serii I-Tech (po raz pierwszy została wykorzystana w serii K). Według producenta topologia ta, dzięki unikalności obwodów, zapewnia znacznie lepszą efektywność niż konwencjonalne rozwiązania w klasie D. Wzmacniacz Class-I jest jakby połączeniem dwóch wzmacniaczy klasy D w konfiguracji mostkowej, z tą różnicą, że obciążenie wciąż jest określane w odniesieniu do uziemienia. Jednak tym, co czyni Class-I tak wyjątkowym rozwiązaniem, jest zdolność przyjmowania zasilania do +/-200 V.

KLASA T

W roku 1998 amerykańska firma Tripath zaprezentowała pierwszy, opracowany przez siebie wzmacniacz klasy T. Amerykanie nie zdradzają szczegółów budowy swoich wzmacniaczy, wiadomo tylko tyle, że są to wzmacniacze impulsowe, podobnie jak w klasie D. Stopień wyjściowy, zwierający tranzystory MOSFET, jest również sterowany przebiegiem prostokątnym. W odróżnieniu od klasy D częstotliwość impulsów nie jest stała i zmienia się w granicach 50 kHz-1,5 MHz. Bardzo skomplikowane są stopnie sterujące. Częstotliwość i wypełnienie są wyznaczane przez rozbudowane cyfrowe układy elektroniczne, według bardzo skomplikowanych algorytmów. Jedną z przyczyn występowania zniekształceń we wzmacniaczach klasy D jest niedoskonałość i rozrzut parametrów wyjściowych tranzystorów MOFSET.

Sterownik wzmacniacza klasy T jest układem samouczącym się, gdzie wszystkie parametry elementów są odczytywane, a wszelkie niedoskonałości odpowiednio kompensowane. Przy zastosowaniu tak zaawansowanej obróbki cyfrowej wzmacniacze tej klasy mają lepszą liniowość, mniejszy poziom szumów własnych i szerszy zakres dynamiki. Charakterystyka przenoszenia jest bardziej płaska i liniowa, a zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez układ są minimalne. Udaje się uzyskać współczynnik zniekształceń THD+N poniżej 0,08%, a współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych IMD poniżej 0,04%. Sprawność energetyczna wzmacniaczy pracujących w klasie T wynosi 80-92%.

KLASA TD

To z kolei „dziecko” firmy Lab.gruppen. Zaimplementowane w serii FP+ stopnie wyjściowe klasy TD (od Tracking Class D) zbudowane są na bazie konwencjonalnych wzmacniaczy Class B, wykorzystywanych do bezpośredniego sterowania głośników, bez konieczności stosowania filtrów, niezbędnych w typowych wzmacniaczach Class D. Rozwiązanie Class TD polega na tym, że dwa wzmacniacze Class D zasilają poprzez szyny napięciowe jeden wzmacniacz Class B, który z kolei śledzi dokładność sygnału aż do najwyższych częstotliwości. Najważniejsze w tym wszystkim jest to, że wzmacniacz Class TD osiąga tę samą jakość brzmieniową, co wzmacniacze klasy AB lub B. Dodatkową korzyścią jest zaś to, że ostatni, konwencjonalny stopień działa jak aktywny filtr zakłóceń RF generowanych przez sekcję Class D.

LAMPA KONTRA TRANZYSTOR - RYWALIZACJA Z GÓRY PRZESĄDZONA

W przypadku sprzętu estradowego nie mamy dylematu, który zaprząta głowę na przykład gitarzystom: lampa czy tranzystor. I nie wynika to bynajmniej z małej wydolności mocowej lamp, gdyż największe nadajniki radiowe w.cz., emitujące moc kilkudziesięciu czy kilkuset kW, pracują właśnie na lampach (aczkolwiek nie na tych znanych ze sprzętu muzycznego - triodach czy pentodach). Problemem jest tu mała żywotność lamp, duża ich wrażliwość na „chorobę lokomocyjną”, czyli po prostu przyspieszanie ich zużywania się w czasie transportu i przenoszenia, a także nieprzystosowanie końcówek mocy do standardowych zestawów głośnikowych (chodzi tu o tzw. damping factor, czyli współczynnik tłumienia, o którym była już mowa w LSP).

Będziemy jeszcze o nim mówić w jednym z kolejnych odcinków, w tym miejscu tylko wspomnę, że parametr ten ma wpływ na tłumienie rezonansu mechanicznego głośnika, i jest tym ono większe im wyższa jest wartość tego parametru. Dlatego też głośniki współpracujące z końcówkami lampowymi (np. głosiki gitarowe) mają twarde zawieszenia, aby zapobiec „wypluciu” membrany.

MOSFET KONTRA BIPOLARNY - TU JUŻ GORZEJ

Od czasu pożegnania się z lampą elektronową na długie lata niezastąpionym elementem „napędowym” wzmacniaczy był tranzystor bipolarny. Kilkadziesiąt lat temu pojawiły się na rynku tranzystory MOSFET-owe. Nie będziemy się zajmować tym, czym się charakteryzują jedne, a czym drugie, bo nie czas i miejsce na to - zainteresowani mogą sięgnąć do literatury elektronicznej. Skoro pojawiła się „nowa twarz na rynku”, szybko postanowiono wykorzystać ten fakt do zaprojektowania, a potem sprzedania z dużym zyskiem, wzmacniaczy opartych właśnie na tego typu elementach. Trzeba tu zaznaczyć, że chodzi oczywiście o tranzystory mocy (wyjściowe).

Niestety miało to swoje plusy i minusy (jak w sumie wszystko na świecie). Ten pośpiech, aby prześcignąć konkurencję, spowodował, że pierwsze wzmacniacze oparte na tranzystorach MOSFET były konstrukcjami niedopracowanymi, o dużej awaryjności, a przez to sprawiały więcej problemu niż pożytku, a dodając do tego fakt, że kosztowały znacznie więcej od zwykłych „bipolarów”, mogły wprowadzić „szczęśliwych nabywców” tych urządzeń w zrozumiałą wściekłość. Pomimo upływu czasu i dopracowaniu konstrukcji wzmacniaczy MOSFET, które, pod względem parametrów i funkcjonalności, a obecnie również i ceny, nie ustępują wzmacniaczom z tranzystorami bipolarnymi, w dalszym ciągu nie da się jednoznacznie zawyrokować, które z nich są bezsprzecznie lepsze.

Tranzystory MOSFET mają pewne cechy, które stawiają je wyżej nad „zwykłymi”. Są to: właściwość samoograniczania prądu wraz ze wzrostem temperatury (co może być zaletą, ale też i wadą) oraz o wiele lepsze czasy narastania, co pozwala z powodzeniem stosować je w układach impulsowych. Poza tym wzmacniacze z takimi tranzystorami mają większą ilość parzystych harmonicznych w sygnale (w porównaniu ze wzmacniaczami na tranzystorach bipolarnych), co upodabnia je w brzmieniu nieco do wzmacniaczy lampowych, preferowanych przez wielu muzyków.

Niestety, jak już wspomniałem, zdolność do samoograniczania prądu może być też wadą. Jeśli we wzmacniaczu zastosowano „oszczędnościową” ilość tych tranzystorów, to będzie to powodowało nadmierny wzrost temperatury, a wraz z tym spadek mocy końcówki, właśnie z uwagi samoczynnego zmniejszania się prądu pod wpływem temperatury.

Mimo wszystko, na obecne czasy jakość wzmacniacza nie zależy już tak znacznie od rodzaju użytych tranzystorów. Można co najwyżej zasugerować, w związku z nieco większą zdolnością do ciągłego przenoszenia dużych prądów przez tranzystory bipolarne, stosowanie tego typu wzmacniaczy do zasilania zestawów niskotonowych (wymagają one dostarczenia dużych prądów, a więc i mocy). Natomiast końcówki MOSFET-owe, z powodu większej ich „szybkości”, mogą zapewnić nieco lepsze odtwarzanie góry pasma. Ale, jak zwykle, ostateczny wybór i tak należy do potencjalnego klienta, i bardzo dobrze.