Třídy výkonových zesilovačů

V elektronice je zesilovač nejběžněji používaným obvodovým zařízením s obrovskými aplikačními možnostmi. V elektronice související se zvukem jsou předzesilovače a výkonové zesilovače dva různé typy zesilovacích systémů, které se používají pro účely související se zesilováním zvuku. Ale kromě tohoto účelu specifického pro aplikaci existují obrovské rozdíly v různých typech zesilovačů, zejména ve výkonových zesilovačích. Zde tedy prozkoumáme různé třídy zesilovačů spolu s jejich výhodami a nevýhodami.

Klasifikace zesilovačů pomocí písmen

Třídy zesilovače jsou identitou výkonu a charakteristik zesilovače. Jiný typ výkonových zesilovačů poskytuje různé odezvy, když jimi prochází proud. Podle jejich specifikací jsou zesilovačům přiřazena různá písmena nebo abecedy, které představují jejich třídy. Existují různé třídy zesilovačů počínaje A, B, C, AB, D, E, F, T atd. Z těchto tříd jsou nejčastěji používanými třídami audio zesilovačů A, B, AB, C. Ostatní třídy jsou moderní zesilovače, které k řízení výstupní zátěže používají spínací topologie a techniku ​​PWM (Pulse Width Modulation). Někdy je vylepšené verzi tradičních tříd přiděleno písmeno, které je klasifikuje jako jinou třídu zesilovače, jako je zesilovač třídy G upravená třída zesilovače zesilovače třídy B nebo třídy AB.

Třídy zesilovače představují poměr vstupního cyklu při průchodu proudu zesilovačem. Vstupní cyklus je úhel vedení odvozený od vedení sinusových vln na vstupu zesilovače. Tento vodivý úhel je vysoce úměrný zesilovačům včas během celého cyklu. Pokud je zesilovač během cyklu vždy zapnutý, bude úhel vedení 360 stupňů. Pokud tedy zesilovač poskytuje 360stupňový úhel vedení, pak zesilovač použil úplný vstupní signál a aktivní prvek vedený 100% časovým obdobím úplného sinusového cyklu.

Níže si ukážeme tradiční třídy výkonových zesilovačů od třídy A, B, AB a C a také předvedeme zesilovač třídy D, který je široce používán v přepínacích provedeních. Tyto třídy se používají nejen v zesilovačích, ale také v obvodech zvukových zesilovačů.

Zesilovač třídy A.

Zesilovač třídy A je zesilovač s vysokým ziskem a vysokou linearitou. V případě zesilovače třídy A je úhel vedení 360 stupňů. Jak jsme uvedli výše, úhel vedení 360 stupňů znamená, že zesilovací zařízení zůstává aktivní po celou dobu a používá úplný vstupní signál. Na následujícím obrázku je zobrazen ideální zesilovač třídy A.

Jak vidíme na obrázku, existuje jeden aktivní prvek, tranzistor. Předpětí tranzistoru zůstává po celou dobu zapnuto. Díky této funkci nikdy se nevypíná zesilovač třídy A poskytuje lepší stabilitu vysoké frekvence a zpětnovazební smyčky. Kromě těchto výhod se zesilovač třídy A snadno vyrábí s komponentou jednoho zařízení a minimálním počtem dílů.

Navzdory výhodám a vysoké linearitě má určitě mnoho omezení. Kvůli nepřetržitému vedení vede zesilovač třídy A k vysoké ztrátě výkonu. Z důvodu vysoké linearity také zesilovač třídy A poskytuje zkreslení a zvuky. Napájecí zdroj a konstrukce předpětí vyžadují pečlivý výběr komponent, aby se zabránilo nežádoucímu šumu a minimalizovalo se zkreslení.

Z důvodu vysokých ztrát energie v zesilovači třídy A vyzařuje teplo a vyžaduje větší prostor chladiče. Účinnost je u zesilovačů třídy A velmi nízká, teoreticky se účinnost pohybuje mezi 25 až 30%, pokud se použije s obvyklou konfigurací. Účinnost lze zlepšit pomocí indukčně vázané konfigurace, ale účinnost v takovém případě není větší než 45-50%, takže je vhodná pouze pro účely zesílení nízkého signálu nebo nízké úrovně výkonu.

Zesilovač třídy B.

Zesilovač třídy B se trochu liší od třídy A. Je vytvořen pomocí dvou aktivních zařízení, která provádějí polovinu skutečného cyklu, tj. 180 stupňů cyklu. Dvě zařízení poskytují kombinovaný proudový pohon pro zátěž.

Na výše uvedeném obrázku je znázorněna konfigurace zesilovače ideální třídy B. Skládá se ze dvou aktivních zařízení, která se postupně zkreslují během kladného a záporného polovičního cyklu sinusové vlny a signál se tak posune nebo vytáhne na zesílenou úroveň jak z pozitivní, tak ze záporné strany a spojí výsledek, čímž získáme celý cyklus napříč výstupem. Každé zařízení se zapnulo nebo se stalo aktivním v polovině cyklu a díky tomu se zvyšuje účinnost, ve srovnání s 25-30% účinností zesilovače třídy A, poskytuje teoreticky účinnost více než 60%. Na obrázku níže můžeme vidět graf vstupních a výstupních signálů každého zařízení. Účinnost není u zesilovače třídy B vyšší než 78% . Rozptyl tepla je v této třídě minimalizován, což poskytuje prostor s nízkým chladičem.

Ale tato třída má také omezení. Velmi hlubokým omezením této třídy je zkřížené zkreslení. Jelikož dvě zařízení poskytují každou polovinu sinusových vln, které jsou kombinovány a spojeny napříč výstupem, dochází k neshodě (křížení) v oblasti, kde jsou kombinovány dvě poloviny. Důvodem je to, že když jedno zařízení dokončí poloviční cyklus, druhé zařízení musí poskytovat stejnou energii téměř ve stejnou dobu, kdy druhé dokončí úlohu. Je těžké tuto chybu opravit v zesilovači třídy A, protože během aktivního zařízení zůstává druhé zařízení zcela neaktivní. Chyba poskytuje zkreslení výstupního signálu. Kvůli tomuto omezení je to hlavní selhání aplikace přesných audio zesilovačů.

Zesilovač třídy AB

Alternativní přístup k překonání napříč přes zkreslení, je použít AB zesilovač. Zesilovač třídy AB používá střední úhel vedení obou tříd A a B, takže v této topologii třídy AB můžeme vidět vlastnost zesilovače třídy A i třídy B. Stejně jako třída B má stejnou konfiguraci se dvěma aktivními zařízeními, která vedou během poloviny cyklů jednotlivě, ale každé zařízení je předpjaté jinak, aby se během nepoužitelného okamžiku (crossover momentu) úplně nevypnuly. Každé zařízení neopustí vedení bezprostředně po dokončení poloviny sinusového průběhu, místo toho provede malé množství vstupu v dalším půl cyklu. Použitím této techniky předpětí se dramaticky sníží nesoulad výhybek během mrtvé zóny.

Ale v této konfiguraci je účinnost snížena, protože je narušena linearita zařízení. Účinnost zůstává vyšší než účinnost typického zesilovače třídy A, ale je nižší než u systému zesilovače třídy B. Diody také musí být pečlivě vybírány se stejným jmenovitým výkonem a musí být umístěny co nejblíže výstupnímu zařízení. V některých konstrukcích obvodů mají návrháři tendenci přidávat rezistory s malou hodnotou, aby zajistily stabilní klidový proud napříč zařízením, aby se minimalizovalo zkreslení na výstupu.

Zesilovač třídy C.

Kromě zesilovačů třídy A, B a AB existuje ještě další zesilovač třídy C. Je to tradiční zesilovač, který funguje odlišně než ostatní třídy zesilovačů. Zesilovač třídy C je vyladěný zesilovač, který pracuje ve dvou různých provozních režimech, vyladěném nebo nevyladěném. Účinnost zesilovače třídy C je mnohem vyšší než u A, B a AB. Maximálně 80% účinnosti lze dosáhnout při vysokofrekvenčních operacích

Zesilovač třídy C používá úhel vedení menší než 180 stupňů. Během nevyladěného režimu je sekce tuneru z konfigurace zesilovače vynechána. V této operaci zesilovač třídy C také poskytuje obrovské zkreslení na výstupu.

Když je obvod vystaven vyladěné zátěži, obvod upne úroveň předpětí výstupu s průměrným výstupním napětím rovným napájecímu napětí. Vyladěná operace se nazývá svorka. Během této operace získá signál správný tvar a střední frekvence bude méně zkreslená.

Při typickém použití poskytuje zesilovač třídy C účinnost 60–70%.

Zesilovač třídy D.

Zesilovač třídy D je spínací zesilovač, který používá pulzní šířkovou modulaci nebo PWM. Úhel vedení není v takovém případě faktorem, protože přímý vstupní signál se mění s proměnnou šířkou pulzu.

V tomto zesilovacím systému třídy D není lineární zisk akceptován, protože funguje stejně jako typický přepínač, který má pouze dvě operace, ZAPNUTO nebo VYPNUTO.

Před zpracováním vstupního signálu je analogový signál převáděn na pulzní proud různými modulačními technikami a poté je aplikován do zesilovacího systému. Protože doba trvání impulzů souvisí s analogovým signálem, je znovu rekonstruována pomocí nízkoprůchodového filtru na výstupu.

Zesilovač třídy D je nejvyšší výkonově efektivní třída zesilovačů v segmentech A, B, AB a C a D. Má menší odvod tepla, takže je zapotřebí malý chladič. Obvod vyžaduje různé spínací komponenty, jako jsou MOSFETy, které mají nízký odpor.

Jedná se o široce používanou topologii v digitálních zvukových přehrávačích nebo také v ovládání motorů. Měli bychom však mít na paměti, že nejde o digitální převodník. Ačkoli pro vyšší frekvenci zesilovač třídy D není dokonalá volba, protože má v několika případech omezení šířky pásma v závislosti na schopnostech filtru s nízkým průchodem a modulu převodníku.

Další třídy zesilovačů

Kromě tradičních zesilovačů existuje několik dalších tříd, kterými jsou třída E, třída F, třída G a H.

Zesilovač třídy E je vysoce účinný výkonový zesilovač, který využívá spínací topologie a pracuje na rádiových frekvencích. Jednopólový spínací prvek a vyladěná reaktivní síť je hlavní komponentou pro použití se zesilovačem třídy E.

Třída F je zesilovač s vysokou impedancí vzhledem k harmonickým. Může být poháněn pomocí obdélníkové nebo sinusové vlny. Pro vstup sinusových vln lze tento zesilovač vyladit pomocí induktoru a lze jej použít ke zvýšení zisku.

Třída G používá přepínání kolejnic ke snížení spotřeby energie a ke zlepšení účinnosti. A třída H je další vylepšená verze třídy G.

Další třídy jsou zesilovače pro speciální účely. V některých případech jsou písmena uvedena výrobcem pro označení jejich proprietárního designu. Jedním z nejlepších příkladů je zesilovač třídy T, který je ochrannou známkou pro speciální typ spínacího zesilovače třídy D, který se používá pro technologie zesilovače Tripath, což je patentovaný design.