Усилитель класса D – Схема на 120 ватт

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.
Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Усилители мощности. Что это за устройства и какие они бывают?

Музыкальное оформление создает настроение и определяет стиль и концепцию любого помещения. Озвучивают не только концертные залы, рестораны и дискотеки, но и спортивные клубы, офисные здания, и, конечно же, торговые площади — магазины, бутики и развлекательные центры.

Что такое качественное звуковое оформление?.

Минимальный комплект оборудование для озвучивания включает в себя: акустическую систему, состоящую из нескольких громкоговорителей, устройство для воспроизведения звукового сигнала — CD/DVD/MP3 плеер, усилитель мощности или микшер — усилитель и акустический кабель.

О ключевых звеньях системы озвучивания — усилителе мощности и микшер-усилителе, мы поговорим более подробно. Что они из себя представляют, как устроены и для чего предназначены?

Усилители мощности звука есть в любом устройстве, воспроизводящем звуковые сигналы, так как изначально считываемый сигнал всегда имеет малую мощность, недостаточную для передачи его другим устройствам, поэтому их можно найти в каждом магнитофоне, мобильном телефоне, компьютере и даже в говорящих детских игрушках. Усилитель мощности — это прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов до такого звукового диапазона, который способно воспринимать человеческое ухо (от 16 до 22 кГц), однако с возрастом верхняя граница чувствительности слуха снижается и большинство взрослых людей не слышит звук, частота которого выше 16 кГц.

Устройства, которые напоминают современные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ), впервые появились только в XIX веке и заметно изменились лишь с момента появления электронных приборов. Родоначальниками этих приборов были ламповые усилители, а в конце 50-х годов XX века появились первые полупроводниковые — транзисторные устройства.

Звуковые усилители мощности могут быть как отдельными независимыми устройствами, со своей панелью управления, так и внутренними элементами прибора, запаянными в гибридную микросхему. Усилитель мощности последнее звено в современной цепочке системы звукоусиления, из-за этого в профессиональной среде за ним закрепилось прозвище — «оконечный усилитель мощности» или просто «оконечник».

По назначению и области применения усилители мощности бывают профессиональными и бытовыми. Профессиональные, в свою очередь делятся на концертные, студийные, трансляционные и другие, исходя из специфики их применения. Чем мощнее прибор, тем больше электрического тока он потребляет, тем соответственно, громче звук, который он сможет воспроизводить.

Бытовые усилители мощности знакомы нам по домашним музыкальным центрам, ресиверам и автомобильным магнитолам. Стоит сказать о том, что эволюция обоих типов устройств, шла разными путями. Если бытовые, домашние усилители мощности претерпели не только внутренние, но и большие внешние изменения: прошли долгий путь от ламповых приемников, проигрывателей необычного дизайна и размера до моноблочных и раздельных звукоусилительных систем, то профессиональные устройства практически не изменились внешне. После принятия в 80-х годах единого стандарта габаритов по метрической системе (в дюймах), концертные, студийные и другие профессиональные акустические усилители имеют одинаковые размеры передней панели: длина 18 дюймов, высота кратна 1,75 дюйма (44,5 мм), также её называют 1U или 1 РЭК. Такое решение было обосновано необходимостью встраивать их в специальные шкафы или стойки для звукового оборудования. В последствии их также стали называть рэковыми. Единый стандарт значительно упростил транспортировку оборудования, а также сделал возможным замену усилителя на другую модель в случае его поломки.

В зависимости от принципа деятельности и режима работы выходных элементов, выделяют несколько классов усилителей. Причем еще только два десятка лет назад существовали только два типа усилителей: класса «АB» и класса «А». Сегодня можно найти устройства, класса «А», «АВ», «В», «G», «H», «Т» и других, не имеющих названия классов. Такое разнообразие обусловлено новейшими технологиями в области производства полупроводников, которые позволили повысить качество воспроизведения звука, уменьшить размеры и значительно снизить цену на усилители мощности. К классу «А» относятся в основном ламповые оконечники. Для них характерен низкий уровень КПД — около 25%, но при этом небольшая степень искажения звука.

Усилители класса «В» — менее популярны. В этом классе работают в основном транзисторные оконечники. Их КПД приблизительно равен 70%, но они рассеивают в виде тепла довольно много энергии. Усилители В-класса отличает низкий уровень шумов в отсутствие сигнала и сухостью звучания.

Идеальный вариант — взять всё лучшее от каждого класса устройств, именно так и образовался третий класс — «АВ». Устройства, относящиеся к этому классу, в режиме максимальной нагрузки ведут себя как класс «В», а в режиме тихих сигналов — как усилители класса «А», их КПД приближается к 60%. Этот класс пользуются наибольшей популярностью в сфере звукотехники в силу своей универсальности.

Усилители «D»-класса появились сравнительно недавно, от собратьев они отличаются малым весом и довольно высоким КПД — порядка 85%! Однако ошибочно принимать усилители класса «D» за цифровые. Действительно, входящий сигнал становится бинарным, т.е. цифровым аудиосигналом, но никакими другими преимуществами, свойственными цифровым усилителям мощности, «D»-усилители не обладают.

Класс «G» — представляет собой усовершенствованную версию устройств «AB», в котором используется источник питания с разными напряжениями и за счет этого снижается рассеиваемая мощность усилителя.

Класс «H» чем-то напоминает класс «G», однако он не подходит для воспроизведения музыкальных сигналов с широким динамическим диапазоном. В данном случае значительно возрастают потери энергии при переключении мощности, поэтому «Н»-усилители не подходят для музыкальных сигналов широкого динамического диапазона. Отличительной особенностью усилителей классов «D» и «T» является потребление энергии даже в отсутствие сигнала. Это происходит из-за постоянного присутствия в них мощных высокочастотных импульсов.

На рынке представлены различные модели усилителей как отечественных, так и зарубежных производителей. Наиболее широкое применение в сфере современного звукового оформления получили стерео-усилители, трансформаторные (трансляционные) усилители и комбинированные устройства — микшер-усилители. Все они отличаются не только конструктивными особенностями, но и качественными характеристикам воспроизведения звуковых волн.

Стерео-усилители — это двухканальные устройства, для прослушивания музыки в высоком качестве с минимальными искажениями даже при большом усилении звукового сигнала. КПД стерео-усилителей колеблется в диапазоне 25-75%. Кроме этого, современные модели двухканальных усилителей звука комплектуются специальными устройствами для улучшения качества воспроизведения звукового сигнала — это различные виды DSP (Digital Signal Processing-цифровая обработка сигнала) и эквалайзеров — темброболоков или так называемых «выравнивателей», избирательно корректирующих амплитуду звуковой частоты. Стерео-усилители — это своеобразный связующий элемент между слушателем и акустической системой, который позволяет насладиться всеми гранями воспроизводимых музыкальных композиций, придает им дополнительную эмоциональную окраску.

В отличие от стерео-усилителей, трансляционные усилители помимо прочего, предназначены и для передачи информационных сообщений. Очень часто этот тип усилителей применяется в системах пожарного оповещения, ведь они способны функционировать даже при наличии резервных 24 В.

Обычно «трансформаторными» называют усилители, которые имеют трансформатор на выходе, таким образом, он служит для согласования прибора с акустической системой (громкоговорителями), которая также имеет трансформатор на входе. Благодаря этому расстояние от микшера-усилителя до громкоговорителей может составлять до 1км. Трансформаторные усилители работают в режиме 70-100 В.

Современные трансформаторные микшер-усилители — это, как правило, одноканальные устройства, которые позволяют быстро переключаться с подачи фоновой музыки на речевой канал и работают в 100-вольтовом режиме. Также возможно организовать зонированную подачу сообщений в каждое отдельное помещение, если речь идет о нескольких залах (например в ресторане, офисном здании, фитнес-клубе и т.д.)

При организации торжественных мероприятий или небольших концертов большой пользуются популярностью пользуются комбинированные низкоомные микшер-усилители. Они выполняют все функции не только усилителя мощности звука, но и профессионального микшерного пульта. Преимущества использования этих устройств, сочетающих в себе сразу несколько элементов звуковой системы, очевидны: компактность, мобильность, простота и легкость в установке. Микшер-усилитель — как правило, двухканальное стереофоническое устройство, но также бывают модели, которые представляют собой интегрированный многополосный микшерный пульт, на котором смешиваются (микшируются) сразу несколько инструментальных и микрофонных каналов. Для небольших помещений стандартной мощности в 150-500 Вт бывает вполне достаточно, чтобы усилить звуковой сигнал до нужной громкости.

Итак, мы рассмотрели основные типы и виды представленных на рынке усилителей мощности. Прежде всего, стоит заметить, что выбирать усилитель мощности нужно либо после, либо вместе с акустическими системами — громкоговорителями. Мощность акустической системы должна быть несколько выше, чем мощность усилителя, необходимо иметь некоторый запас, который позволит гарантировать сохранность безопасность работы громкоговорителей. При этом мощность усилителя не должна быть и слишком низкой, так как маломощный прибор, не сможет долго работать на пределе своих возможностей. Еще совсем недавно все, что требовалось от усилителя мощности — это качественное усиление звука, но теперь функциональность этих устройств значительно расширилась. С помощью современных моделей усилителей возможно осуществлять не только компьютерное управление, но и программирование воспроизведения музыкального контента.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Рекомендации по сборке ультралинейного усилителя

1. Вначале проверьте работоспособность блока питания, а потом уже подавайте напряжение на лампы.
2. Используйте экранированный кабель, идущий из гнезда входного сигнала к регулятору громкости.
3. На землю надо паять только один конец экранированного провода.
4. Если сигнальные и силовые провода пересекаются, разделите их как можно дальше и сделайте это под прямым углом.
5. Плотно скручивайте провода переменного тока вместе (например, для накалов).
6. Обязательно соблюдайте цветовые провода на трансформаторе и других узлах — так проще настраивать и меньше вероятность ошибок.
7. Используйте качественные радиокомпоненты. Дешевые детали, особенно конденсаторы будут серьезно снижать производительность усилителя. Но не обязательно использовать дорогие бренды, указанные на схеме, их написали для примера.
8. Конденсаторы фильтра могут быть больше по ёмкости, но избегайте использования слишком малых. Рекомендуем брать на 300-350 вольт конденсаторы питания.
9. Будьте осторожны с использованием микросхем LM317. Они могут пробиться при замыкании.
10. Место лампы предусилителя чем подальше от силового трансформатора. Это позволит немного улучшить отношение сигнал-шум.
11. Оба моноблока могут быть использованы как автономные монофонические усилители.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Компоненты и материалы

• двуполярный источник питания ±12 В (на схемах вместо него используются четыре аккумулятора по 6 вольт);
• двойной операционный усилитель, рекомендуется модель TL082;
• один мощный NPN транзистор в корпусе TO-220;
• один мощный PNP транзистор в корпусе TO-220;
• один импульсный диод 1N914;
• один конденсатор, 47 мкФ, 35 В, электролитический;
• два конденсатора, 0,22 мкФ, неполярные;
• один потенциометр 10 кОм.

Обязательно используйте операционный усилитель с высокой скоростью нарастания. По этой причине избегайте LM741 или LM1458.

Чем лучше подобраны два транзистора, тем лучше. Если возможно, попробуйте приобрести транзисторы TIP41 и TIP42, которые являются близко подобранными мощными NPN и PNP транзисторами с номинальной рассеиваемой мощностью 65 Вт каждый. Если у вас нет NPN транзистора TIP41, то подойдет TIP3055. Не используйте слишком большие мощные транзисторы (т. е. в корпусе TO-3), так как операционный усилитель может испытывать проблемы с подачей на их базы тока, достаточного для нормальной работы.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Что такое усилитель звука?

Качественный аудиоприбор, будь то магнитола в автомобиле или акустическая система для домашнего кинотеатра, практически всегда снабжается усилителем звука. Это специальное электрическое устройство, преобразующее слабый электрический сигнал в более сильный с помощью увеличения мощности тока. Усилитель мощности звука может быть как отдельным прибором, входящим в аудиосистему, так и являться внутренним компонентом, например, колонок, входящим в их гибридную систему.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.