Razredi ojačevalnikov:Smisel o ojačevalnikih razreda AB in razreda D

Ojačevalniki imajo zelo težko delo. Vzeti morajo zelo nizkonapetostni signal in mu povečati amplitudo, da lahko poganja zvočnik. Pri tej transformaciji pričakujemo, da bo signal ostal čist – brez dodajanja popačenja ali šuma. Prav tako želimo znatne količine energije za pogon naših zvočnikov, čeprav svoje ojačevalnike napajamo le s pičlimi 12 do 14 volti električne energije. Zdi se, da fizikalni zakoni na vsakem koraku hočejo delovati proti nam – a mi zmagamo! Sodobni avtomobilski avdio ojačevalniki so neverjetni inženirski in oblikovalski podvigi. Ta članek obravnava dve glavni vrsti razredov ojačevalnikov, ki se uporabljata v avtomobilski avdio industriji, ter prednosti in slabosti vsakega. Dobrodošli v razredu AB proti razredu D.

Matematika za tem, kako ojačevalniki ustvarjajo moč

Ne glede na to, kako konfiguriramo komponente znotraj ojačevalnika, je cilj enak:povečati napetost zvočnega signala predojačevalca, da lahko poganja zvočnik. Ker imajo zvočniki, ki jih uporabljamo, nizko impedanco (2 ali 4 ohme za večino srednjetonskih zvočnikov), moramo biti sposobni zagotoviti tudi znatno količino toka zvočniku. Ta dovod toka v zvočnik je druga naloga, ki jo mora opraviti ojačevalnik.

Na podlagi hitre matematike lahko naredimo nekaj izračunov, če 4-ohmski zvočnik prejema signal 12 V RMS. Za izračun toka, ki teče skozi zvočnik, delimo napajano napetost z impedanco zvočnika. V tem primeru imamo 12 deljeno s 4, tako da skozi žice zvočnikov in zvočno tuljavo teče 3 ampere toka. Enostaven način za izračun moči, ki gre v zvočnik, je, da pomnožite dobavljeno napetost in dobavljeni tok. Zmnožek 12 krat 3 je 36. Ta zvočnik prejme 36 vatov moči.

Poglejmo isti primer, kot če bi bil to ojačevalnik nizkotonca. V tem drugem primeru bomo predpostavili, da imamo globokotonec z dvojno 2-ohmsko glasovno tuljavo, pri čemer sta obe tuljavi povezani vzporedno, da proizvedeta obremenitev 1 ohm. Če temu zvočniku dovajamo 12 Vrms signala, teče 12 amperov toka skozi žico zvočnika in globokotonec. Za izračun moči pomnožimo 12 krat 12, da dobimo 144 vatov. 144 vatov je veliko več moči in toka za enako količino napetosti.

Splošni pregled funkcij ojačevalnika

Večina ojačevalnikov je sestavljena iz treh ali štirih ključnih delov (ali stopenj), odvisno od njihove zasnove in kompleksnosti. Vhodna stopnja je del ojačevalnika, kjer zvočni signal nizke ravni predojačevalca vstopi v ojačevalnik in je deležen kakršne koli obdelave v obliki izenačevanja ali filtriranja.

Ojačevalnik ima napajalnik. Napajalnik pretvori dobavljenih 12 do 14 V enosmernega toka v pozitivno in negativno napetost tirnice. Recimo, da ima na primer teoretični ojačevalnik tirnice +25 in -25 V glede na našo ozemljitveno referenco. Odvisno od velikosti ojačevalnika bo na voljo gonilna stopnja. Gonilna stopnja je odgovorna za povečanje zvočnega signala nizke ravni na višjo napetost. Koliko gonilna stopnja poveča napetost, je odvisno od tega, koliko moči bo proizvedel ojačevalnik.

Končno imamo izhodno stopnjo. Izhodna stopnja je razmeroma preprosta – bistveno ne spremeni signala, ki prihaja iz gonilne stopnje, temveč naprave (MOSFET-ji ali tranzistorji), ki se uporabljajo za zagotavljanje izhodnega signala s tokom, ki ga zahteva breme. Napajalnik in izhodna stopnja sta dva dela ojačevalnika, ki opravita največ »težkega dela«. To pomeni, da so stopnje, ki prepuščajo veliko toka.

V skoraj vseh ojačevalnikih na trgu uporabljamo namenske naprave za pozitivno polovico valovne oblike in ločene naprave za negativno polovico valovne oblike. Za pojasnitev, če izmerimo izhodni signal ojačevalnika glede na maso vozila, bomo videli, da niha naprej in nazaj nad in pod 0V. Pomislite nazaj na naše napajalne tirnice +25 V in -25 V. Zvočniki ne skrbijo za vrednost signala, ki jim je poslan; vse, kar jih zanima, je razlika v napetosti od enega do drugega konca zvočne tuljave.

Ojačevalniki razreda AB

V tem članku bomo posplošili ojačevalnike razreda AB v model analognega ojačevalnika. V našem analognem ojačevalniku imamo velike tranzistorje v izhodni stopnji ojačevalnika. Ko želimo na izhodu polovico pozitivne tirne napetosti, napajamo polovico napetosti na pozitivno izhodno napravo. Ko gre signal v negativno smer, izklopimo pozitivno napravo in začnemo uporabljati samo negativno napravo. Če pogledamo drugače, zvočni signal iz gonilne stopnje nadzoruje upornost izhodnih naprav in posledično to, koliko toka lahko teče do zvočnika.

V analognem ojačevalniku je mogoče izhodne naprave "vklopiti" v različnih količinah glede zvočnega signala. To pomeni, da izhodne naprave pogosto delujejo kot upori. Ko prevajamo tok skozi upor, se moč izgubi kot toplota. Upoštevajte to kot del naše primerjave v nadaljevanju članka.

Ojačevalniki razreda D

V ojačevalniku razreda D izhodne naprave prejmejo nadzor iz krmilnega integriranega vezja (IC). Ta krmilnik pošilja kvadratni val s spremenljivim delovnim ciklom. Amplituda kvadratnega vala je dovolj visoka, da do konca vklopi ali izklopi izhodne naprave. Izhodne naprave zelo malo časa delujejo kot upori in delujejo bolj kot stikala.

Logično vprašanje je, kako za vraga dobimo glasbo iz kvadratnega vala? Če ste tako mislili, dobro za vas! Frekvenca kvadratnega vala je veliko višja od največje frekvence naše glasbe. Pravzaprav nekateri sodobni ojačevalniki razreda D preklapljajo izhodne naprave pri frekvencah do 600 kHz.

Za ponovno ustvarjanje glasbe krmilnik razreda D pošlje signal, ki je impulzno širinsko moduliran. Količina časa "vklopa" glede časa "izklopa" določa izhodno raven signala. Kot zelo splošna analogija, če bi pozitivnim izhodnim napravam poslali kvadratni val s 50-odstotnim obratovalnim ciklom (vklopljen toliko časa, kolikor je bil izklopljen), bi bilo povprečje izhoda 50 % pozitivne napetosti tirnice. Če je pravokotni val vklopljen 75 % časa, nato izklopljen 25 %, potem bi na izhodu dobili 75 % tirne napetosti.

Kot si lahko predstavljate, je signal iz krmilnika razreda D precej zapleten. Modulirati mora delovni cikel kvadratnega vala, ki gre do pozitivnih in negativnih naprav dovolj hitro, da natančno poustvari zvočni signal. Prav tako mora ločeno krmiliti pozitivne in negativne izhodne naprave.

Prednosti in slabosti analognih ojačevalnikov

Ker zvočni signal v analognem ojačevalniku nikoli ni razrezan na drobne koščke, lahko analogni ojačevalniki ostanejo zvesti izvirnemu signalu. Najbolj zveneči ojačevalniki v industriji mobilne elektronike so analogni. Analogni ojačevalniki so zgodovinsko gledano sloveli po natančnem visokofrekvenčnem odzivu.

Pomanjkljivost analognega ojačevalnika je njegova učinkovitost. Učinkovitost opisuje, koliko energije se izgubi kot toplota v primerjavi z energijo, poslano zvočniku. Ker izhodne naprave v analognem ojačevalniku delujejo kot spremenljivi upori, se segrejejo. Tipični analogni ojačevalniki delujejo v območju 70-80% učinkovitosti glede na skupno učinkovitost, medtem ko delujejo s polno močjo. Manjkajočih 20-30 % se sprosti kot toplota. Pri nižji izhodni ravni učinkovitost še bolj pade.

Prednosti in slabosti digitalnih ojačevalnikov

Sodobni digitalni ojačevalniki preklapljajo pri izjemno visokih frekvencah. Vidimo ojačevalnike, ki so sposobni zvočnega frekvenčnega odziva nad 50 kHz, nekateri pa presegajo 70 kHz. Ta zmogljivost je daleč od prvih ojačevalnikov razreda D, ki so bili samo za nizkotonce in so težko proizvajali zvok nad 5 kHz. Kljub temu, ker digitalni ojačevalniki potrebujejo filtrirna omrežja na koncu izhodne stopnje, še vedno ne morejo popolnoma ustrezati zmogljivosti vrhunskega analognega ojačevalnika. S temi informacijami v mislih upoštevajte, da obstaja nekaj dobrih digitalnih ojačevalnikov, ki zvenijo bolje kot mnogi slabo zasnovani analogni ojačevalniki.

Ker izhodne naprave digitalnega ojačevalnika redko delujejo v svojem uporovnem območju, so lahko ti ojačevalniki zelo učinkoviti. Dobro zasnovan ojačevalnik razreda D ima lahko učinkovitost približno 92 %.

Druga težava z ojačevalniki razreda D je hrup. Ker izhodne naprave poganja kvadratni val, je v izhodnem signalu veliko visokofrekvenčne energije. Omrežje filtrov, o katerem smo govorili, odstrani večino tega iz izhodnega signala, vendar ima lahko ta energija še vedno škodljive učinke na druge sisteme v vozilu. Na žalost je skupna lastnost mnogih ojačevalnikov razreda D, da med delovanjem povzročajo motnje radijskega sprejema.

Izbira med razredi ojačevalnikov

Lepo bi bilo, če bi lahko oblikovali nabor trdih in hitrih pravil za izbiro pravega ojačevalnika za vaš sistem . S toliko različicami vsake vrste ojačevalnika po toliko različnih cenah je to resnično nemogoče. Močno predlagamo, da je edini način, da izberete ojačevalnik, primerjava enega z drugim v nadzorovanih pogojih:uporabite isto glasbo in iste zvočnike ter poslušajte pri enaki glasnosti. Slišali boste razlike v frekvenčnem odzivu in dramatične razlike v zmožnostih slikanja in uprizarjanja.

Ali je ena vrsta ojačevalca boljša od druge? Za namestitev, namenjeno izključno kakovosti zvoka, je izbira jasna. Za namestitev, kjer je dobava energije omejena ali so potrebne ogromne količine energije, je tudi tam izbira jasna. V sredini je odvisno od vaše aplikacije in proračuna.

Obiščite svojega lokalnega prodajalca mobilne elektronike in se pozanimajte o najnovejših ojačevalnikih na trgu. Z veseljem vam bodo pomagali izbrati tisto, ki bo ustrezala vaši aplikaciji in bo ustrezala vašemu proračunu.