Для увеличения коэффициента полезного действия (КПД) и снижения нагрева конструкции было принято решение разработать усилители класса B. Эти устройства оснащены двумя дополнительными транзисторами, каждый из которых отвечает за усиление только одной половины сигнала. Особенности их конструкции определяют работу в 50% цикла как в положительном, так и в отрицательном периоде сигнала.
Класс А
На сегодняшний день класс А считается устаревшим решением, хотя его всё ещё можно встретить, в основном, в домашней аудиотехнике, и даже там всё реже. Основное преимущество таких усилителей заключается в минимальных искажениях на маленьких уровнях сигнала, что позволяет им точно передавать детали звука. Тем не менее на высоких уровнях сигнала ситуация значительно ухудшается. Кроме того, КПД таких усилителей редко превышает 30%, что приводит к значительным потерям энергии в виде тепла, и как результат — сильному нагреву устройств. В автомобильной аудиотехнике такие усилители встречаются крайне редко и главным образом представлены старыми моделями.
Эти усилители характеризуются низким током покоя, почти не потребляя энергии при отсутствии сигнала, благодаря чему их КПД оказывается выше. Однако, из-за их функциональных особенностей у них наблюдаются более высокие коэффициенты гармонических искажений на малой громкости, которые не так заметны на высокой громкости. Большинство недорогих, но мощных автомобильных усилителей работает именно в классе B, хотя в характеристиках часто указывают класс AB.
Класс АВ
Класс АВ является оптимальным компромиссом между классами А и B. Усилители этого класса значительно эффективнее классических усилителей А и обладают меньшими искажениями, чем устройства класса B. Уникальные схемотехнические решения позволили добиться высокого качества звука при доступной цене.
Многие пользователи ошибочно называют такие устройства цифровыми, хотя это не совсем верно. Буква D действительно происходит от слова «Digital», но на практике в данном контексте она переводится как «импульсный». В усилителях класса D входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов различной длительности: чем выше амплитуда — тем длиннее импульс, и наоборот, чем ниже амплитуда — тем короче импульс.
Импульсный сигнал усиливается так же, как и в обычных усилителях, однако из-за работы выходных каскадов в ключевом режиме (включение-выключение, без промежуточных значений) потери минимальны, а КПД очень высок. Перед снижением на динамик импульсный сигнал проходит через LC-фильтр (состоит из катушки индуктивности и конденсатора), который восстанавливает исходную непрерывную (аналоговую) форму сигнала.
Существует мнение, что усилители класса D уступают по качеству звучания традиционным усилителям класса AB. И так оно было примерно десять-пятнадцать лет назад. Однако сегодня даже консервативные высококачественные домашние системы, находящиеся в категории High End, активно используют устройства класса D. Это объясняется тем, что современные компоненты позволяют поднимать несущие частоты (частоты импульсов) до 400 кГц и выше. Более того, D-класс стал идеальным выбором для систем, ориентированных на аудиоформаты высокого разрешения (Hi-Res Audio).
Критерии качества и проблема компетенции потребителя
Существует множество способов определения качества потребителем, но ни один из них не может гарантировать удачную покупку. Если воспроизведение звука и мощность (громкость) можно оценить по ощущениям, то надежность и стабилизация параметров могут вызвать затруднения. Иногда случается, что довольно дорогие усилители от малоизвестных производителей, обладающие хорошим звуком, начинают работать как генераторы и издают нежелательный шум самовозбуждения.
Для понимания качества усилителя необходимо хотя бы базовое знание о схемотехнике и физике усилительных процессов, а также иметь схему конкретного устройства и знать о специфике используемых в нём элементов. Это предполагает, что для объективной оценки необходимы знания, схожие с инженерными, хотя бы на уровне опытного радиолюбителя. Большинство потребителей не обладают такими навыками, что создает поле для многочисленных маркетинговых манипуляций, начиная от внешнего вида устройства и заканчивая манипуляциями с измерениями его базовых параметров.
Формальными показателями качества усилителя для потребителя служат данные из мануалов или даташитов. Однако следует помнить, что они отражают действительное положение дел только в том случае, если измерения проведены в соответствии с принятыми стандартами, включая информацию о мощностях устройства, диапазонах частот, неравномерностях АЧХ, коэффициенте нелинейных искажений и соотношении сигнал/сигнал с взвешенным шумом, а также о наличии аналоговых и цифровых интерфейсов. Реже можно встретить данные о демпфирующем факторе, переходных затуханиях между каналами и различии в усилении каналов.
Мощность
Часто данные в даташитах заведомо искажаются ради маркетинга. Чаще всего это касается описаний мощности, о чем мы упоминали ранее. Вместо RF и DIN, которые имеют четкие критерии для расчета, используются термины вроде «program power», которые, по сути, ничего не значат, поскольку метод расчета мощности известен лишь производителям усилителя. Здесь имеет смысл обратить внимание на потребляемую мощность: если она примерно равна или даже меньше заявленной program power, это признак того, что данные о мощности искажены, и методика измерения не отражает реальную ситуацию.
Для потребителя важно искать параметры RMS и избегать использования значения Program power, так как последняя категория фактически является так называемой «маркетинговой мощностью» устройства. Надежные значения включают:
DIN — мощность на реальной нагрузке (для усилителя), ограниченной возникновением нелинейных искажений, измеряемая с подачей сигнала частотой 1 кГц в течение 10 минут. Повышение мощности измеряется при достижении 1% общего гармонического искажения (THD). Этот стандарт аналогичен японскому стандарту EIAJ, принятому Ассоциацией Электронной Промышленности Японии.
DIN Music Power — значение длительной нагрузки, выдерживающей музыкальные сигналы без риска повреждения. IEC Power — это то же DIN Music Power, но с чётко фиксированной продолжительностью измерений в 100 часов.
RMS (Rated Maximum Sinusoidal) — максимальная (предельная) синусоидальная мощность, при которой усилитель или колонка может функционировать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без повреждений. Обычно она на 20-25% выше DIN. RMS аналогичен мощности AES, определенной стандартами AES2-1984.
В советской и российской документации также возможно встретить параметр «Номинальная мощность», который определяется при среднем положении регулятора громкости усилителя, при котором остальные параметры устройства соответствуют заявленным в техническом описании. Это также манипулятивный показатель, аналогично program power, так как может измеряться при самых благоприятных условиях по нелинейным искажениям и может подгоняться под действующие стандарты. Интересно, что при всей манипулятивности «Советский номинал», как правило, ниже остальных значений, например, номинальная мощность в 35 Вт приблизительно соответствует 110 Вт RMS (AES power), 90 Вт — IEC Power (DIN Music Power). Значения program power часто в два раза или более превышают RMS, т.е. 35 Вт номинала могут соответствовать 220 Вт program power.
Описание популярных классов
Давайте более детально рассмотрим различные классы усилителей.
А
Устройства класса A получили широкое распространение благодаря своей простоте конструкции. Это объясняется множеством параметров, влиящих на искажение входящего сигнала, что в конечном счёте приводит к высокому качеству звучания по сравнению с другими категориями усилительных систем. Модели этого класса выделяются высокой линейностью по сравнению с остальными.
Зачастую усилители класса A в своей работе используют один тип транзисторов. Они подключаются к базовой конфигурации эмиттера для двух половин сигнала, так что германиевый транзистор неизменно проходит через него даже в отсутствие фазового сигнала. Это приводит к такому состоянию, что на выходе каскад не переходит в область отсечек сигнала и насыщения. У аппарата есть своя точка смещения, примерно в центральной части линии нагрузки. Этот подход приводит к тому, что транзистор просто не активируется — это является одним из его основных недостатков.
Чтобы устройство могло быть классифицировано как усилитель класса A, нулевой ток на холостом ходу в выходном каскаде должен быть равен предельному току нагрузки или даже превышать его — это позволяет обеспечить максимальный выходящий сигнал.
Поскольку устройства класса A являются однотактными и функционируют в линейной зоне всех заданных кривых, одно выходное устройство проходит весь 360 градусов, в этом случае данный класс полностью соответствует источнику тока.
Поскольку усилители этой категории, как уже упоминалось, работают в ультралинейной области, смещение постоянного тока должно быть установлено корректно — это обеспечивает надлежащую работу и дает звуковой поток мощностью 24 Вт. Однако из-за того, что выходное устройство постоянно находится в диапазоне включения, оно беспрерывно проводит ток, и это создает условия для постоянной потери мощности по всей конструкции. Такое отличие ведет к значительному выделению тепла, а КПД этих устройств довольно низок — не превышает 40%, что делает их непрактичными для использования в высокомощных акустических системах. Кроме того, из-за поднятого тока холостого хода блока, блок питания нуждается в больших размерах и тщательной фильтрации, иначе невозможно избежать искажений звучания усилителя и стороннего гула. Именно эти недостатки привели производителей к необходимости продолжить работу над созданием более эффективных классов усилителей.
В
Усилители класса B были разработаны для решения проблем, которые проявились с низким КПД и высоким уровнем перегрева, существующими у устройств предыдущего класса. В этой категории используются пара дополнительных транзисторов, как правило, биполярных. Их отличие заключается в том, что для обеих половин сигнала выходной фронт создается по двухтактной схеме, так что каждое транзисторное устройство обеспечивает усиление лишь одной половины выходного сигнала.
Базовый ток смещения постоянного тока в усилителях этого класса отсутствует, поскольку ток его покоя равен нулю, что приводит к заметному снижению показателей мощностных параметров постоянного тока. Соответственно, и КПД здесь значительно выше, чем у устройств A. При этом в случае положительного входного сигнала, транзистор с положительным смещением управляет сигналом, тогда как отрицательный остается отключенным. Аналогично, когда входящий сигнал становится отрицательным, положительный транзистор отключается, а транзистор с отрицательным смещением активируется для обработки отрицательной половины сигнала. В итоге транзистор работает, проводя сигнал только во время одной половины соответствующего цикла.
Как определить класс?
Начнём с того, как функционирует усилитель в целом. Возможно, вы будете удивлены, но на самом деле заводские усилители ничего не усиливают. По сути, их работа напоминает работу простейшего крана: вы поворачиваете ручку, и вода из водопровода начинает течь сильнее или слабее, а если вы закрутите её — поток перекрывается. Аналогично, в усилителях ток передается от мощного модуля питания через динамик, а транзисторы здесь выполняют функцию крана, управляя измерением тока через устройство. Как именно функционирует этот «кран» (выходные транзисторы) определяет класс усилителя.
Когда речь идёт о устройствах класса AB, то их транзисторы могут вести себя несимметрично, открываясь и закрываясь непропорционально сигналам, приводя к неизменным параметры работы. Если представить эту ситуацию с краном — вода будет течь сначала медленно, а затем неожиданно ускорится. Эта особенность требует удерживать транзисторы в полупрозрачном состоянии даже при отсутствии сигнала. Это сделано для того, чтобы транзисторы могли реагировать мгновенно, не дожидаясь повышения сигнала. Это приводит к потере полезной энергии в процессе работы. Представьте ситуацию, когда вы открываете все водопроводные краны в квартире, из которых будет непрерывно вытекать небольшая струя воды. Как следствие, эффективность таких моделей не превышает 50-70%, и этот низкий КПД является главным недостатком усилителей класса AB.
Что касается устройств класса D, принцип их действия аналогичен: они также имеют свои выходные транзисторы, которые могут открываться и закрываться. Таким образом, регулируется поток тока к присоединенным динамикам, вот только управляет открытием сигнала, который существенно отличается от входящего.
Таким образом, сигнал поступает на выходные транзисторы устройств класса D. Процесс их работы характеризуется тем, что они могут либо полностью открываться, либо полностью закрываться, без каких-либо промежуточных состояний. Это позволяет достичь урвом КПД, близкого к 100%.
Eстественно, сначала подобные сигналы нельзя направлять на акустические системы, поскольку их необходимо преобразовать в стандартную конфигурацию. Это можно сделать с помощью выходного дросселя, а также конденсатора, после чего формируется усиленный сигнал, аналогичный входному. Именно он и передается на динамики.
Главное преимущество устройств класса D заключается в их высоком КПД и, следовательно, экономном расходе энергии.
Долгое время считалось, что оптимальным решением для подключения качественных акустических систем станут усилители класса AB. Модели класса D давали возможность преобразования поступающего сигнала в импульсный с пониженной частотой и обеспечивали хорошее звучание лишь в сабвуферном режиме. Однако технологии сделали значительные шаги вперед, и теперь существуют высокоскоростные транзисторы, которые могут открываться и закрываться почти мгновенно, предлагая на рынке множество широкополосных устройств класса D.
Виды усилителей
В мире аудиоэлектроники существует множество устройств, предназначенных для улучшения и усиления звука. Среди них выделяются различные типы усилителей, каждый из которых выполняет свою уникальную роль в обеспечении качественного звучания в аудиосистемах. В данной статье мы рассмотрим четыре основных типа усилителей: полные, интегральные, интегрированные и мощностные усилители. Каждый из них обладает своими характеристиками и предназначением, предоставляя разнообразные возможности для аудиофилов и любителей музыки. Давайте углубимся в мир усилителей и узнаем, какой из них может лучше удовлетворить ваши потребности в воспроизведении звука.
Полные усилители (Pre-amplifiers):
- Эти устройства предназначены для увеличения слабых аудиосигналов до уровней, достаточных для работы усилителя мощности.
- Чаще всего они используются в аудиосистемах для управления и подготовки входных сигналов перед их передачей на усилитель мощности.
Интегральные усилители (Integrated Amplifiers):
- Объединяют в одном корпусе предварительный усилитель (полный) и усилитель мощности.
- Предоставляют компактное решение для усиления аудиосигналов, удобно использовать в малых системах.
Интегрированные усилители (Integrated Circuits):
- Содержат усилительный блок, встроенный в одну интегральную микросхему.
- Применяются в электронике для усиления сигналов, также могут использоваться в аудиоусилителях для наушников.
Усилители мощности (Power Amplifiers):
- Специализируются на увеличении мощности аудиосигнала для подачи на динамики акустических систем.
- Используются на конечном этапе аудиосистемы, обеспечивая достаточно сил для активизации движущихся частей динамиков.
Каждый из этих типов усилителей выполняет уникальную функцию в аудиосистеме, и выбор зависит от конкретных требований и предпочтений пользователя.
Класс А
Схема оконечного каскада класса A — наибольшая простота, поскольку требуется только один усилительный элемент (электронная лампа или полупроводниковый транзистор). Через усилительный элемент постоянно течёт ток (ток покоя) вне зависимости от наличия сигнала на входе, что объясняет его низкую эффективность. Достоинство режима заключается в том, что рабочая точка усилительного элемента всегда выбирается на прямолинейном участке его вольтамперной характеристики (по возможности в середине этого участка), что гарантирует минимум так называемых нелинейных искажений (на слух проявляющихся как неприятные искажения сигнала). Этот режим идеален для входных и промежуточных каскадов усиления, предусилителей, но является нежелательным для мощных оконечных каскадов.
Тем не менее истинные аудиофилы готовы мириться с недостатками данного режима, с его низким КПД (в районе 15-35%) из-за высокого качества воспроизведения сигнала, поскольку класс A считается золотым стандартом для высококачественной аппаратуры. Примерами таких оконечных усилителей являются двухтактные усилители таких фирм, как Krell, Sugden и другие, использующие выходные транзисторы, представляющие разные полярности. При работе таких усилителей мощностью около 100 Вт на акустические системы с импедансом 8 Ом, выходной каскад требует напряжения питания не менее +/- 40 В, ток покоя составляет порядка 2.5 А, а рассеиваемая тепловая мощность превышает 200 Вт.
Какой класс усилителей звука лучше?
В зависимости от сферы использования и условий, подходящие варианты могут включать усилители всех классов. Отдельно стоит обсудить устройства для домашнего и автомобильного использования.
Для дома
При выборе усилителя для домашней акустики стоит в первую очередь обратить внимание на устройства классов AB и D с пометкой sound. Первые являются аналоговыми приборами, которые гарантируют высокое качество звучания со средними искажениями.
Устройства класса D — это цифровые модели, которые способны выполнять любые характеристики в зависимости от компонентов на схеме.
Для автомобиля
Для автомобилей наиболее распространены усилители классов A, B, AB и D. Модели класса A редко встречаются на практике из-за их высокой стоимости и низкой эффективности.
Стереоусилители класса B имеют высокий КПД, но они уступают по качеству звука. В автомобильных аудиосистемах также применяются редко.
Наибольшую популярность среди автолюбителей имеют устройства класса AB, которые обеспечивают среднее качество звука, необходимую мощность, чистый звук и высокий КПД. Они прекрасно подходят для сабвуферов мощностью от 500 до 600 Вт.
Оборудование класса D используется для обработки цифровых сигналов. Эти приборы компактны и обладают высокими показателями мощности. КПД на уровне 90-98% существенно снижает вероятность перегрева устройства, следовательно, не требуется специальное радиаторное охлаждение. Однако такие модели среди автомобилистов не так распространены из-за их высокой цены.
Как определить класс усилителя звука
При оценке усилителя важно учитывать принцип его работы и особенности функционирования на всех мощностях. Сам по себе этот механизм ничего не усиливает, действуя по принципу крана.
Электрический ток проходит от источника питания через динамик. Транзисторы в усилителе действуют как кран, регулируя поток электричества. Специальный сигнал управляет степенью открытости устройства. Специфика работы транзисторов влияет на класс оборудования.
В моделях класса AB транзисторы открываются и закрываются несимметрично по отношению к сигналам, что приводит к неизменным параметрам. По аналогии с краном, вода сначала будет течь медленно, а затем неожиданно увеличится в потоке. Эта особенность требует, чтобы транзисторы были удержаны в полуоткрытом положении даже при отсутствии сигнала, что позволяет мгновенно включать их в работу без ожидания сигнала на определённом уровне.
Усилители класса D функционируют аналогичным образом. У них также есть выходные транзисторы, которые могут открываться и закрываться. Таким образом, проходящий ток регулируется источниками звука. Управление открытием транзисторов осуществляется специальным сигналом, который может значительно отличаться от входного. Транзисторы могут быть только полностью открытыми или закрытыми, промежуточные состояния отсутствуют. Это предоставляет возможность достигнуть высокого КПД.
Выходной дроссель и конденсатор могут использоваться для возврата полученного сигнала к нужной конфигурации. После их обработки формируется усиленный выходной сигнал, аналогичный входному.
Устройства класса D легко распознаваемы благодаря высокому КПД и экономичному расходу энергии. Они идеально подходят для создания акустических систем. Небольшие размеры позволяют использовать их в условиях ограниченного пространства, сохраняя при этом качественное звучание.
Если площади достаточно, оптимальным вариантом будет усилитель класса AB, обеспечивающий хорошие показатели КПД за счёт быстродействующих транзисторов.
Для сабвуферов значительное преимущество предоставляют устройства класса D, так как они требуют значительных энергетических затрат, и, следовательно, их высокий КПД становится критически важным.
На рынке представлено множество усилителей. Вы можете легко найти необходимое оборудование как в Москве, так и в других городах. Главное — учитывать класс устройства и правильно подбирать характеристики для конкретной акустической системы.
