Wyjaśnienie wzmacniaczy klasowych: jak wybrać klasę AB, D lub H do projektu głośnika

Na Twoim biurku lądują dwie oferty dotyczące tej samej płyty subwoofera zasilanego o mocy 2 x 500 W. Pierwszy jest zbudowany wokół stopnia klasy AB z radiatorem wielkości mniej więcej książki w miękkiej oprawie. Drugi wykorzystuje stopień klasy D na płycie niewiele większej od telefonu. Obaj szczerze mówią o mocy znamionowej. Tylko jeden z nich będzie pasował do obudowy, którą już obrobiłeś i tylko jeden przejdzie test termiczny w zamkniętej drewnianej obudowie w temperaturze otoczenia 40°C.

Taka jest prawdziwa decyzja stojąca za określeniem „wzmacniacze klasowe”. Klasa wzmacniacza opisuje, w jaki sposób jego urządzenia wyjściowe przewodzą prąd w jednym cyklu sygnału. Ten pojedynczy wybór określa, ile ciepła należy usunąć, jaki rodzaj zasilacza należy kupić, ile filtrowania i ekranowania potrzebuje płyta oraz ile aluminium trafia do obudowy. Sam w sobie nie decyduje o tym, czy produkt brzmi dobrze.

Co właściwie opisuje etykieta klasy

Nazwa klasy pochodzi od jednej właściwości fizycznej: tego, jak długo urządzenia wyjściowe pozostają przewodzące podczas pojedynczego cyklu sygnału audio. Klasa A zapewnia im prowadzenie przez cały czas. Klasa B dzieli cykl pomiędzy dwa urządzenia, każde obsługujące połowę. Klasa AB utrzymuje oba urządzenia lekko otwarte przy przejściu przez zero, dzięki czemu przełączanie jest płynne. Klasa D całkowicie porzuca koncepcję liniowości i przełącza urządzenia wyjściowe z częstotliwością kilkuset kiloherców, kodując dźwięk jako szerokość impulsu. Klasa H utrzymuje liniowy stopień audio, ale powoduje, że szyna zasilająca przesuwa się w górę i w dół, aby podążać za obwiednią sygnału.

Wszystko inne z tego wynika. Etap, który cały czas przewodzi, marnuje dużą część swojego zasilania w postaci ciepła. Stopień, który przełącza, nie traci prawie nic na urządzeniach, a jedynie przesuwa problem projektowy na filtr wyjściowy, napęd bramki i budżet zakłóceń elektromagnetycznych. Stopień, który przesuwa swoje szyny, zmniejsza napięcie na urządzeniach wyjściowych, czyli dokładnie tam, skąd pochodzi ciepło we wzmacniaczu liniowym.

To, czego etykieta nie mówi, to jakość wykonania. Źle rozplanowany moduł klasy D i starannie zaprojektowany moduł mają tę samą nazwę i mogą różnić się temperaturą radiatora o 15°C przy tym samym poziomie wyjściowym.

Wydajność, ciepło i zniekształcenia obok siebie

Opublikowane odniesienia do projektów podają szerokie pasma wydajności, ponieważ rzeczywista liczba zależy od poziomu wyjściowego, impedancji obciążenia i projektu zasilania. Poniższe liczby przedstawiają zakresy, z których inżynierowie zwykle korzystają przy porównywaniu topologii przy pełnej mocy znamionowej lub w jej pobliżu.

Klasa AB: liniowość, za którą płacisz ciepłem

Klasa AB istnieje, aby usunąć nacięcie zwrotnicy klasy B bez płacenia pełnego kosztu klasy A. Mały prąd polaryzacji sprawia, że oba urządzenia wyjściowe przewodzą wokół przejścia przez zero, więc przełączanie między nimi pozostaje płynne. Typowy prąd spoczynkowy w module pro-audio wynosi dziesiątki miliamperów na parę urządzeń, co jest wystarczające, aby wycięcie było poza słyszalnym zakresem, ale na tyle małe, że wzmacniacz nie gotuje się na biegu jałowym.

Handel polega na tym, że ciepło jest ciągłe. Moduł klasy AB o mocy 400 W pobiera znaczący prąd nawet przy braku sygnału, a radiator należy dobrać pod kątem najgorszego przypadku: różowego szumu przy jednej ósmej mocy przez godzinę w szafie o słabym przepływie powietrza. Dlatego moduły analogowe mają zwykle duże wytłaczane radiatory, aluminiowe wsporniki w kształcie litery U, a czasem także wentylator. Kupujący, którzy porównują tylko moc podaną na etykiecie, często tego nie dostrzegają, a następnie odkrywają, że te same 400 W w module klasy D wymagają ułamka metalu.

Zalety są dobrze znane: brak pozostałości przełączania, brak filtra wyjściowego wchodzącego w interakcję z obciążeniem, proste zasilanie oparte na transformatorze i zachowanie, które technicy terenowi już wiedzą, jak serwisować.

Klasa D: wydajność zależy od źródła zasilania, z którym zostanie sparowany

Moduły klasy D przełączają się z częstotliwością kilkuset kiloherców i rekonstruują dźwięk poprzez filtr wyjściowy LC. Urządzenia spędzają większość czasu albo w pełni włączone, albo całkowicie wyłączone, więc straty przewodzenia są niewielkie, a wydajność jest realna. Nagłówek kryje w sobie to, że przewaga dotyczy tylko mocy znamionowej. Na poziomach odsłuchu w tle dominują straty w przełączaniu i napędzie bramki, a wydajność gwałtownie spada, co ma większe znaczenie w przypadku produktów zasilanych bateryjnie niż w przypadku produktów zasilanych z sieci.

Reszta projektu ma taką samą wagę. Zbyt krótki czas martwy powoduje przebicie; zbyt długi i zniekształcenia rosną przy niskim poziomie wyjściowym. Filtr wyjściowy musi pozostać stabilny przy rzeczywistym obciążeniu, a nie fikcyjny rezystor na stole warsztatowym. Zasilanie musi nadążać: stopień klasy D w połączeniu z miękką, nieregulowaną szyną będzie zapadać się w przypadku transjentów basu i niweczyć korzyści. Dlatego też rezonansowe zasilacze LLC i fronty z korekcją współczynnika mocy stały się standardem w poważnych modułach.

EON522SUB Moduł aktywnego wzmacniacza mocy subwoofera Łączy zasilacz rezonansowy LLC o mocy 800 W ze stopniem basowym klasy D o mocy 500 W, eliminując ugięcia szyn i szumy przełączania w subwooferach zasilanych. Zobacz produkt →

Jako przykład wzorca można podać moduł taki jak EON522D-2092, który łączy stopień dolnoprzepustowy o mocy 500 W i górnoprzepustowy o mocy 200 W z zasilaczem rezonansowym LLC, co stanowi kombinację, która pozwala kontrolować ugięcia szyn i szumy przełączania w obudowie 2.1.

Klasa H: przełączanie szyn dla górnej części zakresu mocy

Klasa H utrzymuje liniowy stopień wyjściowy, ale zapewnia więcej niż jedną szynę zasilającą. Kiedy obwiednia sygnału przekracza próg, wzmacniacz przełącza się na wyższą szynę; kiedy się cofa, szyna opada ponownie. Dlatego urządzenia wyjściowe widzą tylko kilka woltów na szynie zamiast na całej szynie, a ciepło, które trafiłoby do radiatora, po prostu nigdy nie jest generowane. W praktyce moduł klasy H zapewnia moc znacznie większej konstrukcji klasy AB przy tej samej głębokości obudowy.

Ta wydajność nie jest darmowa. Obwód przełączania szyn dodaje części i kosztuje, przejście może powodować artefakty, jeśli progi komparatora zostaną źle dobrane, a transformator wymaga wielu odczepów. Sprawia to również, że dokumentacja serwisowa staje się ważniejsza, ponieważ technik traktujący moduł jak zwykłą płytkę AB błędnie zdiagnozuje usterkę szyny jako awarię urządzenia wyjściowego.

AMP400H 7294 Moduł wzmacniacza mocy klasy H Łączy stopień nisko/średniotonowy klasy H o mocy 400 W ze stopniem wysokiej częstotliwości klasy AB o mocy 100 W i aluminiowym radiatorem w kształcie litery U, zapewniającym stabilną moc wyjściową. Zobacz produkt →

Moduły w tej kategorii, takie jak AMP400H-7294 z aluminiowym radiatorem w kształcie litery U, są zazwyczaj przeznaczone do pracy z subwooferem i układem liniowym, gdzie oczekiwana jest ciągła wysoka moc wyjściowa przez wiele godzin, a nie minut.

Co zmienia się wybór klasy w dalszej części stosu modułów

Stopień mocy to jedna płytka w łańcuchu, a decyzja dotycząca klasy wpływa na resztę. Stopień klasy D z szybkim limiterem wymaga modułu przedwzmacniacza, który może dostarczyć mu czysty, dobrze skalowany sygnał; Stopień klasy AB z zapasem wzmocnienia 20 dB będzie zachowywał się inaczej w przypadku tego samego źródła. Struktura wzmocnienia, zachowanie klipsa, progi ochrony, a nawet wybór stożka głośności – wszystko to zmienia się wraz z topologią.

DSP1903 ADAU1701 Moduł DSP dla systemów 2.1 Moduł DSP oparty na ADAU1701 z czterema wstępnie ustawionymi trybami EQ, Bluetooth i wejściami/wyjściami XLR, dostosowany do działania ogranicznika w systemach liniowych 2.1. Zobacz produkt →

W praktyce na tym zarabiają dostawcy modułowi. Moduł DSP, taki jak DSP1903, zbudowany na bazie ADAU1701 i obsługujący cztery wstępnie ustawione tryby EQ dla systemu liniowego 2.1, musi być dopasowany do działania ogranicznika dowolnego stopnia mocy znajdującego się poniżej. Jeśli oba zostaną określone niezależnie, system albo przycina wcześniej, albo chroni późno. Nasz omówienie kompromisów projektowych A, AB, D i H szczegółowo omawia sposób ustalania tych progów.

Dopasowanie klasy do produktu, który budujesz

Większość projektów głośników aktywnych można podzielić na kilka schematów, a każdy z nich szybko zawęża wybór klasy:

• Układy liniowe i systemy kolumnowe. Decyduje waga i gęstość stojaka. Klasa D z zasilaniem rezonansowym jest domyślna, a klasa H jest zarezerwowana dla modułów, które muszą pracować z bardzo dużą mocą przez długi czas.
• Subwoofery. Wysoka moc ciągła przy obciążeniu o niskiej impedancji. Klasa D z solidnym zasilaniem radzi sobie z tym najlepiej; Częścią ograniczającą jest zwykle zasilanie, a nie wzmacniacz.
• Głośniki przenośne i zasilane bateryjnie. Sprawność przy częściowym obciążeniu ma większe znaczenie niż wartość szczytowa. Klasa D jest jedyną realistyczną opcją, a straty na biegu jałowym zasługują na tyle samo uwagi, co moc maksymalna.
• Miksery zasilane i niedrogie skrzynki analogowe. Klasa AB z transformatorem liniowym zapewnia proste zestawienie materiałów i znajomą historię obsługi, kosztem większego radiatora.
• Subwoofery turystyczne o dużej mocy. Konstrukcja klasy H lub konstrukcja klasy D z wysokimi szynami, w zależności od tego, czy zespół projektowy preferuje zachowanie liniowe, czy minimalną wagę.

Co sprawdzić u dostawcy modułu przed zatwierdzeniem

Moc w arkuszu danych jest najmniej użyteczną liczbą w rozmowie. Oto punkty, które odróżniają projekt, który przetrwa użytkowanie w terenie, od takiego, który powróci:

1. Wydajność i temperatura obudowy przy jednej ósmej mocy, a nie tylko przy pełnej mocy znamionowej, mierzone w nieruchomym powietrzu w zamierzonym otoczeniu.
2. Zniekształcenia przy 1 W i 10 W, gdzie rzeczywiście występują artefakty zwrotnicy i przełączania.
3. Zachowanie zabezpieczające: co dzieje się w przypadku zwarcia wyjścia, niedopasowanego obciążenia lub zaniku zasilania i czy moduł sam się regeneruje.
4. Wymagania dotyczące zasilania, w tym to, czy dla rynków, na które wysyłasz produkty, wymagana jest korekta współczynnika mocy.
5. EMI i szumy biegu jałowego, szczególnie w przypadku modułów klasy D zasilających wysokowydajne sterowniki kompresji.
6. Spójność pomiędzy prototypem a produkcją masową, która jest kwestią zarówno produkcyjną, jak i inżynieryjną.

W przypadku kupujących, którzy potrzebują niestandardowej konfiguracji, rozsądną sekwencją jest najpierw ustalenie klasy i topologii zasilania, a następnie przejście modułu przez rozwój niestandardowy dla struktury wzmocnienia, złączy i zaprogramowanego zachowania. Zmiana klasy po zamrożeniu obudowy i zasilacza jest kosztowna.

Często zadawane pytania dotyczące wzmacniaczy klasowych