Klasy wzmacniaczy mocy

W elektronice Wzmacniacz jest najczęściej używanym układem o ogromnych możliwościach zastosowania. W elektronice związanej z audio, przedwzmacniacz i wzmacniacze mocy to dwa różne typy systemów wzmacniających, które są używane do celów związanych ze wzmocnieniem dźwięku. Ale poza tym przeznaczeniem do konkretnej aplikacji istnieją ogromne różnice w różnych typach wzmacniaczy, głównie we wzmacniaczach mocy. Więc tutaj zbadamy różne klasy wzmacniaczy wraz z ich zaletami i wadami.

Klasyfikacje wzmacniaczy za pomocą liter

Klasy wzmacniaczy to tożsamość wydajności i charakterystyk wzmacniacza. Różne typy wzmacniaczy mocy dają różne odpowiedzi podczas przepuszczania przez nie prądu. Zgodnie ze specyfikacją wzmacniaczom przypisuje się różne litery lub alfabety, które reprezentują ich klasy. Istnieją różne klasy wzmacniaczy, zaczynając od A, B, C, AB, D, E, F, T itd. Spośród tych klas najczęściej używanymi klasami wzmacniaczy audio są A, B, AB, C. Inne klasy to nowoczesne wzmacniacze, które wykorzystują topologie przełączania i technikę PWM (modulacji szerokości impulsu) do sterowania obciążeniem wyjściowym. Czasami ulepszonej wersji klas tradycyjnych przypisuje się literę, aby zaklasyfikować je jako inną klasę wzmacniaczy, tak jak wzmacniacz klasy G to zmodyfikowana klasa wzmacniacza klasy B lub klasy AB.

Klasy wzmacniacza reprezentują proporcje cyklu wejściowego, gdy prąd przepływa przez wzmacniacz. Cykl wejściowy to kąt przewodzenia pochodzący z sinusoidalnego przewodzenia fali na wejściu wzmacniacza. Ten kąt przewodzenia jest wysoce proporcjonalny do czasu działania wzmacniaczy podczas pełnego cyklu. Jeśli wzmacniacz jest zawsze włączony podczas cyklu, kąt przewodzenia będzie wynosił 360 stopni. Tak więc, jeśli wzmacniacz zapewnia 360-stopniowy kąt przewodzenia, wówczas wzmacniacz używał pełnego sygnału wejściowego, a element aktywny był prowadzony przez 100% okres pełnego cyklu sinusoidalnego.

Poniżej pokażemy tradycyjne klasy wzmacniaczy mocy, począwszy od klasy A, B, AB i C, a także pokażemy wzmacniacz klasy D, który jest szeroko stosowany w projektach przełączania. Klasy te są używane nie tylko we wzmacniaczach mocy, ale także w obwodach wzmacniaczy audio.

Wzmacniacz klasy A.

Wzmacniacz klasy A to wzmacniacz o dużym wzmocnieniu i dużej liniowości. W przypadku wzmacniacza klasy A kąt przewodzenia wynosi 360 stopni. Jak powiedzieliśmy powyżej, 360-stopniowy kąt przewodzenia oznacza, że wzmacniacz pozostaje aktywny przez cały czas i wykorzystuje pełny sygnał wejściowy. Na poniższym obrazku pokazano idealny wzmacniacz klasy A.

Jak widać na obrazku, jest jeden element aktywny, tranzystor. Obciążenie tranzystora pozostaje włączone przez cały czas. Dzięki tej funkcji nigdy nie wyłączaj wzmacniacz klasy A zapewnia lepszą stabilność wysokich częstotliwości i pętli sprzężenia zwrotnego. Poza tymi zaletami, wzmacniacz klasy A jest łatwy w budowie dzięki jednemu elementowi i minimalnej liczbie części.

Pomimo zalet i dużej liniowości ma z pewnością wiele ograniczeń. Ze względu na ciągły charakter przewodzenia, wzmacniacz w klasie A wprowadza duże straty mocy. Ponadto, dzięki wysokiej liniowości, wzmacniacz klasy A zapewnia zniekształcenia i szumy. Zasilacz i konstrukcja odchylenia wymagają starannego doboru komponentów, aby uniknąć niepożądanych szumów i zminimalizować zniekształcenia.

Ze względu na duże straty mocy we wzmacniaczu klasy A emituje ciepło i wymaga większej przestrzeni na radiator. Wydajność jest bardzo słaba we wzmacniaczach klasy A, teoretycznie wydajność waha się od 25 do 30%, jeśli są używane w zwykłej konfiguracji. Sprawność można poprawić stosując konfigurację sprzężoną indukcyjnie, ale w takim przypadku sprawność nie przekracza 45-50%, więc nadaje się tylko do celów wzmocnienia niskiego poziomu sygnału lub niskiego poziomu mocy.

Wzmacniacz klasy B.

Wzmacniacz klasy B nieco różni się od klasy A. Jest tworzony przy użyciu dwóch aktywnych urządzeń, które wykonują połowę rzeczywistego cyklu, czyli 180 stopni cyklu. Dwa urządzenia zapewniają połączony napęd prądowy dla obciążenia.

Na powyższym obrazku została pokazana konfiguracja wzmacniacza w idealnej klasie B. Składa się z dwóch aktywnych urządzeń, które ulegają polaryzacji jedno po drugim podczas dodatniego i ujemnego półcyklu fali sinusoidalnej, a tym samym sygnał jest wypychany lub ciągnięty do wzmocnionego poziomu zarówno ze strony dodatniej, jak i ujemnej i łącząc wynik otrzymujemy pełny cykl na wyjściu. Każde urządzenie włączyło się lub uaktywniło w połowie cyklu, dzięki czemu poprawia się sprawność, w porównaniu do 25-30% sprawności wzmacniacza klasy A, co teoretycznie zapewnia ponad 60% sprawności. Na poniższym obrazku możemy zobaczyć wykres sygnału wejściowego i wyjściowego każdego urządzenia. Wydajność wynosi nie więcej niż 78% w odniesieniu do klasy B wzmacniacza . W tej klasie rozpraszanie ciepła jest zminimalizowane, zapewniając małą przestrzeń na radiator.

Ale ta klasa ma również ograniczenia. Bardzo głębokim ograniczeniem tej klasy jest zniekształcenie zwrotnicy. Ponieważ dwa urządzenia zapewniają każdą połowę fal sinusoidalnych, które są łączone i łączone na wyjściu, występuje niedopasowanie (skrzyżowanie) w obszarze, w którym łączone są dwie połówki. Dzieje się tak, ponieważ gdy jedno urządzenie kończy pół cyklu, drugie musi zapewniać tę samą moc prawie w tym samym czasie, gdy drugie kończy pracę. Naprawienie tego błędu we wzmacniaczu klasy A jest trudne, ponieważ podczas aktywnego urządzenia drugie urządzenie pozostaje całkowicie nieaktywne. Błąd powoduje zniekształcenie sygnału wyjściowego. Ze względu na to ograniczenie jest to poważna awaria w zastosowaniu precyzyjnego wzmacniacza audio.

Wzmacniacz klasy AB

Alternatywny sposób przezwyciężenia zwrotnicy zniekształcenia jest użycie wzmacniacza AB. Wzmacniacz klasy AB wykorzystuje pośredni kąt przewodzenia obu klas A i B, dlatego możemy zobaczyć właściwość zarówno wzmacniacza klasy A, jak i klasy B w topologii wzmacniacza tej klasy AB. Podobnie jak klasa B, ma tę samą konfigurację z dwoma aktywnymi urządzeniami, które przewodzą przez połowę cykli indywidualnie, ale każde urządzenie jest obciążone inaczej, więc nie wyłączają się całkowicie w momencie bezużyteczności (moment zwrotnicy). Każde urządzenie nie opuszcza przewodzenia natychmiast po zakończeniu połowy przebiegu sinusoidalnego, zamiast tego przeprowadza niewielką ilość sygnału wejściowego w kolejnym półcyklu. Dzięki tej technice odchylenia niedopasowanie zwrotnicy w martwej strefie jest radykalnie zmniejszone.

Ale w tej konfiguracji wydajność jest zmniejszona, ponieważ zagrożona jest liniowość urządzeń. Sprawność pozostaje większa niż wydajność typowego wzmacniacza klasy A, ale jest mniejsza niż systemu wzmacniacza klasy B. Ponadto diody muszą być starannie dobrane z dokładnie taką samą wartością znamionową i należy je umieścić jak najbliżej urządzenia wyjściowego. W niektórych konstrukcjach obwodów projektanci mają tendencję do dodawania rezystorów o małej wartości, aby zapewnić stabilny prąd spoczynkowy na urządzeniu, aby zminimalizować zniekształcenia na wyjściu.

Wzmacniacz klasy C.

Oprócz wzmacniacza klasy A, B i AB istnieje jeszcze jeden wzmacniacz klasy C. To tradycyjny wzmacniacz, który działa inaczej niż pozostałe klasy wzmacniaczy. Wzmacniacz klasy C to wzmacniacz dostrojony, który działa w dwóch różnych trybach pracy, dostrojony lub niestrojony. Sprawność wzmacniacza klasy C jest znacznie większa niż wzmacniaczy A, B i AB. Maksymalną sprawność 80% można osiągnąć w operacjach związanych z częstotliwością radiową

Wzmacniacz klasy C wykorzystuje kąt przewodzenia mniejszy niż 180 stopni. W trybie niestrojonym sekcja tunera jest pomijana w konfiguracji wzmacniacza. W tej operacji wzmacniacz klasy C daje również ogromne zniekształcenia na wyjściu.

Kiedy obwód jest wystawiony na dostrojone obciążenie, obwód ogranicza poziom polaryzacji wyjścia ze średnim napięciem wyjściowym równym napięciu zasilania. Dostrojona operacja nazywa się clamper. Podczas tej operacji sygnał nabiera odpowiedniego kształtu, a częstotliwość środkowa jest mniej zniekształcona.

W typowych zastosowaniach wzmacniacz klasy C zapewnia 60-70% sprawność.

Wzmacniacz klasy D.

Wzmacniacz klasy D to wzmacniacz przełączający, który wykorzystuje modulację szerokości impulsu lub PWM. Kąt przewodzenia nie ma znaczenia w takim przypadku, gdy bezpośredni sygnał wejściowy zmienia się ze zmienną szerokością impulsu.

W tym systemie wzmacniacza klasy D liniowe wzmocnienie nie jest akceptowane, ponieważ działają one tak samo jak typowy przełącznik, który ma tylko dwie operacje, ON lub OFF.

Przed przetworzeniem sygnału wejściowego, sygnał analogowy jest konwertowany na strumień impulsów różnymi technikami modulacji, a następnie podawany do układu wzmacniacza. Ponieważ czas trwania impulsów jest powiązany z sygnałem analogowym, jest on ponownie odtwarzany za pomocą filtra dolnoprzepustowego na wyjściu.

Wzmacniacz klasy D to klasa wzmacniaczy o najwyższej sprawności energetycznej w segmencie A, B, AB oraz C i D. Ma mniejsze rozpraszanie ciepła, więc potrzebny jest mały radiator. Obwód wymaga różnych elementów przełączających, takich jak tranzystory MOSFET, które mają niską rezystancję.

Jest to powszechnie stosowana topologia w cyfrowych odtwarzaczach audio lub w sterowaniu silnikami. Należy jednak pamiętać, że to nie jest przetwornik cyfrowy. Chociaż dla wyższych częstotliwości wzmacniacz klasy D nie jest idealnym wyborem, ponieważ w kilku przypadkach ma ograniczenia szerokości pasma w zależności od możliwości filtra dolnoprzepustowego i modułu konwertera.

Inne klasy wzmacniaczy

Poza tradycyjnymi wzmacniaczami istnieje kilka innych klas, którymi są klasa E, klasa F, klasa G i H.

Wzmacniacz klasy E to wysokowydajny wzmacniacz mocy, który wykorzystuje przełączane topologie i pracuje na częstotliwościach radiowych. Jednobiegunowy element przełączający i dostrojona sieć bierna są głównym komponentem używanym ze wzmacniaczem klasy E.

Klasa F to wzmacniacz o wysokiej impedancji w odniesieniu do harmonicznych. Może być sterowany za pomocą fali prostokątnej lub sinusoidalnej. W przypadku wejścia sinusoidalnego wzmacniacz ten można dostroić za pomocą cewki indukcyjnej i można go użyć do zwiększenia wzmocnienia.

Klasa G wykorzystuje przełączanie szyn, aby zmniejszyć zużycie energii i poprawić wydajność. A klasa H to ulepszona wersja klasy G.

Dodatkowe klasy to wzmacniacze specjalnego przeznaczenia. W niektórych przypadkach litery są dostarczane przez producenta w celu oznaczenia ich zastrzeżonego projektu. Najlepszym przykładem jest wzmacniacz klasy T, który jest znakiem towarowym specjalnego typu wzmacniacza przełączającego klasy D, używanego w technologiach wzmacniaczy Tripatha, który jest opatentowany.