Классы усилителей мощности общие теоретические сведения

Обычно, высококачественные усилители мощности (Hi-Fi) усиливают сигнал аудио систем в выходных каскадах для управления нагрузкой динамика. Последний, как правило, имеет сопротивление 4 или 8 ом, поэтому, УНЧ должен уметь работать с высокими пиковыми токами, требуемыми для управления низким импедансом акустических систем.

Для различия электрических параметров УНЧ их классифицируют в соответствии с их схемотехникой и способами работы. Классы усилителей — это термин в электронике и звукотехнике, используется для дифференциации между типами различных усилителей.

Классы усилителей представляют собой сумму выходного сигнала, который изменяется в зависимости от схемы усилителя в течение одного цикла работы при возбуждении синусоидальным сигналом следующим на вход УНЧ.

Классы усилителей лежат в основном в двух группах. Первые в классическом исполнении усилители мощности, образуют более общие классы усилителей A, B, AB и C. В основном строятся на транзисторной, ламповой и гибридной схемотехнике.

Второй основной класс усилителей это новые УНЧ класса D, E, F, G, S, T и т.д., схемотехника которых базируется на цифровых схемах и широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Усилитель мощности класса А

Наиболее широко распространенный тип УНЧ в основном благодаря своей схемотехнической простоте. Класс А, в принципе «лучший класс» усилителя, т.к именно в них наиболее низкий уровень искажений сигнала и наилучшее звучания. Кроме того усилитель класса А имеет максимальную линейность и поэтому работает в линейном участке кривой характеристик.

Основным минусом УНЧ класса А является их низкий КПД: обычно не выше 10 %. Т.е предположим что если у нас есть УНЧ с выходной мощностью 50 Вт, то он будет непрерывно потреблять от питающей сети 500 Вт. Т.к не вся мощность, преобразуется в звуковые колебания, большая ее масса выделяется на элементах усилителя (лампы, транзисторы, сопротивления, конденсаторы и т. д.) в виде тепловых потерь.

По этой причине усилители класса А обычно разрабатывают с мощностью не выше 10 Вт на канал. Выходной каскад, работающий в классе А, содержит только один активный элемент. Поэтому такой выходной каскад обычно называют однотактным. В отдельных случаях, когда требуется большая выходной мощности в однотактных УНЧ используют 2 или 3 одинаковых активных компонента, соединенных параллельно.

В УНЧ с выходным каскадом, работающим в классе А, через выходной транзистор постоянно идет максимальный ток. При поступление на вход полезного сигнала на вход этого каскада (база или затвор транзистора, сетка лампы) электрические характеристики активного радиокомпонента изменяются. Это вызывает перераспределению тока, потребляемого от блока питания, между выходным каскадом и подключенным к нему акустической системы.

Усилители класса B

УНЧ класса B были созданы решения эффективности и проблем с нагревом у выше описанного типа. Усилитель мощности класса В использует два биполярных либо полевых транзистора для каждой половины сигнал, один из активных элементов усиливает только положительную, а второй — только отрицательную полуволну входного сигнала.

В таком усилительном каскаде при отсутствии полезного сигнала ток через выходные активные элементы совсем не протекает. Двухтактный каскад проще всего собрать с помощью комплементарных транзисторов с разным типом проводимости (электронного и дырочного типа). В ламповых вариантах все намного сложнее, т.к комплементарных пар ламп еще не придумали. Поэтому реализация двухтактного каскада в ламповом исполнении требует использования специальных выходных трансформаторов. Усилитель мощности с двухтактным выходным каскадом называют усилителем «класса В».

УНЧ класса B более эффективный, чем А, но при этом может создать искажения в точке пересечения нулевого уровня. Т.е часть сигнала, которая попадает в уровень до 0,7 вольт не воспроизводится не совсем точно, что делает подобные УНЧ непригодными для высокой точности звука.

Чтобы частично преодолеть это искажение при пересечении нуля (искажения) были разработаны УНЧ следующего вида:

Усилители класса АВ

К этому виду относится основная масса всех промышленных транзисторных и ламповых УНЧ мощностью более 20 Вт. КПД усилителя класса АВ (как и В) будет около 50 %. То есть, в момент появления сигнала УНЧ, отдающий в нагрузку 50 Вт мощности, потребляет 100 Вт от источника питания. При отсутствии или малых уровнях сигнала потребляемая мощность схемы УНЧ задается током покоя выходных компонентов и составляет 1 - 10 % от максимальной полезной мощности. Поэтому, двухтактные усилители (В и АВ) оказываются существенно экономичнее УНЧ типа А.

В подобных схемах два транзистора имеют некоторое небольшое напряжение смещения, обычно, от 5 до 10% от тока покоя для смещения этих активных компонентов чуть выше точки нулевого уровня.

Огромным плюсом этого небольшого напряжения смещения, созданного диодами или резисторами, заключается в том, что искажение кроссовера УНЧ в классе В будет преодолено. Т.е усилитель мощности класса АВ хороший промежуточный вариант между классом А и B с точки зрения линейности и эффективности.

Усилитель класса C

Работа усилителя класса C задается выбором рабочей точки на характеристике прямой передачи таким образом, чтобы транзистор был закрыт, и для его открытия сигнал на входе должен превысить заданный уровень. В результате на выходе транзисторов протекает ток ограниченной снизу синусоиды с углом отсечки ниже 90°.

Как видно из графика выше, в данном случае усиливается только небольшая часть периода синусоиды, что приводит к сильным нелинейным искажениям и поэтому такой режим работы активного компонента подходит для усиления не всех видов сигнала. В роли УНЧ такую схему использовать нельзя.

Хотя их и нельзя использовать в роли усилителей мощности звуковой частоты, они очень эффективны для сигналов, в которых информация заложена в изменение фазы несущего колебания. Т.е при частотной модуляции или фазовой модуляции

Усилители звуковой частоты класса D,G,H,T

Существуют и другие классы УНЧ, используемые для усиления звука с максимальным КПД. Они обозначаются буквами латинского алфавита D, G, Н, Т. В высококачественной звуковой технике такие типы УНЧ не применяют.

Так УНЧ класса Н в интегральном исполнении часто используются в схемах автомобильных сабвуферов. УНЧ класса D при усилении используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), т.е преобразование входного сигнала в определенную последовательность коротких импульсов разной длительности и обратное их восстановление на выходе схемы.

Не так давно появились ШИМ-усилители класса Т выполненные в виде мощных микросхем с КПД около 90 %. Однако их звучание нормальным назвать нельзя, а при прослушивании формируется ощущение, что кроме музыки где-то неподалеку работает распылительный аэрозольный баллончик.

Данная схема класса D состоит из входного усилителя, обеспечивающего нужное сопротивление на входе, компаратора напряжения, на второй вход которого следует пилообразное напряжение и выходного каскада на комплементарных полевых транзисторах. Именно они и задают необходимую выходную мощность.

Микросхемы подобного класса обычно используются в недорагой портативной аппаратуре.

Усилители мощности разных классов на микросхемах

Подборка радиолюбительских конструкций и схем на различных микросборках УНЧ.