wzmacniacze mocy

Każdy wzmacniacz mocy składa się ze stopnia wejściowego, stopnia wzmocnienia napięciowego, stopnia sterowania, stopnia wykonawczego i zasilacza. Wzajemena konfiguracja trzech ostatnich bloków wyznacza klasę pracy wzmacniacza i ma bardzo duży wpływ na wiele czynników - począwszy od brzmienia, na poborze mocy skończywszy. Informacja o klasie pracy wzmacniacza jest jedną z najważniejszych informacji, którą należy brać pod uwagę - na równi z mocą wyjściową i dopuszczalnymi parametrami obciążenia.

Taka konfiguracja stopni mocy jest znana od pierwszych lat istnienia elektroniki. Paradoksalnie - właśnie ta najprostsza i najmniej efektywna klasa pracy pozwala na uzyskanie najlepszej jakości dźwięku, choć jest to okupione bardzo dużym poborem prądu i - co zawsze się z tym wiąże - dużą masą urządzenia. Wzmacniacze pracujące w klasie A znajdują zastosowanie głównie w studiach jako wzmacniacze odsłuchowe, choć jest kilka wyjątków. Jednym z nich jest niemiecka firma Glockenlang, znana z produkcji najwyższej jakości sprzętu nagłośnieniowego dla basistów. Ma ona w swej ofercie między innymi wzmacniacze pracujące w czystej klasie A, często wykorzystywane jako wzorcowe przez wielu najważniejszych producentów gitar basowych.

W przypadku klasy A elementy wykonawcze (tranzystory lub lampy mocy) zawsze pobierają prąd, nawet wtedy, gdy nie są wysterowane żadnym sygnałem. Wartość tego prądu jest dobierana w ten sposób, by elementy te pracowały w liniowym odcinku swej charakterystyki. Dzięki temu znacząco spada poziom zniekształceń nieliniowych. Inną zaletą tych wzmacniaczy jest stabilizacja cieplna - układy wykonawcze są cały czas podgrzewane prądem przez nie płynącym i zachowują mniej więcej stałą temperaturę roboczą, co ma duży wpływ na liniowość przetwarzania sygnału. Układy w klasie A są stosunkowo proste do zbudowania, składają się z niewielkiej liczby elementów i przy prawidłowym doborze podzespołów wykazują się dużą niezawodnością. Wadą tej konstrukcji jest niska sprawność nie przekraczająca na ogół 20%. Ich moc wyjściowa też jest niewielka (do 300 watów). Wzmacniacze w klasie A najwięcej mocy zużywają na grzanie się, co zwiększa wymagania w odniesieniu do jakości zastosowanych podzespołów. Pomimo faktu, że wzmacniacze mocy pracujące w tej klasie oferują zdecydowanie najlepsze brzmienie, ich wysoka cena, duża waga i bardzo niska sprawność energetyczna sprawiają, że pozostają one urządzeniami ekskluzywnymi, z niewielkimi perspektywami na ich bardziej powszechne wykorzystanie w typowych systemach nagłośnieniowych.

Wzmacniacze pracujące w tej klasie B pozwalają na uzyskanie większej mocy wyjściowej, mają mniejszą zawartość parzystych harmonicznych (zjawisko mniej korzystne z muzycznego punktu widzenia - brzmienie tych odtwarzaczy odbieramy jako bardziej metaliczne i surowe) i charakteryzują się małym poborem prądu w stanie spoczynku (bez sygnału wejściowego). Podstawową wadą tego rozwiązania jest stosunkowo duży poziom zniekształceń nieliniowych i konieczność stosowania dość głębokiego ujemnego sprzężenia zwrotnego, najczęściej przez dwa stopnie. To powoduje występowanie znaczących przesunięć fazowych na krańcach pasma. Czysta klasa B to konstrukcja ekonomiczna, ale z uwagi na wysoki poziom zniekształceń bardzo rzadko stosowana w praktyce.

Konstrukcja w klasie AB jest naturalnym rozwinięciem klasy B i podobnie jak ona zbudowana jest w oparciu o układ przeciwsobny. Każda połówka sygnału przetwarzana jest przez oddzielną gałąź stopnia wyjściowego, co w sumie daje pełne odwzorowanie sygnału przemiennego na wyjściu wzmacniacza. O ile w przypadku klasy B największe problemy występują właśnie przy przechodzeniu sygnału przez oś 0, o tyle w klasie AB zastosowano wstępną polaryzację (wymuszenie stałego przepływu prądu o niewielkiej wartości przez stopnie wykonawcze), co poprawiło sytuację dzięki wyeliminowaniu zjawiska tzw. zniekształceń skrośnych i znacznie zbliżyło brzmienie klasy AB do brzmienia wzmacniaczy pracujących w klasie A. Sprawność wzrosła do ok. 50%, więc konstrukcja stała się uzasadniona ekonomicznie. Wzmacniacze pracujące w klasie AB są jednak dość skomplikowane konstrukcyjnie i wymagają starannych zabezpieczeń przed przeciążeniami. Wynika to z faktu, że zastosowane w nich ujemne sprzężenie zwrotne w sytuacjach ekstremalnych (przeciążenie wyjścia, gwałtowne zmniejszenie impedancji obciążenia) może spowodować eskalację niekorzystnych zjawisk. Należy zadbać również o stabilność termiczną całego układu i precyzyjne dopasowanie pod względem parametrów elementów pracujących w obu gałęziach przeciwsobnego stopnia wyjściowego. Dobrze zaprojektowany w klasie AB potrafi jednak zabrzmieć znakomicie, a prawidłowy dobór elementów i skuteczność zabezpieczeń pozwalają na długą i efektywną pracę w każdych warunkach.

Wzmacniacze pracujące w tych klasach znane są od połowy lat 80. i wykorzystywane są we wzmacniaczach o najwyższej mocy - do 5000 watów na kanał. Idea klas G i H sprowadza się do założenia, że wzmacniacz mocy nie potrzebuje dużego napięcia zasilania przez cały czas, a jedynie podczas przetwarzania sygnałów o dużej amplitudzie. Z analizy typowych przebiegów audio wynika, że sygnały takie stanowią 50% całości sygnałów przetwarzanych przez aparaturę nagłaśniającą. Stąd już prosta droga do opracowania układu, który będzie załączał większe napięcie zasilania tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy wzrośnie powyżej pewnej wartości. Wzmacniacze pracujące w klasie G i H pozwalają na zwiększenie sprawności (a zatem zmniejszenie wydzielanego ciepła) i redukcję kosztów (mniejsze wymagania odnośnie radiatorów chłodzących i tranzystorów mocy).

Od strony praktycznej wzmacniacz w klasie G to w zasadzie dwa oddzielne stopnie wyjściowe. Jeden ma mniejszą moc i cały czas pracuje, niezależnie od poziomu sygnału. Drugi stopień podłączony jest do większego zasilania i "dokłada" się do stopnia o mniejszej mocy tylko w momentach większego zapotrzebowania na energię. W przypadku klasy H mamy do czynienia z jednym wzmacniaczem, z którym współpracuje zasilacz o stopniowanym napięciu wyjściowym, przełączanym w zależności od potrzeb. Współczesne wzmacniacze pracujące w klasach G i H pozbawione są już przypadłości pierwszych konstrukcji tego typu, polegających na słyszalnym szumie przełączania i sporych zniekształceniach sygnału w wyższych częstotliwościach. Mimo tego lepszym pomysłem jest wykorzystanie tych wzmacniaczy w zakresie niskich i średnich częstotliwości i pozostawienie sterowania głośników wysokotonowych lepszym pod tym względem wzmacniaczem pracującym w klasie AB.

Wzmacniacze pracujące w tej klasie znane są pod nazwą wzmacniaczy impulsowych. Punktem wyjścia do zrozumienia zasady ich działania jest zjawisko znane w elektronice pod nazwą modulacji szerokości impulsu (PWM). Sygnał wejściowy jest zamieniany na impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wyniku pomiaru próbki sygnału, dokonywanego z częstotliwością ponad-akustyczną (od 200 do 500 kHz). Impulsy te są wzmacniane przez stopień mocy, a następnie wygładzane i filtrowane za pomocą filtrów o dużym nachyleniu charakterystyki. Pierwsze urządzenia tego typy były bardzo zawodne i charakteryzowały się kiepskim brzmieniem. Powodami, dla których je kiedyś tolerowano, była ich rewelacyjna sprawność sięgająca 95%, znikoma waga wynikająca z braku dużego transformatora zasilającego i małe wymiary. Dzisiejsze wzmacniacze PWM często brzmią bardzo dobrze w całym zakresie audio.

Wciąż pojawiają się nowe opracowania wzmacniaczy mocy. Poszukiwania konstruktorów idą w kierunku dalszego zmniejszenia wymagań odnośnie chłodzenia i zasilania> Jedną z najbardziej znaczących nowości ostatnich lat jest opracowana przez firmę Tri-Path technologia znana pod nazwą klasy T. Firma jest producentem układów scalonych będących kompletnym, zintegrowanym stopniem mocy wymagającym niewielkiego chłodzenia. W przeciwieństwie do klasy D zastosowano tu cyfrowy układ inteligentnie dostosowujący sposób próbkowania do charakteru sygnału, parametrów stopnia wyjściowego i wielu innych czynników. To sprawia, że od wzmacniaczy w klasie T możemy oczekiwać lepszej jakości dźwięku niż w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, gdzie proces próbkowania pozostawał bez zmian.

Doświadczenie uczy, że wzmacniacze mocy nie są tylko przezroczystym brzmieniowo urządzeniem, którego zadaniem jest wzmocnienie sygnału podawanego na głośniki. Każdy z nich, nawet w ramach tej samej klasy, charakteryzuje się innym brzmieniem wynikającym z zastosowanych elementów, doboru punktów pracy czy wyboru określonych rozwiązań układowych.

Z pewnością najpopularniejsza i najczęściej stosowana klasa AB długo jeszcze będzie wykorzystywana w estradowych wzmacniaczach mocy. Można jednak przypuszczać, że oszczędność wynikająca z małej wagi i wymiarów wzmacniaczy klasy G, H i D spowoduje dalszy wzrost popularności tychże konstrukcji

Techniki cyfrowe nieśmiało wkraczają do tej dziedziny przemysłu audio, ale przełom w postaci klasy T może zmienić nastawienie wielu producentów i użytkowników.