Galios stiprintuvų klasės

Elektronikoje stiprintuvas yra dažniausiai naudojamas grandinės įtaisas, turintis didžiules taikymo galimybes. Su garsu susijusioje elektronikoje išankstiniai stiprintuvai ir galios stiprintuvai yra dviejų skirtingų tipų stiprintuvų sistemos, naudojamos garso stiprinimo tikslams. Tačiau, išskyrus šį konkretaus pritaikymo tikslą, yra labai skirtingi įvairių stiprintuvų tipai, daugiausia galios stiprintuvuose. Taigi čia mes ištirsime įvairias stiprintuvų klases, taip pat jų privalumus ir trūkumus.

Stiprintuvų, naudojant raides, klasifikacijos

Stiprintuvo klasės yra stiprintuvo veikimo ir charakteristikų tapatumas. Skirtingo tipo galios stiprintuvai suteikia skirtingus atsakus, kai praeina per juos srovė. Pagal jų specifikacijas stiprintuvams priskiriamos skirtingos raidės arba abėcėlės, atitinkančios jų klases. Yra įvairių stiprintuvų klasių, pradedant A, B, C, AB, D, E, F, T ir kt. Iš tų klasių dažniausiai naudojamos garso stiprintuvų klasės yra A, B, AB, C. Kitos klasės yra modernūs stiprintuvai, kurie naudoja perjungimo topologijas ir PWM (pulso pločio moduliacijos) techniką išvesties apkrovai valdyti. Kartais patobulintai tradicinių klasių versijai priskiriama raidė, kad jie būtų priskiriami skirtingai stiprintuvo klasei, pavyzdžiui, G klasės stiprintuvas yra modifikuota B arba AB klasės stiprintuvo klasė.

Stiprintuvo klasės nurodo įėjimo ciklo proporciją, kai srovė praeina per stiprintuvą. Įvesties ciklas yra laidumo kampas, atsirandantis iš sinusinės bangos laidumo stiprintuvo įėjime. Šis laidumo kampas yra labai proporcingas stiprintuvams laiku viso ciklo metu. Jei ciklo metu stiprintuvas visada įjungtas, laidumo kampas bus 360 laipsnių. Taigi, jei stiprintuvas suteikia 360 laipsnių laidumo kampą, tada stiprintuvas naudojo visą įvesties signalą ir aktyvųjį elementą, valdomą per 100% viso sinusoidinio ciklo laikotarpį.

Žemiau mes parodysime tradicines galios stiprintuvų klases, pradedant A, B, AB ir C klasėmis, taip pat parodysime D klasės stiprintuvus, kurie yra plačiai naudojami perjungimo projektuose. Šios klasės naudojamos ne tik galios stiprintuve, bet ir garso stiprintuvų grandinėse.

A klasės stiprintuvas

A klasės stiprintuvas yra didelio stiprumo stiprintuvas su dideliu tiesiškumu. A klasės stiprintuvo laidumo kampas yra 360 laipsnių. Kaip jau minėjome aukščiau, 360 laipsnių laidumo kampas reiškia, kad stiprintuvas išlieka aktyvus visą laiką ir naudoja visą įvesties signalą. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas idealus A klasės stiprintuvas.

Kaip matome paveikslėlyje, yra vienas aktyvus elementas - tranzistorius. Tranzistoriaus šališkumas visą laiką išlieka ĮJUNGTAS. Dėl šios niekada neišjungiamos funkcijos A klasės stiprintuvas užtikrina geresnį aukšto dažnio ir grįžtamojo ryšio kilpos stabilumą. Išskyrus šiuos privalumus, A klasės stiprintuvą lengva sukonstruoti su vieno įrenginio komponentu ir minimaliu dalių skaičiumi.

Nepaisant pranašumų ir didelio tiesiškumo, be abejo, jis turi daug apribojimų. Dėl nuolatinio laidumo A klasės stiprintuvas sukelia didelius energijos nuostolius. Be to, dėl didelio tiesiškumo A klasės stiprintuvas teikia iškraipymus ir triukšmą. Norint išvengti nepageidaujamo triukšmo ir sumažinti iškraipymus, reikia atidžiai parinkti maitinimo šaltinį ir šališką konstrukciją.

Dėl didelių A klasės stiprintuvo galios nuostolių jis išskiria šilumą ir reikalauja didesnės šilumos kriauklės vietos. A klasės stiprintuvų efektyvumas yra labai prastas, teoriškai naudingumas svyruoja nuo 25 iki 30%, jei naudojamas su įprasta konfigūracija. Efektyvumą galima pagerinti naudojant induktyviai susietą konfigūraciją, tačiau efektyvumas tokiu atveju yra ne didesnis kaip 45-50%, taigi jis tinka tik esant mažam signalo ar mažos galios stiprinimo tikslams.

B klasės stiprintuvas

B klasės stiprintuvas šiek tiek skiriasi nuo A klasės. Jis sukurtas naudojant du aktyvius įrenginius, kurie vykdo pusę faktinio ciklo, ty 180 ciklo laipsnių. Du įtaisai teikia kombinuotą srovės pavarą apkrovai.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta idealios B klasės stiprintuvo konfigūracija. Jis susideda iš dviejų aktyvių įrenginių, kurie vienas po kito yra šališki per teigiamą ir neigiamą sinusoidinės bangos ciklą, taigi signalas stumiamas arba ištraukiamas į sustiprintą lygį tiek iš teigiamos, tiek iš neigiamos pusės ir sujungia rezultatą, kurį gauname visą ciklą per išėjimą. Kiekvienas prietaisas įsijungė arba tapo aktyviu puse ciklo, todėl efektyvumas pagerėja, palyginti su 25–30% A klasės stiprintuvo naudingumu, teoriškai jis suteikia daugiau nei 60% efektyvumo. Kiekvieno įrenginio įvesties ir išvesties signalo grafiką galime pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje. B klasės stiprintuvo efektyvumas yra ne didesnis kaip 78% . Šilumos išsiskyrimas šioje klasėje yra kuo mažesnis, suteikiant mažai vietos šilumos kriauklei.

Tačiau ši klasė taip pat turi ribotumą. Labai gilus šios klasės apribojimas yra kryžminis iškraipymas. Kadangi du įtaisai teikia kiekvieną sinusoidinių bangų pusę, kurios yra sujungtos ir sujungtos visame išėjime, regione yra neatitikimas (kryžminimas), kur yra sujungtos dvi pusės. Taip yra todėl, kad kai vienas įrenginys baigia pusinį ciklą, kitas turi tiekti tą pačią energiją beveik tuo pačiu metu, kai kitas baigia darbą. Šią klaidą sunku ištaisyti A klasės stiprintuve, nes aktyvaus įrenginio metu kitas įrenginys lieka visiškai neaktyvus. Klaida suteikia išvesties signalo iškraipymą. Dėl šio apribojimo tikslumo garso stiprintuvo taikymas yra pagrindinis trūkumas.

AB klasės stiprintuvas

Pakaitinis metodas įveikti persipins iškraipymo, yra naudoti AB stiprintuvą. AB klasės stiprintuvas naudoja tarpinį laidumo kampą tiek A, tiek B klasėse, taigi šioje AB klasės stiprintuvų topologijoje galime pamatyti tiek A, tiek B klasės stiprintuvų savybes. Kaip ir B klasėje, jis turi tą pačią konfigūraciją su dviem aktyviaisiais įrenginiais, kurie per pusę ciklų atlieka atskirai, tačiau kiekvienas įrenginys yra nukreiptas skirtingai, todėl neveikiamu momentu (kryžminiu momentu) jie neišsijungia. Kiekvienas įtaisas nepalieka laidumo iš karto po to, kai užbaigia pusę sinusinės bangos formos, vietoj to jie atlieka nedidelį įvesties kiekį kitame pusės cikle. Naudojant šią šališkumo techniką, krosoverio neatitikimas mirusios zonos metu yra žymiai sumažintas.

Tačiau šioje konfigūracijoje efektyvumas sumažėja, nes pažeidžiamas prietaisų tiesiškumas. Efektyvumas išlieka didesnis nei tipinio A klasės stiprintuvo efektyvumas, tačiau jis yra mažesnis nei B klasės stiprintuvo sistemos. Be to, diodai turi būti kruopščiai parinkti pagal tą patį įvertinimą ir juos reikia kuo arčiau išvesties įrenginio. Kai kuriose grandinių konstrukcijose projektuotojai linkę pridėti mažos vertės rezistorių, kad įrenginyje būtų užtikrinta stabili ramybės srovė, kad būtų sumažintas išvesties iškraipymas.

C klasės stiprintuvas

Be A, B ir AB klasės stiprintuvo, yra dar vienas stiprintuvas C. Tai yra tradicinis stiprintuvas, kuris veikia kitaip nei kitos stiprintuvų klasės. C klasės stiprintuvas yra sureguliuotas stiprintuvas, kuris veikia dviem skirtingais darbo režimais, sureguliuotais ar neatitaisytais. C klasės stiprintuvo efektyvumas yra daug didesnis nei A, B ir AB. Maksimalus 80% efektyvumas gali būti pasiektas atliekant su radijo dažniu susijusias operacijas

C klasės stiprintuvui naudojamas mažesnis nei 180 laipsnių laidumo kampas. Nenustatyto režimo metu imtuvo skyrius nėra įtrauktas į stiprintuvo konfigūraciją. Atliekant šią operaciją, C klasės stiprintuvas taip pat suteikia didžiulį iškraipymą išėjime.

Kai grandinę veikia sureguliuota apkrova, grandinė užfiksuoja išėjimo šališkumo lygį vidutine išėjimo įtampa, lygi maitinimo įtampai. Sureguliuota operacija vadinama „ clamper“. Šios operacijos metu signalas įgauna tinkamą formą, o centrinis dažnis tapo mažiau iškraipytas.

Paprastai C klasės stiprintuvas suteikia 60-70% efektyvumą.

D klasės stiprintuvas

D klasės stiprintuvas yra perjungimo stiprintuvas, kuris naudoja impulsų pločio moduliaciją arba PWM. Laidumo kampas nėra faktorius tokiu atveju, nes tiesioginis įvesties signalas keičiamas kintamu impulso pločiu.

Šioje D klasės stiprintuvų sistemoje linijinis stiprinimas nėra priimamas, nes jie veikia taip pat, kaip įprastas jungiklis, turintis tik dvi operacijas: ĮJUNGTA arba IŠJUNGTA.

Prieš apdorojant įvesties signalą, analoginis signalas įvairiais moduliacijos būdais paverčiamas impulsų srautu ir paskui pritaikomas stiprintuvo sistemai. Kadangi impulsų trukmė yra susijusi su analoginiu signalu, ji vėl rekonstruojama naudojant žemo dažnio filtrą išėjime.

D klasės stiprintuvas yra didžiausia energiją taupanti stiprintuvų klasė A, B, AB, C ir D segmentuose. Jo šilumos išsiskyrimas yra mažesnis, todėl reikalingas nedidelis radiatorius. Grandinei reikia įvairių perjungimo komponentų, tokių kaip MOSFET, kurių atsparumas yra mažas.

Tai yra plačiai naudojama skaitmeninių garso grotuvų ar variklių valdymo topologija. Tačiau turėtume nepamiršti, kad tai nėra skaitmeninis keitiklis. Nors aukštesnio dažnio atveju D klasės stiprintuvas nėra tobulas pasirinkimas, nes kai kuriais atvejais jis turi pralaidumo apribojimus, atsižvelgiant į žemo dažnio filtro ir keitiklio modulio galimybes.

Kitos stiprintuvų klasės

Išskyrus tradicinius stiprintuvus, yra dar keletas klasių, kurios yra E, F, G ir H klasės.

E klasės stiprintuvas yra labai efektyvus galios stiprintuvas, kuris naudoja perjungimo topologijas ir veikia radijo dažniais. Vieno poliaus perjungimo elementas ir sureguliuotas reaktyvusis tinklas yra pagrindinis komponentas, naudojamas su E klasės stiprintuvu.

F klasė yra didelės varpos stiprintuvas harmonikų atžvilgiu. Jį galima valdyti naudojant kvadratinę arba sinusinę bangą. Sinusoidinės bangos įėjimui šį stiprintuvą galima sureguliuoti naudojant induktorių ir jis gali būti naudojamas padidinimui.

G klasė naudoja bėgių perjungimą, kad sumažėtų energijos sąnaudos ir pagerėtų efektyvumas. O H klasė yra toliau patobulinta G klasės versija.

Papildomos klasės yra specialios paskirties stiprintuvas. Kai kuriais atvejais raides pateikia gamintojas, nurodydamas savo patentuotą dizainą. Geriausias pavyzdys yra T klasės stiprintuvas, kuris yra patentuotas D klasės stiprintuvo tipo, naudojamo „Tripath“ stiprintuvų technologijoms, prekės ženklas.