Jaudas pastiprinātāju klases

Elektronikā pastiprinātājs ir visbiežāk izmantotā ķēdes ierīce ar milzīgām pielietojuma iespējām. Ar audio saistītā elektronikā priekšpastiprinātāji un jaudas pastiprinātāji ir divu veidu pastiprinātāju sistēmas, kuras izmanto ar skaņu pastiprināšanu saistītos nolūkos. Bet, izņemot šo lietojumprogrammas mērķi, pastāv ļoti atšķirīgas dažādu veidu pastiprinātāji, galvenokārt jaudas pastiprinātājos. Tātad šeit mēs izpētīsim dažādas pastiprinātāju klases, kā arī to priekšrocības un trūkumus.

Pastiprinātāju klasifikācija, izmantojot burtus

Pastiprinātāju klases ir pastiprinātāja darbības un raksturlielumu identitāte. Dažāda veida jaudas pastiprinātāji dod atšķirīgas reakcijas, izlaižot caur tiem strāvu. Saskaņā ar to specifikācijām pastiprinātājiem tiek piešķirti dažādi burti vai alfabēti, kas atspoguļo to klases. Pastāv dažādas pastiprinātāju klases, sākot no A, B, C, AB, D, E, F, T utt. No šīm klasēm visbiežāk izmantotās audio pastiprinātāju klases ir A, B, AB, C. Citas klases ir moderni pastiprinātāji, kas izejas slodzes vadīšanai izmanto komutācijas topoloģijas un PWM (Pulse Width Modulation) tehniku. Dažreiz uzlabotajai tradicionālo klašu versijai tiek piešķirts burts, lai tās klasificētu kā citu pastiprinātāju klasi, piemēram, G klases pastiprinātājs ir modificēta B vai AB klases pastiprinātāja klase.

Pastiprinātāja klases norāda ieejas cikla proporciju, kad strāva tiek virzīta caur pastiprinātāju. Ieejas cikls ir vadīšanas leņķis, kas izriet no sinusoidālā viļņa vadīšanas pastiprinātāja ieejā. Tas veicot leņķis ir ļoti samērīgs ar Pastiprinātāji uz laiku pilna cikla laikā. Ja pastiprinātājs cikla laikā vienmēr ir ieslēgts, vadīšanas leņķis būs 360 grādi. Tātad, ja pastiprinātājs nodrošina vadīšanas leņķi 360 grādos, tad pastiprinātājs izmantoja pilnīgu ieejas signālu un aktīvo elementu, kas vadīts 100% pilna sinusoidālā cikla laikā.

Zemāk mēs parādīsim tradicionālās jaudas pastiprinātāju klases, sākot no A, B, AB un C klases , kā arī parādīsim D klases pastiprinātāju, ko plaši izmanto komutācijas dizainā. Šīs klases izmanto ne tikai jaudas pastiprinātājā, bet arī audio pastiprinātāju ķēdēs.

A klases pastiprinātājs

A klases pastiprinātājs ir pastiprinātājs ar lielu pastiprinājumu ar augstu linearitāti. A klases pastiprinātāja gadījumā vadīšanas leņķis ir 360 grādi. Kā mēs teicām iepriekš, 360 grādu vadīšanas leņķis nozīmē, ka pastiprinātāja ierīce paliek aktīva visu laiku un izmanto pilnīgu ieejas signālu. Zemāk redzamajā attēlā ir parādīts ideāls A klases pastiprinātājs.

Kā redzam attēlā, ir viens aktīvs elements - tranzistors. Transistora aizspriedumi visu laiku paliek ieslēgti. Tā kā šī funkcija nekad neizslēdzas, A klases pastiprinātājs nodrošina labāku augstfrekvences un atgriezeniskās saites cilpas stabilitāti. Izņemot šīs priekšrocības, A klases pastiprinātāju ir viegli izgatavot ar vienas ierīces sastāvdaļu un minimālo detaļu skaitu.

Neskatoties uz priekšrocībām un augstu linearitāti, tam noteikti ir daudz ierobežojumu. Sakarā ar nepārtrauktu vadīšanas raksturu A klases pastiprinātājs rada lielu jaudas zudumu. Arī augstās linearitātes dēļ A klases pastiprinātājs nodrošina traucējumus un trokšņus. Lai izvairītos no nevēlama trokšņa un līdz minimumam samazinātu traucējumus, strāvas padevei un slīpo konstrukcijai ir nepieciešama rūpīga komponentu izvēle.

Tā kā A klases pastiprinātājā ir liels jaudas zudums, tas izstaro siltumu un prasa lielāku siltuma izlietnes vietu. A klases pastiprinātāju efektivitāte ir ļoti slikta, teorētiski efektivitāte svārstās no 25 līdz 30%, ja to lieto ar parasto konfigurāciju. Efektivitāti var uzlabot, izmantojot induktīvi savienotu konfigurāciju, taču efektivitāte šādā gadījumā nav lielāka par 45-50%, tādējādi tā ir piemērota tikai zemas signāla vai zemas jaudas līmeņa pastiprināšanas mērķiem.

B klases pastiprinātājs

B klases pastiprinātājs nedaudz atšķiras no A klases. Tas ir izveidots, izmantojot divas aktīvās ierīces, kas vada pusi no faktiskā cikla, ti, 180 cikla grādus. Divas ierīces nodrošina kombinētu strāvas piedziņu slodzei.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta Ideal B klases pastiprinātāja konfigurācija. Tas sastāv no divām aktīvām ierīcēm, kas sinusoidālā viļņa pozitīvā un negatīvā puscikla laikā pa vienam tiek novirzītas un tādējādi signāls tiek virzīts vai izvilkts līdz pastiprinātam līmenim gan no pozitīvās, gan negatīvās puses un apvieno rezultātu, ko iegūstam pilnā ciklā visā izvadē. Katra ierīce ieslēdzās vai kļuva aktīva puse cikla, un tādēļ efektivitāte uzlabojas, salīdzinot ar A klases pastiprinātāja efektivitāti 25–30%, teorētiski tā nodrošina vairāk nekā 60% efektivitāti. Zemāk redzamajā attēlā mēs varam redzēt katras ierīces ieejas un izejas signāla diagrammu. B klases pastiprinātājam efektivitāte nav lielāka par 78% . Šajā klasē siltuma izkliede ir samazināta līdz minimumam, nodrošinot zemu siltuma izlietnes vietu.

Bet šai klasei ir arī ierobežojumi. Ļoti dziļi šīs klases ierobežojumi ir krustošanās kropļojumi. Tā kā divas ierīces nodrošina katru sinusoidālo viļņu pusi, kas ir apvienoti un savienoti pāri izejai, reģionā ir neatbilstība (šķērsošana), kur ir apvienotas divas puses. Tas ir tāpēc, ka tad, kad viena ierīce pabeidz pusciklu, otrai ir jāpiedāvā tāda pati jauda gandrīz vienlaikus, kad otra pabeidz darbu. Šo kļūdu ir grūti novērst A klases pastiprinātājā, jo aktīvās ierīces laikā otra ierīce paliek pilnīgi neaktīva. Kļūda nodrošina izejas signāla deformāciju. Šī ierobežojuma dēļ tā ir galvenā kļūda precīzijas audio pastiprinātāja lietojumprogrammā.

AB klases pastiprinātājs

Alternatīva pieeja, lai pārvarētu pārrobežu pār izkropļojumu, ir izmantot AB pastiprinātāju. AB klases pastiprinātājs izmanto gan A, gan B klases starpposma vadīšanas leņķi, tādējādi šajā AB pastiprinātāju topoloģijas klasē mēs varam redzēt gan A klases, gan B klases pastiprinātāja īpašību. Tāpat kā B klasei, tai ir tāda pati konfigurācija kā divām aktīvām ierīcēm, kuras pusi ciklu laikā veic individuāli, bet katra ierīce ir novirzīta atšķirīgi, tāpēc neizmantojamā brīdī (krustošanās momentā) tās pilnībā neizdziest. Katra ierīce neatstāj vadītspēju tūlīt pēc sinusoidālās viļņu formas pabeigšanas, tā vietā viņi veic nelielu ievadi citā pusciklā. Izmantojot šo neobjektivitātes tehniku, krustojuma neatbilstība mirušās zonas laikā tiek dramatiski samazināta.

Bet šajā konfigurācijā efektivitāte tiek samazināta, jo tiek apdraudēta ierīču linearitāte. Efektivitāte joprojām ir lielāka nekā tipiskās A klases pastiprinātāja efektivitāte, bet tā ir mazāka nekā B klases pastiprinātāja sistēma. Arī diodes ir rūpīgi jāizvēlas ar tādu pašu vērtējumu un jānovieto pēc iespējas tuvāk izejas ierīcei. Dažās shēmu konstrukcijās dizaineri mēdz pievienot nelielu vērtību rezistoru, lai nodrošinātu stabilu mierīgu strāvu visā ierīcē, lai samazinātu izejas deformāciju.

C klases pastiprinātājs

Papildus A, B un AB klases pastiprinātājiem ir vēl viens pastiprinātājs C. Tas ir tradicionāls pastiprinātājs, kas darbojas citādi nekā citas pastiprinātāju klases. C klases pastiprinātājs ir noregulēts pastiprinātājs, kas darbojas divos dažādos darbības režīmos - gan noregulētā, gan bez skaņas. C klases pastiprinātāja efektivitāte ir daudz lielāka nekā A, B un AB. Maksimālo 80% efektivitāti var sasniegt ar radio frekvenci saistītās darbībās

C klases pastiprinātājs izmanto mazāk nekā 180 grādu vadīšanas leņķi. Neatrunātā režīmā uztvērēja sadaļa tiek izslēgta no pastiprinātāja konfigurācijas. Šajā operācijā C klases pastiprinātājs arī rada milzīgus izkropļojumus izejā.

Kad ķēde tiek pakļauta noregulētai slodzei, ķēde nostiprina izejas novirzes līmeni ar vidējo izejas spriegumu, kas vienāds ar barošanas spriegumu. Noregulēto darbību sauc par clamper. Šīs operācijas laikā signāls iegūst pareizo formu, un centra frekvence kļuva mazāk izkropļota.

Parasti C klases pastiprinātājs dod 60-70% efektivitāti.

D klases pastiprinātājs

D klases pastiprinātājs ir komutācijas pastiprinātājs, kas izmanto impulsa platuma modulāciju vai PWM. Vadīšanas leņķis šādā gadījumā nav faktors, jo tiešais ieejas signāls tiek mainīts ar mainīgu impulsa platumu.

Šajā D klases pastiprinātāju sistēmā lineārais pastiprinājums netiek pieņemts, jo tie darbojas tāpat kā tipisks slēdzis, kuram ir tikai divas darbības - ON vai OFF.

Pirms ievades signāla apstrādes analogais signāls tiek pārveidots par impulsu plūsmu, izmantojot dažādas modulācijas metodes, un pēc tam tas tiek piemērots pastiprinātāja sistēmai. Tā kā impulsu ilgums ir saistīts ar analogo signālu, tas atkal tiek rekonstruēts, izmantojot izejas zemfrekvences filtru.

D klases pastiprinātājs ir visaugstāk energoefektīvā pastiprinātāju klase A, B, AB, C un D segmentā. Tam ir mazāka siltuma izkliede, tāpēc ir nepieciešams mazs radiators. Shēmai nepieciešami dažādi komutācijas komponenti, piemēram, MOSFET, kuriem ir maza pretestība.

Tā ir plaši izmantota topoloģija digitālajos audio atskaņotājos vai arī motoru vadībā. Bet mums vajadzētu paturēt prātā, ka tas nav digitālais pārveidotājs. Lai gan augstākas frekvences gadījumā D klases pastiprinātājs nav ideāla izvēle, jo dažos gadījumos tam ir joslas platuma ierobežojumi atkarībā no zemfrekvences filtra un pārveidotāja moduļa iespējām.

Citas pastiprinātāju klases

Izņemot tradicionālos pastiprinātājus, ir nedaudz vairāk klases, kas ir E klase, F klase, G klase un H klase.

E klases pastiprinātājs ir ļoti efektīvs jaudas pastiprinātājs, kas izmanto komutācijas topoloģijas un darbojas radio frekvencēs. Viena pola komutācijas elements un noregulētais reaktīvais tīkls ir galvenā sastāvdaļa, ko izmantot ar E klases pastiprinātāju.

F klase ir augstas pretestības pastiprinātājs attiecībā uz harmoniku. To var vadīt, izmantojot kvadrātveida vai sinusa vilni. Sinusoidālā viļņa ieejai šo pastiprinātāju var noregulēt, izmantojot induktoru, un to var izmantot, lai palielinātu pastiprinājumu.

G klase izmanto sliežu pārslēgšanu, lai samazinātu enerģijas patēriņu un uzlabotu efektivitātes rādītājus. Un H klase ir vēl uzlabota versija G. klases

Papildu klases ir īpaša nolūka pastiprinātājs. Dažos gadījumos burtus izsniedz ražotājs, lai apzīmētu to patentēto dizainu. Labākais piemērs ir T klases pastiprinātājs, kas ir preču zīme īpaša veida komutācijas D klases pastiprinātājam, ko izmanto Tripath pastiprinātāju tehnoloģijās, kas ir patentēts dizains.