Разное

Усилитель гибрид класс a и класс d – «холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д» / Pult.ru corporate blog / Habr

Гибридный усилитель класса «А»

Здравствуйте дорогие читатели!
Посетила очередная идея сделать гибридный усилитель Владислава Креймера в классе А. А почему нет, очень простая схема – собрать макетик, минут за двадцать, на одной-двух табуретках.
Заранее подготовили основные детальки:

  • лампа — 6Н23П
  • R1 — переменный резистор 47кОм
  • R2 — мощный регулируемый резистор 100Вт 50ом (выставили на 8ом)
  • R3 – резистор С5-16МБ 0.51ом
  • С1 – конденсатор 4700мФ 40V FRAKO (W.Germany)
  • VT1 — КТ825Д
  • большой радиатор — габаритные размеры: ширина 150мм, длина 160мм, высота 30мм.

По центру сто ватного резистора фломастером проводим линию. Стачиваем по линии аккуратно до белой керамики. На другой конец резистора одеваем второе колечко из нержавейки. Таким образом из одного дорогого сто ватного резистора, получилось нужные нам два резистора.

Блок питания: ТОР на 15V 5А, два конденсатора по 10000мФ 60V между ними дроссель 500 витков 0.51мм и мощный диодный мост (впоследствии поменяли на мощные диоды). Накал лампы временно запитали от отдельного накального трансформатора. По-быстрому запаяли схему, подключили, лампа прогрелась и запела, но как то не так.

Звук был плохим. Замена R3 не улучшила ситуацию, только добавив С2 звук стал удовлетворительным, хотя в оригинальной схеме С2 отсутствует. С ним и перешли к прослушиванию.

Звучание показалось прозрачным и холодным, верхов более чем нужно, низы есть и они на месте – но чего-то сильно не хватало. Домачатцы избалованые ламповым звучанием, проходя мимо часто комментировали — «Что то звучит не очень!». Недавно прослушивали макетик на германиевых транзисторах в классе АВ, такого не было.

Как же так? В классе А должно быть прозрачное и правильное звучание. Чтобы разобраться пришлось подключить ламповый усилитель, отключив один канал, вытащив соответствующую выходную лампу. Акустика одинаковая, уровень громкости тоже. Альбом The Piano Guys — The Piano Guys (2012) FLAC.

Прослушав несколько минут, один усилитель переключаем на другой. Фортепиано на транзисторе явно проигрывает. Теряется объем звучания рояля, а струны виалончели становятся не интересными. Если одного канала лампового усилителя достаточно для прослушивания, то на транзисторе такое не пройдет.

Причина — низкое анодное напряжение на лампе 6Н23П вгоняет её в тяжелый для неё режим работы. В однотактнике Вильямсона именно этот экземпляр лампы звучал бесподобно. Нужно пробовать другие низковольтные лампы: ЕСС82, 6С2П, 6Н16Б, 6С46ГВ и т.д., но таких у нас нет.

При своей простате усилитель не такой уж дешевый: уже редкий транзистор, монстр резистор, огромный радиатор, качественные именитые электролиты, тор на 100Вт — ради 5Вт не идеального звука?
Вот так и остался гибридный усилитель в классе А без корпуса. Да и усилителя уже не осталось, макет разобран на более перспективные схемы.

P.S.
Все выкладки — это наш опыт и наше мнение! Ваше мнение может, а иногда и просто обязано, отличаться от нашего.

© rusavtoplus.ru, 2013-2020 | Все права защищены

Метки: Гибридный усилитель

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Выводы

Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.

Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Выбираем звукосниматель для проигрывателя винила

• Что лучше для звука — линейные или импульсные блоки питания? [видео]

• Музыка из бумаги и картона: краткая история вариофона и «рисованного звука»

Как работает усилитель класса «G» и «H», или На ступень выше / Stereo.ru

История

Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность. Но для того, чтобы без потерь отработать редко встречающиеся в музыке динамические всплески, требующие большой отдачи энергии, усилитель приходится держать в режиме высокой мощности постоянно. В то же время из соображений экономии было бы неплохо, если бы блок питания усилителя работал на полную лишь в те моменты, когда это требуется для отработки громких звуков, а все остальное время потреблял меньше энергии от сети.

Над этой задачей думало немало инженеров середины ХХ века, но первым решил ее в 1964 году сотрудник NASA Мануэль Крамер. Он разработал схемотехнику, в которой усилитель имеет несколько шин питания, и их переключение меняет мощность (и энергопотребление) усилителя в зависимости от того, какова величина громкости входящего сигнала.

Первое практическое применение схемотехнике класса G нашли инженеры Hitachi, наладившие серийный выпуск усилителей такого типа в 1977 году. Именно в тот момент и появилось само понятие «класс G». Аналогичную схему в 1981 году реализовал небезызвестный Боб Карвер и дал своему детищу другое маркетинговое название — «класс H», на некоторое время закрепившееся в американской прессе. Несколько позже схема пережила существенное усовершенствование и появился тот вариант, который сейчас и называют классом H, а все предыдущие вариации, включая то, что изначально делал Боб Карвер, были объединены под названием «класс G».

Принцип работы

Принцип работы усилителей класса G и класса H можно описать буквально в двух словах. Их сигнальная часть аналогична усилителям класса АВ и на малой громкости работает в точно таком же режиме (напомним, что на низких уровнях сигнала класс AB работает в классе А). Весь секрет кроется в блоке питания, который отслеживает уровень входящего сигнала. Как только уровень громкости поднимается, блок питания повышает напряжение питания, тем самым давая возможность усилителю работать с большей амплитудой, и понижает напряжение, как только уровень сигнала на входе падает.

Отличие класса G от класса H кроется в том, как именно происходит изменение уровня напряжения питания. В классе G блок питания имеет несколько обмоток трансформатора, формирующих питающие шины с разными уровнями напряжения. При повышении уровня входящего сигнала происходит дискретное повышение напряжения питания — либо путем перехода на более высоковольтную шину, либо путем суммирования напряжений основной и дополнительной шин питания.

Таких ступеней повышения питания может быть несколько. В упрощенном виде это происходит следующим образом: пока уровень сигнала находится на малом уровне, усилитель имеет максимальную мощность 10 Вт. Как только уровень громкости повышается, подключается дополнительное питание, и запас мощности увеличивается до 100 Вт, а на пиках подключается еще один каскад питания, и усилитель выдает 300 Вт. Поскольку даже в самой ритмичной и агрессивной музыке большие энергетические всплески непостоянны, фактическое энергопотребление усилителя класса G оказывается ближе к показателям его минимальной, а не максимальной мощности.

Появившийся спустя некоторое время класс H фактически является версий класса G с плавно изменяемым уровнем питающего напряжения. Схемы, отслеживающие уровень входящего сигнала, повышают и понижают напряжение питания не ступенчато, а плавно, сообразно величине нарастания и снижения уровня входного сигнала. В простых версиях повышение напряжения питания обеспечивается за счет конденсаторов вольт-добавки, в более сложных — дополнительная секция питания, по сути, представляет собой еще один усилитель мощности. Как и в классе G, на малых уровнях сигнала класс H работает без изменения уровня питающего напряжения аналогично обычному классу АВ.

Плюсы

Очевидный плюс усилителей классов G и H — лучшая энергоэффективность. При прочих равных они потребляют меньше энергии, чем усилители класса АВ. Кроме того, поскольку основную часть времени усилители классов G и H работают с пониженным напряжением питания, они рассеивают меньше тепла и требуют радиаторов меньшего размера, чем аналогичные усилители класса АВ. На фоне более современных усилителей класса D класс G и H имеют одно заметное отличие — сохранение привычного характера звучания, свойственного классу АВ. Если же сравнивать классы G и H между собой, можно отметить простоту конструкции последнего.

Минусы

Продолжая тему снижения энергопотребления, нельзя не отметить и тот факт, что переход от класса А к классу АВ дал куда более существенный прирост КПД усилителя, нежели переход от АВ к G или H. При этом класс D превосходит по энергоэффективности все предыдущие классы куда более существенно, и на его фоне разница между классом АВ и классами G/H начинает казаться совершенно незначительной. В свете этого на первый план выходит вопрос технически более сложной схемотехники классов G и H. Фактически, эта конструкция в полтора-два раза сложнее обычного класса АВ со всеми вытекающими из этого рисками снижения надежности и стабильности работы.

Особенности

Разберемся, что же мы получаем в лице класса G и H с пользовательской точки зрения. Первое — это сочетание компактности, энергоэффективности и классического характера звучания. Если хочется мускулистого, но не слишком прожорливого усилителя, а класс D не устраивает по идеологическим причинам, классы G и H — ваш выбор. Привычный характер класса АВ, дополненный динамикой и мощью класса D, к вашим услугам.

Второе преимущество не столь очевидно, но, в действительности, более значительно. Имея солидный запас энергии, усилители классов G и H лучше справляются со сложной нагрузкой. Такой аппарат куда спокойнее реагирует на акустику с низкой чувствительностью или модели, требующие высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

Практика

Проверить все вышеописанные тезисы на живом примере мы решили с помощью Arcam HDA SA20. Во-первых, этот аппарат отлично демонстрирует все преимущества класса G, а во-вторых, реальный выбор устройств с такой схемотехникой довольно скуден, особенно на российском рынке.

Имея выходную мощность 90 Вт на канал при импедансе нагрузки 8 Ом, Arcam HDA SA20 демонстрирует скромные габаритные размеры с высотой корпуса в половину типичного интегрированного усилителя такой мощности. Радиаторы установлены внутри и имеют размеры, сравнимые с усилителем класса АВ в полтора-два раза меньшей мощности, наглядно демонстрируя преимущества класса G. В блоке питания используется двухступенчатая схема. Две пары обмоток трансформатора и два набора конденсаторов разной емкости формируют две шины питания: основную и дополнительную, подключаемую при возрастании нагрузки. Весьма показательным является значение гармонических искажений. При нагрузке 80% они составляют 0,002%.

Звук

Скромный на вид Arcam HDA SA20 казался подходящим партнером разве что для полочной акустики, но это тот случай, когда внешность обманчива на все 100%. Усилитель не менял характер звучания и не упускал бас из-под контроля на акустике любой сложности. Самые мощные и требовательные модели подчинялись его воле беспрекословно, выдавая на удивление точный, быстрый и упругий бас, поражающий сочетанием плотности, динамики и тембральной полноты. С лучшими представителями классов А и АВ те же колонки выдавали низкие частоты куда менее сфокусированно, а порой норовили даже размазать ноты или слить их в общий гул без какой-либо конкретики.

Средние и верхние частоты звучали столь же собранно и четко, без всякой выраженной окрашенности и без искажений даже на высокой громкости. Живая музыка и вокал воспроизводились точно как тембрально, так и интонационно.

Каких-либо изменений характера звучания на разных уровнях громкости заметить не удалось. Усилитель играл детально и чисто как на малой, так и на большой громкости. Будучи исключительно сфокусированным, звук Arcam HDA SA20 не казался сухим или пустым. Усилитель просто не добавлял в музыку ничего лишнего. Те записи, которые должны были звучать тепло и выразительно, показывали именно такой характер, а сухие и жесткие миксы не подкрашивались и не смягчались.

Единственный момент, вызвавший некоторые вопросы — построение сцены. Она была достаточно широкой, но казалась плоской, без ощутимой глубины, хотя та же акустика с другими усилителями создавала куда более убедительное ощущение объема. Впрочем — это однозначно говорит лишь о том, что имеется поле для экспериментов. Основные же признаки схемотехники класса G были вполне очевидны и проявили себя наилучшим образом. Кстати, по ходу тестирования Arcam HDA SA20 нагрелся очень умеренно.

Выводы

Если класс АВ имеет полное право называться решением практичным, класс G (и примкнувший к нему класс H) вполне может претендовать на титул с приставкой «супер» или «экстра». Он может все то же самое, что лучшие представители класса АВ, но делает это более легко и красиво. Для того, чтобы получить ту динамику звучания и ту степень контроля баса, которую выдал один скромный усилитель класса G, нам понадобились бы два огромных моноблока, работающих в классе А, один солидный мощник класса АВ или… всего лишь один миниатюрный усилитель класса D. Но это уже совсем другая история. А в мире классической схемотехники классы G и H совершенно однозначно находятся на высшей ступени эволюции.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Праздник, который всегда с тобой: как выбрать портативный аудиопроигрыватель

• Кто выпускает винил? Самые интересные лейблы на сегодняшний день.

• Как запустить свой подкаст, руководство для начинающих

«холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д» / Pult.ru corporate blog / Habr

Как я и обещал, мы продолжим цикл о легендарных усилителях прошлого и настоящего. На этот раз мы опишем непростую судьбу УМЗЧ класса D, оригинальные разработки в области ламповой схемотехники, не обойдём стороной и DIY-наборы для тех чьи руки выросли из туловища.
При создании материала я постарался отжать всё информационно ценное из шедевров аудиофильской журналистики, сухих технических описаний и публикаций таких товарищей, как Нил Гадер, Гарри Пирсон, Роберт Грин. Как и в предыдущем материале, я старался отыскать основные характеристики и принципиальные схемы этих устройств, а также цены (на момент производства), о которых нередко умалчивают современные авторы.

Futterman h4 OTL – нужно просто выбросить выходной трансформатор


Начнём по традиции с самой «тёплой» в ламповом отношении эпохи, с 50-х в США, где в губернском городе Нью-Йорке, изобретатель Юлиус Футтерман (Julius Futterman) разработал один из наиболее оригинальных ламповых усилителей своего времени. В 1954-м на свет появился ламповый УМЗЧ Futterman h4 OTL, особенностью которого стало отсутствие выходного трансформатора.
В оригинальной схемотехнике усилителя Футтермана катодный резистор фазоинвертора соединялся не с землей, а с выходом усилителя. 100%-ная ООС катодного повторителя Futterman h4 OTL компенсировалась 100%-ной ПОС через катодный резистор фазоинвертора. Интересно, что уникальную для того времени (и высоко оцененную потомками) схему разработал не профессиональный инженер, а радиолюбитель-самоучка.
Причиной необходимости в оригинальном решении было то, что около 30-35 % себестоимости ламповых усилителей тех лет приходилась на выходной трансформатор. Что было крайне существенным фактором, учитывая, что первые усилители производились вручную.
Благодаря конструкторскому решению цена усилителя стала немногим выше стоимости наборов для самостоятельной сборки и составила около $ 180 – 200, что сегодня с учетом инфляции является эквивалентом $ 1600 — 1800. Помимо существенного удешевления продукта инновация избавила УМЗЧ от (так любимой некоторыми аудиофилами и гитаристами) характерной «тёплой» окраски звука.
Следует отметить, что сравнительно небольшая стоимость усилителя соседствовала с почти уникальными для того времени характеристиками.

Судите сами:

  • Диапазон воспроизводимых частот: 7 Гц (!) до 55 кГц
  • RMS: 90 Вт
  • IMD: 0,1 % (1 Вт, 1 Ом)
  • Коэффициент гармоник: 0,1%
  • Выходное сопротивление: 0,6 Ом

Интересно, что идеальной акустической системой для работы с этим усилителем считались электростатические колонки Quad ESL 57, созданные в 1957 году.

Футтерман запатентовал устройство, а лицензии продал нескольким американским компаниям в 1961-м году. Лицензионные усилители по схеме Футермана производились до начала 70-х годов и стоили значительно дороже оригинала. На протяжении 60-х и 70-х изобретатель совершенствовал схемотехнику ламповых усилителей.

В 1984 году, уже после смерти Футермана, компанией New York Audio Labs был выпущен, разработанный при его участии, один из самых дорогих усилителей своего времени (для электростатических акустических систем), стоявший $12 000 (около $26 000 сегодня с учетом инфляции). Среди сравнительно свежих разработок, использующих наследие Футтермана, можно выделить оригинальное устройство итальянца Андреа Циуффоли (схема приведена ниже).


Heathkit amps — DIY для меломана и музыканта


Heathkit — одни из передовиков ламповых конструкторов для любителей канифольной дымки. Компания, основанная в 40-е, приобрела популярность в 60-е, на волне интереса к самостоятельной сборке устройств. Фактически все продукты компании стали культовыми в среде людей увлеченных DIY. В отличие от Dynaco, Heathkit создавали многоцелевые конструкторы, с различными наборами шасси и радиодеталей.
Комплекты и модели менялись достаточно часто, что также существенно рознит эти устройства с «макинтошем для бедных». Пик популярности наборов Heathkit приходится на середину 60-х, когда приобретение качественного усилителя предполагало затраты сравнимые со стоимостью среднего автомобиля.
Все деревянные детали (набор ручек, шасси и т.п.) входили в базовую комплектацию. Гитарные варианты heathkit иногда предполагали включение дополнительных бонусов: излучателей и деталей корпуса для создания комбо. Интересно, что для создания гитарных наборов компания активно применяла транзисторные схемы. Такой подход был не слишком популярен в 60-х (теплый ламповый тренд в гитарном усилении был силён), но позволял приобрести дешевое гитарное оборудование небогатым начинающим музыкантам.
В зависимости от назначения устройства, пользователь волен был выбрать тот или иной комплект. Например, были наборы для гитарного усиления, воспроизведения музыки, в том или ином наборе разнилась мощность УМЗЧ. Характеристики устройства приводить смысла не имеет, так как они разнятся в зависимости от конкретной модели, при этом подавляющее большинство авторов сходятся на том, что эти усилители вполне соответствовали HI-fi классу, а гитарные комбо Heathkit составляли конкуренцию аналогичным моделям Fender и VOX того периода.

Класс D: КПД vs искажения


Легендарными в среде инженеров считаются усилители класса D, попытки создать которые начались ещё в 50-х. Сама идея УМЗЧ с импульсным управлением, выходными лампами приписывается 2-м авторам, нашему соотечественнику Дмитрию Васильевичу Агееву (1951 год) и Алеку Ривзу из Соединенного Королевства (1951 год). Однако, говорить о том, что инновационные концепции смелых инженеров мгновенно стали широко востребованными на рынке не приходится.
Д.В. Агеев

Внезапно начавшаяся эра транзисторов для попыток создания годного УМЗЧ class D не привела к ожидаемым результатам. «Принцип неисчерпаемых возможностей КПД», заложенный советским инженером Агеевым и его британским коллегой, долгое время оказывался неприступным даже для специалистов таких компаний как SONY, PHILIPS, Marantz, Matsusita Electric. Вплоть до 80-х ничего прилично звучащего и коммерчески успешного в классе D создать не удавалось. Ситуация поменялась к середине 80-х, когда на рынке радиодеталей появились МДП-транзисторы.

Известно, что в режиме D импульс приобретает почти прямоугольную форму, так как транзистор либо заперт, либо открыт. А сопротивление открытого канала современных силовых МПД-транзисторов совсем небольшое (от единиц до десятков миллиОм). Благодаря этому, построенный на основании этих элементов усилитель класса D способен работать практически без потерь мощности. КПД таких усилителей класса D составляет около 90 — 95 %.


Не смотря на ограниченную популярность, усилители D-класса того времени тоже нельзя назвать сверхмассовым продуктом. Для потребителя концепция класса D успела утратить привлекательность к концу 80-х, главным образом в связи с неудачами их несовершенных предшественников.

Как повествует Википедия, основными проблемами усилителей класса D были и, в какой-то степени, остаются:

…но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя…

Пожалуй, самым заметным представителем класса D стал один из первых цифровых усилителей, дотягивающих до показателей HI-FI — Tripath TA2020, серийное производство которого было запущено в 1999 году. Дело в том, что, в связи с неизбежной необходимостью в устранении искажений, принцип аналоговой модуляции оказался малопривлекательным.
В ранних проектах усилителей класса D низкочастотные помехи свободно проходили с питающих шин на выход, что вынуждало использовать нелинейную модуляцию и дельта-сигма модуляцию для их устранения. Последнее приводило к неизбежному росту частоты переключения и снижению КПД. Логичным выходом стало применение цифровых схем, уменьшавших частоту переключения.

Некоторые инженеры ставят под сомнение заявленные характеристики Tripath TA2020 и их соответствие стандартам HI-FI. Предлагаю читателям самим оценить показатели качества на примере 20-ти ваттного усилителя для авто, созданного на базе TA2020:
  • RMS: 2 х 20 Вт 4ohm, 2×12 Вт 8ohm
  • Соотношение сигнал-шум (SNR): 98дб
  • Динамический диапазон: 98дб
  • IMD: 0.1% 1 Вт, 4ohm
  • THD: 0.03% 9 Вт, 4ohm, 0.1% — 10 Вт ом, 0.1% — 6 Вт 8ohm, 10% — 23 Вт ом, 10% 13 — Вт 8ohm
  • Энергоэффективность: 81% 20 Вт, ом, 88% 12 Вт, 8ohm
  • Чувствительность входа: 200mV

И всё это счастье при цене от $20 до 60.

Микросхема, на основе которой создан усилитель, была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.


Компания Tripath, выпустившая инновационный усилитель, с целью привлечения внимания к продукту придумала даже новый класс, объявив свое устройство усилителем класса T (хотя принцип работы девайса соответствовал классу D).
Несмотря на маркетинговые усилия,«креативы» с классификацией, Tripath не выдержали конкуренции с более мощными игроками и исчезли с рынка в 2007-м году. Бесславный и тихий конец этой компании никак не умаляет заслуг разработчиков, которые создали, вероятно, единственный действительно легендарный усилитель класса D.

To be continued


Собственно, на этом пока всё, искренне надеюсь, что вам понравилось. В этом цикле планируем ещё 2 материала. Анонсирую моголамповых хайэнд монстров, современные гибридные разработки, и, возможно, сказку об идеальном усилителе.

Классы усилителей мощности | ldsound.ru

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т.п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).

Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот. Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной». Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.

 

Традиционная классификация: класс А, B, С и D

 

В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис, опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работы были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.

Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (Vс):

 

Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные формулировки. Конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием угла проводимости гармонического сигнала, а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.

В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…»), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).

 

Режим усилителей класса А

 

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360º.

 

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М.А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы». При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя. В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим.

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20%, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УМЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

 

Режимы усилителей класса B и AB

 

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение боольшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

 

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5%, реального транзисторного каскада — примерно 72%. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 Pмакс(Rн), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46% от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40%. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться.

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B, всегда устанавливается небольшой, но не нулевой ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5-15% от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10-100 мА на каждый транзистор. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при боольших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB. По мнению Г С. Цыкина, Дугласа Селфа и А.А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно боольших токах покоя (и сопровождается неприемлемо большим уровнем переходных искажений).

 

Режим усилителей класса C

 

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°). В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5%, а перенапряжённого — 100%. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.

 

В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ. classic Class C, true Class C). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ. mixed-mode Class C), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения.

 

Режим усилителей класса D

 

Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) и Алеком Ривзом (Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony. Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 80-х годов.

 

Структурная схема усилителя класса D без петли обратной связи

 

В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90%, в наиболее экономичных образцах 95%, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде. Чтобы снизить эти искажения, конструкторы перешли от синхронной ШИМ к асинхронной модуляции с переменной частотой следования импульсов и к сигма-дельта-модуляции (способ модуляции, обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот). Неизбежным следствием этого стал рост частоты переключения выходных транзисторов до десятков МГц и снижение КПД из-за роста потерь при переключении. Для того чтобы снизить эти потери, конструкторы применили простейшие цифровые схемы, уменьшавшие частоту переключения (например, преобразовывавшие последовательность управляющих импульсов 01010101…, соответствующую нулевому входному напряжению, в 0011…, 00001111… и так далее). Естественным развитием этого подхода стал полный отказ от аналоговой модуляции и переход к чисто цифровой обработке входных сигналов, а побочным следствием — разрастание номенклатуры однобуквенных «классов усиления».

В 1998 году основанная Адья Трипати компания Tripath выпустила полностью цифровой интегральный УМЗЧ класса D с заявленными показателями качества, приближавшимися к показателям «обычных» усилителей высокой верности. Новые микросхемы пошли в продажу под вывеской «класса Т» и получили в целом положительные отзывы прессы и радиолюбителей. Усилитель Tripath TA2020 вошёл в список «25 микросхем, которые потрясли мир» журнала IEEE Spectrum, а сама компания прекратила существование в 2007 году, не выдержав конкуренции с крупными производителями. За «классом T» последовали «класс J» компании Crown International, «класс TD» компании Lab.gruppen, «класс Z» компании Zetex и радиочастотный «класс M» компании PWRF. Обозреватель журнала EDN Пол Рейко заметил, что «cочинение новых ”классов усилителей” — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компании больше вреда, чем пользы … хотите новый класс усиления — купите Allen-Bradley (производитель ракеты Tomahawk) и изобретите заново класс AB».

 

Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …

 

Класс G c переключением

 

Следящий класс G и класс Н

 

Гибридный класс D («класс TD»)

 

Гибридный класс D

 

Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Боольшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40%). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспроизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер. По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением.

Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера, выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую». С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012) и Боб Корделл (2011). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель).

Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания. В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений. За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D», «класса TD» или «следящего класса D», «класса A/H», «класса К» (от Корея) и т.п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ.

 

Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …

 

Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98%, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80%. К 2000 году то же значение КПД в 80% стало нормой для диапазона 900 МГц. На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С.

В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E». При выключении транзистора ток через него должен уменьшится до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, а при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35% до 15% потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30% периода несущей частоты.

Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ. harmonic reactance amlifier), HCA (англ. harmonic control amplifier) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F-1 («обратный», или «инверсный», F) и т.п.

Еще одна статья по классам усиления

Простой усилитель класса Д

Как известно, усилители мощности звуковой частоты делятся на разные классы. Усилители, работающие в классе «А» могут обеспечить приличное качество звучания музыки за счёт высокого тока покоя, однако у них крайне низкий КПД, они потребляют много тока и требуют хорошего охлаждения.
Простой усилитель класса Д
Усилители класса «В», наоборот, очень экономичны, но они вносят в сигнал довольно много нелинейных усилителей. Самый распространённый класс – «АВ», как видно по его названию, представляет собой что-то среднее между «А» и «В». Он потребляет не так уж много и позволяет воспроизводить аудио-сигнал с достаточно неплохим качеством. Однако таким усилителям, особенно когда мощность уже исчисляется десятками ватт, всё равно необходим радиатор для охлаждения. Именно поэтому в последнее время большую популярность приобрели усилители класса «Д». Они имеют большой КПД (80-90%) и могут обходиться без радиатора даже при мощности в пару десятков ватт, обеспечивая при этом вполне приличное качество звука. Одна из таких схем представлена ниже.

Схема усилителя


Простой усилитель класса Д
Её основой является довольно распространённая в последнее время микросхема MP7720, она обеспечивает выходную мощность до 20 ватт. Напряжение питания лежит в широких пределах – от 7 до 24 вольт. Чем больше напряжение – тем большую мощность можно получить на выходе. D2 на схеме – стабилитрон на 6,2 вольта, например, 1N4735A. D1 – диод шоттки на напряжение минимум 30 вольт и ток 1 ампер. Подойдёт, например, 1N5819. L1 – дроссель индуктивностью 10 мкГн, подойдёт любой тип дросселя. С9 – разделительный конденсатор, он подключается последовательно с динамиком и срезает постоянную составляющую сигнала на выходе. Именно поэтому даже при неправильной сборке на выходе усилителя не будет постоянного напряжения и за динамик можно не беспокоится. Вывод 4 микросхемы отвечает за её состояние – включена она или выключена. Если напряжение на этом выводе близко к нулю, усилитель не заработает. Именно поэтому на схеме имеется стабилитрон D3 на напряжение 4,7 вольта, можно применить, например, 1N4732A. Все электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение, минимум в 1,5 раза превышающее напряжение питания. Больше никаких особенностей схема не имеет, достаточно её правильно собрать, и она сразу начнёт работать.
Простой усилитель класса Д

Сборка усилителя класса D


Как обычно, в первую очередь изготавливается печатная плата, её размеры составляют 45х30 мм. Данный усилитель предполагался как самый экономичный и миниатюрный, поэтому все элементы расположены достаточно плотно друг к другу для экономии места, а микросхема в SMD исполнении припаивается со стороны дорожек. Печатная плата выполняется методом ЛУТ, ниже представлено несколько фотографий процесса.
Простой усилитель класса Д
Простой усилитель класса Д
При лужении дорожек нужно быть очень осторожным, чтобы случайно не замкнуть их излишками припоя. После лужения первым делом припаиваем микросхему, а затем уже остальные детали с другой стороны платы. Для подключения всех проводов на плате предусмотрено место под клеммник. После завершения пайки стоит проверить соседние дорожки на замыкание, удалив перед этим остатки флюса с платы. Особое внимание стоит удалить площадке под микросхемой, под ней не должно оставаться жидкого флюса, который может навредить правильной работе усилителя.
Простой усилитель класса Д
Простой усилитель класса Д

Первое включение и испытания


Перед первым включением нужно поставить в разрыв питающего провода амперметр. Затем, подав питание, посмотреть на показания амперметра – без подачи на вход сигнала микросхема не должна потреблять больше 10 мА. Если ток покоя в норме, можно подключать динамик, подавать на вход сигнал, например, с плеера, компьютера или телефона и испытывать усилитель под нагрузкой. Даже при большой громкости микросхема не должна ощутимо нагреваться. На первый взгляд это кажется поразительным – такая маленькая микросхема спокойно обеспечивает мощность на выходе в десяток ватт, совершенно при этом не нагреваясь. Всё дело в том, что она превращает обычный аналоговый аудио-сигнал в последовательность импульсов, которые затем усиливаются. Транзисторы при этом работают не в линейном, а ключевом режиме, что позволяет обойтись без радиатора. Усилитель является монофоническим, значит для воспроизведения стерео сигнала придётся собрать второй такой же. Такую маленькую плату можно встроить куда угодно, она является просто незаменимой при построении различных портативных колонок, которые работают от аккумулятора. Удачной сборки.
Простой усилитель класса Д

Смотрите видео


У истоков усиления в классе D

Датская компания ICEpower была основана в 1999 году как совместное предприятие с широко известным производителем элитной аудио- и видеотехники Bang & Olufsen. На сегодняшний день бренд ICEpower хорошо известен во всем мире, в том числе и в России. ICEpower — динамично развивающаяся компания, являющаяся лидером в создании современных усилителей, работающих в классе D. Рекордная производительность, высокая плотность передачи акустической энергии и энергоэффективность — три составляющих успеха ICEpower на рынке.

Основа усилителей ICEpower — аналого-цифровое ядро собственной разработки, выполненное в форм-факторе отдельной микросхемы. Компания имеет десятки патентов на оригинальные решения в области обработки аудиосигнала. Продукция ICEpower отлично зарекомендовала себя во множестве совместных с грандами индустрии проектов. Клиентами и партнерами ICEpower являются такие известные компании, как Bang & Olufsen, Asus, Bowers & Wilkins, Pioneer, Alpine, Samsung, Audi и др.

Технологии

Отличительная особенность компании ICEpower — новаторский подход к разработке усилителей класса D. В ее усилителях осуществляется обработка аналогового сигнала, отсюда и название технологии ICEpower — «аналоговый класс D» (analogue Class D) или «аналоговое переключение» (analogue switching). В отличие от обычной техники получения ШИМ-сигнала при помощи генератора треугольных импульсов, в технологии ICEpower используется автогенератор, охваченный множеством обратных связей, что обеспечивает стабильно высокое качество звука вне зависимости от характеристик нагрузки. Ключевые технологии ICEpower называются COM/MECC, НСОМ и DualLoop3. Включение в систему обратной связи сигнала непосредственно с выхода усилителя (после фильтра) позволяет добиться чрезвычайно низкого выходного импеданса и приводит, в частности, к очень точной проработке низкочастотного спектра, даже лучшей, чем достигается в классе AB.

В большинстве случаев усилители ICEpower интегрируются с высококачественным импульсным источником питания ZVS/ZCS собственной разработки. Тем самым для проектировщиков аудиосистем снимается ряд проблем, связанных с выбором или созданием подсистемы питания усилительной части.

Продукция

ICEpower выпускает законченные модули мощных высококачественных аудиоусилителей, выполненные в форм-факторе печатных плат. Типовая плата включает специализированный процессор в виде интегральной микросхемы ICEpower, силовые ключи, конденсаторы, фильтры и другие дискретные компоненты, а также сетевой источник питания. Компания делает усилители с различным числом каналов и широким диапазоном выходной мощности.

Усилители ICEpower характеризуются исключительным качеством и верностью звуковоспроизведения, высокими значениями удельной мощности и КПД, а также малыми габаритами и массой. Это определяет их повсеместное использование в области профессионального аудио и в потребительском сегменте Hi-Fi. Ассортимент выпускаемых усилителей позволяет разработчику или системному интегратору быстро получить конечное решение с необходимым числом каналов усиления и требуемой выходной мощностью, с мостовой или полумостовой конфигурацией выходных каскадов.

Семейства усилителей ICEpower оптимизированы для определенного круга конечных изделий. Серии A и ASP будут отличным выбором для построения мощных усилителей или активной акустики для концертных залов. Серия ASX2 оптимальна для стереофонических усилителей в потребительском сегменте аудиотехники Hi-Fi. Усилители серий 150ASH7 и ICEmatch прекрасно подойдут для домашнего кинотеатра и других многоканальных решений.

Серии A и ASP

Высокая надежность работы и отличная стойкость к механическим и вибрационным воздействиям в сочетании с большой выходной мощностью выгодно отличают это семейство на рынке профессионального звуковоспроизведения, в том числе и для автомобильного сегмента.

Серия A включает модули мощностью 250, 500 и 1000 Вт, которые требуют питания ±12 В и отдельного питания выходного каскада. На платах имеются логические входы выключения звука (MUTE) и переключения в режим ожидания (STANDBY), также возможно подключение монитора для контроля работы. Усилители оснащены балансным входом, оптимизированным для дифференциального сигнала.

Серию ASP образуют усилители мощностью 250, 500 и 1000 Вт со встроенным источником питания от сети 110 / 220 В, который может снабжать энергией дополнительные каналы усиления, построенные на модулях серии A или серии АС. Каналы усилителей серии ASP фактически аналогичны усилителям серии A соответствующей мощности. При этом каждый модуль ASP также обеспечивает питание ±12 В.

Сочетание серий A и ASP обеспечивает гибкий модульный подход к разработке конечного продукта. Это упрощает разработку целой линейки конечных изделий, начиная с обычного усилителя для сабвуфера и заканчивая трехканальной активной акустической системой. Основные области применения устройств серий А / ASP — активные колонки для студий и концертных залов, активные сабвуферы, стереофонические усилители большой мощности.

Серия ASC

Модули 200ASC, 200AS и 200SC представляют бюджетную серию компании ICEpower, имеющую сбалансированные характеристики по мощности и качеству звуковоспроизведения. Они предназначены для работы в сабвуферах, внешних усилителях для электромузыкальных инструментов (комбиков), в активных акустических системах широкого назначения, а также в системах озвучивания помещений и залов. Усилители семейства ASC имеют относительно низкую стоимость, что делает их привлекательными для построения оконечных высококачественных аудиосистем.

Модуль 200ASC содержит 200-ваттный усилитель и импульсный блок питания мощностью 310 Вт. Кроме основного выхода 47 В для снабжения энергией усилителя, блок питания обеспечивает дополнительное выходное напряжение 12 В, а также имеет выход для подключения дополнительных каналов усиления. 200AC — отдельная плата усилителя мощностью 200 Вт, такого же, как в модуле 200ASC. Она спроектирована специально для использования в качестве дополнительной при совместной работе с модулями 200ASC, 250ASP и 500ASP. Вход звукового сигнала дифференциальный, аналогичный серии A, диапазон напряжений питания от 22 до 50 В. 200SC — отдельный блок питания модуля 200ASC. Наличие раздельных блоков питания и усиления предоставляет разработчику дополнительные возможности по оптимизации устройства в тех случаях, когда имеются пространственные ограничения при компоновке конечной системы.

Серия ASX2

Серия ASX2 включает усилители с двумя полумостовыми каналами и встроенным сетевым источником питания. Два полумостовых выхода могут конфигурироваться в один мостовой выход. Исключение составляет усилитель 50ASX2 — для него выпускаются две версии: полумостовая 50ASX2SE и мостовая 50ASX2BTL.

Вход усилителей этой серии — однополярный, при включении в мостовом режиме он становится балансным. Во всех моделях имеется логический вход отключения усилителя, а также логические выходы мониторов перегрева и перегрузки по току. Кроме того, присутствуют выходы нестабилизированного напряжения ±24 В с нагрузочной способностью примерно 200 мА, достаточного для построения предварительного усилителя или ЦАПа.

Интересной особенностью усилителей ASX2 является возможность перераспределения мощности между каналами путем включения ассиметричной нагрузки. При включении симметричной нагрузки ее минимальное сопротивление должно быть не менее 3 Ом, однако если на одном из каналов сопротивление нагрузки не менее 6 Ом, то на другом можно включить нагрузку 2 Ом.

Усилители серии ASX2 обеспечивают качество звучания, достойное внимания настоящих аудиофилов, и перекрывают диапазон выходной мощности от 25 до 630 Вт. Показатели удельной мощности для усилителей этого семейства достигают значений свыше 1 Вт/см3, при этом не требуется применение дополнительного теплоотводящего радиатора и экранирования. Модули ASX2 будут отличным выбором при построении высококачественного стереоусилителя, активной акустики, студийных мониторов.

Серия ICEmatch

Серия ICEmatch состоит из сетевого блока питания 400SM мощностью 400 Вт и двухканального усилителя 80AM2. Один модуль 400SM может обслуживать до восьми модулей 80AM2, предоставляя, таким образом, широкие возможности для построения разнообразных конечных устройств, от высококачественного стереофонического усилителя до многоканального студийного монитора. 400SM обеспечивает основную шину питания и каналы вспомогательных выходных напряжений +5 В, ±12 В. Кроме того, у него имеется ряд дополнительных выводов для управления режимом работы блока питания и индикации его состояния. В режиме ожидания 400SM потребляет не более 0,2 Вт.

80AM2 — законченный компактный усилитель с выходной мощностью 2 x 80 Вт в полумостовом включении на нагрузке 4 Ом и до 160 Вт в мостовой схеме включения на нагрузке 8 Ом. Аппарат оснащен балансным входом, питание силового каскада до ±36 В.

Серия ICEmatch обеспечивает пользователю расширенные возможности управления и мониторинга. Для этого модуль 400SM имеет две дополнительные шины. Одна из них предназначена для модулей 80AM2, другая — для контроля предусилителей.

Область применения устройств серии ICEmatch — многоканальные усилители, включая оборудование для домашних кинотеатров, активные акустические системы, студийные мониторы.

ICEtheater7 — идеальное решение для домашнего кинотеатра

ICEtheater7 — одна из последних разработок высококачественной аудиотехники класса Hi-Fi для профессиональных и домашних аудиосистем. Новый семиканальный усилитель выполнен на базе третьего поколения микросхем ICEpower и имеет ряд уникальных для усилителей класса D технических характеристик, например, полосу пропускания шириной 120 кГц, включая 20 кГц на полной выходной мощности, в сочетании с чрезвычайно низкими искажениями и шумами. Новаторские технологии гарантируют исключительную реалистичность воспроизведения саундтреков. Встроенный сетевой источник питания обеспечивает выходную мощность до 120 Вт на канал (при одновременной загрузке всех каналов). Усилитель имеет балансные входы с дополнительной защитой от электростатики.

Компактный низкопрофильный дизайн модулей ICEtheater открывает новые возможности в области разработки малогабаритных домашних кинотеатров и многоканальных автомобильных аудиосистем класса Hi-Fi. Общий КПД встроенного источника питания и канальных усилителей превышает 80%, что снимает традиционные проблемы с отводом избыточного тепла.

Модуль управления питанием ICExtend

Современные нормы Европейского союза требуют, чтобы электрические устройства в режиме ожидания (Standby) потребляли не более 0,5 Вт. ICExtend является решением компании ICEpower®, которое удовлетворяет данному требованию.

Модуль ICExtend представляет собой силовой интерфейс, обеспечивающий управление питанием модулей усилителей ICEpower, включая выбор необходимого напряжения сети (110 или 220 В). Кроме того, он имеет вспомогательный источник питания 5 В с выходным током до 1 А. В состоянии ожидания модуль ICExtend потребляет не более 0,2 Вт, обеспечивая при этом дополнительный канал напряжением 5 В и током до 50 мА.

Управление осуществляется при помощи реле, служащих для коммутации сетевого входа с сетевыми выходами. Модуль ICExtend способен управлять питанием трех потребителей суммарной мощностью свыше киловатта. Для предотвращения повреждения реле при коммутации сетевого напряжения предусмотрено ограничение броска тока.

Имеются три канала управления включением / выключением модуля ICExtend: триггер 12 В, триггер 3—5 В, сенсор аудиосигнала. Триггеры включают модуль по логике «исключающее ИЛИ». При наличии высокого уровня одновременно на обоих входах триггеров модуль переходит в режим ожидания вне зависимости от наличия аудиосигнала. В том случае, если на обоих входах триггеров присутствует низкий уровень напряжения, управление передается сенсору аудиосигнала, состоящему из детектора сигнала и таймера. При отсутствии аудиосигнала в течение более 13 минут сенсор дает команду на переход модуля в режим ожидания. При появлении звукового сигнала происходит включение модуля ICExtend. Для индикации состояния ICExtend имеются два регулируемых выхода для подключения светодиодов.

ICExtend совместим с усилителями серий ASX2 и ASP, а также с модулем ICEtheater7. При этом необходимо учитывать, что функция автоматического выбора напряжения сети работает только с модулями усилителей ICEpower серий ASX2 и ICEtheater7. У модулей серии ASP выбор напряжения производится посредством ручной установки перемычки в нужное положение. Модули серий ASC и ICEmatch отличаются присутствием встроенных функций энергосбережения, поэтому их совместное использование с модулем ICExtend нецелесообразно.

Дополнительную информацию об усилителях ICEpower, включая документацию, руководство пользователя, а также новости фирмы, можно найти на сайте официального дистрибьютора продукции ICEpower в России — компании «ЭФО»: www.sound-power.ru.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о