Усилитель класса d для сабвуфера: преимущества и отличие от других
Усилитель для сабвуфера класса d, выпущенный впервые еще в 1958году, заметно вырос по популярности в последние годы. Что он собой представляет, какие преимущества имеет перед другими типами звуковых усилителей, и почему именно класс D сегодня представляет особый интерес для акустики?
Сейчас мы рассмотрим усилитель класса д для сабвуфера и сравним с другими видами.
Коротко об усилителях
Их функция заключается в воспроизведении входящих сигналов элементами исходящей цепи, с необходимой (усиленной) громкостью и мощностью, при этом с минимальным рассеиванием энергии и как можно меньшими искажениями.
Итак:
- Хороший звукрусилитель должен отличаться высокими характеристиками в широком диапазоне звуковых частот, в области от 20 и до 20000Гц (у узкополосных динамиков, сабвуферов(см.Плоский сабвуфер активный и секреты его выбора) либо высокочастотной головки, диапазон гораздо меньше)
- Его выходная мощность должна варьироваться в широких пределах — от милливатт в ушных телефонах и до нескольких ватт в телевизорах и персональных компьютерах (ПК), все зависит от назначения и области применения, например, десятки ватт для домашней либо автомобильной стереосистемы
- И наконец, применяемые в концертных залах и театрах сотни ватт и более
- Самым простейшим вариантом реализации усилителя звука — применение транзисторов в так называемом «линейном» режиме, это позволяет получать на выходе повышенное напряжение
- Усиление в таком случае обычно большое (40 дБ как минимум)
- Часто применяется отрицательная обратная связь, из-за того, она значительно улучшает качество усиления, снижает искажения и подавляет помехи, идущие от источника питания
Классификация
По способам работы с входящим сигналом и принципам построения усиливающих каскадов инструкция разделяет усилители мощности на:
- Аналоговые, классов А,В,АВ,Н
- Импульсные и цифровые -класса D
Необходимо сразу отметить, что существует многое множество разных классов, например, C, A+, G, DLD, перечислять можно долго:
- Некоторые, типа C (имеют угол отсечки меньше 90градусов) и поэтому в усилении звуков не применяются
- Другие типы оказались либо слишком сложными, либо очень дорогостоящими, либо невероятно громоздкими, поэтому не применяются повсеместно либо были вытеснены наиболее востребованными и перспективными, не дорогими аналогами
Класс А
В приборах класса А не применяется отсечка сигнала на линейных участках вольтамперных характеристик усилительных элементов:
- Что обеспечивает минимальное количество нелинейных искажений, причем и на малых мощностях и при номинальной мощности
- Цена за эти плюсы, внушительная потребляемая мощность, большие размеры и соответственно, вес
- КПД приборов класса А составляет 15-30процентов, а потребляемая ими мощность не зависит от значения выходной мощности
- А мощность рассеяния максимальная при малых сигналах, излучаемых на выходе
Класс В
Тут усилительные элементы уже работают с отсечкой 90градусов:
- Чтобы обеспечить такой режим работы, применяется двухтактная схема, это когда каждая часть (такт) схемы усиливает свою часть (половинку) сигнала
- Основной проблемой звукоусилителей класса В является наличие искажений, возникающих из-за ступенчатого перехода его от одной полуволны сигнала к другой
- При низком уровне входящего сигнала нелинейные искажения получаются максимальными
- Достоинством класса В считается высокий КПД, теоретически он может достигать 78процентов
- Потребляемая мощность пропорциональна выходящей мощности, то есть при отсутствии на входе сигнала мощность потребляемая равна нулю
- Однако, несмотря на это, найти современных моделей усилителей класс В вам вряд ли удастся
Класс АВ
Класс АВ, как понятно из его названия –попытка объединить все достоинства А и В классов, достичь высокого КПД и наиболее приемлемого уровня для нелинейных искажений:
- Чтобы избавиться при переключении усиливающих элементов от ступенчатого перехода применяется угол отсечки больше 90градусов, рабочая точка берется в самом начале линейного участка в вольтамперной характеристике сигнала
- А при отсутствии на входе сигнала не запираются усилительные элементы, тот есть через них протекает «ток покоя», иногда значительный
- От этого снижается коэффициент полезного действия, возникает незначительная проблема со стабилизацией тока покоя, зато существенно снижаются нелинейные искажения
Класс Н
Этот класс был разработан исключительно для автомобилей, в них имеется ограничение напряжения, которое питает выходные каскады:
- Стимулами к созданию класса Н стало то, что природный звуковой сигнал носит импульсный характер, а средняя мощность его получается гораздо ниже пиковой (максимума)
- Фактически в основе его схемы лежит усилитель AB, который включен по мостовой схеме
- Изюминка изобретения- применение специальной схемы для удвоения напряжения питания
- Основным элементом схемы удвоения является накопительный конденсатор с большой емкостью, который подзаряжается постоянно от источника питания
- А на пиках мощности конденсатор этот подключается схемой управления в цепь, последовательно с главным источником питания
- При этом, напряжение питания выходящего каскада усилителя удваивается на доли секунды, позволяя справиться с передачей пикового сигнала
- Однако такой накопительный конденсатор должен иметь достаточно емкости, иначе хорошая выходная мощность будет обеспечена только в области средних и высоких частот
- Подобная идея с коммутированием напряжения питания применяется в других усилителях мощности, не только для автомобилей
- Звукоусилители с двух либо трехуровневым питанием практически являются импульсными усилителями с аналоговым каналом, который всю лишнюю энергию от импульсов превращает в тепло
- Усилители, которые построены по такой схеме, сочетают в себе и дискретные методы усиления и аналоговые, и конечно же, занимают промежуточное положение среди аналоговых и импульсных усилителей по своему КПД и тепловыделению
- В таком усилителе с целью повышения КПД, и снижения тепловыделения применяется дискретное приближение по уровню напряжения питания самого аналогового канала к выходному напряжению
- Происходит повышение КПД за счет снижения падения напряжения в активном плече, если сравнивать с усилителями, имеющими одноуровневое питание
- Отличительной особенностью подобных звукоусилителей является то, что коммутация их ключевых элементов осуществляется с частотой сигнала
- А фильтрация высших гармоник происходит в аналоговой части усилителя путем превращения в тепло энергии гармоник
- Потери тепла в аналоговой части получаются весьма низкими, их в некоторой мере восполняют потери коммутационные и потери в самом фильтре на высокой тактовой частоте
- Есть оптимальное число ступенек напряжения питания, когда усложнение схемы оправдано повышением КПД и снижением стоимости мощных транзисторов в аналоговой части
- КПД в усилителях класса H получается 83процента при коэффициенте искажений 0,1процент
Класс D
Класс D – считается совершенно отдельным, обособленным классом усилителей, доступно изготовление своими руками:
- Логичнее называть их импульсными, но название «цифровой» уж больно прочно за ними закрепилось
- На схеме, фото вверху, видно преобразований происходит с сигналом, для его усиления и очищения помех
- В обычных усилителях выходной каскад на транзисторах, которые обеспечивают нужное мгновенное значение выходящего тока
- В аудиосистемах обычно выходные каскады применяются класса A, B либо AB
- Если сравнивать с выходным каскадом, который работает в D классе, мощность рассеивания в линейных каскадах большая даже в наиболее идеальной реализации
- Усилитель d класса для сабвуфера имеет ощутимое преимущество по многим параметрам вследствие небольшого тепловыделения, заметного уменьшения размеров, стоимости и веса изделий, повышения времени работы устройств
- Поступивший сигнал оцифровывается и попадает в аудио процессор, процессор при помощи широтно-импульсной модуляции управляет полупроводниковыми силовыми ключами
- Могу заметить, что ШИМ-сигнал получают без аналого-цифрового преобразования, при помощи генератора и компаратора, например, пилообразного сигнала
- Этот метод в усилитель для сабвуфера d класса тоже широко применяется, однако благодаря широкому развитию цифровой техники он постепенно отходит Аналого-цифровое преобразование звука обеспечивает множество дополнительных возможностей при обработке звука — от возможности регулировки тембра и уровня громкости, до получения дополнительных цифровых эффектов, например, реверберация, шумоподавление, и многих других
- Сигнал, прошедший через усилитель для сабвуфера класса д, в отличие от других аналоговых усилителей, преобразован в импульсы прямоугольной формы Амплитуда импульсов постоянна, а продолжительность («ширина») изменяется от амплитуды входящего аналогового сигнала
- Частота дискретизации постоянная и может составлять от десятков и до сотен килогерц, все зависит от того, какие требования к усилителю предъявляются
- Импульсы, после их формирования усиливаются с помощью оконечных транзисторов, работающих в ключевом режиме
- Преобразование такого импульсного сигнала снова в аналоговый происходит внутри фильтра низких частот, стоящего на выходе либо в нагрузке
- В целом, усилитель д класса для сабвуфера работает по принципу импульсного блока питания
- Отличие на выходе, после широтно-импульсной модуляции, получается переменное напряжение, а в блоке питания – постоянное
- А по форме оно соответствует входному сигналу
- Чисто теоретически, КПД при этом должен достигать 100процентов, однако, к большому сожалению, сопротивление транзистора хоть и мизерное, но не нулевое
- Поэтому в зависимости от их сопротивления нагрузки, КПД этого типа усилителей может доходить до 90-95%
- Однако при столь хорошей эффективности выходные транзисторы практически не нагреваются, что и позволяет создавать компактные и довольно экономичные эффективные усилители
- Коэффициент искажений, если грамотно построить выходной фильтр может доходить до 0,01%, это превосходный результат
- Искажения увеличиваются при возрастании частоты сигнала, а так же при снижении его частоты дискретизации
- От частоты дискретизации сигнала косвенным образом зависит и выходящая мощность — с возрастанием частоты снижается индуктивность катушек и уменьшаются потери на выходном фильтре
- Как и аналоговые усилители, импульсные тоже разделяются на своеобразные подклассы BD и AD, причем достоинства и недостатки у них тоже похожие
- В классе AD при отсутствии входящего сигнала выходной каскад все равно работает, выдавая разно полярные импульсы с одинаковой длительностью
- С одной стороны это позволяет повысить качество передачи для слабых сигналов, с другой стороны сильно снижает экономичность, плюс порождает технические проблемы
- Например, приходится вести борьбу со сквозным током, возникающим при одновременном переключении транзисторов выходного блока
- Чтобы устранить сквозной ток в выходном каскаде применяется мертвое время, промежуток, между закрыванием первого транзистора и открыванием второго
- На практике находят применение конструкции попроще — усилители BD, в выходном каскаде которых, при отсутствии сигнала генерируются импульсы крайне малой длительности либо вообще пребывает в состоянии покоя
- У этого типа имеют явный основной недостаток – это прямая зависимость уровня искажений от частоты сигнала и частоты дискретизации
- А кроме этого, искажения еще возрастают при малых входящих сигналах
- Звукоусилители класса D, АВ, производятся в интегральном исполнении
- Применяются они в системах трансляции и оповещения, в которых, не уделяют большого внимания достижению особенного качества звука
- Вот в профессиональных системах для звуковоспроизведения класса D применяются как усилители для сабвуферов, именно на низких частотах наше ухо практически не чувствительно к искажениям сигнала
- Раньше от звукоусилителей требовалась надежная работа и неплохое качество звука, а современные модели сегодня дополняются серией сервисных функций, например, компьютерное управление, наличие цифрового входа и программирование встроенного лимитера
- С ростом удешевления цифровых интерфейсов передающих аудио сигналы можно ожидать и рост количества звукоусилителей управляемых дистанционно, и автоматической диагностикой, это, безусловно, расширяет возможности при создании звукоусиливающих комплексов
- С учетом стремительного развития цифровой техники и научной базы сложно предположить, к чему приведет дальнейшее развитие звукоусилителей мощности
Как собрать звукоусилитель любого класса ,лучше посмотреть видео.