Klasa T, czyli nowe i najnowsze wzmacniacze mocy, cz. 1 (222KB).pdf

agazyn

dodatek

lektroniki

miesięcznika

żytkowej

Poznać i zrozumi eć sprzęt

Misją Magazynu Elektroniki

Użytkowej (MEU) jest zagwaranto−

wanie Czytelnikom EdW minimum

wiedzy o elektronicznym sprzęcie

używanym przez współczesnego

człowieka w życiu codziennym.

Są zagadnienia, których elektro−

nikowi po prostu nie wypada nie

znać. Właśnie rolą MEU jest dostar−

czyć Ci minimum wiedzy o tema−

tach i terminologii będącej w

powszechnym użyciu. Musisz się

w tych sprawach orientować, cho−

ciażby po to, żeby zachować autory−

tet guru elektronicznego w kręgu

najbliższych Ci osób. Traktujemy

też MEU jako wstępną lekturę,

która ułatwi Ci rozumienie artyku−

łów w pismach specjalistycznych,

takich jak AUDIO, ŚWIAT RADIO,

ESTRADA I STUDIO, itp.

Konstrukcja MEU jest bardzo

prosta − opiera się na czterech wąt−

kach:

* Aktualności − wiadomo, że słu−

żą "trzymaniu ręki na pulsie", żeby

zawsze wiedzieć o wszystkich

nowinkach;

* O tym się mów i − rozjaśnia

zagadnienia, o których w ostatnim

czasie jest bardzo głośno;

* To warto wiedzieć − wyjaśnia

zagadnienia, których − szczerze

mówiąc − elektronikowi nie wypada

nie znać i nie rozumieć;

* Leksykon − ma przygotować

Czytelników EdW do lektury pism

specjalistycznych.

W tym numerze przedstawiamy

najważniejsze informacje o klasach

wzmacniaczy, także tych najnow−

szych, oraz wyjaśniamy − co to jest

RDS.

To warto wiedzieć

Kllasa T,,

czyllii

nowe i najjnowsze

wzmacniiacze mocy

część 1

Szkolne podręczniki zawierają in−

formacje o wzmacniaczach klas

A, B i C. Co jednak ma zrobić elek−

tronik, gdy napotka informację

o wzmacniaczach pracujących

w klasie G, H, E, S lub T? Co to za

wzmacniacze? Gdzie szukać in−

formacji na ich temat?

Jednym z prostszych rozwiązań

jest sięgnięcie do niniejszego,

dwuczęściowego artykułu, który

obszernie opisuje spotykane obe−

cnie klasy wzmacniaczy mocy.

Klasa wzmacniacza − domyślnie: wzmac−

niacza mocy audio − określa przede wszyst−

kim działanie (niekiedy także budowę) jego

stopnia wyjściowego. Klasa wzmacniacza nic

nie mówi o elementach czynnych, użytych do

jego budowy (lampy, tranzystory bipolarne,

IGBT MOSFET). Przykładowo, wzmacniacz

klasy A może być zbudowany z wykorzysta−

niem lamp bądź dowolnych tranzystorów. Jak

się okazuje, klasyfikacja w istocie opiera się

na... długości czasu. Ta intrygująca informa−

cja o czasie zostanie stopniowo wyjaśniona

w dalszej części artykułu, w trakcie omawia−

nia poszczególnych klas.

więcej tak, jak na rysunku 1 . Na wejście (siat−

kę lampy) podawany był niewielki napięciowy

sygnał audio. Sygnał ten, wzmocniony w lam−

pie, występował na głośniku. To, że na głośni−

ku występują wzmocnione przebiegi (napięcio−

we) podawane na wejście, jest oczywiste. Tak

działa każdy wzmacniacz i nie ma tu nic godne−

go uwagi. Przy omawianiu poszczególnych

klas potrzebna jest informacja, co dzieje się

z prądem (prądami) w stopniu wyjściowym.

Rys. 1 Prosty wzmacniacz lampowy

Przez lampę i uzwojenie pierwotne trans−

formatora z rysunku 1 przepływał jakiś

znaczny spoczynkowy prąd stały. Sygnał au−

dio modulował ten prąd spoczynkowy –

przykładowy przebieg prądu lampy pokaza−

ny jest na rysunku 2 . Jak widać, podczas

normalnej pracy prąd nie powinien zmniej−

szać się do zera. Przez element czynny

(w tym wypadku lampę) prąd powinien pły−

Klasa A

Pierwsze wzmacniacze mocy audio (power au−

dio amplifiers) zawierały jedną lampę elektro−

nową, a stopień wyjściowy wyglądał mniej

Elektronika dla Wszystkich

M E U

To warto wiedzieć

nąć przez cały czas. I to właśnie jest wzmac−

niacz klasy A – prąd płynie przez element

czynny nieprzerwanie.

Już tu trzeba podkreślić, że na rysunku 2

zaznaczono przebieg prądu w stopniu wyj−

ściowym , natomiast podobne kształtem krzy−

we z rysunku 1 pokazują przebiegi napi ęć

wejściowego i wyjściowego. Jak widać,

przebieg prądu w stopniu wyjściowym odpo−

wiada przebiegom napięć.

kazany jest on w uproszczeniu na rysunku

6a . Takie wzmacniacze, z tranzystorami ger−

manowymi PNP, były budowane na początku

ery tranzystorowej. Potem pojawiły się inne

konfiguracje obwodów wyjściowych, nie za−

wierające dużego i kosztownego transforma−

tora wyjściowego. Kolejne wersje pokazane

są na rysunkach 6b...6f . Obecnie wykorzy−

stywane są przede wszystkim konfiguracje

z rysunku 6e i 6f oraz pochodne.

wany w praktyce) obwód polaryzacji tranzy−

storowego stopnia wyjściowego. W rzeczy−

wistości układy takie mają dodatkowe nie−

wielkie rezystory emiterowe według rysun−

ku 7b . W stanie spoczynku (przy braku sy−

gnału audio) przez tranzystor T1 płynie jakiś

prąd stały I P . Prąd ten wywołuje jakiś spadek

napięcia na rezystancji Rx. Pomijamy tu prą−

dy baz, upraszczamy problem napięć, zakła−

dając, iż na bazach i emiterach tranzystorów

T2, T3 napięcie jest równe połowie napięcia

zasilającego (tak jest w rzeczywistych

wzmacniaczach), czyli przez głośnik nie pły−

nie prąd (I G =0). Interesować nas teraz będzie

jedynie spadek napięcia na rezystancji Rx

i związany z tym prąd tranzystorów T2, T3,

oznaczony I S .

Uwaga! Teraz bardzo ważna informacja:

w tym prostym układzie rezystancja Rx wy−

znacza, w jakiej klasie będzie pracował

wzmacniacz .

Jeśli rezystancja ta będzie duża, to przez

oba tranzystory T2, T3 będzie płynął duży

(jednakowy) prąd spoczynkowy. Na

rysunku 7 oznaczony jest on I S . Gdy

pojawi się sygnał audio, chwilowa

wartość prądu będzie się zmieniać

w takt sygnału, a co ważne − prądy

tranzystorów T2, T3 nie będą już jed−

nakowe, bo przez głośnik popłynie

prąd I G .

Jeśli spoczynkowy prąd I S będzie

odpowiednio duży, wtedy w żadnej

chwili prądy tranzystorów nie zmaleją

do zera – wzmacniacz będzie pracował

w klasie A. Przykładowe napięcia spoczyn−

kowe (względem masy) oraz przebiegi prądu

obu elementów czynnych podczas przy pracy

w klasie A pokazuje rysunek 8a . W pierw−

szej chwili zdziwienie może budzić fakt, że

prąd tranzystora T3 zaznaczono jako ujemny

– wyjaśni się to już przy omawianiu klasy B.

Natomiast rysunek 8a pokazuje najważ−

niejszy fakt: we wzmacniaczu klasy A ele−

ment, bądź elementy czynne przewodzą

prąd przez cały czas .

Ogólnie znaną zaletą wzmacniaczy klasy

A są małe zniekształcenia, natomiast poważ−

ną wadą – mała sprawność energetyczna, rzę−

du 10...20%. W praktyce oznacza to koniecz−

ność stosowania dużych zasilaczy i ogrom−

nych radiatorów.

Na marginesie można wspomnieć o pew−

nych błędnych wyobrażeniach. Niektórzy

niezorientowani elektronicy uważają, że

wzmacniacz klasy A musi być zbudowany

z pojedynczych elementów (lamp, tranzysto−

rów), a nie układów scalonych. Choć rzeczy−

wiście ogromna większość wzmacniaczy kla−

sy A jest budowana z elementów dyskret−

nych, jednak, jak wykazano, pojęcie klasy

nie ma prawie nic wspólnego z budową, a je−

dynie z faktem, że prąd przez elementy czyn−

ne płynie przez cały czas.

Rys. 2 Przebieg prądu we wzmacniaczu

klasy A

Rys. 5 Wzmacniacz symetryczny

Wzmacniacz klasy A można też zbudo−

wać z użyciem tranzystorów, jak pokazuje

rysunek 3 .

Rys. 3 Tranzystorowe wzmacniacze

klasy A

W praktyce dość często buduje się

wzmacniacze klasy A o stałym poborze prą−

du, oznaczane single ended class A . Różnica

w budowie w stosunku do schematów z ry−

sunku 3b, 3c polega na zastosowaniu źródła

prądowego zamiast rezystora – pokazuje to

rysunek 4 .

Rys. 6 Tranzystorowe stopnie końcowe

Rys. 4 Wzmacniacz class A sigle ended

O ile wzmacniacze z rysunków 1, 3, 4

z natury muszą pracować w klasie A, o tyle

budowa stopni wyjściowych zrysunków 5 i6

nie mówi absolutnie nic o klasie wzmacnia−

cza . Na zamieszczonych uproszczonych

schematach nie zaznaczono obwodów pola−

ryzacji. Tymczasem muszą one występować

w każdym wzmacniaczu i to właśnie one de−

cydują o klasie wzmacniacza. Rysunek 7 po−

kazuje bardzo uproszczony (nigdy nie stoso−

A, B, C...

Zastosowanie dwóch lamp i transformatora

z dzielonym uzwojeniem pierwotnym po−

zwala zbudować wzmacniacz symetryczny

według rysunku 5 . Zamiast lamp można wy−

korzystać tranzystory i zbudować tranzysto−

rowy odpowiednik układu z rysunku 5 – po−

M E U

Elektronika dla Wszystkich

To warto wiedzieć

nie) wzmacniacz klasy

B pozwala uzyskać na ob−

ciążeniu (głośniku) prawi−

dłowy, niezniekształcony

sygnał i to przy stosunko−

wo dużej sprawności ener−

getycznej, wynoszącej

niemal 80%.

W praktyce okazuje

się jednak, iż przy ma−

łych sygnałach występują

znaczne zniekształcenia,

dlatego wzmacniaczy au−

dio pracujących w “czy−

stej” klasie B nigdy się

nie spotyka.

ne, albo całkowicie zamykane, układ bę−

dzie pracował w klasie D . Wbrew pozorom,

jest to użyteczny tryb pracy. Stosując między

wzmacniaczem a głośnikiem prosty filtr LC

można uzyskać prawidłowy niezniekształco−

ny sygnał. Pod warunkiem jednak, że otwie−

ranie i zmykanie będzie odbywać się z czę−

stotliwością kilka− bądź kilkunastokrotnie

większą od najwyższej częstotliwości sygna−

łu audio i że współczynnik wypełnienia im−

pulsów będzie proporcjonalny do chwilowej

wartości sygnału audio.

We wzmacniaczu klasy D elementy czynne

pełnią jedynie rolę kluczy (otwarty/zamknię−

ty) i dlatego zazwyczaj stopień wyjściowy

zawiera tranzystory MOSFET. Wzmacniacz

klasy D jest więc przetwornikiem (chwilowej

wartości) napięcia na współczynnik wypeł−

nienia impulsów o ponadakustycznej często−

tliwości. Przykładowe przebiegi napięć na

wyjściu tranzystorowego “siekacza” oraz za

filtrem LC pokazane są na rysunku 8d . Ry−

sunek 9 pokazuje zasadę działania wzmac−

niacza klasy D.

Ponieważ tranzystory wyjściowe są albo

w pełni otwarte, albo zamknięte, nie wy−

dziela się w nich moc strat. Teoretyczna

sprawność wzmacniacza klasy D wynosi

100%, co znaczy, że cała moc pobrana z za−

silacza jest doprowadzana do głośnika.

W praktyce wzmacniacze klasy D osiągają

sprawność 90...95%, co i tak jest rewelacyj−

nym wynikiem w porównaniu ze spraw−

nością wzmacniacza klasy B, wynoszącą

teoretycznie 78%, oznacza bowiem kilku−

krotne zmniejszenie mocy strat (i wielko−

ści radiatorów).

Wzmacniacz klasy D można słusznie

nazwać wzmacniaczem impulsowym

( switching power amplifier ). Często spoty−

ka się także określenie PWM amplifiers ,

gdzie PWM to Pulse Width Modulation,

czyli modulacja szerokości impulsu.

Znacznie mniej trafne, za to częściej stoso−

wane ze względów reklamowych jest okre−

ślenie wzmacniacz cyfrowy ( digital ampli−

fier ). Słowo cyfrowy (D jak digital ) kojarzy

się z wysoką jakością, tymczasem wzmac−

niacze klasy D wcale nie wyróżniają się

szczególnie dobrą jakością. Ich najważniej−

szą zaletą jest wysoka sprawność energetycz−

na, przez co możliwa jest daleko posunięta

miniaturyzacja (małe radiatory), a bateryjne

wzmacniacze klasy D pozwalają przedłużyć

żywotność baterii nawet trzykrotnie.

Rys. 7 Uproszczony stopień wyjściowy

Klasa C

Jeśli rezystancja Rx byłaby jeszcze

mniejsza, na przykład równa zeru, wtedy

nie tylko w spoczynku, ale i przy małych

sygnałach żaden z tranzystorów nie będzie

przewodził. Przykładowe (niezbyt realne,

ale ilustrujące zasadę działania) napięcia

i prądy pokazuje rysunek 8c . I właśnie to

jest przykład wzmacniacza klasy C, gdy

dany element czynny przewodzi prąd

krócej niż przez 50% cyklu .

W klasie B możliwe jest (przynajmniej

teoretycznie) uzyskanie na wyjściu sy−

gnału o kształcie dokładnie takim samym,

jak na wejściu.

Rys. 8a Klasa A

Klasa B

Jeśli rezystancja Rx z rysunku 7 zostanie tak

dobrana, by w spoczynku (przy braku sygnału)

oba tranzystory nie przewodziły prądu, ale by−

ły na granicy przewodzenia, wtedy wzmac−

niacz będzie pracował w klasie B. Po pojawie−

niu się sygnału zmiennego tranzystory będą

włączane na przemian. Podczas pracy wzmac−

niacza klasy B każdy z dwóch elementów

czynnych przewodzi prąd dokładnie przez

50% cyklu . Przykładowe napięcia spoczynko−

we i przebiegi prądu podczas pracy pokazuje

rysunek 8b . Początkujący powinni koniecznie

zwrócić uwagę na fakt, że prąd każdego z tran−

zystorów jest inny. Ściślej biorąc, dopiero “zło−

żenie” obu prądów przypomina przebieg wej−

ściowy. Dzięki temu (przynajmniej teoretycz−

Rys. 8c Klasa C

We wzmacniaczu klasy C jest to niemoż−

liwe, bo “obcięte” przebiegi prądu zupełnie

nie przypominają przebiegu wejściowego.

Sygnał wyjściowy na pewno jest bardzo sil−

nie zniekształcony, na mniejsze sygnały

w ogóle przezeń nie przechodzą. Oczy−

wiście wzmacniacze klasy C nie są wy−

korzystywane w technice audio (stoso−

wane są tylko w układach alarmowych,

gdzie ważna jest głośność a nie

zniekształcenia oraz w układach

w.cz., zazwyczaj we współpracy

z obwodem rezonansowym).

Rys. 8b Klasa B

Rys. 8d Klasa D

Klasa D

Jeśli oba tranzystory będą na

przemian albo całkowicie otwiera−

Elektronika dla Wszystkich

M E U

To warto wiedzieć

Wzmacniacze klasy D nie realizują więc

“odwiecznego” marzenia audiofilów: jedno−

cześnie wysokiej wierności odtwarzania i du−

żej sprawności energetycznej. O ile spraw−

ność jest rzeczywiście imponująca (często

przekracza 90%), o tyle zniekształcenia nieli−

niowe i intermodulacyjne są rzędu 1%, co

w urządzeniach wyższej klasy jest nie do

przyjęcia.

dy polaryzacji wzmacniacza klasy AB tak,

by tranzystory nigdy nie zostały zatkane,

a prąd nie był nigdy mniejszy od jakiejś

wartości I min . Przebiegi napięć i prądów wy−

glądałyby wtedy jak na rysunku 8f . Nie

można tego zrealizować w typowych ukła−

dach polaryzacji pracujących na zasadzie

pokazanej na rysunku 7, bo mówiąc w naj−

większym uproszczeniu, do zatkania tranzy−

stora wystarczy mniejsza różnica

napięcia niż do jego otwarcia.

Można to jednak zrealizować zu−

pełnie inaczej, na przykład na za−

sadzie pokazanej w wielkim upro−

szczeniu na rysunku 10 . Przez

końcówki wzmacniacza operacyj−

nego U1 płynie jakiś prąd spo−

czynkowy I P . Wywołuje on na re−

zystorach R5, R6 spadek napięcia,

który nieco otwiera tranzystory

T3, T4, powodując przepływ prą−

du spoczynkowego I S . Pojawienie

się zmiennego napięcia wejścio−

wego powoduje przepływ prądu

przez rezystor R7. Prąd ten prze−

pływa albo przez R5, albo przez

R6 i otwiera jeden z tranzystorów

mocy T3, T4.

Spotyka się takie wzmacnia−

cze – tak z grubsza biorąc, zbu−

dowany jest wzmacniacz Vellemana

o oznaczeniu K4010.

Rys. 8f Modyfikowana klasa AB

Rys. 9 Wzmacniacz klasy D

Klasy pośrednie

Wzmacniacze klasy A są wykorzystywane

rzadko, a wzmacniacze “czystej” klasy B –

nigdy. Ogromna większość typowych

wzmacniaczy mocy audio pracuje w tak zwa−

nej klasie AB. Stopnie wyjściowe wzmacnia−

cza klasy AB w spoczynku przewodzą jakiś

niewielki prąd – na rysunku 7 odpowiada to

pośredniej wartości Rx pomiędzy klasą A i B.

Każdy tranzystor przewodzi przez czas dłuż−

szy niż połowa cyklu. W rezultacie przy ma−

łych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie

A, przy dużych – podobnie jak w klasie B.

Przykładowe napięcia i prądy pokazane są na

rysunku 8e . Wzmacniacze klasy AB łączą

zalety klas A i B: mają nieduże zniekształce−

nia oraz stosunkowo dobrą sprawność ener−

getyczną, rzędu 50...70%. W zależności od

wartości prądu spoczynkowego mówi się

o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym

większy prąd spoczynkowy, tym mniejsza

sprawność, ale i mniejsze zniekształcenia.

Typowe wzmacniacze (scalone i tranzystoro−

we) pracują przy niewielkich prądach spo−

czynkowych rzędu 20...100mA, podczas gdy

maksymalny prąd tranzystorów w szczytach

wysterowania wynosi kilka amperów.

Powszechnie znana (przytoczona również

w tym artykule) jest opinia, że wzmacniacz kla−

sy A ma małe zniekształcenia, bo elementy

czynne cały czas przewodzą prąd. Wielu elek−

tronikom nasuwa to wniosek, że aby pozbyć się

zniekształceń, wystarczy zmodyfikować obwo−

Rys. 8e Klasy wzmacniaczy

Rys. 10 Nietypowy wzmacniacz klasy AB

Ze względów reklamowych wzmacniacze

tego typu zalicza się do kategorii określanej

jako ekonomiczna klasa A , a czasem nawet

klasa AA . Nie znaczy to, że wzmacniacz taki

można zaliczyć do “prawdziwej” klasy A. Co

prawda warunek ciągłości prądu jest spełnio−

ny, jednak trzeba bardzo wyraźnie podkreślić,

że poziom zniekształceń zależy od wielu

czynników, nie tylko od ciągłości prądu. Mo−

że się okazać, i często okazuje, że dopracowa−

ny wzmacniacz klasy AB z MOSFET−ami da−

je dźwięk zdecydowanie lepszy niż najpraw−

dziwszy wzmacniacz klasy A. Sam fakt, że

stopień wyjściowy pracuje w klasie A nie

świadczy o jakości dźwięku tego wzmacnia−

cza. Właśnie ze względu na fakt, że warunek

ciągłości prądu nie decyduje o wszystkim,

wzmacniacze o właściwościach pokazanych

na rysunku 8f należy zaliczyć do klasy AB.

Określenie klasa A powinno pozostać zare−

zerwowane do układów, gdzie przebieg prądu

(a nie tylko napięcia na obciążeniu) wiernie

odzwierciedla kształt sygnału audio.

Jak wynika z podanych informacji, uzyska−

nie optymalnych właściwości umożliwia klasa

AB. Właściwości te są wynikiem kompromisu

między wadami i zaletami klas A i B. Okazuje

się też, że zniekształcenia można redukować

stosując odpowiednie konfiguracje układowe,

konstrukcyjne oraz elementy: szybkie tranzy−

story, wysokiej jakości rezystory i kondensato−

ry, zwłaszcza kondensatory elektrolityczne.

Rzekomo rewelacyjnie brzmiące wzmacniacze

klasy A zazwyczaj są budowane jedynie dla

ciekawości albo, co gorsza, dla ‘szpanu” przed

znajomymi. Nie cieszą się zbytnią popularno−

ścią, głównie ze względu na koszmarnie wiel−

kie straty cieplne. Właśnie problem mocy

i strat cieplnych stał się bezpośrednią przyczy−

ną opracowania wzmacniaczy klas G i H. To

oraz inne klasy – między innymi E, F, S, T –

zostaną omówione w drugiej części artykułu.

Piotr Górecki

M E U

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: