Clase de amplificatoare de putere

În electronică, amplificatorul este cel mai frecvent utilizat dispozitiv de circuit cu posibilități imense de aplicare. În electronica audio, preamplificatoarele și amplificatoarele de putere sunt două tipuri diferite de sisteme de amplificare care sunt utilizate în scopuri legate de amplificarea sunetului. Dar, în afară de acest scop specific aplicației, există diferențe uriașe în diferitele tipuri de amplificatoare, în principal în amplificatoarele de putere. Deci, aici vom explora diferite clase de amplificatoare, împreună cu avantajele și dezavantajele lor.

Clasificări ale amplificatoarelor folosind litere

Clasele amplificatorului sunt identitatea performanței și caracteristicilor amplificatorului. Diferite tipuri de amplificatoare de putere oferă răspunsuri diferite la trecerea curentului prin ele. Conform specificațiilor lor, amplificatoarelor li se atribuie diferite litere sau alfabete care reprezintă clasele lor. Există diferite clase de amplificatoare începând de la A, B, C, AB, D, E, F, T etc. Dintre aceste clase cele mai utilizate clase de amplificatoare audio sunt A, B, AB, C. Alte clase sunt amplificatoare moderne care utilizează topologii de comutare și tehnica PWM (Pulse Width Modulation) pentru a conduce sarcina de ieșire. Uneori, versiunii îmbunătățite a claselor tradiționale li se atribuie o literă pentru a le clasifica ca o clasă diferită de amplificator, cum ar fi amplificatorul de clasa G este o clasă de amplificator modificată din clasa B sau amplificatorul de clasa AB.

Clasele amplificatorului reprezintă proporția ciclului de intrare atunci când curentul este trecut prin amplificator. Ciclul de intrare este unghiul de conducere derivat din conducerea undei sinusoidale din intrarea amplificatorului. Acest unghi de conducere este foarte proporțional cu amplificatoarele la timp în timpul unui ciclu complet. Dacă amplificatorul este întotdeauna PORNIT în timpul unui ciclu, unghiul de conducere va fi de 360 ​​de grade. Deci, dacă un amplificator asigură un unghi de conducere de 360 ​​de grade, atunci amplificatorul a utilizat un semnal de intrare complet și elementul activ efectuat în perioada de timp de 100% a unui ciclu sinusoidal complet.

Mai jos, vom demonstra clasele tradiționale de amplificatoare de putere variind de la clasele A, B, AB și C și vom demonstra , de asemenea, amplificatorul de clasă D, care este utilizat pe scară largă în modele de comutare. Aceste clase nu sunt utilizate numai în amplificatorul de putere, ci și în circuitele amplificatoarelor audio.

Amplificator Clasa A

Amplificatorul de clasă A este un amplificator cu câștig mare cu liniaritate ridicată. În cazul amplificatorului de clasă A, unghiul de conducere este de 360 ​​de grade. După cum am menționat mai sus, un unghi de conducere de 360 ​​de grade înseamnă că dispozitivul amplificator rămâne activ pe tot parcursul timpului și utilizează semnalul de intrare complet. În imaginea de mai jos este prezentat un amplificator ideal de clasă A.

După cum putem vedea în imagine, există un element activ, un tranzistor. Particularitatea tranzistorului rămâne ON tot timpul. Datorită acestei funcții de oprire niciodată, amplificatorul de clasă A oferă o stabilitate mai bună a frecvenței înalte și a buclei de feedback. În afară de aceste avantaje, amplificatorul de clasă A este ușor de construit cu o componentă cu un singur dispozitiv și un număr minim de piese.

În ciuda avantajelor și a liniarității ridicate, cu siguranță, are multe limitări. Datorită naturii conductoare continue, amplificatorul de clasă A introduce pierderi mari de putere. De asemenea, datorită liniarității ridicate, amplificatorul de clasă A oferă distorsiuni și zgomote. Sursa de alimentare și construcția de polarizare necesită o selecție atentă a componentelor pentru a evita zgomotul nedorit și pentru a minimiza distorsiunea.

Datorită pierderilor mari de putere din amplificatorul de clasă A, acesta emite căldură și necesită spațiu mai mare pentru radiator. Eficiența este foarte slabă la amplificatoarele de clasă A, teoretic, eficiența variază între 25 și 30% dacă este utilizată cu configurația obișnuită. Eficiența poate fi îmbunătățită folosind configurația cuplată inductiv, dar eficiența în acest caz nu este mai mare de 45-50%, astfel este potrivită doar pentru amplificarea semnalului sau a nivelului de putere scăzut.

Amplificator Clasa B.

Amplificatorul de clasa B este puțin diferit de clasa A. Este creat folosind două dispozitive active care conduc jumătate din ciclul real, adică 180 de grade din ciclu. Două dispozitive asigură unitatea de curent combinată pentru sarcină.

În imaginea de mai sus, a fost prezentată o configurație a amplificatorului Ideal Class B. Se compune din două dispozitive active care se polarizează unul câte unul în timpul semiciclului pozitiv și negativ al undei sinusoidale și astfel semnalul este împins sau tras la nivelul amplificat atât din partea pozitivă cât și din partea negativă și combină rezultatul obținem un ciclu complet pe ieșire. Fiecare dispozitiv a pornit sau a devenit activ jumătate din ciclu și, din această cauză, eficiența se îmbunătățește, comparativ cu eficiența de 25-30% a amplificatorului de clasă A, asigurând o eficiență teoretică de peste 60%. Putem vedea fiecare semnal de intrare și ieșire grafic în imaginea de mai jos. Eficiența nu este mai mare de 78% pentru amplificator din clasa B . Disiparea căldurii este minimizată în această clasă oferind un spațiu scăzut pentru radiator.

Dar, această clasă are și limite. O limitare foarte profundă a acestei clase este distorsiunea încrucișată. Deoarece două dispozitive asigură fiecare jumătate a undelor sinusoidale care sunt combinate și unite pe ieșire, există o nepotrivire (încrucișată) în regiune, unde sunt combinate două jumătăți. Acest lucru se datorează faptului că atunci când un dispozitiv finalizează jumătatea ciclului, celălalt trebuie să furnizeze aceeași putere aproape în același timp când celălalt termină lucrarea. Este dificil să remediați această eroare în amplificatorul de clasă A, deoarece în timpul dispozitivului activ celălalt dispozitiv rămâne complet inactiv. Eroarea oferă o distorsiune a semnalului de ieșire. Datorită acestei limitări, este un eșec major pentru aplicația de amplificare audio de precizie.

Amplificator Clasa AB

O abordare alternativă pentru a depăși distorsiunea încrucișată este utilizarea amplificatorului AB. Amplificatorul de clasa AB utilizează unghiul de conducere intermediar al ambelor clase A și B, astfel putem vedea proprietatea amplificatorului de clasă A și de clasa B în această clasă AB de topologie a amplificatorului. La fel ca clasa B, are aceeași configurație cu două dispozitive active care se desfășoară în mod individual în timpul jumătății ciclurilor, dar fiecare dispozitiv este polarizat diferit, astfel încât să nu se oprească complet în timpul momentului inutilizabil (momentul de încrucișare). Fiecare dispozitiv nu părăsește conductiunea imediat după finalizarea jumătății formei de undă sinusoidală, ci conduce o cantitate mică de intrare pe un alt jumătate de ciclu. Folosind această tehnică de polarizare, nepotrivirea încrucișată în timpul zonei moarte este redusă dramatic.

Dar în această configurație, eficiența este redusă, deoarece liniaritatea dispozitivelor este compromisă. Eficiența rămâne mai mult decât eficiența amplificatorului clasic A, dar este mai mică decât sistemul amplificatorului clasa B. De asemenea, diodele trebuie alese cu atenție cu exact același rating și trebuie așezate cât mai aproape posibil de dispozitivul de ieșire. În unele construcții de circuite, proiectanții au tendința de a adăuga rezistență de mică valoare pentru a oferi un curent de repaus stabil pe dispozitiv pentru a minimiza distorsiunea la ieșire.

Amplificator Clasa C.

În afară de amplificatoarele Clasa A, B și AB, există un alt amplificator Clasa C. Este un amplificator tradițional care funcționează diferit față de celelalte clase de amplificatoare. Amplificatorul de clasă C este un amplificator reglat care funcționează în două moduri de funcționare diferite, reglate sau dezactivate. Eficiența amplificatorului de clasă C este mult mai mare decât A, B și AB. Eficiența maximă de 80% poate fi atinsă în operațiile legate de frecvența radio

Amplificatorul de clasă C folosește un unghi de conducere mai mic de 180 de grade. În timpul modului neacordat, secțiunea tunerului este omisă din configurația amplificatorului. În această operație, amplificatorul de clasă C oferă, de asemenea, o distorsiune imensă la ieșire.

Când circuitul este expus la o sarcină reglată, circuitul fixează nivelul de polarizare a ieșirii cu tensiunea medie de ieșire egală cu tensiunea de alimentare. Operația reglată se numește clamper. În timpul acestei operații, semnalul capătă forma corectă și frecvența centrală a devenit mai puțin distorsionată.

În utilizări tipice, amplificatorul de clasă C oferă o eficiență de 60-70%.

Amplificator Clasa D.

Amplificatorul de clasă D este un amplificator de comutare care utilizează modularea lățimii pulsului sau PWM. Unghiul de conducere nu este un factor în acest caz, deoarece semnalul direct de intrare este modificat cu o lățime variabilă a impulsului.

În acest sistem de amplificare Clasa D, câștigul liniar nu este acceptat deoarece funcționează la fel ca un comutator tipic care are doar două operații, ON sau OFF.

Înainte de a procesa semnalul de intrare, semnalul analogic este convertit într-un flux de impulsuri prin diferite tehnici de modulare și apoi este aplicat sistemului amplificator. Deoarece durata impulsurilor este legată de semnalul analogic, aceasta este reconstruită din nou folosind filtrul de trecere joasă în ieșire.

Amplificatorul de clasa D este clasa de amplificatoare cu cea mai mare eficiență energetică din segmentele A, B, AB și C și D. Are o disipare a căldurii mai mică, deci este nevoie de un radiator mic. Circuitul necesită diferite componente de comutare, cum ar fi MOSFET-urile, care au o rezistență redusă.

Este o topologie larg utilizată în playere audio digitale sau în controlul motoarelor. Dar ar trebui să reținem că nu este un convertor digital. Deși, pentru o frecvență mai mare, amplificatorul de clasă D nu este o alegere perfectă, deoarece are limitări de lățime de bandă în câteva cazuri, în funcție de capacitățile filtrului de trecere joasă și ale modulului convertor.

Alte clase de amplificatoare

În afară de amplificatoarele tradiționale, mai există puține clase, care sunt clasa E, clasa F, clasa G și H.

Amplificatorul de clasă E este un amplificator de putere extrem de eficient care folosește topologii de comutare și funcționează în frecvențe radio. Un element de comutare monopol și rețeaua reactivă reglată este componenta principală de utilizat cu amplificatorul de clasă E.

Clasa F este un amplificator cu impedanță ridicată în ceea ce privește armonicele. Poate fi condus folosind undă pătrată sau undă sinusoidală. Pentru intrarea undei sinusoidale, acest amplificator poate fi reglat cu ajutorul unui inductor și poate fi utilizat pentru a crește câștigul.

Clasa G utilizează comutarea pe șină pentru a reduce consumul de energie și pentru a îmbunătăți eficiența. Iar Clasa H este versiunea îmbunătățită în continuare a clasei G.

Clasele suplimentare sunt amplificatoare cu destinație specială. În unele cazuri, scrisorile sunt furnizate de producător pentru a indica designul propriu. Un cel mai bun exemplu este amplificatorul de clasă T, care este o marcă comercială pentru un tip special de amplificator de clasă D de comutare, utilizat pentru tehnologiile de amplificare Tripath, care este un design brevetat.