Klase pojačala

U elektronici je pojačalo najčešće korišten sklopni uređaj s ogromnim mogućnostima primjene. U audio srodnoj elektronici predpojačala i pojačala snage su dvije različite vrste pojačala koja se koriste u svrhe pojačanja zvuka. No, osim ove svrhe specifične za aplikaciju, postoje velike razlike u različitim vrstama pojačala, uglavnom u pojačalima snage. Dakle, ovdje ćemo istražiti različite klase pojačala zajedno s njihovim prednostima i nedostacima.

Klasifikacije pojačala pomoću slova

Klase pojačala su identitet izvedbe i karakteristika pojačala. Različite vrste pojačala daju različite reakcije prilikom prolaska struje kroz njih. Prema njihovim specifikacijama, pojačalima su dodijeljena različita slova ili abecede koji predstavljaju njihove klase. Postoje različite klase pojačala koja počinju od A, B, C, AB, D, E, F, T itd. Od tih klasa najčešće korištene klase audio pojačala su A, B, AB, C. Ostale klase su moderna pojačala koja koriste preklopnu topologiju i PWM (Pulse Width Modulation) tehniku ​​za pokretanje izlaznog opterećenja. Ponekad se poboljšanoj verziji tradicionalnih klasa dodjeljuje slovo da bi se klasificirali kao druga klasa pojačala, poput pojačala klase G modificirana klasa pojačala klase B ili klase AB pojačala.

Klase pojačala predstavljaju proporciju ulaznog ciklusa kada se struja prolazi kroz pojačalo. Ulazni ciklus kut provođenja proizlazi iz vodljivosti sinusoidnog vala na ulazu pojačala. Ovaj provodni kut je vrlo proporcionalan pojačalima na vrijeme tijekom cijelog ciklusa. Ako je pojačalo uvijek uključeno tijekom ciklusa, kut provođenja bit će 360 ​​stupnjeva. Dakle, ako pojačalo pruža kut provođenja od 360 stupnjeva, tada je pojačalo koristilo cjeloviti ulazni signal i aktivni element koji se provode kroz 100% vremensko razdoblje kompletnog sinusoidnog ciklusa.

U nastavku ćemo pokazati tradicionalne klase pojačala snage u rasponu od klase A, B, AB i C, a također ćemo pokazati i pojačalo klase D koje se široko koristi u dizajnu prebacivanja. Te se klase ne koriste samo u pojačivačima snage već se koriste i u krugovima audio pojačala.

Pojačalo klase A

Pojačalo klase A je pojačalo visokog pojačanja visoke linearnosti. U slučaju pojačala klase A, kut provođenja je 360 ​​stupnjeva. Kao što smo gore naveli, kut provođenja od 360 stupnjeva znači da uređaj za pojačanje ostaje aktivan cijelo vrijeme i da koristi kompletan ulazni signal. Na slici ispod prikazano je idealno pojačalo klase A.

Kao što možemo vidjeti na slici, postoji jedan aktivni element, tranzistor. Predrasuda tranzistora ostaje UKLJUČENA cijelo vrijeme. Zahvaljujući ovoj nikad isključenoj funkciji, pojačalo klase A pruža bolju stabilnost visoke frekvencije i povratne petlje. Osim ovih prednosti, pojačalo klase A lako je konstruirati pomoću komponente s jednim uređajem i minimalnim brojem dijelova.

Unatoč prednostima i velikoj linearnosti, zasigurno ima mnoga ograničenja. Zbog kontinuirane dirigentne prirode, pojačalo klase A donosi velike gubitke snage. Također, zbog velike linearnosti, pojačalo klase A daje izobličenja i buku. Za napajanje i konstrukciju pristranosti potreban je pažljiv odabir komponenata kako bi se izbjegla neželjena buka i minimalizirala izobličenja.

Zbog velikog gubitka snage u pojačalu klase A, emitira toplinu i potreban mu je veći prostor za hlađenje. Učinkovitost je vrlo slaba kod pojačala klase A, teoretski, učinkovitost varira između 25 i 30% ako se koristi s uobičajenom konfiguracijom. Učinkovitost se može poboljšati korištenjem induktivno povezane konfiguracije, ali učinkovitost u takvom slučaju nije veća od 45-50%, stoga je prikladna samo za potrebe pojačanja niskog signala ili niske razine snage.

Pojačalo klase B

Pojačalo klase B malo se razlikuje od klase A. Stvoreno je pomoću dva aktivna uređaja koji provode polovicu stvarnog ciklusa, tj. 180 stupnjeva ciklusa. Dva uređaja pružaju kombinirani strujni pogon za teret.

Na gornjoj je slici prikazana idealna konfiguracija pojačala klase B. Sastoji se od dva aktivna uređaja koji postaju pristrani jedan po jedan tijekom pozitivnog i negativnog poluciklusa sinusoidnog vala i tako se signal gura ili povlači na pojačanu razinu i s pozitivne i s negativne strane i kombinirajući rezultat, dobivamo kompletan ciklus na izlazu. Svaki se uređaj uključio ili postao aktivan pola ciklusa i zbog toga se učinkovitost poboljšava, u usporedbi s 25-30% učinkovitosti pojačala klase A, teoretski pruža više od 60% učinkovitosti. Grafikon ulaznog i izlaznog signala svakog uređaja možemo vidjeti na donjoj slici. Učinkovitost nije više od 78% za Klasu B pojačalo . Odvođenje topline je u ovoj klasi smanjeno na najmanju moguću mjeru, pružajući mali prostor za hlađenje.

Ali, i ovaj razred ima ograničenja. Vrlo duboko ograničenje ove klase je križanje izobličenja. Kako dva uređaja pružaju svaku polovicu sinusoidnih valova koji se kombiniraju i spajaju preko izlaza, dolazi do neusklađenosti (križanja) u regiji, gdje se kombiniraju dvije polovice. To je zato što kada jedan uređaj završi poluciklus, drugi mora pružiti istu snagu gotovo u isto vrijeme kad drugi završi posao. Teško je popraviti ovu pogrešku u pojačalu klase A, jer tijekom aktivnog uređaja drugi uređaj ostaje potpuno neaktivan. Pogreška daje izobličenje u izlaznom signalu. Zbog ovog ograničenja, glavni je neuspjeh u primjeni preciznih audio pojačala.

Pojačalo klase AB

Alternativni put za prevladavanje cross-over izobličenja, je korištenje AB pojačala. Pojačalo klase AB koristi srednji kut provođenja obje klase A i B, tako da u ovoj topologiji pojačala AB možemo vidjeti svojstvo pojačala klase A i klase B. Jednako kao i klasa B, ima istu konfiguraciju s dva aktivna uređaja koji provode tijekom polovice ciklusa pojedinačno, ali svaki uređaj ima različitu pristranost, tako da se ne isključuju u potpunosti tijekom neupotrebljivog trenutka (crossover moment). Svaki uređaj ne napušta vodljivost odmah nakon završetka polovice sinusnog oblika vala, već provodi malu količinu ulaza u sljedećih pola ciklusa. Korištenjem ove tehnike pristranosti, neusklađenost križanja tijekom mrtve zone dramatično se smanjuje.

Ali u ovoj se konfiguraciji učinkovitost smanjuje jer je linearnost uređaja ugrožena. Učinkovitost ostaje veća od učinkovitosti tipičnog pojačala klase A, ali manja je od sustava pojačala klase B. Također, diode trebaju biti pažljivo odabrane s točno jednakom ocjenom i moraju biti postavljene što bliže izlaznom uređaju. U nekim konstrukcijama sklopova dizajneri imaju tendenciju da dodaju otpor male vrijednosti kako bi osigurali stabilnu struju mirovanja na uređaju kako bi smanjili izobličenja na izlazu.

Pojačalo klase C

Osim pojačala klase A, B i AB, postoji još jedno pojačalo klase C. To je tradicionalno pojačalo koje radi drugačije od ostalih klasa pojačala. Pojačalo klase C je podešeno pojačalo koje radi u dva različita načina rada, podešeno ili nenamješteno. Učinkovitost pojačala klase C mnogo je veća od A, B i AB. Maksimalna učinkovitost od 80% može se postići u radnjama povezanim s radio frekvencijama

Pojačalo klase C koristi vodljivi kut manji od 180 stupnjeva. Tijekom nenamještenog načina, odjeljak tunera je izostavljen iz konfiguracije pojačala. U ovoj operaciji pojačalo klase C također daje velika izobličenja na izlazu.

Kada je krug izložen podešenom opterećenju, krug steže izlaznu razinu prednapona s prosječnim izlaznim naponom jednakim naponu napajanja. Ugađena operacija naziva se stezaljka. Tijekom ove operacije signal dobiva pravilan oblik, a središnja frekvencija postaje manje izobličena.

U tipičnim namjenama pojačalo klase C daje 60-70% učinkovitosti.

Pojačalo klase D

Pojačalo klase D je komutacijsko pojačalo koje koristi modulaciju širine impulsa ili PWM. Kut provođenja nije faktor u tom slučaju jer se izravni ulazni signal mijenja promjenjivom širinom impulsa.

U ovom sustavu pojačala klase D linearno pojačanje nije prihvaćeno jer rade baš poput tipičnog prekidača koji ima samo dvije operacije, UKLJUČENO ili ISKLJUČENO.

Prije obrade ulaznog signala, analogni signal pretvara se u impulsni tok različitim modulacijskim tehnikama, a zatim se primjenjuje na sustav pojačala. Kako je trajanje impulsa povezano s analognim signalom, on se ponovno rekonstruira pomoću niskopropusnog filtra na izlazu.

Pojačalo klase D najviša je energetski učinkovita klasa pojačala u A, B, AB i C i D segmentu. Ima manje odvođenje topline, pa je potreban mali hladnjak. Sklop zahtijeva razne sklopne komponente poput MOSFET-ova koji imaju mali otpor.

To je široko korištena topologija u digitalnim audio uređajima ili kod upravljanja motorima. Ali trebali bismo imati na umu da to nije digitalni pretvarač. Iako za veće frekvencije pojačalo klase D nije savršen izbor, jer u nekoliko slučajeva ima ograničenja širine pojasa, ovisno o mogućnostima filtra niskog prolaza i pretvarača.

Ostale klase pojačala

Osim tradicionalnih pojačala, postoji još nekoliko klasa, a to su klasa E, klasa F, klasa G i H.

Pojačalo klase E vrlo je učinkovito pojačalo snage koje koristi komutacijske topologije i radi na radio frekvencijama. Jednopolni preklopni element i podešena reaktivna mreža glavna su komponenta koja se koristi s pojačalom klase E.

Klasa F je pojačalo visoke impedancije s obzirom na harmonike. Može se voziti pomoću kvadratnog vala ili sinusnog vala. Za ulaz sinusoidnog vala ovo pojačalo se može podesiti pomoću induktora i može se koristiti za povećanje pojačanja.

Klasa G koristi prebacivanje šina kako bi smanjila potrošnju energije i poboljšala učinkovitost. A klasa H je daljnja poboljšana verzija klase G.

Dodatna nastava su pojačala posebne namjene. U nekim slučajevima proizvođač daje slova koja označavaju njihov vlasnički dizajn. Jedan od najboljih primjera je pojačalo klase T, koje je zaštitni znak za posebnu vrstu komutacijskog pojačala klase D, koje se koristi za Tripath-ove tehnologije pojačala, što je patentirani dizajn.