 | | | | | | | | |
| | |
| | | |
Lukas, ID wpisu: 4653 / 1277
W artykule tym przyjrzymy się klasom pracy wzmacniacza mocy. Z założenia nie wnikamy w bardziej zaawansowane problemy techniczne, skupiając się tylko na ogólnych informacjach mających znaczenie dla muzyków i realizatorów.
Każdy wzmacniacz mocy składa się ze stopnia wejściowego, stopnia wzmocnienia napięciowego, stopnia sterowania, stopnia wykonawczego i zasilacza. Wzajemna konfiguracja trzech ostatnich bloków wyznacza klasę pracy wzmacniacza i ma bardzo duży wpływ na wiele czynników - począwszy od brzmienia na poborze mocy skończywszy. Informacja o klasie pracy wzmacniacza jest jedną z najważniejszych informacji, którą należy brać pod uwagę - na równi z mocą wyjściową i dopuszczalnymi parametrami obciążenia. Klasa A.
Z taką konfiguracją stopni mocy spotykamy się od pierwszych lat istnienia elektroniki. Paradoksalnie - właśnie ta najprostsza i najmniej efektywna klasa pracy pozwala na uzyskanie najlepszej jakości dźwięku, choć jest to okupione bardzo dużym poborem prądu i - co zawsze się z tym wiąże - dużą masą urządzenia. Wzmacniacze pracujące w klasie A znajdują zastosowanie głównie w studiach jako wzmacniacze odsłuchowe, choć jest kilka wyjątków. Jednym z nich jest niemiecka firma Glockenklang, znana z produkcji najwyższej jakości sprzętu nagłośnieniowego dla basistów. Ma ona w swej ofercie między innymi wzmacniacze pracujące w czystej klasie A, często wykorzystywane jako wzorcowe przez wielu najważniejszych producentów gitar basowych.
W przypadku klasy A elementy wykonawcze (tranzystory lub lampy mocy) zawsze pobierają prąd, nawet wtedy, gdy nie są wysterowane żadnym sygnałem. Wartość tego prądu jest dobierana w ten sposób, by elementy te pracowały w liniowym odcinku swej charakterystyki. Dzięki temu znacząco spada poziom zniekształceń nieliniowych. Inną zaletą tych wzmacniaczy jest stabilizacja cieplna - układy wykonawcze są cały czas podgrzewane prądem przez nie płynącym i zachowują mniej więcej stałą temperaturę roboczą, co ma duży wpływ na liniowość przetwarzania sygnału. Układy w klasie A są stosunkowo proste do zbudowania, składają się z niewielkiej liczby elementów i przy prawidłowym doborze podzespołów wykazują się dużą niezawodnością. Wadą tej konstrukcji jest niska sprawność (stosunek mocy oddawanej do pobieranej) nie przekraczająca na ogół 20%. Ich moc wyjściowa też jest niewielka - najpotężniejsze konstrukcje oferują w porywach 300 watów. Pomijając aspekty ekologiczne, wzmacniacze w klasie A najwięcej mocy zużywają na grzanie się, co zwiększa wymagania w odniesieniu do jakości zastosowanych podzespołów. Pomimo faktu, że wzmacniacze mocy pracujące w tej klasie oferują zdecydowanie najlepsze brzmienie, ich wysoka cena, duża waga i bardzo niska sprawność energetyczna sprawiają, że chyba pozostaną urządzeniami ekskluzywnymi, raczej z niewielkimi perspektywami na ich bardziej powszechne wykorzystanie w typowych systemach nagłośnieniowych. Klasa B.
Wzmacniacze pracujące w klasie B pozwalają na uzyskanie większej mocy wyjściowej, mają mniejszą zawartość parzystych harmonicznych (zjawisko mniej korzystne z muzycznego punktu widzenia - brzmienie tych wzmacniaczy odbieramy jako bardziej metaliczne i surowe) i charakteryzują się małym poborem prądu w stanie spoczynku (bez sygnału wejściowego). Podstawową wadą tego rozwiązania jest stosunkowo duży poziom zniekształceń nieliniowych i konieczność stosowania dość głębokiego ujemnego sprzężenia zwrotnego, najczęściej przez dwa stopnie. To powoduje występowanie znaczących przesunięć fazowych na krańcach pasma. Czysta klasa B to konstrukcja ekonomiczna, ale z uwagi na wysoki poziom zniekształceń bardzo rzadko stosowana w praktyce. W dziedzinie wzmacniaczy pracujących w klasie H dużą popularnością cieszą się konstrukcje firmy Carver. Przed transformatorem zasilającym zastosowano w nich specjalny układ z triakiem sterowanym poziomem sygnału wejściowego. Układ ten pozwala na wydłużenie czasu pracy w ramach jednego okresu (rysunek po prawo), co pozwala na zwiększenie sprawności wzmacniacza podczas przenoszenia silnych sygnałów impulsowych i znacząco redukuje zakłócenia wywołane kluczowaniem zasilania. Klasa AB.
Konstrukcja w klasie AB jest naturalnym rozwinięciem klasy B i podobnie jak ona zbudowana jest w oparciu o układ przeciwsobny. Każda połówka sygnału przetwarzana jest przez oddzielną gałąź stopnia wyjściowego, co w sumie daje pełne odwzorowanie sygnału przemiennego na wyjściu wzmacniacza. O ile w przypadku klasy B największe problemy występują właśnie przy przechodzeniu przebiegu przez oś 0, o tyle w klasie AB zastosowano wstępną polaryzację (wymuszenie stałego przepływu prądu o niewielkiej wartości przez stopnie wykonawcze), co poprawiło sytuację dzięki wyeliminowaniu zjawiska tzw. zniekształceń skrośnych i znacznie zbliżyło brzmienie klasy AB do brzmienia wzmacniaczy pracujących w klasie A. Sprawność wzrosła do ok. 50%, więc konstrukcja stała się uzasadniona ekonomicznie. A zatem same zalety? Nie do końca. Wzmacniacze pracujące w klasie AB są dość skomplikowane konstrukcyjnie i wymagają starannych zabezpieczeń przed przeciążeniami. Wynika to z faktu, że zastosowane w nich ujemne sprzężenie zwrotne (część sygnału z wyjścia podawana jest na wejście, co ma na celu wymuszenie bardziej liniowej pracy wzmacniacza) w sytuacjach ekstremalnych (przeciążenie wyjścia, gwałtowne zmniejszenie impedancji obciążenia) może spowodować eskalację niekorzystnych zjawisk. Należy zadbać również o stabilność termiczną całego układu i precyzyjne dopasowanie pod względem parametrów elementów pracujących w obu gałęziach przeciwsobnego stopnia wyjściowego. Dobrze zaprojektowany wzmacniacz w klasie AB potrafi jednak zabrzmieć znakomicie, a prawidłowy dobór elementów i skuteczność zabezpieczeń pozwolą mu na długą i efektywną pracę nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach. Klasa G i H.
Wzmacniacze pracujące w tych klasach znane są od połowy lat 80. i wykorzystywane są we wzmacniaczach o najwyższej mocy - do 5000 watów (5kW) na kanał. Idea klas G i H sprowadza się do założenia, że wzmacniacz mocy nie potrzebuje dużego napięcia zasilania przez cały czas, a jedynie podczas przetwarzania sygnałów o dużej amplitudzie. Z analizy typowych przebiegów audio wynika, że sygnały takie stanowią 50% całości sygnałów przetwarzanych przez aparaturę nagłaśniającą. Stąd już prosta droga do opracowania układu, który będzie załączał większe napięcie zasilania tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy wzrośnie powyżej pewnej wartości. Wzmacniacze pracujące w klasach G i H pozwalają na zwiększenie sprawności (a zatem zmniejszenie wydzielanego ciepła) i redukcję kosztów (mniejsze wymagania odnośnie radiatorów chłodzących i tranzystorów mocy).
Od strony praktycznej wzmacniacz w klasie G to w zasadzie dwa oddzielne stopnie wyjściowe. Jeden ma mniejszą moc i cały czas pracuje, niezależnie od poziomu sygnału. Drugi stopień podłączony jest do większego zasilania i "dokłada" się do stopnia o mniejszej mocy tylko w momentach większego zapotrzebowania na energię. W przypadku klasy H mamy do czynienia z jednym wzmacniaczem, z którym współpracuje zasilacz o stopniowanym napięciu wyjściowym, przełączanym w zależności od potrzeb. Współczesne wzmacniacze pracujące w klasach G i H pozbawione są już przypadłości pierwszych konstrukcji tego typu, polegających na słyszalnym szumie przełączania i sporych zniekształceniach sygnału w wyższych częstotliwościach. Mimo tego lepszym pomysłem jest wykorzystanie tych wzmacniaczy w zakresie niskich i średnich częstotliwości (bronią się dużą mocą, sprawnością i stosunkowo niewielką wagą) i pozostawienie sterowania driverów wysokotonowych lepszym pod tym względem wzmacniaczom pracującym w klasie AB. Klasa D.
Wzmacniacze pracujące w tej klasie znane są pod nazwą wzmacniaczy impulsowych. Punktem wyjścia do zrozumienia zasady ich działania jest zjawisko znane w elektronice pod nazwą modulacji szerokości impulsu (PWM). Sygnał wejściowy jest zamieniany na impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wyniku pomiaru próbki sygnału, dokonywanego z częstotliwością ponadakustyczną (od 200 do 500kHz). Impulsy te są wzmacniane przez stopień mocy, a następnie wygładzane i filtrowane za pomocą filtrów o dużym nachyleniu charakterystyki. Z pewnością wielu z Was obruszy się na myśl, że starannie wypielęgnowany w przedwzmacniaczach, korektorach i kompresorach sygnał trafia do swego rodzaju "szatkownicy dźwięku". Ale nie ma powodu do niepokoju. Współczesne konstrukcje wzmacniaczy pracujących w klasie D to zaawansowane i starannie przemyślane układy, które nie mają wiele wspólnego z pierwszymi urządzeniami tego typu - bardzo zawodnymi i kiepsko brzmiącymi. Powodami, dla którego je kiedyś tolerowano, była ich rewelacyjna sprawność sięgająca 95%, znikoma waga wynikająca z braku dużego transformatora zasilającego i małe wymiary. Dzisiejsze wzmacniacze PWM często brzmią bardzo dobrze w całym zakresie audio, a ich dość wysoka cena szybko zostanie zrekompensowana przez redukcję kosztów transportu z uwagi na mniejsze wymiary i niemal pomijalną wagę. Co dalej?
Na horyzoncie co rusz pojawiają się nowe opracowania wzmacniaczy mocy. Poszukiwania konstruktorów idą w kierunku dalszego zmniejszenia wymagań odnośnie chłodzenia i zasilania. Jedną z najbardziej znaczących nowości ostatnich lat jest opracowana przez firmę TriPath technologia znana pod nazwą klasy T. Firma jest producentem układów scalonych będących kompletnym, zintegrowanym stopniem mocy wymagającym niewielkiego chłodzenia. W przeciwieństwie do klasy D zastosowano tu cyfrowy układ inteligentnie dostosowujący sposób próbkowania do charakteru sygnału, parametrów stopnia wyjściowego i wielu innych czynników. To sprawia, że od wzmacniaczy w klasie T możemy oczekiwać lepszej jakości dźwięku niż w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, gdzie proces próbkowania pozostawał bez zmian.
Doświadczenie uczy, że wzmacniacze mocy nie są li tylko przezroczystym brzmieniowo urządzeniem, którego zadaniem jest wzmocnienie sygnału podawanego na głośniki. Każdy z nich, nawet w ramach tej samej klasy, charakteryzuje się innym brzmieniem wynikającym z zastosowanych elementów, doboru punktów pracy czy wyboru określonych rozwiązań układowych.
Z pewnością najpopularniejsza i najczęściej stosowana klasa AB długo jeszcze będzie wykorzystywana w estradowych wzmacniaczach mocy. Jednak stale rosnąca świadomość ekologiczna i - dla wielu użytkowników bardziej istotna - oszczędność wynikająca z małej wagi i wymiarów wzmacniaczy klasy G, H i D spowoduje zapewne dalszy wzrost popularności tychże konstrukcji.
Techniki cyfrowe nieśmiało wkraczają do tej dziedziny przemysłu audio, ale przełom w postaci klasy T może zmienić nastawienie wielu producentów i użytkowników. |
|
| | | Słowa kluczowe: konstrukcje estradowe, konstrukcje sceniczne, nagłaśnianie imprez, nagłośnienie imprez, nagłośnienie kraków, organizacja imprez, oświetlenie imprez, oświetlenie sceniczne, scena | | |
| | |
|
| |
|
