fbpx

HFM

artykulylista3

 

Klasy wzmacniaczy, układy przeciwsobne, bias, DC offset – czyli podstawy, jakie powinien znać każdy audiofil

080 083 Hifi 11 2016 001
W mikroświecie wzmacniaczy jedną z faz cyklu rozmnażania jest podział urządzenia macierzystego, zwanego integrą, na dwa urządzenia potomne – przedwzmacniacz i końcówkę mocy. Oba są od siebie niezależne, choć funkcjonują w układzie symbiotycznym.


Jeżeli proces jest kontynuowany, końcówka dzieli się na bliźniaczą parę monobloków. Te, po osiągnięciu dojrzałości, przewyższają często swojego protoplastę możliwościami i stopniem rozwoju. Przyjrzyjmy się bliżej tym fascynującym organizmom…




W elektronice spotykamy się z wieloma klasami wzmacniaczy; można by rzec: od A do Z. Większość z nich nie nadaje się jednak do użytku w technice hi-fi, ponieważ generuje zbyt wysokie zniekształcenia nieliniowe. Ograniczę się więc do opisu klas A, B, AB oraz D.
W reklamach czy ulotkach sprzętu często można spotkać się z „klasami” typowo marketingowymi, np.: „I”, „T”, „V”, „X”, „AA”, „new class A” itp. W większości przypadków nie ma tam jednak innowacji. Jest za to czysta chęć przyciągnięcia klienta.


Klasa A
W klasie A tranzystory przewodzą pełny okres sinusoidy (rys. 1). Są to najbardziej pożądane wzmacniacze, ponieważ charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami oraz brzmieniem zbliżonym do konstrukcji lampowych. Największą ich wadą jest niska sprawność energetyczna, rzędu 20 %. Oznacza to, że wzmacniacz o mocy 2 x 100 W musi pobierać z sieci energetycznej co najmniej 1000 W, i to przez cały czas! Niewykorzystana moc pojawia się na radiatorach w postaci ciepła. Temperatury dochodzą tu do 60º C.
Aby urządzenie się nie przegrzewało, trzeba stosować duże i ciężkie radiatory, przez co masa konstrukcji może sięgać 50 kg i więcej. Dochodzą do tego rachunki za energię elektryczną, które mogą sprawić niemiłą niespodziankę, jeżeli wzmacniacz pozostaje przez większą część dnia włączony. Przez zakupem takiego urządzenia warto sobie zadać pytanie, czy potrzebujemy aż 100 W mocy wyjściowej? Może się okazać, że do słuchania z łatwymi do wysterowania kolumnami 30 W to aż nadto.080 083 Hifi 11 2016 002
Warto wiedzieć, że wzmacniacze w klasie A pokazują pełnię swoich możliwości dopiero po ustabilizowaniu temperatury, co trwa około 45 minut od włączenia. Należy się również liczyć z tym, że panujące wewnątrz obudowy warunki termiczne prowadzą do szybszego zużycia podzespołów, co przekłada się na pogorszenie jakości dźwięku lub nawet awarię wcześniej niż w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie AB. Dlatego, jeżeli decydujemy się na zakup 10-letniego lub starszego używanego wzmacniacza w klasie A, warto sprawdzić jego stan techniczny w serwisie. Rzetelna diagnostyka i ewentualna wymiana zużytych podzespołów pozwolą uniknąć kosztownych napraw w przyszłości.


Klasa AB
Większość dostępnych obecnie wzmacniaczy pracuje w klasie AB. Jest ona kompromisem pomiędzy wysoką mocą wyjściową, niskimi zniekształceniami, a zużyciem energii. Sprawność energetyczna waha się w granicach 50-70 %, zależnie od ustalonego punktu pracy. Tranzystory w tym przypadku przewodzą trochę powyżej połowy okresu sinusoidy lub więcej (rys. 2). Nawet przy braku sygnału na wejściu przez układ cały czas płynie niewielki prąd. Często spotykamy się z określeniami typu „płytka” albo „głęboka” klasa AB. Wszystko zależy od tego, czy punkt pracy zostanie ustalony w okolicach połowy okresu, czy wyżej. Stąd można powiedzieć, że przy niskich poziomach wyjściowych wzmacniacze te pracują w klasie A, a przy wysokich – w klasie B. Z prądem spoczynkowym należy być w tym przypadku ostrożnym, gdyż może się okazać, że niektóre podzespoły nie są w stanie pracować z obciążeniem tak dużym, jak konstrukcje w klasie A. Co ważne, radiatory nie będą w stanie odprowadzić wydzielonego przez tranzystory ciepła.

080 083 Hifi 11 2016 002
Klasa B
Konstrukcje w klasie B spotyka się rzadko ze względu na wysoki poziom zniekształceń skrośnych. W tym przypadku tranzystory przewodzą równo połowę okresu sinusoidy (rys. 3), dlatego największe zniekształcenia powstają przy przejściu sygnału przez zero. Klasa B spotykana jest czasem w tanim sprzęcie estradowym, gdzie liczy się tylko moc, a nie jakość dźwięku. Nie stosuje się jej w sprzęcie domowym, a tym bardziej audiofilskim.


Klasa D
Wzmacniacze pracujące w klasie D bywają błędnie określane mianem „cyfrowych”. Są to układy impulsowe, wykorzystujące technikę PWM (Pulse Width Modulation), czyli modulację szerokości impulsu. Ich sprawność energetyczna sięga nawet 90-95 %, co czyni je świetnym rozwiązaniem w aplikacjach, w których liczy się niskie zużycie energii oraz niewielkie wymiary. Niestety, wszystko kosztem jakości dźwięku. Patrząc okiem ekologa, jest to rozwiązanie rewelacyjne, ale dla audiofila już niekoniecznie. Sprawa wygląda podobnie, jak w przypadku porównywania obrazu z ekranów telewizorów plazmowych i LCD. Obraz jest podobny, ale osoba obeznana od razu zauważy niedociągnięcia. W klasie D sygnał na wyjściu wzmacniacza to ciąg impulsów o kształcie prostokątnym ze zmiennym współczynnikiem wypełnienia. Zmieniając ten współczynnik, regulujemy średnią wartość impulsowego sygnału na wyjściu. Układ wejściowy zawiera komparator (rys. 4), który porównuje kształt sygnału do trójkątnego przebiegu wzorcowego. Tranzystory mocy w tym układzie pełnią rolę kluczy, czyli przełączników, które działają w stanie zatkania lub pełnego otwarcia, bez stanów pośrednich. Operacja odbywa się na wysokiej częstotliwości, kilkunastokrotnie wyższej od granicy pasma akustycznego. Zachodzi więc potrzeba odfiltrowania odtworzonych i wzmocnionych sygnałów akustycznych. Odpowiada za to filtr LC (cewka i kondensator) na wyjściu wzmacniacza. O ile przekształcenie sygnału na impulsy nie stanowi dużego problemu, to szumy i zakłócenia z układu zasilania czy niedoskonałość przebiegu wzorcowego już tak. Do tego również sam przełącznik na tranzystorach typu MOSFET wprowadza wiele niedoskonałości. Przez to wszystko rosną zniekształcenia nieliniowe czy intermodulacyjne.
Wzmacniacze w klasie D są cały czas poprawiane. To już nie te same konstrukcje co kilkanaście lat temu. Stosuje się różnego rodzaju filtry sprzężenia zwrotnego itp., co wpływa na zmniejszenie zniekształceń, ale komplikuje układ i w razie awarii utrudnia naprawę.
080 083 Hifi 11 2016 002
Klasa wzmacniacza mówi przede wszystkim o czasie przewodzenia tranzystora lub lampy. Nie określa topologii układu ani jakości użytych podzespołów. Wśród niezorientowanych technicznie ludzi krąży wiele teorii, np. że każdy wzmacniacz push-pull musi pracować w klasie AB, a single-ended to układ tylko z jedną lampą czy tranzystorem. Jest to zupełną nieprawdą.

Układ przeciwsobny (push-pull)
Układy te wykorzystują co najmniej dwa elementy wzmacniające. Jeden dostarcza do wyjścia sygnał odwrócony w fazie o 180º za pomocą odpowiedniego układu w stopniu wejściowym. Faza sygnału może być również odwracana za pomocą odpowiedniego transformatora wyjściowego (rys. 5). Dzięki temu otrzymujemy moc wyjściową co najmniej dwukrotnie wyższą niż w przypadku układów single-ended. Co ważne, przy pełnym wysterowaniu układu przeciwsobnego osiągane są znacznie niższe zniekształcenia nieliniowe. Układ ten jest mało wrażliwy na tętnienia wynikające ze słabej filtracji zasilania. Nie ma za to tak magicznego dźwięku, jak cenione układy SE.080 083 Hifi 11 2016 002


Zarówno w przypadku tranzystorów, jak i lamp ważne jest, aby elementy wzmacniające zostały dokładnie sparowane. Jak wiadomo, idea układu przeciwsobnego polega na wzmocnieniu przez jeden element czynny dodatniej połówki sygnału, a przez drugi – ujemnej. Wszystko byłoby piękne, gdyby nie fakt dużej nieliniowości tychże tranzystorów czy lamp. Z obserwacji ich charakterystyk przejściowych (rys. 6) wynika jednoznaczny wniosek, że wzmocniony przebieg sygnału na wyjściu nie będzie identyczny z tym znajdującym się na wejściu.


Single-ended
W układach single-ended nie występuje podział na wzmocnienie dodatnich i ujemnych połówek sygnału, jak to ma miejsce w układach przeciwsobnych. Najczęściej z tym określeniem można się spotkać w przypadku lampowych konstrukcji SET. Single-Ended Triode oznacza pracę w trybie triodowym z jedną lampą mocy w kanale (rys. 7). Zdarzają się również przypadki, gdy we wzmacniaczu występuje więcej lamp mocy, a w dalszym ciągu jest to układ SE. Jedyna różnica jest taka, że siatki lamp połączone są z uzwojeniem pierwotnym transformatora wyjściowego. Topologia ta nosi nazwę Ultralinear i pozwala uzyskać większe moce wyjściowe. Często też można spotkać się z określeniem Parallel Single Ended (PSE), co oznacza połączenie kilku lamp równoległe. Sytuacja wygląda podobnie w przypadku tranzystorów.

080 083 Hifi 11 2016 002
BTL (Bridge Tied Load)
Bridge Tied Load to popularny układ mostkowy. W każdym kanale zawiera dwa wzmacniacze, z czego jeden ma sygnał odwrócony w fazie o 180º (rys. 8). Pozwala to osiągnąć moc wyjściową czterokrotnie wyższą względem pojedynczego układu wzmacniającego przy tej samej impedancji obciążenia. Należy jednak pamiętać, że impedancja wyjściowa układu w tym przypadku się sumuje. Jeżeli łączymy dwa układy zdolne do pracy z obciążeniem o impedancji minimalnej 4 Ω, to możemy podłączyć zestaw głośnikowy o impedancji nie niższej niż 8 Ω. Jeżeli nie zastosujemy się do tej zasady, przez układ popłynie większy prąd i wzmacniacz niezabezpieczony przed przeciążeniem może ulec uszkodzeniu. Tego typu układy mają zastosowanie np. w technice samochodowej, gdzie napięcia zasilające wahają się między 12 a 14,6 V. Ale nie tylko. Wiele firm stosuje możliwość przełączenia układu w tryb mostka w celu np. użycia dwóch takich samych końcówek mocy jako monobloków.
080 083 Hifi 11 2016 002
Napięcie niezrównoważenia (DC offset)
Zazwyczaj zjawisko to powstaje poprzez niezrównoważenie układu tuż za wejściem wzmacniacza. W układzie różnicowym, gdy dwa tranzystory nie są ze sobą prawidłowo sparowane pod względem parametrów lub nie zostały połączone termicznie w celu zapewnienia identycznej temperatury pracy, powstają nierówności pomiędzy poziomami na ich wyjściach. Bardzo często we wzmacniaczach stosuje się potencjometr, za pomocą którego można zniwelować składową stałą do zera (rys. 9). Akceptowalną wartością dla wzmacniaczy przeznaczonych do użytku domowego jest +/- 50 mV. Gdy napięcie stałe na zaciskach głośnikowych sięga kilkudziesięciu lub więcej woltów, wskazuje to na uszkodzenie jednego z napięć zasilających lub tranzystora. W przypadku układów lampowych zjawisko to nie występuje, gdyż, po pierwsze, lampy są zasilane napięciem niesymetrycznym, a po drugie – na wyjściu układu znajdują się transformatory lub kondensatory oddzielające napięcie stałe.
Tę regulację wykonujemy po wcześniejszym ustawieniu prądu spoczynkowego.
080 083 Hifi 11 2016 002
Czynności serwisowe
Wiele osób nie zdaje sobie sprawy, jak ważny jest przegląd sprzętu hi-fi. Najczęściej spotykanym problemem są spuchnięte lub wylane kondensatory elektrolityczne (rys. 10). Zdarza się również, że usterek nie widać gołym okiem. Dopiero w czasie pomiarów okazuje się, że elementy z wiekiem straciły nominalne parametry.
Druga sprawa to prąd spoczynkowy. Większość użytkowników wzmacniaczy lampowych zdaje sobie sprawę, że wymagają one kontroli i ewentualnej korekcji prądu spoczynkowego. Niestety, inaczej wygląda sytuacja w przypadku konstrukcji tranzystorowych. Zazwyczaj, jeżeli wzmacniacz działa, nie myślimy o czynnościach serwisowych i ograniczamy się do wytarcia kurzu. I tu popełniamy błąd, gdyż układy tranzystorowe również z czasem tracą ustawione parametry, choć nie tak często jak wzmacniacze lampowe. Najczęściej powinny być sprawdzane wzmacniacze w klasie A, z powodu panujących w nich wysokich temperatur. Są one szkodliwe w szczególności dla kondensatorów elektrolitycznych.

080 083 Hifi 11 2016 002
Przy okazji serwisowania, warto zwrócić uwagę na jakość użytych elementów, służących do regulacji. Zazwyczaj są to jednoobrotowe potencjometry, których lekkie dotknięcie powoduje zmiany ustawionej wartości o 50-100 %. Należy zasugerować serwisantowi, by zastosował w tym miejscu zamienniki wieloobrotowe o identycznej rezystancji oraz mocy. Zapewni to stabilniejszą pracę, wydłuży żywotność układu, a w przyszłości da możliwość dokładnego ustawienia parametrów wzmacniacza.

 

 

 
Jarosław Cygan
Źródło: HFM 11/2016

Pobierz ten artykuł jako PDF