Κατηγορίες ενισχυτών ισχύος

Στα ηλεκτρονικά, ο ενισχυτής είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη συσκευή κυκλώματος με τεράστιες δυνατότητες εφαρμογής. Στα ηλεκτρονικά που σχετίζονται με τον ήχο, ο προενισχυτής και οι ενισχυτές ισχύος είναι δύο διαφορετικοί τύποι συστημάτων ενισχυτών που χρησιμοποιούνται για σκοπούς που σχετίζονται με την ενίσχυση του ήχου. Ωστόσο, εκτός από αυτόν τον συγκεκριμένο σκοπό εφαρμογής, υπάρχουν τεράστιες διαφορές σε διάφορους τύπους ενισχυτών, κυρίως στους Ενισχυτές Ισχύος. Εδώ θα εξερευνήσουμε διαφορετικές κατηγορίες ενισχυτών μαζί με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.

Ταξινομήσεις ενισχυτών που χρησιμοποιούν γράμματα

Οι τάξεις ενισχυτών είναι η ταυτότητα της απόδοσης και των χαρακτηριστικών του ενισχυτή. Διαφορετικός τύπος ενισχυτών ισχύος δίνει διαφορετικές αποκρίσεις κατά τη διέλευση ρεύματος μέσω αυτών. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές τους, στους ενισχυτές αντιστοιχίζονται διαφορετικά γράμματα ή αλφάβητα που αντιπροσωπεύουν τις τάξεις τους. Υπάρχουν διαφορετικές κατηγορίες ενισχυτών ξεκινώντας από Α, Β, C, AB, D, Ε, F, Τ κλπ. Από αυτές τις τάξεις οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τάξεις ενισχυτών ήχου είναι οι A, B, AB, C. Άλλες κλάσεις είναι οι σύγχρονοι ενισχυτές που χρησιμοποιούν την τοπολογία μεταγωγής και την τεχνική PWM (Pulse Width Modulation) για να οδηγήσουν το φορτίο εξόδου. Μερικές φορές, στη βελτιωμένη έκδοση των παραδοσιακών τάξεων εκχωρείται ένα γράμμα για την ταξινόμησή τους ως διαφορετικής τάξης ενισχυτή, όπως ο ενισχυτής κλάσης G είναι μια τροποποιημένη κλάση ενισχυτή κατηγορίας Β ή ενισχυτή κατηγορίας AB.

Οι τάξεις του ενισχυτή αντιπροσωπεύουν την αναλογία κύκλου εισόδου όταν το ρεύμα διέρχεται μέσω του ενισχυτή. Ο κύκλος εισόδου είναι η γωνία αγωγής που προέρχεται από την αγωγιμότητα των ημιτονοειδών κυμάτων στην είσοδο του ενισχυτή. Αυτή η αγώγιμη γωνία είναι πολύ ανάλογη με τους ενισχυτές εγκαίρως κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου. Εάν ο ενισχυτής είναι πάντα ενεργοποιημένος κατά τη διάρκεια ενός κύκλου, η γωνία αγωγιμότητας θα είναι 360 μοίρες. Έτσι, εάν ένας ενισχυτής παρέχει γωνία αγωγιμότητας 360 μοιρών, τότε ο ενισχυτής χρησιμοποίησε πλήρες σήμα εισόδου και το ενεργό στοιχείο που διεξήχθη μέσω της χρονικής περιόδου 100% ενός πλήρους ημιτονοειδούς κύκλου.

Παρακάτω, θα δείξουμε παραδοσιακές τάξεις ενισχυτή ισχύος που κυμαίνονται από κλάσεις Α, Β, ΑΒ και Γ, και θα δείξουμε επίσης ενισχυτή κλάσης Δ που χρησιμοποιείται ευρέως σε σχέδια εναλλαγής. Αυτές οι τάξεις δεν χρησιμοποιούνται μόνο στο Power Amplifier, αλλά και σε κυκλώματα ενισχυτών ήχου.

Ενισχυτής κλάσης Α

Ο ενισχυτής κατηγορίας Α είναι ένας ενισχυτής υψηλού κέρδους με υψηλή γραμμικότητα. Στην περίπτωση ενισχυτή κατηγορίας Α, η γωνία αγωγής είναι 360 μοίρες. Όπως αναφέραμε παραπάνω, μια γωνία αγωγιμότητας 360 μοιρών σημαίνει ότι η συσκευή ενισχυτή παραμένει ενεργή για όλο το χρόνο και χρησιμοποιεί πλήρες σήμα εισόδου. Στην παρακάτω εικόνα εμφανίζεται ένας ιδανικός ενισχυτής κατηγορίας Α.

Όπως μπορούμε να δούμε στην εικόνα, υπάρχει ένα ενεργό στοιχείο, ένα τρανζίστορ. Η μεροληψία του τρανζίστορ παραμένει αναμμένη συνεχώς. Λόγω αυτής της λειτουργίας ποτέ απενεργοποίησης, ο ενισχυτής κλάσης Α παρέχει καλύτερη σταθερότητα υψηλής συχνότητας και βρόχου ανάδρασης. Εκτός από αυτά τα πλεονεκτήματα, ο ενισχυτής κατηγορίας Α είναι εύκολο να κατασκευαστεί με ένα στοιχείο μιας συσκευής και ελάχιστο αριθμό εξαρτημάτων.

Παρά τα πλεονεκτήματα και την υψηλή γραμμικότητα, σίγουρα, έχει πολλούς περιορισμούς. Λόγω της συνεχούς αγώγιμης φύσης, ο ενισχυτής κατηγορίας Α εισάγει υψηλή απώλεια ισχύος. Επίσης, λόγω της υψηλής γραμμικότητας, ο ενισχυτής κατηγορίας Α παρέχει παραμόρφωση και θόρυβους. Το τροφοδοτικό και η κατασκευή προκατάληψης απαιτούν προσεκτική επιλογή εξαρτημάτων για την αποφυγή ανεπιθύμητου θορύβου και την ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης.

Λόγω της υψηλής απώλειας ισχύος στον ενισχυτή κατηγορίας Α, εκπέμπει θερμότητα και απαιτεί υψηλότερο χώρο ψύκτρας. Η απόδοση είναι πολύ χαμηλή στους ενισχυτές κατηγορίας Α, θεωρητικά, η απόδοση κυμαίνεται μεταξύ 25 έως 30% εάν χρησιμοποιείται με τη συνήθη διαμόρφωση. Η αποδοτικότητα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας επαγωγικά συζευγμένη διαμόρφωση αλλά η απόδοση σε τέτοια περίπτωση δεν υπερβαίνει το 45-50%, επομένως είναι κατάλληλη μόνο για σκοπούς ενίσχυσης χαμηλού σήματος ή χαμηλού επιπέδου ισχύος.

Ενισχυτής κατηγορίας Β

Ο ενισχυτής Class B είναι λίγο διαφορετικός από την Class A. Δημιουργείται χρησιμοποιώντας δύο ενεργές συσκευές που διεξάγουν το ήμισυ του πραγματικού κύκλου, δηλαδή 180 μοίρες του κύκλου. Δύο συσκευές παρέχουν συνδυασμένη τρέχουσα κίνηση για το φορτίο.

Στην παραπάνω εικόνα, έχει εμφανιστεί μια διαμόρφωση ενισχυτή Ideal Class B. Αποτελείται από δύο ενεργές συσκευές που προκαλούν μεροληψία μία προς μία κατά τη διάρκεια του θετικού και αρνητικού ημι-κύκλου του ημιτονοειδούς κύματος και έτσι το σήμα ωθείται ή τραβιέται στο ενισχυμένο επίπεδο τόσο από τη θετική όσο και από την αρνητική πλευρά και συνδυάζει το αποτέλεσμα που έχουμε τον πλήρη κύκλο στην έξοδο. Κάθε συσκευή ενεργοποιήθηκε ή ενεργοποιήθηκε κατά το ήμισυ του κύκλου, και λόγω αυτού η απόδοση βελτιώνεται, σε σύγκριση με την απόδοση 25- 30% του ενισχυτή κατηγορίας Α, παρέχει θεωρητικά περισσότερη από 60% απόδοση. Μπορούμε να δούμε κάθε γράφημα εισόδου και εξόδου συσκευής στην παρακάτω εικόνα. Η απόδοση δεν υπερβαίνει το 78% για τον ενισχυτή κατηγορίας Β . Η απαγωγή θερμότητας ελαχιστοποιείται σε αυτήν την κατηγορία παρέχοντας χαμηλό χώρο ψύξης.

Όμως, αυτή η τάξη έχει επίσης περιορισμό. Ένας πολύ βαθύς περιορισμός αυτής της κατηγορίας είναι η παραμόρφωση crossover. Καθώς δύο συσκευές παρέχουν κάθε μισό από τα ημιτονοειδή κύματα που συνδυάζονται και ενώνονται κατά μήκος της εξόδου, υπάρχει μια αναντιστοιχία (cross over) στην περιοχή, όπου συνδυάζονται δύο μισά. Αυτό συμβαίνει επειδή όταν μια συσκευή ολοκληρώνει τον μισό κύκλο, η άλλη πρέπει να παρέχει την ίδια ισχύ σχεδόν την ίδια στιγμή που μια άλλη ολοκληρώνει την εργασία. Είναι δύσκολο να διορθωθεί αυτό το σφάλμα στον ενισχυτή κλάσης Α, καθώς κατά τη διάρκεια της ενεργής συσκευής η άλλη συσκευή παραμένει εντελώς ανενεργή. Το σφάλμα παρέχει παραμόρφωση στο σήμα εξόδου. Λόγω αυτού του περιορισμού, είναι μια μεγάλη αποτυχία για εφαρμογή ενισχυτή ήχου ακριβείας.

Ενισχυτής κατηγορίας AB

Μια εναλλακτική προσέγγιση για να ξεπεραστεί η διαστρεβλωμένη παραμόρφωση, είναι να χρησιμοποιήσετε τον ενισχυτή AB. Ο ενισχυτής κατηγορίας AB χρησιμοποιεί γωνία ενδιάμεσης αγωγιμότητας και των δύο κατηγοριών Α και Β, έτσι μπορούμε να δούμε την ιδιότητα τόσο του ενισχυτή κατηγορίας Α όσο και της κατηγορίας Β σε αυτήν την κατηγορία τοπολογίας ενισχυτή AB. Όπως και στην κλάση Β, έχει την ίδια διαμόρφωση με δύο ενεργές συσκευές που πραγματοποιεί κατά τη διάρκεια των μισών κύκλων ξεχωριστά, αλλά κάθε συσκευή προκαλεί μεροληψία διαφορετικά, ώστε να μην απενεργοποιούνται εντελώς κατά τη διάρκεια της αχρησιμοποίητης στιγμής (crossover moment). Κάθε συσκευή δεν αφήνει την αγωγή αμέσως μετά την ολοκλήρωση του μισού της ημιτονοειδούς κυματομορφής, αλλά πραγματοποιεί μια μικρή ποσότητα εισόδου σε έναν άλλο μισό κύκλο. Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική πόλωσης, η αναντιστοιχία crossover κατά τη διάρκεια της νεκρής ζώνης μειώνεται δραματικά.

Αλλά σε αυτήν τη διαμόρφωση, η απόδοση μειώνεται καθώς διακυβεύεται η γραμμικότητα των συσκευών. Η απόδοση παραμένει μεγαλύτερη από την απόδοση του τυπικού ενισχυτή Class A, αλλά είναι μικρότερη από το σύστημα ενισχυτή Class B Επίσης, οι δίοδοι πρέπει να επιλέγονται προσεκτικά με την ίδια ακριβώς βαθμολογία και πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή εξόδου. Σε ορισμένες κατασκευές κυκλωμάτων, οι σχεδιαστές τείνουν να προσθέτουν αντίσταση μικρής αξίας για να παρέχουν σταθερό ρεύμα ηρεμίας σε ολόκληρη τη συσκευή για ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης στην έξοδο.

Ενισχυτής τάξης Γ

Εκτός από τον ενισχυτή Class A, B και AB, υπάρχει ένας άλλος ενισχυτής Class C. Είναι ένας παραδοσιακός ενισχυτής που λειτουργεί διαφορετικά από τις άλλες κατηγορίες ενισχυτών. Ο ενισχυτής κατηγορίας C είναι συντονισμένος ενισχυτής που λειτουργεί σε δύο διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, συντονισμένους ή μη. Η αποδοτικότητα του ενισχυτή κατηγορίας C είναι πολύ μεγαλύτερη από τα A, B και AB. Μέγιστη απόδοση 80% μπορεί να επιτευχθεί σε λειτουργίες που σχετίζονται με ραδιοσυχνότητες

Ο ενισχυτής κατηγορίας C χρησιμοποιεί γωνία αγωγιμότητας μικρότερη των 180 μοιρών. Κατά τη διάρκεια της μη συνδεδεμένης λειτουργίας, το τμήμα του δέκτη παραλείπεται από τη διαμόρφωση του ενισχυτή. Σε αυτήν τη λειτουργία, ο ενισχυτής Class C δίνει επίσης τεράστια παραμόρφωση στην έξοδο.

Όταν το κύκλωμα εκτίθεται σε συντονισμένο φορτίο, το κύκλωμα σφίγγει το επίπεδο πόλωσης εξόδου με τη μέση τάση εξόδου ίση με την τάση τροφοδοσίας. Η συντονισμένη λειτουργία ονομάζεται clamper. Κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας, το σήμα παίρνει το σωστό σχήμα του και η κεντρική συχνότητα έγινε λιγότερο παραμορφωμένη.

Σε τυπικές χρήσεις, ο ενισχυτής Class C αποδίδει 60-70% αποδοτικότητα.

Ενισχυτής κατηγορίας D

Ο ενισχυτής Class D είναι ένας ενισχυτής εναλλαγής που χρησιμοποιεί Pulse Width Modulation ή PWM. Η γωνία αγωγιμότητας δεν αποτελεί παράγοντα στην περίπτωση που το σήμα άμεσης εισόδου αλλάζει με μεταβλητό πλάτος παλμού.

Σε αυτό το σύστημα ενισχυτή Κλάσης D, το γραμμικό κέρδος δεν γίνεται αποδεκτό καθώς λειτουργούν ακριβώς όπως ένας τυπικός διακόπτης που έχει μόνο δύο λειτουργίες, ON ή OFF.

Πριν από την επεξεργασία του σήματος εισόδου, το αναλογικό σήμα μετατρέπεται σε ροή παλμών με διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης και μετά εφαρμόζεται στο σύστημα ενισχυτή. Καθώς η διάρκεια των παλμών σχετίζεται με το αναλογικό σήμα, ανακατασκευάζεται ξανά χρησιμοποιώντας φίλτρο χαμηλής διέλευσης σε όλη την έξοδο.

Ο ενισχυτής Class D είναι η υψηλότερη ενεργειακά αποδοτική κατηγορία ενισχυτών στο τμήμα A, B, AB και C και D. Έχει μικρότερη απαγωγή θερμότητας, οπότε απαιτείται μικρή ψύκτρα. Το κύκλωμα απαιτεί διάφορα εξαρτήματα μεταγωγής, όπως MOSFET που έχουν χαμηλή αντίσταση.

Είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τοπολογία σε συσκευές αναπαραγωγής ψηφιακού ήχου ή ελέγχει επίσης τους κινητήρες. Αλλά πρέπει να έχουμε κατά νου ότι δεν είναι ψηφιακός μετατροπέας. Αν και, για υψηλότερη συχνότητα, ο ενισχυτής Κλάσης D δεν είναι η τέλεια επιλογή καθώς έχει περιορισμούς εύρους ζώνης σε μερικές περιπτώσεις ανάλογα με τις δυνατότητες του φίλτρου χαμηλής διέλευσης και της μονάδας μετατροπέα.

Άλλες τάξεις ενισχυτή

Εκτός από τους παραδοσιακούς ενισχυτές, υπάρχουν μερικές ακόμη κλάσεις, οι οποίες είναι οι κατηγορίες E, Class F, Class G και H.

Ο ενισχυτής Class E είναι ένας πολύ αποδοτικός ενισχυτής ισχύος που χρησιμοποιεί εναλλακτικές τοπολογίες και λειτουργεί σε ραδιοσυχνότητες. Ένα ενιαίο στοιχείο εναλλαγής πόλων και το συντονισμένο αντιδραστικό δίκτυο είναι το κύριο συστατικό που χρησιμοποιείται με τον ενισχυτή κατηγορίας Ε.

Η κλάση F είναι ενισχυτής υψηλής αντίστασης σε σχέση με τις αρμονικές. Μπορεί να οδηγηθεί χρησιμοποιώντας τετράγωνο κύμα ή ημιτονοειδές κύμα. Για την είσοδο των ημιτονοειδών κυμάτων, αυτός ο ενισχυτής μπορεί να συντονιστεί χρησιμοποιώντας έναν επαγωγέα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει το κέρδος.

Η τάξη G χρησιμοποιεί διακόπτη σιδηροτροχιάς για μείωση της κατανάλωσης ισχύος και βελτίωση της απόδοσης απόδοσης. Και η κατηγορία H είναι η περαιτέρω βελτιωμένη έκδοση της κατηγορίας G.

Πρόσθετες τάξεις είναι ενισχυτής ειδικού σκοπού. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα γράμματα παρέχονται από τον κατασκευαστή για να δηλώσουν τον ιδιόκτητο σχεδιασμό τους. Ένα καλύτερο παράδειγμα είναι ο ενισχυτής Τάξης Τ ο οποίος είναι εμπορικό σήμα για έναν ειδικό τύπο αλλαγής ενισχυτή Κλάσης Δ, που χρησιμοποιείται για τεχνολογίες ενισχυτή Tripath που είναι κατοχυρωμένος με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχεδιασμού.