Audioversterker is een algemene term die wordt gebruikt om een circuit te beschrijven dat een versie van zijn ingangssignaal produceert en versterkt. Niet alle convertertechnologieën zijn echter hetzelfde, omdat ze zijn geclassificeerd op basis van hun configuraties en werkingsmodi.
In de elektronica worden vaak kleine versterkers gebruikt omdat ze een relatief klein ingangssignaal, zoals van een sensor zoals een muziekspeler, kunnen versterken tot een veel groter uitgangssignaal om een relais, lamp of luidspreker aan te sturen, enz.
Er zijn veel vormen van elektronische circuits die als versterkers worden geclassificeerd, van operationele en kleine signaalomvormers tot grote puls- en vermogensomvormers. De classificatie van een apparaat hangt af van de grootte van het signaal, groot of klein, de fysieke configuratie en hoe de invoerstroom wordt verwerkt, dat wil zeggen, de relatie tussen het invoerniveau en de stroom die in de belasting vloeit.
Anatomie van het apparaat
Audiofrequentieversterkers kunnen worden gezien als een eenvoudige doosof een blok dat een apparaat bevat, zoals een bipolaire, FET- of operationele sensor, met twee ingangs- en twee uitgangsklemmen (aarde is gebruikelijk). Bovendien is het uitgangssignaal veel groter vanwege de conversie op het apparaat.
Een ideale signaalversterker heeft drie hoofdeigenschappen:
- Ingangsimpedantie, of (R IN).
- Uitgangsweerstand, of (R OUT).
- Gain, of (A).
Hoe complex het versterkercircuit ook is, een algemeen blokmodel kan worden gebruikt om de relatie tussen deze drie eigenschappen aan te tonen.
Algemene concepten
Hoge kwaliteit audioversterkers kunnen variëren in prestaties. Elk type heeft een digitale of analoge conversie. Codes zijn ingesteld om ze te scheiden.
Het grotere verschil tussen ingangs- en uitgangssignalen wordt conversie genoemd. Versterking is een maat voor hoeveel een versterker een ingangssignaal "transformeert". Als er bijvoorbeeld een ingangsniveau is van 1 volt en een uitgangsniveau van 50 volt, dan is de conversie 50. Met andere woorden, het ingangssignaal is 50 keer ontwikkeld. Een audiofrequentieversterker doet precies dat.
De conversieberekening is gewoon de verhouding van de output gedeeld door de input. Dit systeem heeft geen eenheden als verhouding, maar in de elektronica wordt vaak het symbool A gebruikt voor versterking. De conversie wordt dan eenvoudig berekend als "uitvoer gedeeld door invoer".
Stroomomvormers
Vergrootglas kleinEen signaalversterker wordt gewoonlijk een "spanningsversterker" genoemd omdat deze de neiging heeft om een kleine ingang om te zetten in een veel grotere uitgangsspanning. Soms is een apparaatcircuit vereist om een motor of luidsprekervermogen aan te drijven, en voor dit soort toepassingen, waarbij hoge schakelstromen betrokken zijn, zijn stroomomvormers nodig.
Zoals de naam al doet vermoeden, is de belangrijkste taak van een eindversterker (ook bekend als een grote signaalversterker) het leveren van stroom aan een belasting. Het is het product van spanning en stroom toegepast op een belasting met een uitgangsvermogen dat groter is dan het ingangssignaalniveau. Met andere woorden, de omzetter verhoogt het vermogen van de luidspreker, dus dit type blokschakeling wordt gebruikt in de externe trappen van audio-omzetters om de luidsprekers aan te sturen.
Werkingsprincipe
De audioversterker werkt volgens het principe van het omzetten van de gelijkstroom die uit de voeding wordt getrokken in een wisselspanningssignaal dat aan de belasting wordt geleverd. Hoewel de conversie hoog is, is het rendement van de gelijkstroomvoeding naar het wisselspanningsuitgangssignaal over het algemeen laag.
Een ideaal blok geeft het apparaat een efficiëntie van 100% of in ieder geval zal het vermogen IN gelijk zijn aan het vermogen UIT.
Klasse-indeling
Als gebruikers ooit naar de specificatie van audio-eindversterkers hebben gekeken, hebben ze misschien apparatuurklassen opgemerkt, meestal aangegeven met de letter oftwee. De meest voorkomende bloktypes die tegenwoordig in home-audio voor consumenten worden gebruikt, zijn A-, A/B-, D-, G- en H-waarden.
Deze klassen zijn geen eenvoudige classificatiesystemen, maar beschrijvingen van versterkertopologie, dat wil zeggen, hoe ze functioneren op het kernniveau. Hoewel elk type versterker zijn eigen sterke en zwakke punten heeft, blijven hun prestaties (en hoe de uiteindelijke kenmerken worden gemeten) hetzelfde.
Het is bedoeld om de golfvorm die door de pre-unit wordt verzonden om te zetten zonder interferentie of op zijn minst zo min mogelijk vervorming.
Klasse A
Vergeleken met andere klassen van audio-eindversterkers die hieronder worden beschreven, zijn Klasse A-modellen relatief eenvoudige apparaten. Het bepalende werkingsprincipe is dat alle uitgangsblokken van de transducer een volledige signaalcyclus van 360 graden moeten doorlopen.
Klasse A kan ook worden onderverdeeld in single-ended en push-pull versterkers. Push/pull verschilt van de hoofdverklaring hierboven door uitvoerapparaten in paren te gebruiken. Terwijl beide apparaten een volledige cyclus van 360 graden uitvoeren, zal het ene apparaat het grootste deel van de belasting dragen tijdens het positieve deel van de cyclus, terwijl het andere meer van de negatieve cyclus zal dragen.
Het belangrijkste voordeel van dit circuit is de verminderde vervorming in vergelijking met ontwerpen met één uiteinde, omdat zelfs orderfluctuaties worden geëlimineerd. Bovendien zijn push-pull-ontwerpen van klasse A minder gevoelig voor ruis.
Vanwege de positieve eigenschappen die worden geassocieerd met klasse A-prestaties, wordt het beschouwd als de gouden standaard voor geluidskwaliteit in veel akoestische toepassingen. Deze ontwerpen hebben echter één belangrijk nadeel: efficiëntie.
Vereiste voor klasse A-transistor-audioversterkers om alle uitvoerapparaten te allen tijde aan te hebben. Deze actie leidt tot een aanzienlijk energieverlies, dat uiteindelijk wordt omgezet in warmte. Dit wordt nog verergerd door het feit dat ontwerpen van klasse A relatief hoge niveaus van ruststroom vereisen, wat de hoeveelheid stroom is die door de uitvoerapparaten vloeit wanneer de versterker nul output produceert. De werkelijke efficiëntie kan in de orde van 15-35% liggen, met enkele cijfers mogelijk met behulp van zeer dynamisch bronmateriaal.
Klasse B
Hoewel alle uitgangsmechanismen in een klasse A-audioversterker 100% van de tijd nodig hebben om te werken, gebruiken de klasse B-units push-pull-schakelingen zodat slechts de helft van de uitgangsapparaten op elk moment geleidt.
De ene helft bedekt het +180 graden gedeelte van de golfvorm, terwijl de andere helft het -180 graden gedeelte bedekt. Als gevolg hiervan zijn klasse B-versterkers aanzienlijk efficiënter dan hun klasse A-tegenhangers, met een theoretisch maximum van 78,5%. Gezien het relatief hoge rendement is klasse B gebruikt in sommige professionele PA-transducers en in sommige buizenversterkers voor thuisgebruik. Ondanks henduidelijke sterkte, de kansen op het verwerven van een klasse B-blok voor een huis zijn praktisch nul. Een onderzoek van de audioversterker bracht de oorzaak hiervan aan het licht, ook wel crossover-vervorming genoemd.
Het probleem met latentie bij overdracht tussen apparaten die de positieve en negatieve delen van de golfvorm verwerken, wordt als significant beschouwd. Het spreekt voor zich dat deze vervorming in voldoende hoeveelheden hoorbaar is, en hoewel sommige Klasse B-ontwerpen in dit opzicht beter waren dan andere, kreeg de Klasse B weinig erkenning van zuiver klinkende enthousiasten.
Klasse A/B
De buizenversterker is te vinden in veel concertzalen. Het heeft hoge prestaties en raakt niet oververhit. Bovendien zijn de modellen veel goedkoper dan veel digitale blokken. Maar er zijn ook afwijkingen. Zo'n module werkt mogelijk niet met alle audioformaten. Daarom is het beter om apparatuur te gebruiken als onderdeel van een algemeen signaalverwerkingscomplex.
Klasse A/B combineert het beste van elk apparaattype om een eenheid te creëren zonder de nadelen van een van beide. Met deze combinatie van voordelen domineren klasse A/B-versterkers grotendeels de consumentenmarkt.
De oplossing is eigenlijk vrij eenvoudig van opzet. Waar klasse B een push-pull-apparaat gebruikt waarbij elke helft van de uitgangstrap 180 graden geleidt, verhogen klasse A/B-mechanismen dit tot ~181-200 graden. Zo is erveel minder kans op een "scheur" in de lus, en daarom da alt de crossover-vervorming tot het punt waarop het er niet meer toe doet.
Valve audio-eindversterkers kunnen deze interferentie veel sneller absorberen. Dankzij deze eigenschap komt het geluid veel schoner uit het apparaat. Modellen met deze kenmerken worden vaak gebruikt om het geluid van akoestische en elektrische gitaren te transformeren.
Het volstaat te zeggen dat klasse A/B zijn belofte waarmaakt en gemakkelijk beter presteert dan pure klasse A-constructies met ~50-70% real-world prestaties. De werkelijke niveaus hangen natuurlijk af van hoeveel de versterker is gecompenseerd, evenals van programmamateriaal en andere factoren. Het is ook vermeldenswaard dat sommige Klasse A/B-ontwerpen een stap verder gaan in hun zoektocht om crossover-vervorming te elimineren door in pure klasse A-modus te werken tot een paar watt aan vermogen. Dit geeft enig rendement op lage niveaus, maar zorgt ervoor dat de versterker niet in een oven verandert wanneer er een grote hoeveelheid stroom wordt toegepast.
Klassen G en H
Nog een paar ontwerpen ontworpen om de efficiëntie te verbeteren. Technisch gezien zijn noch klasse G noch klasse H versterkers officieel erkend. In plaats daarvan zijn het variaties op het Klasse A/B-thema met respectievelijk busspanningsschakeling en busmodulatie. In elk geval gebruikt het systeem in omstandigheden met weinig vraag een lagere busspanning dan een vergelijkbare klasse A/B-versterker, wat aanzienlijkvermindert het stroomverbruik. Wanneer er zich omstandigheden met hoog vermogen voordoen, verhoogt het systeem dynamisch de busspanning (d.w.z. schakelt over naar de hoogspanningsbus) om transiënten met hoge amplitude te verwerken.
Er zijn ook gebreken. De belangrijkste daarvan zijn de hoge kosten. De originele netwerkschakelcircuits gebruikten bipolaire transistors om de uitgangsstromen te regelen, wat de complexiteit en kosten toevoegt. Hoogwaardige buizen-audiofrequentieversterkers van dit type zijn gebruikelijk, hoewel de prijs begint bij 50 duizend roebel. Het blok wordt beschouwd als een professionele techniek om op het podium te werken of in een studio op te nemen. Er zijn problemen met transistoren. Bij langdurige belasting kunnen sommige falen.
Tegenwoordig wordt de prijs vaak tot op zekere hoogte verlaagd door gebruik te maken van MOSFET's met hoge stroomsterkte om gidsen te selecteren of te wijzigen. Het gebruik van MOSFET's verbetert niet alleen de efficiëntie en vermindert de warmte, maar vereist ook minder onderdelen (meestal één apparaat per draad). Naast de kosten van busomschakeling, de modulatie zelf, is het ook vermeldenswaard dat sommige klasse G-versterkers meer uitvoerapparaten gebruiken dan een typisch klasse A/B-ontwerp.
Eén paar apparaten werkt in de typische A/B-modus, gevoed door de laagspanningsrails. Ondertussen staat de andere stand-by om als spanningsbooster te fungeren, alleen geactiveerd afhankelijk van de situatie. Bestand tegen hoge belastingen alleen klassen G en H,geassocieerd met krachtige versterkers, waar de verhoogde efficiëntie loont. Compacte ontwerpen kunnen ook klasse G/H-topologieën gebruiken in tegenstelling tot A/B, aangezien de mogelijkheid om over te schakelen naar de energiebesparende modus betekent dat ze weg kunnen komen met een iets kleiner koellichaam.
Klasse D
Met dit type apparaat kun je je eigen modulaire systemen maken. Met behulp van de apparatuur vindt een hoogwaardige verwerking van de gehele uitgaande stroom plaats. Door audiofrequentie-eindversterkers te ontwerpen, kunt u uw eigen multimediasysteem voor werk of amusement creëren. Er zijn hier echter enkele nuances. Vaak ten onrechte aangeduid als digitale versterking, zijn klasse D-converters een garantie voor unit-efficiëntie en behalen ze winsten van meer dan 90% bij daadwerkelijk testen.
Eerst is het de moeite waard om te overwegen waarom dit klasse D is als "digitale versterking" onjuist is. Het was gewoon de volgende letter in het alfabet, waarbij de C-klasse werd gebruikt in audiosystemen. Wat nog belangrijker is, hoe 90%+ efficiëntie kan worden bereikt. Terwijl alle eerder genoemde versterkerklassen een of meer uitgangsapparaten hebben die constant actief zijn, zelfs als de converter daadwerkelijk in de standby-modus staat, schakelen klasse D-apparaten ze snel uit en aan. Dit is best handig en maakt het mogelijk om de module alleen op de juiste momenten te gebruiken.
Bijvoorbeeld de berekening van klasse T audioversterkers, die zijnDe klasse D-implementatie van Tripath gebruikt, in tegenstelling tot het basisapparaat, schakelfrequenties in de orde van 50 MHz. Uitgangsapparaten worden meestal bestuurd door pulsbreedtemodulatie. Dit is wanneer blokgolven van verschillende breedtes worden gegenereerd door een modulator die een analoog signaal presenteert voor weergave. Met een strikte controle van uitvoerapparaten op deze manier is 100% efficiëntie theoretisch mogelijk (hoewel uiteraard niet haalbaar in de echte wereld).
Als je in de wereld van klasse D-audioversterkers duikt, kun je ook melding maken van analoog en digitaal gestuurde modules. Deze besturingsblokken hebben een analoog ingangssignaal en een analoog besturingssysteem, meestal met een zekere mate van feedbackfoutcorrectie. Aan de andere kant gebruiken digitale conversieklasse D-versterkers digitale besturing, die de vermogenstrap schakelt zonder foutcontrole. Deze beslissing vindt ook goedkeuring, volgens de beoordelingen van veel kopers. Het prijssegment is hier echter veel hoger.
Onderzoek naar audioversterkers heeft aangetoond dat analoog aangedreven klasse D een prestatievoordeel heeft ten opzichte van digitaal analoog, omdat het doorgaans een lagere uitgangsimpedantie (weerstand) en een verbeterd vervormingsprofiel biedt. Dit verhoogt de beginwaarden van het systeem bij maximale belasting.
De parameters van de audiofrequentieversterkers zijn veel hoger dan die van de basismodellen. Het moet duidelijk zijn dat dergelijke berekeningen alleen nodig zijn voor het maken van muziek in de studio. Voor gewone kopers, dezekenmerken kunnen worden overgeslagen.
Meestal wordt een L-circuit (inductor en condensator) tussen de versterker en de luidsprekers geplaatst om de ruis te verminderen die gepaard gaat met klasse D. Het filter is van groot belang. Een slecht ontwerp kan de efficiëntie, betrouwbaarheid en geluidskwaliteit in gevaar brengen. Bovendien heeft feedback na het uitgangsfilter zijn voordelen. Hoewel ontwerpen die in dit stadium geen feedback gebruiken, hun respons kunnen afstemmen op een specifieke impedantie, kan de frequentierespons aanzienlijk variëren, wanneer dergelijke versterkers een complexe belasting hebben (d.w.z. een luidspreker in plaats van een weerstand). Feedback stabiliseert dit probleem door soepel te reageren op complexe belastingen.
Uiteindelijk heeft de complexiteit van klasse D-audioversterkers zijn voordelen. Efficiëntie en daardoor minder gewicht. Omdat er relatief weinig energie aan warmte wordt besteed, is er veel minder energie nodig. Als zodanig worden veel klasse D-versterkers gebruikt in combinatie met schakelende voedingen (SMPS). Net als de uitgangstrap kan de voeding zelf snel worden in- en uitgeschakeld om de spanning te regelen, wat resulteert in verdere efficiëntiewinsten en de mogelijkheid om het gewicht te verminderen ten opzichte van traditionele analoge/lineaire voedingen.
In totaal kunnen zelfs krachtige klasse D-versterkers slechts een paar kilo wegen. Het nadeel van SMPS-voedingen ten opzichte van traditionele lineaire voedingen is:dat de eerstgenoemden meestal niet veel hoofdruimte hebben.
Tests en talrijke tests van klasse D audioversterkers met lineaire voedingen in vergelijking met SMPS-modules hebben aangetoond dat dit inderdaad het geval is. Toen twee versterkers nominaal vermogen aan het verwerken waren, maar een met een lineaire voeding kon hogere dynamische vermogensniveaus produceren. SMPS-ontwerpen worden echter steeds gebruikelijker en u kunt betere klasse D-eenheden van de volgende generatie verwachten met vergelijkbare vormen in winkels.
Vergelijking van de efficiëntie van de klassen AB en D
Hoewel de efficiëntie van een klasse A/B getransistoriseerde audio-eindversterker toeneemt naarmate het maximale uitgangsvermogen nadert, behouden klasse D-ontwerpen een hoge efficiëntie over de meeste bedrijfsbereiken. Als gevolg hiervan neigen efficiëntie en geluidskwaliteit steeds meer naar het laatste blok.
Gebruik één transducer
Wanneer correct geïmplementeerd, kan elk van de bovenstaande blokken buiten klasse B de basis vormen van een hifi-versterker. Afgezien van potentiële prestatie-valkuilen (die in de eerste plaats een ontwerpbeslissing zijn in plaats van klasse-specifiek), is de keuze van het bloktype grotendeels een kwestie van kosten versus efficiëntie.
In de huidige markt domineert de eenvoudige klasse A/B-audioversterker, en niet zonder reden. Het werkt heel goed, is relatief goedkoop en het isefficiëntie is voldoende voor toepassingen met laag vermogen (>200W). Terwijl converterfabrikanten proberen de grenzen te verleggen met bijvoorbeeld het 1000W Emotiva XPR-1 monoblock, wenden ze zich natuurlijk tot G/H- en D-klasse ontwerpen om te voorkomen dat hun versterkers worden gedupliceerd als systemen die apparatuur snel kunnen opwarmen. Ondertussen zijn er aan de andere kant van de markt klasse A-fans die het gebrek aan efficiëntie van het apparaat kunnen vergeven in de hoop op een schoner geluid.
Resultaat
Convertersklassen zijn immers niet per se zo belangrijk. Natuurlijk zijn er daadwerkelijke verschillen, vooral als het gaat om kosten, versterkerefficiëntie en dus gewicht. Natuurlijk zijn 500W klasse A-apparaten een slecht idee, tenzij de gebruiker natuurlijk een krachtig koelsysteem heeft. Aan de andere kant zijn verschillen tussen klassen niet bepalend voor de geluidskwaliteit. Uiteindelijk komt het neer op het ontwikkelen en uitvoeren van je eigen projecten. Het is belangrijk om te begrijpen dat transducers slechts één apparaat zijn dat deel uitmaakt van het audiosysteem.
