Tehovahvistimien luokat

Elektroniikassa vahvistin on yleisimmin käytetty piirilaite, jolla on valtavat sovellusmahdollisuudet. Audioon liittyvässä elektroniikassa esivahvistimet ja tehovahvistimet ovat kahta erityyppistä vahvistinjärjestelmää, joita käytetään äänenvahvistukseen liittyviin tarkoituksiin. Mutta lukuun ottamatta tätä sovelluskohtaista tarkoitusta, on olemassa suuria eroja erityyppisissä vahvistimissa, lähinnä tehovahvistimissa. Joten tässä tutkitaan erilaisia ​​vahvistinluokkia sekä niiden etuja ja haittoja.

Vahvistimien luokittelu kirjaimia käyttäen

Vahvistinluokat ovat vahvistimen suorituskyvyn ja ominaisuuksien identiteetti. Erilaiset tehovahvistimet antavat erilaisia ​​vasteita kulkiessaan virtaa niiden läpi. Vahvistimille määritellään eritelmien mukaan erilaiset kirjaimet tai aakkoset, jotka edustavat niiden luokkia. Vahvistimia on erilaisia ​​luokkia alkaen A, B, C, AB, D, E, F, T jne. Näistä luokista yleisimmin käytetyt vahvistinluokat ovat A, B, AB, C. Muut luokat ovat moderneja vahvistimia, jotka käyttävät kytkentätopologioita ja PWM (Pulse Width Modulation) -tekniikkaa lähtökuorman ohjaamiseen. Joskus perinteisten luokkien parannetulle versiolle annetaan kirjain, jotta ne luokitellaan eri luokan vahvistimiksi, kuten luokan G vahvistin on luokan B tai luokan AB vahvistimen muokattu vahvistinluokka.

Vahvistimen luokat edustavat tulosyklin osuutta, kun virta kulkee vahvistimen läpi. Tulosykli on johtokulma, joka johtuu vahvistimen tulon sinimuotoisesta aaltojohtumisesta. Tämä johtokulma on erittäin verrannollinen vahvistimiin ajoissa koko syklin aikana. Jos vahvistin on aina päällä jakson aikana, johtokulma on 360 astetta. Joten jos vahvistin tarjoaa 360 asteen johtokulman, vahvistin käytti täydellistä tulosignaalia ja aktiivista elementtiä johdettuna koko sinimuotoisen jakson 100%: n ajanjakson läpi.

Seuraavassa esittelemme perinteisiä tehovahvistinluokkia, jotka vaihtelevat luokista A, B, AB ja C, ja esittelemme myös luokan D vahvistimia, joita käytetään laajasti kytkentämalleissa. Näitä luokkia ei käytetä vain tehovahvistimissa, vaan myös äänivahvistinpiireissä.

Luokan A vahvistin

Luokan A vahvistin on korkean vahvistuksen vahvistin, jolla on suuri lineaarisuus. Luokan A vahvistimen tapauksessa johtokulma on 360 astetta. Kuten edellä todettiin, 360 asteen johtokulma tarkoittaa, että vahvistinlaite pysyy aktiivisena koko ajan ja käyttää täydellistä tulosignaalia. Alla olevassa kuvassa näkyy ihanteellinen luokan A vahvistin.

Kuten voimme nähdä kuvasta, on yksi aktiivinen elementti, transistori. Transistorin esijännitys pysyy PÄÄLLÄ koko ajan. Koska tämä ominaisuus ei sammu koskaan, luokan A vahvistin tarjoaa paremman korkeataajuisen ja takaisinkytkentäsilmukan vakauden. Näiden etujen lisäksi luokan A vahvistin on helppo rakentaa yhden laitteen komponentilla ja vähimmäisosilla.

Eduista ja korkeasta lineaarisuudesta huolimatta sillä on varmasti monia rajoituksia. Jatkuvan johtavan luonteen vuoksi luokan A vahvistin aiheuttaa suuren tehohäviön. Lisäksi korkean lineaarisuuden vuoksi luokan A vahvistin tuottaa vääristymiä ja ääniä. Virtalähde ja esijännitysrakenne on valittava huolellisesti komponenttien välttämiseksi ei-toivotun melun ja vääristymien minimoimiseksi.

Suuren tehohäviön vuoksi luokan A vahvistimessa se lähettää lämpöä ja vaatii suurempaa jäähdytyslevytilaa. Tehokkuus on erittäin heikko luokan A vahvistimissa, teoreettisesti hyötysuhde vaihtelee välillä 25-30%, jos sitä käytetään tavallisessa kokoonpanossa. Tehokkuutta voidaan parantaa käyttämällä induktiivisesti kytkettyä konfiguraatiota, mutta hyötysuhde tällöin on enintään 45-50%, joten se soveltuu vain pienen signaalin tai matalan tehotason vahvistustarkoituksiin.

Luokan B vahvistin

Luokan B vahvistin on hieman erilainen kuin luokka A. Se on luotu kahdella aktiivisella laitteella, jotka johtavat puolet todellisesta jaksosta, ts. 180 astetta jaksosta. Kaksi laitetta tarjoaa yhdistetyn virtalähteen kuormalle.

Yllä olevassa kuvassa on esitetty ihanteellinen luokan B vahvistimen kokoonpano. Se koostuu kahdesta aktiivisesta laitteesta, jotka esijännittyvät yksitellen sinimuotoisen aallon positiivisen ja negatiivisen puolisyklin aikana ja siten signaali työnnetään tai vedetään vahvistetulle tasolle sekä positiiviselta että negatiiviselta puolelta ja yhdistetään tulos, jonka saamme täydellisen syklin lähdön yli. Jokainen laite käynnistyi tai tuli aktiiviseksi puolet jaksosta, ja tämän ansiosta hyötysuhde paranee, verrattuna luokan A vahvistimen 25-30%: n hyötysuhteeseen, se tarjoaa teoreettisesti yli 60% hyötysuhteen. Näemme kunkin laitteen tulo- ja lähtösignaalikaavion alla olevasta kuvasta. Tehokkuus on enintään 78% luokan B vahvistimessa . Lämmöntuotto on minimoitu tässä luokassa ja tarjoaa pienen jäähdytyslevytilan.

Mutta tällä luokalla on myös rajoituksia. Tämän luokan erittäin syvällinen rajoitus on ristikkäisvääristymä. Koska kaksi laitetta tuottaa molemmat puolet sinimuotoisista aaltoista, jotka yhdistetään ja liitetään ulostulon poikki, alueella on ristiriita (ristikkäin), jossa kaksi puolikasta on yhdistetty. Tämä johtuu siitä, että kun yksi laite suorittaa puolisyklin loppuun, toisen on tuotettava sama teho melkein samaan aikaan, kun toinen on suorittanut työn. Tätä virhettä on vaikea korjata luokan A vahvistimessa, koska aktiivisen laitteen aikana toinen laite pysyy täysin passiivisena. Virhe aiheuttaa vääristymän lähtösignaalissa. Tämän rajoituksen vuoksi se on vakava tarkkuusäänivahvistinsovelluksen epäonnistuminen.

Luokan AB vahvistin

Vaihtoehtoinen lähestymistapa ratkaista cross-over vääristymä, on käyttää AB vahvistin. Luokan AB vahvistin käyttää sekä luokan A että B välistä johtokulmaa, joten näemme sekä luokan A että luokan B vahvistimen ominaisuuden tässä AB-luokan vahvistintopologiassa. Sama kuin luokassa B, sillä on sama kokoonpano kahdella aktiivisella laitteella, jotka johtavat puolen jakson aikana erikseen, mutta jokainen laite on esijännitetty eri tavalla, joten ne eivät sammu kokonaan käyttökelvottoman hetken (ristikkäismomentin) aikana. Kukin laite ei poistu johtumisesta heti sinimuotoisen aaltomuodon puoliskon suorittamisen jälkeen, vaan ne suorittavat pienen määrän syötettä toisella puolisyklillä. Tätä esijännitystekniikkaa käytettäessä ristikkäisyyden eroavuus kuolleen alueen aikana vähenee dramaattisesti.

Mutta tässä kokoonpanossa tehokkuus vähenee, kun laitteiden lineaarisuus vaarantuu. Tehokkuus pysyy enemmän kuin tyypillisen luokan A vahvistimen hyötysuhde, mutta se on pienempi kuin luokan B vahvistinjärjestelmä. Diodit on myös valittava huolellisesti täsmälleen samalla luokituksella ja ne on sijoitettava mahdollisimman lähelle lähtölaitetta. Joissakin piirirakenteissa suunnittelijat pyrkivät lisäämään pieniarvoista vastusta vakaan lepovirran aikaansaamiseksi laitteen yli, jotta minimoidaan lähdön vääristymät.

Luokan C vahvistin

Luokan A, B ja AB vahvistimen lisäksi on toinen luokka C.Se on perinteinen vahvistin, joka toimii eri tavalla kuin muut vahvistinryhmät. Luokan C vahvistin on viritetty vahvistin, joka toimii kahdessa eri toimintatilassa, viritettynä tai virittämättömänä. Luokan C vahvistimen hyötysuhde on paljon enemmän kuin A, B ja AB. Suurin 80%: n hyötysuhde voidaan saavuttaa radiotaajuuteen liittyvissä toiminnoissa

Luokan C vahvistin käyttää alle 180 asteen johtokulmaa. Virittämättömän tilan aikana viritinosa jätetään pois vahvistimen kokoonpanosta. Tässä toiminnossa luokan C vahvistin antaa myös valtavia vääristymiä lähdössä.

Kun piiri altistetaan viritetylle kuormitukselle, piiri kiinnittää lähtöjännitteen tason keskimääräisellä lähtöjännitteellä, joka on yhtä suuri kuin syöttöjännite. Viritettyä toimintoa kutsutaan clamperiksi. Tämän operaation aikana signaali saa oikean muodon ja keskitaajuus vääristyi vähemmän.

Tyypillisissä käyttötarkoituksissa luokan C vahvistin antaa 60-70% hyötysuhteen.

D-luokan vahvistin

Luokan D vahvistin on kytkentävahvistin, joka käyttää pulssinleveyden modulointia tai PWM: ää. Johtokulma ei ole tekijä siinä tapauksessa, että suoraa tulosignaalia muutetaan vaihtelevalla pulssin leveydellä.

Tässä D-luokan vahvistinjärjestelmässä lineaarista vahvistusta ei hyväksytä, koska ne toimivat aivan kuten tyypilliset kytkimet, joilla on vain kaksi toimintoa, ON tai OFF.

Ennen tulosignaalin prosessointia analoginen signaali muunnetaan pulssi- ​​virraksi erilaisilla modulointitekniikoilla ja sitten se johdetaan vahvistinjärjestelmään. Koska pulssien kesto liittyy analogiseen signaaliin, se rekonstruoidaan jälleen alipäästösuodattimella lähdön yli.

D-luokan vahvistin on korkein tehoa säästävä vahvistinluokka A-, B-, AB-, C- ja D-segmentissä. Sillä on pienempi lämmöntuotto, joten tarvitaan pieni jäähdytyselementti. Piiri vaatii erilaisia ​​kytkentäkomponentteja, kuten MOSFET-laitteita, joilla on alhainen vastus.

Se on laajalti käytetty topologia digitaalisissa soittimissa tai moottoreiden ohjauksessa. Mutta meidän on pidettävä mielessä, että se ei ole digitaalinen muunnin. Vaikka korkeammalle taajuudelle luokan D vahvistin ei ole täydellinen valinta, koska sillä on kaistanleveysrajoituksia joissakin tapauksissa alipäästösuodattimen ja muunninmoduulin ominaisuuksista riippuen.

Muut vahvistinluokat

Perinteisten vahvistimien lisäksi on muutama luokka, jotka ovat luokka E, luokka F, luokka G ja H.

Luokan E vahvistin on erittäin tehokas tehovahvistin, joka käyttää kytkentätopologioita ja toimii radiotaajuuksilla. Yksinapainen kytkentäelementti ja viritetty reaktiivinen verkko ovat pääkomponentti, jota käytetään luokan E vahvistimessa.

Luokka F on korkeaimpedanssivahvistin yliaaltojen suhteen. Sitä voidaan käyttää neliö- tai siniaallolla. Sinimuotoisen aallon tuloa varten tämä vahvistin voidaan virittää induktorilla ja sitä voidaan käyttää vahvistuksen lisäämiseen.

Luokka G käyttää kiskokytkentää virrankulutuksen vähentämiseksi ja tehokkuuden parantamiseksi. Ja luokka H on luokan G edelleen parannettu versio.

Lisäluokkia ovat erityiskäyttöiset vahvistimet. Joissakin tapauksissa valmistaja toimittaa kirjaimet omien malliensa merkitsemiseksi. Yksi paras esimerkki on luokan T vahvistin, joka on tavaramerkki erityiselle D-luokan kytkentävahvistimelle, jota käytetään Tripathin vahvistintekniikoissa, mikä on patentoitu muotoilu.