Я хочу рассказать немного об истории появления усилителей звука, без которой не понять причин неудач многих разработчиков, производящих хрипящие и бабахающие транзисторные усилители, буквально плюющиеся искаженными до неузнаваемости звуками. А еще, я расскажу том, почему и как усилители разделили на классы, то есть – внесу небольшую историческую справку в материал моих статей.
В далеком 1904 году английский физик Джон Флеминг изобрел двухэлектродную вакуумную лампу-диод
ток в которой мог двигаться только в одном направлении.
А в 1906 году американский инженер Ли Де Форест - изобрел трехэлектродную вакуумную лампу-триод. Величина тока через который, зависела от величины приложенного к сетке напряжения.
Получилось, что электронная вакуумная лампа может преобразовать небольшой – слабый сигнал в сильный сигнал большего напряжения. Поэтому, этот процесс преобразования и назвали усилением, а схему – усилителем.
Хотя на самом деле, никакого усиления в лампе в чистом виде и не происходит! Просто лампа управляет током мощного анодного источника питания! Эти изобретения привели к бурному развитию радиотехники.
Были сконструированы и отлажены первые ламповые усилители звука.
Из многочисленных исследований получилось, что электронная лампа имеет вот такую анодно-сеточную характеристику, показывающую зависимость тока анода лампы, а следовательно, и напряжения на анодном резисторе от потенциала, приложенного к управляющему электроду – к сетке.
Зависимость получилась привлекательно линейной в области малых сигналов, что и определило схемотехнику усилителей - как усилителей напряжения, ведь управление происходило линейно именно напряжением!
В1947 году американские физики Джон Барди́н и Уолтер Браттейн создали первый транзистор.
А в январе 1948 года Уи́льям Шо́кли изобрел первый плоскостной триод - транзистор.
Естественно, многие конструкторы-изобретатели немедленно попробовали реализовать уже имеющиеся и немалые наработки в схемотехнике усилителей - на новых, полупроводниковых приборах!
Но… неожиданно, их ждало… полное поражение… Проверенные годами ламповые схемы не хотели работать в полупроводниковом исполнении! Созданные усилители хрипели, ужасно искажая звук.
А причина этого, которую никто не хотел видеть, простая. Работа транзистора управляется током, втекающим в базу – в его управляющий электрод, а не напряжением, к чему уже успели привыкнуть разработчики аппаратуры. И эта привычка сыграла с ними злую шутку. Подаваемый на вход транзистора сигнал безжалостно им искажался, усилитель хрипел… и неудивительно, ведь слабый сигнал малого напряжения попадал на самую искривленную часть входной вольт-амперной характеристики транзистора.
И чтобы хоть как-то исправить ситуацию, сигнал оттягивали на более-менее линейную часть характеристики, добавляя напряжение смещения. Это позволяло получить неискаженный сигнал тока в базе транзистора, которым и управлялся транзистор! И только после этого удавалось получить неискаженный токовый сигнал в коллекторе, который на нагрузочном резисторе преобразовывался в привычное выходное, уже усиленное напряжение.
А ведь, на самом деле, ТОКОМ управлять - гораздо проще! Характеристика - линейная с НУЛЕВЫХ значений! И нет никаких "ступенек" с их "транзисторным звуком", и не нужно никакого начального смещения со схемами его стабилизации. Просто предыдущий каскад должен быть "источник ТОКА", а не "источник НАПРЯЖЕНИЯ". То есть ВЫХОДНОЕ сопротивление предыдущего каскада должно быть много БОЛЬШЕ, чем ВХОДНОЕ сопротивление оконечного каскада, а не наоборот, как в случае управления напряжением!
Двухтактная схема усиления сигнала.
Существовали и двухтактные схемы, в которых сигнал усиливался раздельно для положительной и отрицательной полуволны.
Но и здесь разработчиков поджидали неожиданности. Слабые сигналы безжалостно искажались, порождая звучание, названное «транзисторным». А причина этого скрывалась в том же. Разработчики не хотели понять то, что транзистором нужно управлять током, а не привычным им напряжением. Вводимые ими корректирующие и смещающие цепи, обратные связи в усилителе – только увеличивали искажения!
И, неудивительно, ведь в тот момент, когда транзисторы выходного каскада ЗАКРЫТЫ при малом входном сигнале, сигнал обратной связи старается многократно увеличить усиление предыдущего каскада, чтобы поднять выходной сигнал до требуемой величины.... А в результате, когда выходные транзисторы, наконец, откроются - на них уже окажется подан сигнал намного БОЛЬШЕ, чем это необходимо. В результате, к "ступеньке" добавится еще и всплеск, возникший в результате работы корректирующей обратной связи...
Но ведь решения существовали, и очень простые! О них я уже рассказал в статье «Правильный усилитель звука». Нужно было только согласиться с тем, что транзистор – токовый прибор и управлять им нужно исключительно током! Транзистор на такое понимание всегда отвечает чудесным звучанием усиленного сигнала. Это подтверждено классическими схемами, например, усилители Дорофеева и А. Агеева, в которых транзисторы правильно управляются именно током, и эти усилители дают чудесное звучание при ничтожно малых нелинейных искажениях!
А чтобы разобраться в бесконечном множестве существующих схем усилителей и были введены классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов). Классы традиционно обозначаются буквами латинского алфавита.
В 1919 году инженер Джон Моркрофт опубликовал анализ работы вакуумного триода. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки сигнала - режим А,
и с отсечкой сигнала в течение половины периода - режим B.
В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А и B. А в 1931 году американский Институт радиоинженеров признал эту классификацию отраслевым стандартом.
Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике.
В 1955 году классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом = импульсном режиме.
С переходом промышленности на транзисторы - понятия режимов A, AB, B и D были адаптированы к новой элементной базе.
В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и D близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада, понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).
А теперь, о режимах подробнее: Режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы / транзистора. Ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку точно повторяет входной сигнал. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия каскада оказывается низким из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные усилители класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением.
В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные, либо только отрицательные входные сигналы.
Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 %.
Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала.
Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена в 1951 году Советским ученым Дмитрием Агеевым и британским ученым Алеком Ривзом. В 1955 году такие устройства впервые назвали усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В режиме D форма тока выходных транзисторов имеет вид прямоугольных импульсов: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Благодаря этому, транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %. Включенный между усилителем и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. В результате, на выходе усилителя получается очищенная от высокочастотных помех усиленная копия входного напряжения.
Полнее об истории усилителей звука Вы можете узнать на моем канале YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=5C8UFIndjQA
