В этой статье речь пойдет о самых обычных усилителях мощности, но с необычным подходом к их питанию, а также о том, для чего все это нужно и как это реализуется на практике.
Усилитель мощности со следящим питанием - это усилитель, напряжение питание которого изменяется в соответствии с формой и напряжением выходного сигнала.
Так, если в привычных всем усилителях классов A, B, AB, D и некоторых других классов, напряжение питания фиксировано и равно какому-то конкретному значению, например +/- 45 В (изменение питающего напряжения вследствие его просадки под нагрузкой и вследствие колебания напряжения в сети в расчет брать не будем), то в усилителях со следящим питанием, питающее напряжения принудительно изменяется в зависимости от величины и формы выходного напряжения при помощи специальной схемы.
Здесь нужно уточнить один момент. Говоря о следящем питании усилителей, подразумевается следящие питания не всего усилителя в целом, а лишь только его выходного каскада. Питание маломощных каскадов усиления напряжения всегда фиксировано, делать его следящим не имеет практического смысла, далее вы поймете почему.
Схема, которая занимается слежением и регулированием питающего напряжения называется - "tracker" (по-русски - "трекер"). По способу регулирования трекеры бывают: линейные (linear tracker) и импульсные (pwm tracker). Первые - просты, но имеют относительно невысокий КПД. Вторые - имеют высокий КПД, но сложны схемотехнически и генерируют много паразитных электромагнитных помех. Усилители, в которых применяются линейные трекеры принадлежал к усилителям класса G, а те усилители, в которых применяются импульсные трекеры - к усилителям класса TD.
Здесь следует очередное уточнение. Усилители класса H, не смотря на то, что имеют изменяющуюся величину питающего напряжения в зависимости от выходного сигнала, не относятся к усилителям со следящим питанием так как, их напряжение питания изменяется ступенчато, а не в соответствии с формой выходного сигнала усилителя. В этих усилителях для изменения величины питающего напряжения применяется устройство под называнием - "коммутатор", которое по необходимости просто подключает питание выходного каскада усилителя, то к низковольтным, то к высоковольтным питающим шинам, но не осуществляет плавной регулировки питающего напряжения в соответствии с формой выходного сигнала.
Усилители класса G - это усилитель со следящим питанием, в котором слежение и регулирование питающего напряжения осуществляется при помощи линейного трекера.
Для питания усилителях класса G необходимо по меньшей мере две пары питающих шин. Первая шина питания (условно - низковольтная), подключается непосредственно к выходному каскаду усилителя и задает его минимальное питающее напряжения. Вторая шина питания (условно - высоковольтная), подключается к выходному каскаду усилителя через линейный трекер.
Структурная схема усилителя мощности класса G:
Структурная схема усилителя класса G, помимо усилителя напряжения и выходного каскада (представленного на структурное схеме выходными транзисторами VT1 и VT2), содержит в своем составе: две пары питающих шин +V1 и -V1 (положительная и отрицательные низковольтные питающие шины, соответственно), +V2 и -V2 (положительная и отрицательные высоковольтные питающие шины, соответственно), диоды VD1 и VD2, предназначенные для того, чтобы выработанное трекером выходное напряжение не попало в низковольтную питающую шину, а также нагрузки в виде резистора Rн.
Ниже графически показан принцип работы усилителя класса G:
В усилителе класса G, в те моменты, когда значение напряжения выходного сигнала оказывается сравнимо с напряжением питания низковольтных шин, в работу включается линейный трекер, которой начинает плавно повышать питающее напряжение выходного каскада усилителя в соответствии с формой сигнала на выходе усилителя. При необходимости, питающее напряжение может быть повышено вплоть до напряжения высоковольтных питающих шин +/-V2.
Без сигнала на выходе усилителя и при относительно малых его амплитудах, выходной каскад усилителя класса G питается от низковольтных шин питания +/-V1. По сути, в это время его принцип работы ничем не отличается от классического усилителя класса AB.
Ниже показан принцип работы усилителя класса AB:
На обоих вышепоказанных графиках, площадь фигуры, ограниченная зеленым цветом, показывает полезную мощность, а площадь, ограниченная оранжевым цветом - потери мощности на нагрев. Можно заметить, что на графике соответствующем классу G, площадь занятая оранжевым цветом гораздо меньше, чем на графике соответствующем усилителю класса AB, а это означает то, что коэффициент полезного действия усилителя класса G больше, чем коэффициент полезного действия усилителя класса AB.
На следующем графике желтым цветом показано то, сколько энергии удалось сэкономить и насколько снизить нагрев усилителя благодаря переходу от усилителя класса AB к усилителю класса G:
Оранжевый = потери в усилителе класса G;
Оранжевый+желтый = потери в классе AB.
Именно ради повышения коэффициент полезного действия и связанного с этим снижения нагрева был придуман принцип следящего питания для выходных каскадов усилителей мощности.
Однако каким бы привлекательным не казался усилитель класса G, его эффективность не идет ни в какое сравнение с усилителями класса TD, о которых пойдет речь далее.
Усилитель класса TD - это усилитель со следящим питанием, в котором слежение и регулирование питающего напряжения осуществляется при помощи импульсного ШИМ-трекера.
Небольшое, но важное уточнение. Класс TD - это зарегистрированная торговая марка, принадлежащая компании Lab Gruppen, на момент написания данной статьи - лидеру в производстве усилителей с импульсным следящим питанием. Другие производители также серийно выпускают подобные усилители, но именуют данный тип усилителей по-другому, например Yamaha называет это технологией - "EEEngine". Мы же далее будем называет все усилители со следящим импульсным питанием - усилителями класса TD (включая и те, которые не имеют отношения к компании Lab Gruppen).
Структурная схема усилителя мощности класса TD:
Усилитель класса TD имеет всего одну пару питающих шин +/-V1, в этом плане он ничем не отличается от классического усилителя класса AB, однако питание на выходной каскад усилителя подается не напрямую, а через импульсный ШИМ-трекер, который регулирует напряжение питания выходного каскада таким образом, чтобы разница между питающим и выходным напряжениями была минимальна, как правило это разница поддерживается на уровне +/- 5...10 В, благодаря чему достигается очень высокий КПД, сравнимый с усилителями класса D.
Принцип работы усилителя класса TD:
Но в отличие от класса D, усилитель класса TD (за исключением цепей питания), схемотехнически ничем не отличается от усилителя класса AB и по сути, он им и является. А как известно, усилители класса AB, как правило, обладают куда лучшей линейностью, а также большим быстродействием (благодарю отсутствию необходимости в выходном LC-фильтре), чем усилители класса D. Таким образом, теоретически мы получаем усилитель с качественными параметрами усилителя класса AB и КПД близким к усилителям класса D, однако на практике все не так радужно (об этом далее).
На иллюстрации выше показано то, как изменяется питающее напряжение реального усилителя (желтый луч на экране осциллографа), в зависимости от формы и величины выходного напряжения усилителя (синий луч на экране осциллографа). Можно наглядно видеть, что питающее напряжение изменяется по величине в соответствии с формой сигнала на выходе усилителя.
Сравнение эффективности усилителей классов AB, G и TD:
Зеленый = полезная мощность;
Оранжевый = потери в усилителе класса TD;
Оранжевый+желтый = потери в усилителе класса G;
Оранжевый+желтый+красный = потери в усилителе класса AB.
Обратите внимание насколько потери энергии в усилителе класса TD меньше, чем даже в усилителе класса G, а потери энергии и тепловыделение усилителя класса AB кажутся просто чудовищно большими в сравнении с усилителем класса TD.
Помимо эффективности, другим важным преимуществом усилителей класса TD является то, что благодаря наличию ШИМ-трекеров, которые поддерживают напряжение коллектор-эмиттер (в случае применения биполярных транзисторов в выходном каскаде усилителя), на фиксированном и очень малом значении 5...10 В, выходные транзисторы работают на наиболее благоприятном участке своей области безопасных режимов (Safe operating area), что позволяет с одной пары выходных транзисторов безопасно снимать просто фантастические значения выходной мощности. Например, с народной пары транзисторов 2SC5200/2SA1943, применяя их в выходном каскаде усилителя класса TD, можно безопасно снять 500 Вт и даже более. Подчеркиваю: с одной пары выходных транзисторов! В усилителе класса AB для этого потребовалось бы 4-5 пар выходных транзисторов той же модели.
И нет, это не опечатка и не выдумка автора данной статьи, данный факт подтверждается например тем фактом, что в выходном каскаде серийного усилителя Lab Gruppen FP+10000q, с выходной мощностью 2100 Вт на 4 Ом (на канал), применяется всего четыре пары биполярных транзисторов 2SC3263/2SA1294.
Кроме того, благодаря тому же трекеру и поддерживаемому им низкому напряжению коллектор-эмиттер выходных транзисторов, в качестве выходных транзисторов допустимо применять низковольтные транзисторы с допустимым напряжением коллектор-эмиттер, которое может быть даже ниже, чем максимальное напряжение источника питания усилителя.
К сожалению, за все эти преимущества класса TD, расплачиваться приходится значительным усложнением схемы и конструкции усилителя из-за введения в нее ШИМ-трекеров, что является недостатком усилителей мощности подобного типа.
Также, к недостаткам усилителей класса TD можно отнести то, что их эффективность зависит от частоты усиливаемого сигнала. Происходит это потому, что ШИМ-трекеры хорошо работают на низких и неплохо на средних частотах звукового диапазона, но на высоких частотах трекеры уже не успевают отслеживать и точно регулировать питающее напряжение из-за чего падает эффективность (снижается КПД).
Работа усилителя класса TD при усилении сигнала высокой частоты (10 кГц):
Можно видеть, что форма питающего напряжения (желтый луч на экране осциллографа), уже не соответствует форме выходного напряжения (синий луч на экране осциллографа), а сама форма выходного напряжения значительно искажена. Именно из-за недостаточного быстродействия импульсных ШИМ-трекеров, усилители класса TD все еще не могут достигнуть качественных технических параметров усилителей класса AB даже не смотря на то, что схемотехнически они более чем похожи.
Описанный недостаток присущ усилителям с импульсным следящим питанием - усилителям класса TD. Усилители с линейным слежением (усилители класса G), лишены данного недостатка, поэтому почти одинаково хорошо и эффективно работают как на низких, так и на самых высоких частотах звукового диапазона частот.
Что касается области применения усилителей со следящим питанием, то их основное место применения - это профессиональная концертная деятельность (профессиональное аудио), где финансовая выгода от повышения эффективности усилителей превышает потери из-за переплаты за усложнение схемы и конструкции усилителя. Применение подобных усилителей в бытовом аудио не целесообразно так как, те значения выходных мощностей, которые предлагают данные классы усилителей, в быту не требуются, в тоже время, при бытовых значениях выходных мощностей, вопрос эффективности и тепловыделения не стоит так остро как в профессиональном аудио.
Тем, кто хочет своими руками прикоснуться к усилителям со следящим питанием или подробнее о них узнать, рекомендую обратить свое внимание на следующие материалы:
- Раздел "Усилители мощности класса G" (страницы 354-386), книги "Проектирование усилителей мощности звуковой частоты", авторства Дугласа Селфа, где изложена подробная информация о проектировании усилителей класса G, а на страницах 372-373 вы сможете найти полную принципиальную электрическую схему такого усилителя.
- Схемы советских усилителей Вега 50У-122С и Корвет 100У-068С, выходные каскады которых работают в классе G.
- Статью "Доработка усилителя Only Music 2.7 до класса G", авторства Юрия Кузнецова, размещенную на этом канале. В статье представлена схема простого линейного трекера, которым автор статьи дополнил оригинальную схему усилителя мощности Only Music 2.7 с целью повышения КПД усилителя. Приведенную в статье схему трекера также можно применить для переделки любого другого усилителя класса AB в усилитель класса G.
- Статью "УМЗЧ с высоким КПД", авторства C. Шпака, опубликованную в журнале "Радио", №4 за 2009 год. В данной статье приведена схема усилителя класса TD на базе популярной микросхемы TDA7294.
- Усилитель TD1800 от Apex audio - это проверенная любительская конструкция усилителя мощности класса TD с выходной мощностью до 1800 Вт.
- Клон усилителя Yamaha P7000S. Переработанная Вадимом Могильным оригинальная схема усилителя со следящим питанием от Yamaha, использующего фирменную технологию EEEngine (аналог класса TD от Lab Gruppen).
На этом пожалуй все! Спасибо за внимание!
Дата первой публикации: 5 сентября 2023
Дата изменения: -