Hi-Files vam donosi teorijski članak pisan razumljivim jezikom o klasama audio pojačivača, principima rada, oblastima primene i njihovim zvučnim odlikama. Odmah na početku ćemo otkloniti jednu nedoumicu: klase pojačivača nisu usko vezane za Hi-Fi; klase u elektronici predstavljaju oznake za režim ili princip rada pojačivačkih kola, i to njihovih aktivnih elemenata – lampi i tranzistora. Pojačivači se sreću svuda gde je jednu informaciju u vidu signala potrebno preneti sa jednog na drugo mesto, pojačati je u voltima ili amperima, ili joj na drugi način promeniti oblik ili svojstvo, dakle svuda gde postoji električni signal, od igračaka sa daljinskom komandom do muzičkih uređaja. Ovde ćemo se, prirodno, ograničiti na "muzičke igračke".
Radi jasnosti, zbog čitalaca koji nisu opremljeni tehničkim znanjem, koristićemo osnovne modele signala i pojačivača. Osnovni i u laboratorijama često korišćeni oblik signala je takozvana sinusoida, nazvana po tome što njen oblik odgovara grafičkom prikazu funkcije y=sin x. Na slici se vidi da u prvoj polovini svog trajanja on ima pozitivnu vrednost, a u drugoj silazi u negativnu vrednost – zbog te promene polariteta zove se naizmenični ili AC signal. Ovakav ton možete da čujete na test-ekranu na televiziji po završetku programa.
Najjednostavniji pojačivač koji se može predstaviti je tranzistor sa svoja tri pola: emiterom, bazom i kolektorom (njegov preteča, osnovna pojačivačka cev – trioda, ima odgovarajuće tri elektrode: katodu, rešetku i anodu). Njihove uloge su, redom, sledeće: emiter je vezan za napajanje, signal koji je potrebno pojačati dovodi se na bazu, a pojačani signal odlazi kroz kolektor (postoje i drugačiji načini vezivanja na elektrode, ali njima se ovde nećemo baviti). Osobina tranzistora, odnosno cevi, je da sa malim promenama signala na ulazu proizvode višestruko pojačan rezultat na svom izlazu. Drugačije posmatrano, moglo bi se reći da pojačivač moduliše tj. oblikuje napon ili struju iz napajanja pomoću signala. Pošto imamo signal i pojačivač, naš zadatak je da pomenuti sinusni signal pojačamo i to možemo učiniti na više načina, odnosno u više klasa. Pretpostavimo da smo u pojednostavljenoj šemi priključili napajanje na emiter, signal na bazu, a kolektor vezali na osciloskop – bolje nego na zvučnik, ne zato što sa ovom šemom ne bismo dobili zvuk nego zato što je grafički lakše razumeti dobijeni rezultat nego ga slušati.
Klasa B
Ne počinjemo po abecednom redu već po najprostijoj klasi rada u elektronici. Kao što je rečeno, tranzistor je pojačivač koji na svom izlazu daje "uvećanu sliku" signala sa svog ulaza i za to koristi struju iz napajanja. U idealnom slučaju, pojačani signal bio bi "slika i prilika" signala na ulazu. Međutim, stvari ne izgledaju uvek (zapravo nikad) ovako. Prvo, kriva koja predstavlja odnos napona na bazi i struje na izlazu iz tranzistora nikada nije idealno ravna. Ako tu krivu shvatimo kao uveličavajuće staklo, to znači da će se uveličani signal u toku "preslikavanja" preko krive u određenoj meri deformisati, odnosno da će se pojaviti izvesna izobličenja u zvuku. Ova kriva zove se transkonduktansa i predstavlja karakteristiku pojačivača. Drugo, zbog svoje konstrukcije, tranzistoru je potreban određeni napon između emitera i baze da bi se uključio i počeo da funkcioniše. Kada napon padne ispod te vrednosti, tranzistor se gasi i prekida da provodi. Na bazu se dovodi i konstantan jednosmeran napon, čime se tranzistor polariše i kada nema signala, i tada se nalazi u takozvanoj mirnoj tački (M).
U klasi B, kroz tranzistor će proći samo gornja polovina sinusnog signala, dok donja neće, jer će za to vreme tranzistor biti zatvoren i delovaće kao prekidač. Rečeno stručnim jezikom, napon na bazi je takav da struja kroz kolektor teče samo za vreme pozitivne poluperiode signala. Sa ovako odsečenim signalom i samo jednim tranzistorom ne može da se uradi mnogo; međutim, ako se pojačivaču doda još jedan tranzistor suprotnog polariteta koji će pojačavati donju, negativnu poluperiodu signala, sastavljanjem ove dve polovine moguće je rekonstruisati ceo oblik signala na izlazu. Dva tranzistora u klasi B koji rade u kontrataktu zovu se komplementarni par i čine osnovnu konstrukciju takozvanih push-pull pojačivača.
Prednosti: Budući da struja protiče kroz tranzistor samo za vreme pojačavanja koje traje polovinu signala, pojačivač u B klasi smatra se ekonomičnim, jer samo manji deo električne energije pretvara u toplotu. Maksimalna teorijska efikasnost klase B iznosi 78,5%, ali ovaj podatak je mnogo rečitiji kada se uporedi sa efikasnošću klasa A i AB.
Nedostaci: U radu komplementarnog para tranzistora praktično je nemoguće ostvariti savršen spoj gornje i donje polovine signala u tački gde se sastaju u nuli. Umesto toga, javlja se takozvana crossover ili prelazna distorzija, koja je čujna i neprihvatljiva za audio aplikacije.
Primena: Klasa B koristi se u pojačivačima radio-frekvencija, gde distorzija nije od primarne važnosti, kao i u starim portabl uređajima sa baterijama, gde se na prvom mestu traži ekonomičnost a kvalitet zvuka nije presudan. Pojačivači u klasi B skoro uvek rade kao komplementarni parovi.
Klasa AB
Ukoliko vaše pojačalo ne nosi posebnu oznaku, možete biti gotovo sigurni da radi u klasi AB, kao i velika većina Hi-Fi pojačala danas. Razlog tako široke primene leži u činjenici da ova klasa nudi odličan odnos potrošnje struje i snage koju razvija na izlazu, dok istovremeno u velikoj meri eliminiše probleme izobličenja koja se javljaju u klasi B. Zbog čega je potrošnja toliko važna? Pojačivač dobija struju iz napajanja, električnog sklopa koji u osnovi čine transformator, ispravljač i kondenzator. Napajanje koje snabdeva pojačivač dovoljnom i kvalitetnom strujom često je velikih dimenzija i izrađeno od skupih elemenata – neretko je napajanje najskuplji deo pojačala, što je potpuno opravdano, imajući u vidu njegovu ulogu u dobrom zvuku i cene dobrih komponenti. Ako znamo da se u tranzistoru struja jednim delom pretvara u izlazni signal, dok se ostatak rasipa u vidu toplote, poželjno je da se što više struje iskoristi za pojačavanje a što manje baci.
Kao što smo videli, u klasi B pojačivač provodi samo jednu polovinu signala a zatim se isključuje. Naravno, u realnim uslovima ova polovina nikada nije savršena, a treba imati u vidu da je pojačivaču potrebno određeno vreme da se probudi i uključi, kao i da i u obrnutom procesu isključivanja stvara određene smetnje. Logično rešenje koje se nameće jeste da tranzistor bude malo duže uključen i provodi nešto veći deo signala od jedne polovine. To se postiže povećavanjem biasa na bazi, koji je sada veći nego u klasi B ali i dalje znatno niži nego u A. Istovremeno, mirna tačka M pomera se prema linearnom delu krive. Kada drugi tranzistor koji brine o negativnoj poluperiodi preuzme svoj deo signala, on takođe neće provoditi samo jednu polovinu već će preuzeti jedan deo signala od svog pozitivnog para. Time se između ova dva tranzistora ostvaruje određeno preklapanje u zoni prelazne distorzije i, samim tim, postiže glatko prelaženje preko kritične tačke. Zanimljvo je da klasa AB u jednom malom segmentu funkcioniše kao A: naime, u zoni preklapanja oba tranzistora su uključena, što je odlika klase A koja ovde, doduše, traje vrlo kratko.
Budući da je uključen duže nego što je potrebno, tranzistor u klasi AB ima manju efikasnost od klase B: teorijski se ona kreće između 50% i 100%, ali se u praksi retko postiže više od 78%. Kao što ime sugeriše, ovo je kompromis između klasa A i B koji u velikoj meri rešava probleme obe klase: eliminiše distorziju, povećava efikasnost i smanjuje toplotnu disipaciju i ukupnu cenu pojačivača. U kojoj meri to zaista i uspeva, zavisi od konkretnog projekta i njegove izrade, ali na papiru predstavlja gotovo savršen recept za sreću.
Klasa AB1 podrazumeva da je baza tranzistora uvek na nižem jednosmernom prednaponu nego u klasi A. Klasa AB2 ima niži jednosmerni prednapon od klase AB1, ali sa većim ulaznim signalom. Kada nivo signala dovoljno poraste, povećava se i struja polarizacije i pojačalo prelazi u klasu AB1.
Prednosti: Velika efikasnost, mala toplotna disipacija i prihvatljiva količina nelinearnih izobličenja.
Nedostaci: U užem smislu postoje u poređenju sa klasom A.
Primena: Najčešći pojačivači snage u audio uređajima.
Klasa A
Nakon nesavršenosti prethodnih principa rada, dolazimo do klase A, čiji se naziv, zanimljivo, poklapa sa oznakom vrhunskog kvaliteta. Nauka i iskustvo mogu da potvrde da je klasa A najbolje rešenje za pojačanje audio signala, jer nudi najviše prednosti, dok mane njenog funkcionisanja uglavnom izlaze iz domena samog zvuka i više se odnose na okruženje u kome ovi pojačivači rade.
Kao što smo videli, klasa B pati od tog nedostatka što jedan tranzistor ne može da prenese ceo signal, dok komplementarni par uzrokuje deformisanje signala i izobličenja, zato što je svaki tranzistor polovinu vremena isključen. Klasa AB taj problem pokušava da reši određenim preklapanjem gornje i donje polovine signala i tranzistor ostaje duže uključen. U klasi A, tranzistor je uvek uključen i provodi, čak i kada nema signala na ulazu. Vrednost biasa u ovom slučaju nije samo dovoljna da ga drži neprekidno uključenim nego i podiže mirnu tačku M znatno iznad nule, na deo krive koji je najravniji, tj. koji daje najlinearnije pojačanje. To znači da kroz tranzistor sada mogu da prođu obe polovine sinusoide, a da ceo signal bude verno reprodukovan. Ove osobine, rečeno jednostavnim jezikom, čine lepotu zvuka svojstvenu klasi A. Konstrukcija u kojoj samo jedan tranzistor pojačava ceo signal zove se single-ended (jedan kraj), nasuprot komplementarnim parovima koje smo pomenuli.
Šta se još događa u pojačivaču klase A? Maločas pomenuti prednapon, koji se dovodi na bazu tranzistora, stalan je, ne zavisi od nivoa signala na ulazu i sprečava ga da se isključi. U stanju mirovanja, kada na bazi nema signala, takođe protiče struja ali jednosmerna, tako da se celokupna energija pretvara u toplotu. U pojačivačima klase A skoro da nema razlike između potrošnje struje u mirovanju i na maksimalnoj snazi, samo što se energija drugačije raspodeljuje između zvučne i toplotne ali se uvek veći deo rasipa nego što se iskoristi. U naponskim pojačivačima, gde su signali mali, velika potrošnja i oslobađanje toplote srazmerno su mali; problemi se, međutim, javljaju u pojačivačima snage, gde za svaki vat muzike tranzistor isijava najmanje još jedan vat toplote (teorijska efikasnost klase A je, prema tome, 50%, ali u praksi retko prelazi 20%), što zahteva napajanje velike snage i velike hladnjake. Zbog toga su pojačivači u klasi A male snage, koja se kreće od svega nekoliko do dvadesetak vati. Ako želite više vati od toga, pogledajte Audio Note Ankoru, cevni monoblok od 70 vati u čistoj klasi A – njegova preporučena cena je 19.000 funti.
Očigledno je da u klasi A problemi rastu sa snagom. Pomirenje oba zahteva nudi dinamička klasa A, pojačivač koji do određene snage radi u klasi A, obično do desetak vati; kada nastavite da pojačavate, uređaj automatski prelazi u klasu AB, ostvarujući više snage na izlazu (primer: Unison Research Unico II). Postoje i pojačala koja nude izbor klase putem preklopnika.
Prednosti: Klasa A u potpunosti eliminiše prelaznu distorziju. Osim toga, nudi najlinearnije pojačanje ulaznog signala, tj. najverniju reprodukciju.
Nedostaci: Glavni nedostatak klase A je mnogo toplote a malo vati i, samim tim, ograničena snaga. Režim rada tranzistora na velikim vrednostima istovremenog napona i struje uzrokuje distorziju i do 0,1%, što je od 10 do 100 puta više od nekih AB pojačivača. Loše rešen termalni odvod može ozbiljno oštetiti druge elemente, elektrolite i štampanu ploču, i višestruko im smanjiti vek trajanja. Može biti i previše "vruća" za korišćenje u toplim mesecima.
Primena: Skoro po pravilu primenjuju se u pojačivačima napona i linijskim kolima gde su vrednosti signala male, kao i u izlaznim pojačivačima visoke klase gde je kvalitet zvuka imperativ a snaga manje važna.
Klasa C
Pojačivač u ovoj klasi provodi još manje od klase B: dok B klasa pojačava polovinu sinusnog signala, kroz klasu C prolazi još manje od toga. Posledično, klasa C ima još veću distorziju, tako da je apsolutno neupotrebljiva u audio aplikacijama. Međutim, njena dobra strana jeste postizanje vrlo visoke efikasnosti, čak do 90%, tako da se koristi za pojačavanje velikih snaga, i to signala u kojima izobličenje nije od velike važnosti, kao što su radio-predajnici. U ovim uređajima, pojačivač u klasi C pojačava vrlo uzak spektar frekvencija u reznonantnim kolima, a odgovarajućom elektronikom eliminiše se neželjena distorzija.
Prednosti: Visoka efikasnost i malo rasipanje toplote.
Nedostaci: Neprihvatljivo velika izobličenja za pojačavanje zvuka.
Primena: Klasa C koristi se u radio-predajnicima, ali i u megafonima, gde je mnogo važnije da se čujete glasno nego audiofilski.
Klasa D
Ovde govorimo o vrsti pojačivača koji funkcionišu bitno drugačije od prethodnih klasa. Njihov pravi naziv je prekidački (switching) pojačivači, gde slovo "D" ne znači da su ovi pojačivači digitalni već je to sledeće slovo u abecedi posle C. U prekidačkim pojačivačima tranzistor poznaje samo dva stanja – uključen i isključen – između kojih prelazi vrlo visokom učestanošću. Prirodno, kada je tranzistor isključen deluje kao prekidač, dok u uključenom stanju kroz njega prolazi struja, i to uvek iste jačine, nezavisno od nivoa signala na ulazu. Ako ovakav signal priključimo na osciloskop dobićemo monoton impulsni signal četvrtastog oblika. Dobro, ali kako se on može iskoristiti za pojačavanje sinusnog signala? Da bi se to postiglo, pre samog pojačivača postavlja se naročito kolo u kome ulazni signal, na primer sinus, moduliše, tj. oblikuje četvrtku na izlazu. Modulacija se može vršiti na više načina, a u klasi D najčešće se primenjuje modulacija širine impulsa (Pulse Width Modulation). Kada se na ulaz pojačivača dovede signal, tranzistor menja ponašanje na sledeći način: više neće biti polovinu vremena uključen a drugu polovinu isključen, kao u mirnom režimu, već će se njegovi "on" i "off" intervali produžavati i skraćivati u zavisnosti od nivoa signala. Drugim rečima, svakoj vrednosti ulaznog signala odgovara određeni vremenski interval uključenja i isključenja, odnosno različite širine impulsne četvrtke. Radi ilustracije, zamislite da se tranzistor bez signala uključuje i isključuje svake sekunde – pola sekunde je uključen a pola isključen, što odgovara nivou signala nula. Na pozitivnom vrhu sinusoide biće uključen celu sekundu. Kako signal bude padao prema nuli, skraćivaće se vreme "on" a produžavati "off", tako da će na negativnom vrhu biti isključen celu sekundu. Upravo zbog ovog neprestanog svičovanja između dva stanja, ovi pojačivači se pogrešno nazivaju digitalnim, iako je ceo proces mnogo više analogne prirode. Na izlazu digitalnog pojačivača se, prema tome, dobija sinusoida utisnuta u frekvenciju svičovanja pojačivača – ova druga nam nije potrebna i zbog toga se uklanja putem odgovarajućeg filtera.
Osnovne mane kod ranih pojačivača ove klase bile su neravnomeran frekvencijski odziv u audio spektru koji je imao odstupanja i do 10 dB, kao i nedovoljno dobra filtracija na izlazu koja je davala rezak i oštar zvuk, zbog čega su svojevremeno u širokom luku izbegavani za audio aplikacije. Ipak, klasa D je poslužila kao dobra osnova za brojne nadgradnje (videti "Netipične klase"), koje su u manjoj ili većoj meri uspele da otklone nedostatke osnovne ideje i uvedu klasu D u audiofilsku arenu, mada mnogi audiofili i danas odbijaju da je prihvate. Ostaje činjenica da audiofilska konstrukcija u klasi D po ceni nimalo ne zaostaje od svog pandana u tradicionalnoj klasi AB.
Prednosti: Teorijska efikasnost klase D je 100%, dok je u praksi moguće postići preko 90%. Ovi pojačivači praktično uopšte ne emituju toplotu i vrlo su malih dimenzija. Za prosečne audio zahteve, relativno su jeftini, tako da njihova izlazna snaga često ima više nula nego njihova cena.
Nedostaci: Ovaj pojačivač je pre svega osetljiv na elektromagnetne smetnje. Zatim, na ulazu se mogu javiti kvantizacione greške u procesu konverzije signala, kao i odstupanje u frekvenciji svičovanja – ovo poslednje, ukoliko iznosi samo jedan milijarditi deo sekunde, može dati čak 1% distorzije u zvuku. Konačno, neravnomeran frekvencijski odziv i sama distorzija zahtevaju primenu povratne reakcije. Svi ovi fenomeni mogu dati "neaudiofilski" zvuk.
Primena: Isprva su korišćeni za precizno upravljanje malim elektromotorima na jednosmernu struju, dok se danas sve više koriste kao izlazni pojačivači. Zbog visoke efikasnosti i male impedanse, najčešće se sreću u subwooferima, naročito u auto ozvučenjima.
Netipične klase
Neke klase pojačivača koje se retko koriste i oznake koje su više marketinški nazivi za izume nekih proizvođača nego zasebni i potpuno novi principi rada.
AA
Oznake "New Class A" i "Class AA", koje su svojevremeno svetlele na uređajima firme Technics, nemaju veze sa pravom klasom A. U prvom slučaju reč je o posebnom, mikroprocesorski kontrolisanom biasu tranzistora, kako bi se izbegla prelazna distorzija, dok je klasa AA zapravo sklop dva izlazna pojačivača u A i B klasi i prema tome nije "više od klase A", kako naziv govori.
E
Vrsta prekidačkog pojačivača kod koga je frekvencija svičovanja toliko visoka da je pojačivač skoro uvek otvoren. Na ulazu i izlazu koristi određena oscilatorna kola koja interaguju sa pojačivačkim tranzistorom i svojom reakcijom na signal ga uključuju i isključuju. Koristi se za pojačanje četvrtastog signala, posebno u prenosu podataka, i radi na frekvencijama višim od 1 GHz.
F
Usavršena varijanta klase E kod koje je vreme pojačavanja skraćeno na jednu polovinu. Sadrži složeniju elektroniku od klase E, posebno na izlazu, čime ostvaruje bolje karakteristike u pogledu prenosa, pojačavanja i stvaranja sopstvenih harmonika. Ima sličnu primenu u prenosu podataka kao klasa E.
G
Klasa G je efikasnija varijanta klase AB koja umesto jednog koristi više redom rastućih napona napajanja, koje uključuje u zavisnosti od napona signala na ulazu. Time se svaki napon napajanja optimalno iskorišćava, a toplotni gubici smanjuju. Drugim rečima, povećava se efikasnost pojačivača i smanjuje njegova ukupna potrošnja.
H
Klasa H usavršena time što poseduje neograničen rastući niz napajanja. To se postiže modulisanjem napona, tako da je napajanje u svakom trenutku svega nekoliko volti iznad napona signala, što znači da pojačivač uvek postiže maksimum iskorišćenja tj. efikasnosti. Mane ove topologije su vrlo kompleksna napajanja i nešto veća harmonijska izobličenja na izlazu.
ICEPower
Patent Bang&Olufsena. Modifikovana klasa D sa trostrukom korekcijom greške: signal na ulazu u pojačivač poredi se sa izlazom iz modulatora, zatim sa izlazom iz pojačivača i konačno sa krajnjim rezultatom na zvučničkim terminalima, čime se značajno smanjuju greške i njihovi efekti na zvuk. Dostupan je isključivo proizvođačima i nema ga na slobodnom tržištu.
T
Izum firme Tripath, proizvođača famoznog T-ampa. Reč je o modifikovanoj klasi D sa poboljšanom vernošću zvuka u celom zvučnom opsegu putem specijalno projektovanog modulatora. Klasa T radi na frekvenciji od 650 kHz.
TD
"Tracked" klasa D je patent firme Lab Gruppen koji skenira oblik signala na ulazu i prema njemu optimizuje pojačavanje u toku rada, eliminišući na taj način određene nedostatke klase D.
Z
Digitalni pojačivač sa direktnom digitalnom reakcijom. Zaštićeno ime firme Zetex Semiconductor.
Rečnik pojmova
Anoda – pozitivna elektroda cevi, predstavlja njen izlaz.
Baza – elektroda tranzistora na koju se dovodi signal, odgovara rešetki na cevi.
Bias – jednosmerna struja koja protiče između emitera i kolektora pod dejstvom jednosmernog napona na bazi. Koristi se za otvaranje tranzistora i izbor najravnijeg dela transkonduktanse.
Distorzija – izobličenje, iskrivljenost izlaznog signala u odnosu na ulazni. Predstavlja manu pojačivača, posebno ako je distorzija toliko velika da postaje čujna.
Emiter – elektroda tranzistora vezana za napajanje.
Katoda – negativna elektroda cevi, vezana za napajanje.
Kolektor – izlaz tranzistora u kome se sabiraju struje iz napajanja i baze.
Linearnost – sposobnost pojačivača da signal pojača sa što manje izobličenja njegove originalne forme.
Push-pull – pojačivač u kome dva komplementarna elementa zasebno pojačavaju pozitivnu i negativu poluperiodu, koje se na izlazu spajaju u ceo signal.
Rešetka – elektroda cevi na koju se dovodi signal koji je potrebno pojačati.
Single-ended – pojačivač u kome jedan tranzistor ili cev pojačavaju obe poluperiode signala. Suprotan princip od push-pulla.
Transkonduktansa – kriva koja prikazuje zavisnost struje na izlazu tranzistora od prednapona na bazi. Njen najravniji deo koristi se za pojačavanje. (Videti linearnost.)
Reakcija – uticaj izlaza na ulaz pojačivača putem petlje. Koristi se radi korekcije pojačanja.