Audioverstärker ist ein allgemeiner Begriff, der verwendet wird, um eine Sch altung zu beschreiben, die eine Version ihres Eingangssignals erzeugt und verstärkt. Allerdings sind nicht alle Umrichtertechnologien gleich, da sie nach ihren Konfigurationen und Betriebsmodi klassifiziert werden.
In der Elektronik werden häufig kleine Verstärker verwendet, weil sie ein relativ kleines Eingangssignal, beispielsweise von einem Sensor wie einem Musikplayer, in ein viel größeres Ausgangssignal verstärken können, um ein Relais, eine Lampe oder einen Lautsprecher anzusteuern, etc.
Es gibt viele Formen elektronischer Sch altungen, die als Verstärker klassifiziert werden, von Operations- und Kleinsignalwandlern bis hin zu großen Impuls- und Leistungswandlern. Die Klassifizierung eines Geräts hängt von der Größe des Signals ab, ob groß oder klein, seiner physikalischen Konfiguration und der Art und Weise, wie der Eingangsstrom verarbeitet wird, d. h. von der Beziehung zwischen dem Eingangspegel und dem in der Last fließenden Strom.
Anatomie des Geräts
Tonfrequenzverstärker können als einfache Box betrachtet werdenoder ein Block, der ein Gerät enthält, wie z. B. einen Bipolar-, FET- oder Betriebssensor, der zwei Eingangs- und zwei Ausgangsanschlüsse hat (Masse ist gemeinsam). Außerdem ist das Ausgangssignal durch die Wandlung im Gerät viel größer.
Ein idealer Signalverstärker hat drei Haupteigenschaften:
- Eingangsimpedanz oder (R IN).
- Ausgangswiderstand oder (R OUT).
- Gewinn, oder (A).
Egal wie komplex die Verstärkersch altung ist, ein allgemeines Blockmodell kann verwendet werden, um die Beziehung dieser drei Eigenschaften zu demonstrieren.
Allgemeine Konzepte
Hochwertige Audioverstärker können in der Leistung variieren. Jeder Typ hat eine digitale oder analoge Wandlung. Codes werden gesetzt, um sie zu trennen.
Die erhöhte Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal wird als Umwandlung bezeichnet. Gain ist ein Maß dafür, wie stark ein Verstärker ein Eingangssignal „transformiert“. Wenn beispielsweise ein Eingangspegel von 1 Volt und ein Ausgangspegel von 50 Volt vorliegt, beträgt die Umwandlung 50. Mit anderen Worten, das Eingangssignal wurde 50-mal entwickelt. Ein Tonfrequenzverstärker macht genau das.
Die Umrechnung ist einfach das Verhältnis des Outputs dividiert durch den Input. Dieses System hat keine Einheiten als Verhältnis, aber in der Elektronik wird für die Verstärkung üblicherweise das Symbol A verwendet. Die Umrechnung wird dann einfach als "Ausgang geteilt durch Eingang" berechnet.
Stromrichter
Lupe kleinEin Signalverstärker wird allgemein als "Spannungs"-Verstärker bezeichnet, weil er dazu neigt, eine kleine Eingangsspannung in eine viel größere Ausgangsspannung umzuwandeln. Manchmal ist eine Gerätesch altung erforderlich, um einen Motor oder Lautsprecher mit Strom zu versorgen, und für diese Art von Anwendungen, bei denen hohe Sch altströme involviert sind, werden Stromrichter benötigt.
Wie der Name schon sagt, besteht die Hauptaufgabe eines Leistungsverstärkers (auch Großsignalverstärker genannt) darin, eine Last mit Strom zu versorgen. Es ist das Produkt aus Spannung und Strom, das an eine Last angelegt wird, deren Ausgangsleistung größer ist als der Eingangssignalpegel. Mit anderen Worten, der Wandler erhöht die Leistung des Lautsprechers, sodass diese Art von Blocksch altung in den externen Stufen von Audiowandlern verwendet wird, um die Lautsprecher anzusteuern.
Funktionsprinzip
Der Audioverstärker arbeitet nach dem Prinzip der Umwandlung des aus der Stromversorgung entnommenen Gleichstroms in ein Wechselspannungssignal, das der Last zugeführt wird. Obwohl die Umwandlung hoch ist, ist der Wirkungsgrad von der DC-Stromversorgung zum AC-Spannungsausgangssignal im Allgemeinen gering.
Ein idealer Block gibt dem Gerät einen Wirkungsgrad von 100% oder zumindest ist die Leistung IN gleich der Leistung OUT.
Klasseneinteilung
Wenn Benutzer sich jemals die Spezifikation von Audio-Leistungsverstärkern angesehen haben, sind ihnen möglicherweise Geräteklassen aufgefallen, die normalerweise mit dem Buchstaben oder gekennzeichnet sindzwei. Die gebräuchlichsten Blocktypen, die heute in Heimaudio verwendet werden, sind A-, A/B-, D-, G- und H-Werte.
Diese Klassen sind keine einfachen Klassifizierungssysteme, sondern Beschreibungen der Verstärkertopologie, dh wie sie auf der Kernebene funktionieren. Während jeder Verstärkertyp seine eigenen Stärken und Schwächen hat, bleibt seine Leistung (und wie die endgültigen Eigenschaften gemessen werden) gleich.
Es soll die von der Voreinheit gesendete Wellenform umwandeln, ohne Interferenzen oder zumindest so wenig Verzerrung wie möglich einzuführen.
Klasse A
Im Vergleich zu anderen Klassen von Audio-Leistungsverstärkern, die weiter unten beschrieben werden, sind Klasse-A-Modelle relativ einfache Geräte. Das bestimmende Funktionsprinzip besteht darin, dass alle Wandlerausgangsblöcke einen vollständigen 360-Grad-Signalzyklus durchlaufen müssen.
Class A kann auch in Single-Ended- und Push-Pull-Verstärker unterteilt werden. Push/Pull unterscheidet sich von der Haupterläuterung oben durch die paarweise Verwendung von Ausgabegeräten. Während beide Geräte einen vollständigen 360-Grad-Zyklus durchlaufen, trägt ein Gerät die meiste Last während des positiven Teils des Zyklus, während das andere mehr vom negativen Zyklus trägt.
Der Hauptvorteil dieser Sch altung ist die geringere Verzerrung im Vergleich zu Single-Ended-Designs, da sogar Ordnungsschwankungen eliminiert werden. Darüber hinaus sind Push-Pull-Designs der Klasse A weniger empfindlich gegenüber Rauschen.
Aufgrund der positiven Eigenschaften, die mit der Leistung der Klasse A verbunden sind, gilt sie in vielen akustischen Anwendungen als Goldstandard für Klangqualität. Diese Designs haben jedoch einen wichtigen Nachteil - Effizienz.
Anforderung für Transistor-Audioverstärker der Klasse A, dass alle Ausgabegeräte jederzeit eingesch altet sind. Diese Aktion führt zu einem erheblichen Energieverlust, der schließlich in Wärme umgewandelt wird. Dies wird durch die Tatsache noch verschlimmert, dass Klasse-A-Designs relativ hohe Pegel an Ruhestrom erfordern, d. h. die Strommenge, die durch die Ausgangsgeräte fließt, wenn der Verstärker keine Ausgangsleistung erzeugt. Reale Effizienzraten können in der Größenordnung von 15-35 % liegen, wobei einstellige Werte bei Verwendung von hochdynamischem Quellmaterial möglich sind.
Klasse B
Während alle Ausgangsmechanismen in einem Klasse-A-Audioverstärker 100 % der Betriebszeit in Anspruch nehmen, verwenden die Klasse-B-Geräte eine Gegentaktsch altung, sodass nur die Hälfte der Ausgangsgeräte zu jeder Zeit leitend sind.
Eine Hälfte deckt den +180-Grad-Bereich der Wellenform ab, während die andere Hälfte den -180-Grad-Bereich abdeckt. Infolgedessen sind Klasse-B-Verstärker mit einem theoretischen Maximum von 78,5 % deutlich effizienter als ihre Klasse-A-Pendants. Angesichts des relativ hohen Wirkungsgrads wurde Klasse B in einigen professionellen PA-Wandlern sowie einigen Heimröhrenverstärkern verwendet. Trotz ihnenoffensichtliche Stärke, die Chancen, einen Block der Klasse B für ein Haus zu erwerben, sind praktisch null. Eine Untersuchung des Audioverstärkers zeigte die Ursache dafür, bekannt als Crossover-Verzerrung.
Das Problem mit der Latenz beim Handover zwischen Geräten, die die positiven und negativen Teile der Wellenform verarbeiten, wird als erheblich angesehen. Es versteht sich von selbst, dass diese Verzerrung in ausreichendem Maße hörbar ist, und obwohl einige Class-B-Designs in dieser Hinsicht besser waren als andere, erhielt die Class-B-Klasse von Clean-Sound-Enthusiasten wenig Anerkennung.
Klasse A/B
Der Röhren-Audioverstärker ist in vielen Konzertsälen zu finden. Es hat eine hohe Leistung und überhitzt nicht. Außerdem sind die Modelle deutlich günstiger als viele Digitalbausteine. Aber es gibt auch Abweichungen. Ein solches Modul funktioniert möglicherweise nicht mit allen Audioformaten. Daher ist es besser, Geräte als Teil eines allgemeinen Signalverarbeitungskomplexes zu verwenden.
Klasse A/B kombiniert das Beste aus jedem Gerätetyp, um eine Einheit ohne deren Nachteile zu schaffen. Mit dieser Kombination von Vorteilen dominieren Class-A/B-Verstärker weitgehend den Verbrauchermarkt.
Die Lösung ist eigentlich ganz einfach im Konzept. Während Klasse B ein Push-Pull-Gerät verwendet, bei dem jede Hälfte der Ausgangsstufe 180 Grad leitet, erhöhen Klasse-A/B-Mechanismen ihn auf ~181-200 Grad. Somit gibt esEs ist viel unwahrscheinlicher, dass ein "Riß" in der Schleife auftritt, und daher sinkt die Übergangsverzerrung auf den Punkt, an dem sie keine Rolle mehr spielt.
Röhren-Audio-Endstufen können diese Störungen viel schneller absorbieren. Dank dieser Eigenschaft kommt der Klang deutlich sauberer aus dem Gerät. Modelle dieser Eigenschaften werden oft verwendet, um den Klang von akustischen und elektrischen Gitarren zu transformieren.
Es genügt zu sagen, dass Klasse A/B hält, was sie verspricht, indem sie reine Klasse-A-Konstrukte bei ~50-70% realer Leistung leicht übertrifft. Die tatsächlichen Pegel hängen natürlich davon ab, wie stark der Verstärker versetzt ist, sowie vom Programmmaterial und anderen Faktoren. Es ist auch erwähnenswert, dass einige Class-A/B-Designs in ihrem Bestreben, Crossover-Verzerrungen zu eliminieren, einen Schritt weiter gehen, indem sie im reinen Class-A-Modus bis zu einigen Watt Leistung arbeiten. Dies gibt bei niedrigen Pegeln eine gewisse Effizienz, stellt aber sicher, dass der Verstärker nicht zu einem Ofen wird, wenn eine große Menge Strom angelegt wird.
Klassen G und H
Ein weiteres Designpaar zur Verbesserung der Effizienz. Aus technischer Sicht sind weder Klasse-G- noch Klasse-H-Verstärker offiziell anerkannt. Stattdessen sind sie Variationen des Klasse-A/B-Themas, die Busspannungsumsch altung bzw. Busmodulation verwenden. In jedem Fall verwendet das System bei Bedingungen mit geringer Nachfrage eine niedrigere Busspannung als ein ähnlicher Klasse-A/B-Verstärker, was erheblichreduziert den Stromverbrauch. Wenn Bedingungen mit hoher Leistung auftreten, erhöht das System dynamisch die Busspannung (d. h. sch altet auf den Hochspannungsbus um), um Transienten mit hoher Amplitude zu bewältigen.
Es gibt auch Fehler. Unter ihnen sind vor allem die hohen Kosten. Die ursprünglichen Netzwerksch altkreise verwendeten Bipolartransistoren zur Steuerung der Ausgangsströme, was die Komplexität und die Kosten erhöhte. Hochwertige Röhren-Tonfrequenzverstärker dieser Art sind üblich, obwohl der Preis bei 50.000 Rubel beginnt. Der Block gilt als professionelle Technik für die Bühnenarbeit oder Aufnahme im Studio. Es gibt Probleme mit Transistoren. Bei längerer Belastung können einige von ihnen ausfallen.
Heute wird der Preis oft etwas reduziert, indem Hochstrom-MOSFETs verwendet werden, um Führungen auszuwählen oder zu ändern. Die Verwendung von MOSFETs verbessert nicht nur die Effizienz und reduziert die Wärme, sondern erfordert auch weniger Teile (normalerweise ein Gerät pro Thread). Zusätzlich zu den Kosten für die Busumsch altung, die Modulation selbst, ist es auch erwähnenswert, dass einige Klasse-G-Verstärker mehr Ausgabegeräte verwenden als ein typisches Klasse-A/B-Design.
Ein Gerätepaar arbeitet im typischen A/B-Modus und wird von den Niederspannungs-Sammelschienen gespeist. Währenddessen ist der andere in Bereitschaft, um als Spannungsverstärker zu fungieren, der nur je nach Situation aktiviert wird. H alten hohen Belastungen nur Klassen G und H stand,in Verbindung mit leistungsstarken Verstärkern, bei denen sich die gesteigerte Effizienz auszahlt. Kompakte Designs können auch Topologien der Klasse G/H im Gegensatz zu A/B verwenden, da die Möglichkeit, in den Energiesparmodus zu wechseln, bedeutet, dass sie mit einem etwas kleineren Kühlkörper davonkommen.
Klasse D
Mit diesem Gerätetyp können Sie Ihre eigenen modularen Systeme erstellen. Mit Hilfe des Equipments erfolgt eine hochwertige Verarbeitung des gesamten ausgehenden Stroms. Durch das Entwerfen von Audiofrequenz-Leistungsverstärkern können Sie Ihr eigenes Multimediasystem für Arbeit oder Unterh altung erstellen. Allerdings gibt es hier einige Nuancen. Fälschlicherweise oft als digitale Verstärkung bezeichnet, sind Klasse-D-Wandler ein Garant für die Effizienz der Einheit und erreichen in tatsächlichen Tests eine Steigerung von über 90 %.
Zuerst ist es eine Überlegung wert, warum dies Klasse D ist, wenn "digitale Verstärkung" falsch ist. Es war nur der nächste Buchstabe im Alphabet, wobei die C-Klasse in Audiosystemen verwendet wurde. Noch wichtiger ist, wie eine Effizienz von über 90 % erreicht werden kann. Während alle zuvor genannten Verstärkerklassen über ein oder mehrere Ausgangsgeräte verfügen, die auch dann ständig aktiv sind, wenn sich der Wandler eigentlich im Standby-Modus befindet, sch alten Class-D-Geräte diese schnell ab und zu. Dies ist sehr praktisch und ermöglicht es, das Modul nur in den richtigen Momenten zu verwenden.
Zum Beispiel die Berechnung von Audioverstärkern der Klasse T, die sindDie Klasse-D-Implementierung von Tripath verwendet im Gegensatz zum Basisgerät Sch altfrequenzen in der Größenordnung von 50 MHz. Ausgabegeräte werden üblicherweise durch Pulsweitenmodulation gesteuert. Dabei werden Rechteckwellen unterschiedlicher Breite von einem Modulator erzeugt, der ein analoges Signal zur Wiedergabe bereitstellt. Mit einer strengen Kontrolle der Ausgabegeräte auf diese Weise ist ein Wirkungsgrad von 100 % theoretisch möglich (obwohl dies in der realen Welt offensichtlich nicht erreichbar ist).
Wenn Sie in die Welt der Klasse-D-Audioverstärker eintauchen, finden Sie auch Erwähnungen von analog und digital gesteuerten Modulen. Diese Steuerblöcke haben ein analoges Eingangssignal und ein analoges Steuersystem, normalerweise mit einem gewissen Grad an Feedback-Fehlerkorrektur. Auf der anderen Seite verwenden Klasse-D-Verstärker mit digitaler Umwandlung eine digitale Steuerung, die die Leistungsstufe ohne Fehlerkontrolle sch altet. Auch diese Entscheidung findet nach den Bewertungen vieler Käufer Zustimmung. Allerdings ist das Preissegment hier deutlich höher.
Untersuchungen von Audioverstärkern haben gezeigt, dass analog angesteuerte Klasse D einen Leistungsvorteil gegenüber digitalem Analog hat, da sie typischerweise eine niedrigere Ausgangsimpedanz (Widerstand) und ein verbessertes Verzerrungsprofil bietet. Dadurch werden die Anfangswerte des Systems bei maximaler Belastung angehoben.
Die Parameter der Tonfrequenzverstärker sind viel höher als die der Basismodelle. Es versteht sich, dass solche Berechnungen nur zum Erstellen von Musik im Studio erforderlich sind. Für normale Käufer dieseMerkmale können übersprungen werden.
Normalerweise eine L-Sch altung (Induktivität und Kondensator) zwischen Verstärker und Lautsprechern, um das Rauschen des Klasse-D-Betriebs zu reduzieren. Der Filter ist von großer Bedeutung. Schlechtes Design kann Effizienz, Zuverlässigkeit und Klangqualität beeinträchtigen. Außerdem hat die Rückkopplung nach dem Ausgangsfilter ihre Vorteile. Obwohl Designs, die zu diesem Zeitpunkt keine Rückkopplung verwenden, ihre Reaktion auf eine bestimmte Impedanz abstimmen können, kann der Frequenzgang bei solchen Verstärkern mit einer komplexen Last (dh einem Lautsprecher anstelle eines Widerstands) je nach Last am Lautsprecher erheblich variieren. Feedback stabilisiert dieses Problem, indem es eine reibungslose Reaktion auf komplexe Lasten bietet.
Am Ende hat die Komplexität von Class-D-Audioverstärkern ihre Vorteile. Effizienz und dadurch weniger Gewicht. Da relativ wenig Energie für Wärme aufgewendet wird, wird viel weniger Energie benötigt. Daher werden viele Klasse-D-Verstärker in Verbindung mit Sch altnetzteilen (SMPS) verwendet. Wie die Ausgangsstufe kann auch das Netzteil selbst schnell ein- und ausgesch altet werden, um die Spannung zu regulieren, was zu weiteren Effizienzsteigerungen und der Möglichkeit führt, das Gewicht gegenüber herkömmlichen analogen/linearen Netzteilen zu reduzieren.
In der Summe können selbst starke Klasse-D-Verstärker nur wenige Kilogramm wiegen. Der Nachteil von SMPS-Netzteilen im Vergleich zu herkömmlichen linearen Netzteilen istdass erstere meist nicht viel Headroom haben.
Tests und zahlreiche Tests von Class-D-Audioverstärkern mit linearen Netzteilen im Vergleich zu SMPS-Modulen haben gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist. Wenn zwei Verstärker die Nennleistung handhaben, aber einer mit einer linearen Stromversorgung höhere dynamische Leistungspegel erzeugen könnte. SMPS-Designs werden jedoch immer üblicher und Sie können davon ausgehen, dass Sie in den Geschäften bessere Geräte der Klasse D der nächsten Generation mit ähnlichen Formen sehen werden.
Vergleich der Effizienz der Klassen AB und D
Obwohl die Effizienz eines Class-A/B-Transistor-Audio-Leistungsverstärkers steigt, wenn man sich der maximalen Ausgangsleistung nähert, beh alten Class-D-Designs über die meisten Betriebsbereiche einen hohen Wirkungsgrad bei. Dadurch tendieren Effizienz und Klangqualität immer mehr zum letzten Block.
Einen Schallkopf verwenden
Bei richtiger Implementierung kann jeder der obigen Blöcke außerhalb der Klasse B die Basis eines High-Fidelity-Verstärkers bilden. Abgesehen von potenziellen Leistungsfallen (die in erster Linie eine Designentscheidung und nicht klassenspezifisch sind), ist die Auswahl des Blocktyps weitgehend eine Frage von Kosten und Effizienz.
Auf dem heutigen Markt dominiert der einfache Class-A/B-Audioverstärker, und das aus gutem Grund. Es funktioniert sehr gut, ist relativ billig und seinDer Wirkungsgrad ist für Low-Power-Anwendungen (>200W) durchaus ausreichend. Da die Hersteller von Wandlern versuchen, an die Grenzen zu gehen, beispielsweise mit dem 1000-W-Monoblock Emotiva XPR-1, wenden sie sich natürlich den Designs der Klassen G/H und D zu, um zu vermeiden, dass ihre Verstärker als Systeme dupliziert werden, die in der Lage sind, Geräte schnell aufzuheizen. Auf der anderen Seite des Marktes gibt es mittlerweile Class-A-Fans, die in der Hoffnung auf einen saubereren Sound die mangelnde Effizienz des Geräts verzeihen können.
Ergebnis
Konverterklassen sind schließlich nicht unbedingt so wichtig. Natürlich gibt es tatsächliche Unterschiede, insbesondere in Bezug auf Kosten, Verstärkereffizienz und damit Gewicht. Natürlich sind 500-W-Geräte der Klasse A eine schlechte Idee, es sei denn, der Benutzer verfügt natürlich über ein leistungsstarkes Kühlsystem. Andererseits bestimmen Unterschiede zwischen den Klassen nicht die Klangqualität. Am Ende geht es darum, eigene Projekte zu entwickeln und umzusetzen. Es ist wichtig zu verstehen, dass Wandler nur ein Gerät sind, das Teil des Audiosystems ist.
