Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Podwyższenie sprawności liniowego wzmacniacza mostkowego BTL (klasy SB)

Zwiększenie sprawności typowych liniowych wzmacniaczy klasy AB, także tych w wersji mostkowej BTL, jest możliwe, choć rzeczywiście trudno to sobie wyobrazić.
Article Image
Ostatnia deska ratunku (...) interesują mnie różne wzmacniacze audio (...) intryguje mnie klasa SB i SB-1 (...) według opisu na stronie (...) [ST] jest to wzmacniacz mostkowy BTL, a ma rzekomo mieć sprawność dwa razy lepszą od wzmacniaczy AB, konkurencyjną do klasy D (...) rozumiem klasy G i H, gdzie straty obniża się przez skokowe albo płynne zmienianie napięcia zasilania (...) a nie mogę sobie wyobrazić, że jest możliwe podwyższenie sprawności liniowego wzmacniacza mostkowego BTL, który nie jest klasy D, G, H. (...) Szukałem informacji (...) bezskutecznie (...) czy jest to chwyt marketingowy? (...) jedyna moja nadzieja, że Redakcja EdW mnie oświeci. Z góry dziękuję!

Należy zacząć od tego, że klasyczne liniowe wzmacniacze klasy AB, czy to pojedyncze (single ended), czy mostkowe (BTL), mają stosunkowo małą sprawność energetyczną, teoretycznie ponad 70%, w praktyce zwykle niższą z kilku powodów. Impulsowe wzmacniacze klasy D teoretycznie mogą mieć sprawność 100%, w praktyce mniej, ale często ponad 90%, co przy mniejszych mocach wyjściowych pozwala zrezygnować z radiatora. We wczesnych wzmacniaczach klasy D problemem były znaczne zniekształcenia.

Problem jest złożony, najprościej biorąc, zniekształcenia można zmniejszyć do znikomej wartości przez zwiększenie częstotliwości impulsów, ale to niestety jest związane z wyższym poziomem zakłóceń. Zakłócenia można redukować za pomocą odpowiednich filtrów, ale to zwiększa koszty. Dziś na rynku mamy mnóstwo scalonych wzmacniaczy klasy D o różnej mocy.

Choć ceny wzmacniaczy impulsowych klasy D znacznie spadły, a parametry akustyczne są zaskakująco dobre, kluczowym problemem są zakłócenia impulsowe. Dlatego nadal atrakcyjne okazują się niekłopotliwe w stosowaniu wzmacniacze liniowe, i to pomimo konieczności stosowania radiatora. A jeszcze bardziej atrakcyjne są liniowe wzmacniacze mocy o sprawności lepszej, niż oferuje czysta klasa AB.

Znanym przykładem są właśnie wzmacniacze klas G i H, które nadal stosowane są i w samochodach, i w sprzęcie przenośnym. Wspomniana klasa SB (Singleended Bridge) oraz pokrewna ulepszona klasa SB-I (SB Improved) to kolejne przykłady poprawy sprawności energetycznej starej, dobrej i sprawdzonej klasy AB.

Tylko rzeczywiście trudno sobie wyobrazić, jak to możliwe, zwłaszcza we wzmacniaczach mostkowych. I jak może wyglądać wzmacniacz mostkowy typu „single ended”? Oba te pojęcia powinny się wykluczać!

I rzeczywiście w materiałach informacyjnych ST, który jest producentem tak oznaczanych samochodowych wzmacniaczy mocy, nie można znaleźć wszystkich szczegółów technicznych. Wszystkich szczegółów być może nie uda się znaleźć w ogólnodostępnych źródłach, ale ogólne zasady są jasne i zaskakująco proste. Podstawowe koncepcje najłatwiej znaleźć w... patentach. Opisy patentowe są powszechnie dostępne, tylko problem, jak w ich nieprzeliczonej mnogości znaleźć to, co potrzeba.

Oprócz patentów ST (SGS Thomson), warto zwrócić uwagę na inne, pokrewne, które w jeszcze prostszy sposób pokażą ideę oraz sposoby polepszania sprawności energetycznej wzmacniaczy mocy audio.

Rys.A Koncepcja polepszania ogólnej sprawności stereofonicznego wzmacniacza mostkowego

I tak rysunek A z amerykańskiego patentu 6,107,886 złożonego w roku 1999 przez japońskich twórców przedstawia koncepcję polepszania ogólnej sprawności stereofonicznego wzmacniacza mostkowego. Idea jest beznadziejnie prosta. Przy dużych sygnałach (mocach wyjściowych) dwa wzmacniacze mostkowe (BTL) klasy AB pracują w klasyczny sposób.

Natomiast przy małych sygnałach (mocach wyjściowych) obwody zasilania obu wzmacniaczy są łączone w szereg przez zespół odpowiednich przełączników półprzewodnikowych. Przy małych sygnałach każdy ze wzmacniaczy BTL zasilany jest połową całkowitego napięcia zasilania. Pojawienie się większych sygnałów przełącza obwody zasilania do klasycznego trybu pracy, gdzie oba pracują przy pełnym napięciu zasilania.

Co to daje? Najprościej biorąc, w klasycznym wzmacniaczu klasy AB przy małych sygnałach straty są stosunkowo duże, a sprawność – niska. Ze wzrostem wielkości sygnału straty mocy w tranzystorach wyjściowych maleją, a sprawność rośnie, teoretycznie do ponad 70%. W praktyce problem w tym, że moc wzmacniacza bliska maksymalnej jest potrzebna tylko w krótkich okresach.

Po pierwsze, najczęściej nie wykorzystujemy maksymalnej głośności, a po drugie przez większość czasu sygnały audio mają nieduże amplitudy. I właśnie przez zdecydowaną większość czasu pracy każdy wzmacniacz audio pracuje z niewielkimi sygnałami, co oznacza małą użyteczną moc wyjściową, a za to duże straty. Podczas takiej pracy napięcie zasilania można obniżyć. I właśnie w koncepcji z rysunku A jest obniżane powiedzmy do połowy, bo obwody zasilania dwóch kanałów wzmacniacza są łączone w szereg.

Koncepcja z rysunku A jest beznadziejnie prosta, ale w praktyce problemem jest nie tyle wykonanie kluczy przełączających zasilanie, tylko taka realizacja wzmacniaczy, żeby nie dawały one dodatkowych zniekształceń przy przełączaniu zasilania (w grę wchodzi parametr znany jako PSRR). A to już nie jest takie łatwe w przypadku wzmacniaczy o wysokich parametrach audio.

Nie tylko dlatego poszukiwano też innych, pokrewnych rozwiązań. Przełączanie obwodów zasilania nie jest jedyną drogą. Ogólna idea jest taka, że przy małych sygnałach prąd zasilający płynie przez oba głośniki. Także w dwukanałowym układzie mostkowym z rysunku A w pewnym sensie przy małych sygnałach głośniki są połączone w szereg, choć nie dosłownie.

A szeregowe połączenie głośników pozwala zmniejszyć moc strat. Większa jest bowiem rezystancja, a przez to mniejszy prąd i mniejsze straty w tranzystorach stopni wyjściowych. Trzeba tylko zapewnić, żeby każdy z głośników niezależnie i prawidłowo odtwarzał (słabsze) sygnały z kanału lewego i prawego.

Rys.B Szeregowe połączenie głośników

Szeregowe połączenie głośników widać na rysunku B – schemacie pochodzącym z europejskiego patentu EP 2 284 993 A2 z roku 2010. W układzie z rysunku A niezależną pracę obu kanałów przy małych sygnałach zapewnia aktywny dzielnik napięcia, oznaczony Buf. W koncepcji z rysunku B kwestia ta jest mniej jasna z kilku powodów. Na rysunku B zaznaczona jest szeregowa rezystancja Rswitch – rezystancja klucza zwierającego głośniki.

Głośniki nie są oznaczone L,R (lewy, prawy), tylko FRONT, REAR, co w (samochodowej) instalacji stereo może oznaczać pracę z tym samym sygnałem kanału lewego albo prawego.

Rys.C Rozwiązanie SGS Thomson Microelectronic

W kontekście pytania zadanego przez Czytelnika bardziej interesujące są rozwiązania koncernu ST (SGS Thomson Microelectronic). I tak w patencie US 5,365,188 z roku 1994 można znaleźć schemat pokazany na rysunku C. Tu też klucz oznaczony SW_C ewidentnie łączy dwa głośniki w szereg (a głośniki też oznaczone są F, R, a nie L, R).

Pomocą w analizie układu może być rysunek D, pokazujący konfigurację właśnie przy małych sygnałach, gdy głośniki połączone są w szereg i są dołączone do wzmacniacza OPA+R, który pełni funkcję sztucznej masy i jego wyjście dostarcza lub pochłania różnice prądów obu głośników (If – Ir).

Rys.D Konfiguracja przy małych sygnałach

W patencie US 7,813,515 B2 (też STMicroelectronics) złożonym w roku 2004 zawarty jest schemat pokazany na rysunku E, gdzie również dość jasno przedstawiona jest idea łaczenia głośników w szereg przy małych sygnałach.

Rys.E Idea łaczenia głośników w szereg przy małych sygnałach

W kartach katalogowych wzmacniaczy klasy SB, na przykład kostki TDA7569BLV (4×50W) można znaleźć schemat wewnętrzny, pokazany na rysunku F, który w sposób mocno uproszczony pokazuje zasadę działania wzmacniaczy SB, która nieco dokładniej przedstawiona jest na prezentowanych wcześniej rysunkach.

Rys.F Schemat wewnętrzny TDA7569BLV

Nie ulega wątpliwości, że mamy tu dwa wzmacniacze mostkowe – BTL (Bridge Tied Load), które pracują w swojej kanonicznej roli przy dużych sygnałach. Klucz łączący dwa głośniki w szereg oraz przełączenie roli dwóch („dolnych”) wzmacniaczy składowych powodują, że przy małych sygnałach otrzymujemy dwa nietypowe wzmacniacze Single ended.

Rysunek G pokazuje porównanie mocy strat i sprawności klasycznego wzmacniacza AB (linie czerwone) oraz wzmacniacza SB (linie niebieskie). Zielona podkładka wskazuje, że przy małych sygnałach zdecydowanie efektywniejszy jest wzmacniacz SB.

Rys.G Porównanie mocy strat i sprawności klasycznego wzmacniacza AB oraz wzmacniacza SB

A ponieważ przez większość czasu wzmacniacz audio pracuje z niewielkimi sygnałami, według informacji ST, przeciętna moc strat wzmacniacza klasy SB jest o 50% mniejsza niż wzmacniacza klasy AB, co oczywiście pozwala zastosować znacznie mniejszy radiator.

Choć sprawność wzmacniaczy klasy SB jest mniejsza niż impulsowych wzmacniaczy klasy D, jednak brak kłopotów z zakłóceniami powoduje, że omawiane analogowe wzmacniacze SB są interesującą alternatywą w zastosowaniach samochodowych. W dziedzinie wzmacniaczy stacjonarnych w grę wchodzą inne aspekty, dlatego dostępne na rynku wzmacniacze klasy SB to wzmacniacze samochodowe zasilane napięciem około 6...18V.

Tematyka materiału: wzmacniacz mostkowy, wzmacniacz liniowy, wzmacniacz audio, klasa A, klasa AB, klasa D, klasa SB
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
wrzesień 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo