Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wzmacniacze klasy D cz.1 - historia i podstawowa koncepcja działania (schematy)

Na naszych oczach dokonuje się kolejny przełom, wręcz eksplozja: impulsowe wzmacniacze klasy D wypierają inne rodzaje wzmacniaczy audio. Powszechnie znane są ilustracje, pokazujące podstawową koncepcję wzmacniacza klasy D.
Article Image

Podstawowa koncepcja wzmacniacza klasy D

Jak obrazuje rysunek 1, analogowy sygnał audio jest przekształcany w ciąg impulsów prostokątnych o stosunkowo dużej częstotliwości tak, żeby ich średnia wartość odpowiadała wejściowemu przebiegowi audio. Impulsy te o dużej amplitudzie są podawane na dolnoprzepustowy filtr LC, który przywraca pierwotny kształt (wzmocnionego) sygnału audio i podaje go na głośnik.

Rys.1 Koncepcja wzmacniacza klasy D - schemat

W literaturze bardzo często spotykany jest schemat z rysunku 2, pokazujący sposób realizacji klasycznego wzmacniacza klasy D z wykorzystaniem generatora przebiegu trójkątnego lub piłokształtnego, komparatora i dwóch tranzystorów MOSFET, pełniących tylko funkcję kluczy – wyłączników.

Podstawy są łatwe do zrozumienia, ale inne dostępne informacje zadziwiają pod różnymi względami, a praktyczny kontakt ze wzmacniaczami klasy D często związany jest z wieloma rozlicznymi niespodziankami, różnymi poważnymi kłopotami, przykrymi rozczarowaniami, a już na pewno budzi mnóstwo pytań. Podstawowe informacje nie wystarczają, a przy próbie wejścia w tę tematykę okazuje się, iż jest ona ogromna i zamiast odpowiedzi pojawia się coraz więcej pytań.

Rys.2 Schemat wzmacniacza klasy D

Tematyka dotycząca nowych wzmacniaczy okazuje się zaskakująco szeroka i niełatwa. W nowym cyklu Wzmacniacze klasy D kolejno omówimy liczne aspekty zagadnienia, a choć niektóre szczegóły są trudne, kluczowe informacje będą podane, o ile to możliwie, najbardziej przystępnie. Cykl będzie obejmował szereg odcinków, ponieważ trzeba omówić wiele aspektów tego interesującego zagadnienia.

Historia wzmacniaczy klasy D

Historia wzmacniaczy klasy D sięga lat 40. i 50., czyli epoki lampowej. Już wtedy przedstawiono pomysły na wzmacniacze, które pracowałyby impulsowo, gdzie elementy czynne (lampy) byłyby na przemian albo w pełni otwierane, albo całkowicie zamykane. Trudno dotrzeć do dokładnych danych. Doniesienia są skąpe. Można napotkać informacje, że pierwsze wzmacniacze impulsowe (klasy D) zaproponowano w roku 1958, ale nie były to wzmacniacze audio, tylko... sterowniki do silników.

Można też znaleźć skąpe, wyrywkowe doniesienia, że pierwsze wzmacniacze audio klasy D, czyli impulsowe, pojawiały się w latach 60., 70. i 80., ale nie przyjęły się na rynku. W tym kontekście dużym zaskoczeniem może być jak najbardziej wiarygodna informacja, że koncepcja wzmacniacza impulsowego pojawiła się na początku lat 60., a konkretnie w bardzo popularnym wśród hobbystów czasopiśmie „Wireless World” 2/1963 str. 76, gdzie zamieszczone były między innymi ilustracje pokazane na rysunku 3 (całość do ściągnięcia spod adresu https://www.americanradiohistory.com/Archive-Wireless-World/60s/Wireless-World-1963-02.pdf).

Rys.3 Koncepcja wzmacniacza impulsowego z początku lat 60

Niedługo potem, bo już w roku 1964 (tak!) firma Sinclair Radionics Ltd., czyli w sumie bardzo słynny swego czasu Clive Sinclair, wprowadziła na rynek głośno reklamowany wzmacniacz, który dziś nazwalibyśmy wzmacniaczem klasy D, i to w postaci zestawu do samodzielnego montażu. Był to wzmacniacz X-10 o schemacie pokazanym na rysunku 4.

W reklamach podawano, że jego moc wynosi 10W, jednak problemem dla użytkowników było to, że w rzeczywistości moc była dużo mniejsza, co najwyżej 2,5 wata, a ponadto podczas pracy występowały poważne problemy, na przykład silne zakłócenia radiowe.

Rys.4 Schemat wzmacniacza X-10

Głównym źródłem kłopotów było to, że w (stosunkowo tanich) zestawach oferowanych klientom wykorzystywano tańsze tranzystory o parametrach gorszych niż pełnowartościowe egzemplarze zastosowane wcześniej do budowy prototypów.

Młodych Czytelników należy poinformować, że w latach 50. i 60. z uwagi na duży rozrzut technologiczny, powszechną praktyką było, że wszystkie wyprodukowane egzemplarze tranzystorów selekcjonowano i egzemplarze lepsze sprzedawano drożej do zastosowań komercyjnych, a te gorsze sprzedawano taniej, głównie hobbystom.

Z uwagi na słabe parametry, zupełnie niezgodne z oczekiwaniami oraz dużą liczbę zwrotów i reklamacji, wzmacniacz X-10 nie był sukcesem rynkowym, podobnie jak jego następca, teoretycznie 20-watowy X-20 o schemacie z rysunku 5.

Rys.5 Schemat wzmacniacza X-20

Później pojawiły się zdecydowanie bardziej skomplikowane wzmacniacze impulsowe innych producentów, przeznaczone dla klientów innych niż hobbyści elektronicy. Na przełomie lat 60./70. wzmacniacze impulsowe SWAMP (Switching AMPlifier) o mocy nawet 250W/kanał konstruował John Ulrick (w firmach Infinity, później Spectron) – rysunek 6.

Rys.6 Wzmacniacz impulsowy SWAMP firmy Spectron

W roku 1978 ukazał się wzmacniacz impulsowy Sony TA-N88 (2 x 200W) z niewiele wcześniej wprowadzonymi na rynek tranzystorami 2SJ28 i 2SK82 – fotografia 7. Tranzystory te (fotografia 8) to specyficzne tranzystory polowe, nazwane SIT (Static Induction Transistor) o charakterystykach podobnych do lamp elektronowych, do dziś cieszące się zainteresowaniem audiofilów.

Fot.7 Wzmacniacz impulsowy Sony TA-N88
Fot.8 Tranzystory 2SJ28 i 2SK82

W latach 80. wzmacniacze klasy D próbował spopularyzować Brian Attwood. Poza pewnymi niszowymi zastosowaniami (np. w aparatach słuchowych), wzmacniacze impulsowe nie ostały się wówczas na rynku. Przez długie lata największym problemem był brak dobrych elementów przełączających – tranzystorów i niezbyt dobre rozwiązania układowe.

Gwałtowny rozwój i upowszechnianie wzmacniaczy klasy D rozpoczęło się dopiero na początku XXI wieku, gdy opanowano nie tylko produkcję tanich i dobrych tranzystorów MOSFET, ale też kilka różnych koncepcji realizacyjnych takich wzmacniaczy.

W następnym odcinku zaczniemy bliżej przyglądać się zasadzie pracy oraz problemom, wyzwaniom związanym ze wzmacniaczami klasy D.

Tematyka materiału: wzmacniacze klasy D
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2019
Udostępnij
UK Logo