Klasseforsterkere forklart: Hvordan velge klasse AB, D eller H for høyttalerdesign

To tilbud lander på skrivebordet ditt for det samme 2 x 500 W drevne subwooferkortet. Den første er bygget rundt en klasse AB-scene med en kjøleribbe omtrent på størrelse med en pocketbok. Den andre bruker en klasse D-scene på et brett som knapt er større enn en telefon. Begge er ærlige om effektvurderingen. Bare én av dem vil passe til skapet du allerede har verktøyet, og bare én vil bestå den termiske testen i et lukket treskap ved 40 °C omgivelsestemperatur.

Det er den virkelige avgjørelsen bak uttrykket "klasseforsterkere". Klassen til en forsterker beskriver hvordan dens utgangsenheter leder strøm over en signalsyklus. Det enkeltvalget angir hvor mye varme du må fjerne, hva slags strømforsyning du må kjøpe, hvor mye filtrering og skjerming brettet trenger, og hvor mye aluminium som går inn i chassiset. Den avgjør ikke på egen hånd om produktet høres bra ut.

Hva klasseetiketten faktisk beskriver

Klassenavnet kommer fra én fysisk egenskap: hvor lenge utdataenhetene forblir ledende under en enkelt syklus av lydsignalet. Klasse A holder dem dirigent hele tiden. Klasse B deler syklusen mellom to enheter, som hver håndterer halvparten. Klasse AB holder begge enhetene litt åpne ved nullkryssingen slik at overleveringen er jevn. Klasse D forlater den lineære ideen fullstendig og bytter utgangsenhetene med noen hundre kilohertz, og koder lyden som pulsbredde. Klasse H beholder en lineær lydtrinn, men får tilførselsskinnen til å gå opp og ned for å følge signalkonvolutten.

Alt annet følger av det. Et trinn som leder hele tiden kaster bort en stor del av tilførselen som varme. Et trinn som bytter mister nesten ingenting i enhetene, men skyver designproblemet inn i utgangsfilteret, portdriften og det elektromagnetiske interferensbudsjettet. Et trinn som flytter skinnene reduserer spenningen over utgangsenhetene, som er akkurat der varmen i en lineær forsterker kommer fra.

Det etiketten ikke forteller deg er byggekvalitet. En dårlig utformet klasse D-modul og en nøye konstruert har samme navn og kan variere med 15 °C i kjøleribbetemperaturen ved samme utgangsnivå.

Effektivitet, varme og forvrengning side om side

Publiserte designreferanser oppgir brede effektivitetsbånd, fordi det reelle antallet avhenger av utgangsnivå, lastimpedans og forsyningsdesign. Figurene nedenfor er rekkeviddene ingeniører vanligvis bruker når de sammenligner topologier ved eller nær full nominell utgang.

Klasse AB: linearitet du betaler for i varme

Klasse AB eksisterer for å fjerne krysningshakket til klasse B uten å betale hele kostnaden for klasse A. En liten forspenningsstrøm holder begge utgangsenhetene ledende rundt nullkrysset, slik at overdragelsen mellom dem forblir jevn. Typisk hvilestrøm i en pro-lydmodul ligger på titalls milliampere per enhetspar, nok til å holde hakket utenfor det hørbare området, men liten nok til at forsterkeren ikke koker på tomgang.

Handelen er at varmen er kontinuerlig. En 400 W Class AB-modul trekker meningsfull strøm selv uten signal, og kjøleribben må dimensjoneres for verste fall: rosa støy med en åttendedels effekt i en time i et stativ med dårlig luftstrøm. Det er derfor analoge moduler har en tendens til å bære store ekstruderte kjøleribber, U-formede aluminiumsbraketter og noen ganger en vifte. Kjøpere som kun sammenligner wattstyrken på etiketten går ofte glipp av dette, og oppdager da at de samme 400 W i en klasse D-modul trenger en brøkdel av metallet.

Oppsiden er godt forstått: ingen koblingsrester, ingen utgangsfilter som samhandler med lasten, enkle transformatorbaserte forsyninger og oppførsel som feltteknikere allerede vet hvordan de skal betjene.

Klasse D: effektivitet avhenger av forsyningen du parer den med

Klasse D-moduler bytter med noen hundre kilohertz og rekonstruerer lyden gjennom et LC-utgangsfilter. Enhetene bruker mesteparten av tiden sin enten helt på eller helt av, så ledningstapene er små og effektivitetsoverskriften er reell. Det overskriften skjuler er at fordelen bare holder nær nominell effekt. På bakgrunnslyttenivåer dominerer switching og gate-drivtap og effektiviteten faller kraftig, noe som betyr mer for batteridrevne produkter enn for nettdrevne.

Resten av designet har lik vekt. Dødtid som er for kort forårsaker skyting; for lang og forvrengningen øker ved lav effekt. Utgangsfilteret må holde seg stabilt over den faktiske belastningen, ikke dummymotstanden på benken. Og tilbudet må følge med: et klasse D-trinn sammen med en myk, uregulert skinne vil synke på basstransienter og oppheve fordelen. Det er derfor resonante LLC-forsyninger og effektfaktorkorrigerte frontender har blitt standard i seriøse moduler.

EON522SUB Aktiv subwoofer effektforsterkermodul Parer en 800 W LLC resonansforsyning med et 500 W klasse D basstrinn, adresserer skinnesag og byttestøy i drevne subwoofere. Se produkt →

Som et eksempel på mønsteret, parer en modul som EON522D-2092 et 500 W lavpass og 200 W høypass klasse D-trinn med en LLC-resonansforsyning, som er kombinasjonen som holder skinnesag og byttestøy under kontroll i et 2.1-kabinett.

Klasse H: skinnekobling for toppen av effektområdet

Klasse H beholder et lineært utgangstrinn, men gir det mer enn én tilførselsskinne. Når signalkonvolutten krysser en terskel, bytter forsterkeren til en høyere skinne; når den faller tilbake, faller skinnen igjen. Utgangsenhetene ser derfor bare noen få volt over seg i stedet for hele skinnen, og varmen som ville ha gått inn i kjøleribben blir rett og slett aldri generert. I praksis leverer en Klasse H-modul kraften til en mye større Klasse AB-design i samme chassisdybde.

Den effektiviteten er ikke gratis. Skinnekoblingskretsen legger til deler og kostnader, overgangen kan produsere artefakter hvis komparatorterskelene er dårlig valgt, og transformatoren trenger flere trykk. Det gjør også servicedokumentasjon viktigere, fordi en tekniker som behandler modulen som et vanlig AB-kort vil feildiagnostisere en skinnefeil som en utgangsenhetsfeil.

AMP400H 7294 Klasse H effektforsterkermodul Kombinerer et 400 W Klasse H lav-/mellomtrinn med et 100 W Klasse AB høyfrekvenstrinn og en U-formet aluminiumsradiator for stabil effekt. Se produkt →

Moduler i denne kategorien, for eksempel AMP400H-7294 med sin U-formede aluminiumsradiator, er vanligvis spesifisert for subwoofer og line array-bruk der kontinuerlig høy ytelse forventes i timer i stedet for minutter.

Hva klassevalget endrer lenger ned i modulstabelen

Krafttrinnet er ett brett i en kjede, og klassebeslutningen bølger gjennom resten av den. Et klasse D-trinn med en hurtigbegrenser trenger en forforsterkermodul som kan mate den med et rent, godt skalert signal; et klasse AB-trinn med 20 dB forsterkningshøyde vil oppføre seg annerledes med samme kilde. Gevinststruktur, klippoppførsel, beskyttelsesterskler og til og med valget av volumavsmalning endres med topologien.

DSP1903 ADAU1701 DSP-modul for 2.1-systemer ADAU1701-basert DSP-modul med fire forhåndsinnstilte EQ-moduser, Bluetooth og XLR I/O, egnet for å matche limiter-oppførsel i 2.1-linjesystemer. Se produkt →

I praksis er det her modulære leverandører tjener seg. En DSP-modul som DSP1903, bygget på ADAU1701 og har fire forhåndsinnstilte EQ-moduser for et 2.1 line array-system, må tilpasses begrenser-oppførselen til uansett effekttrinn under den. Hvis de to er spesifisert uavhengig, klipper systemet enten tidlig eller beskytter sent. Vår gjennomgang av A, AB, D og H design avveininger går dypere inn på hvordan disse tersklene er satt.

Matche klassen til produktet du bygger

De fleste drevne høyttalerprosjekter faller inn i en håndfull mønstre, og hver enkelt begrenser klassevalget raskt:

• Line array og kolonnesystemer. Vekt og stativtetthet avgjør. Klasse D med resonanstilførsel er standard, med klasse H reservert for moduler som må kjøre med svært høy effekt i lange perioder.
• Subwoofere. Høy kontinuerlig kraft til en lavimpedansbelastning. Klasse D med robust forsyning takler dette best; forsyningen, ikke forsterkeren, er vanligvis den begrensende delen.
• Bærbare og batteridrevne høyttalere. Effektivitet ved dellast betyr mer enn topptallet. Klasse D er det eneste realistiske alternativet, og tomgangstapene fortjener like mye oppmerksomhet som maksimal effekt.
• Elektriske miksere og kostnadssensitive analoge bokser. Klasse AB med en lineær transformator holder materiallisten enkel og servicehistorien kjent, på bekostning av en større kjøleribbe.
• Høyeffekt touring subwoofere. Klasse H eller høyskinne Klasse D-design, avhengig av om designteamet foretrekker lineær oppførsel eller minimumsvekt.

Hva du bør sjekke med en modulleverandør før du forplikter deg

Dataarkets watt er det minst nyttige tallet i samtalen. Dette er punktene som skiller et design som overlever feltbruk fra et som kommer tilbake:

1. Effektivitet og kassetemperatur ved en åttendedels effekt, ikke bare ved full nominell effekt, målt i stillestående luft ved det tiltenkte omgivelsesrommet.
2. Forvrengning ved 1 W og ved 10 W, der delefilter og bytteartefakter faktisk bor.
3. Beskyttelsesatferd: hva som skjer på en kortsluttet utgang, en feiltilpasset belastning eller et forsyningsfall, og om modulen gjenoppretter seg av seg selv.
4. Forsyningskrav, inkludert om effektfaktorkorrigering er nødvendig for markedene du sender til.
5. EMI og tomgangsstøy, spesielt for klasse D-moduler som mater høyeffektive kompresjonsdrivere.
6. Konsistens mellom prototype og masseproduksjon, som er et produksjonsspørsmål like mye som et ingeniørmessig.

For kjøpere som trenger en ikke-standard konfigurasjon, er den fornuftige rekkefølgen å avgjøre klassen og forsyningstopologien først, og deretter ta modulen gjennom tilpasset utvikling for forsterkningsstruktur, koblinger og forhåndsinnstilt oppførsel. Å bytte klasse etter at skapet og strømforsyningen er frosset er dyrt.

Vanlige spørsmål om klasseforsterkere