Wzmacniacze audio – budowa, klasy pracy i dobór do kolumn

Wzmacniacz audio bierze słaby sygnał ze źródła, na przykład odtwarzacza czy karty dźwiękowej, i zamienia go na sygnał, który poruszy membrany głośników. Składa się z przedwzmacniacza i końcówki mocy. Od klasy pracy zależy, ile energii trafia do głośnika, a ile zamienia się w ciepło.

Co wzmacniacz robi z sygnałem

Na wejście wzmacniacza trafia sygnał o bardzo małej amplitudzie, pochodzący ze źródła o niewielkiej wydajności prądowej. Wzmacniacz zwiększa oba te parametry naraz: amplitudę napięcia i wydajność prądową. Dlatego mówi się, że wzmacnia moc. W torze audio wzmacniacz mocy jest ostatnim stopniem i to do niego podłącza się zestaw głośnikowy.

Drugie zadanie to dopasowanie impedancji. Głośnik ma impedancję rzędu kilku omów, a wyjście źródła sygnału może mieć ją wielokrotnie większą. Podłączenie głośnika bezpośrednio do źródła może go uszkodzić. W najlepszym razie nic nie usłyszysz.

Wzmacniacz zawsze zniekształca sygnał. Charakterystyka przejściowa tranzystorów i lamp nie jest linią prostą, więc wzmocnienie bez żadnej deformacji nie jest możliwe. Konstrukcje różnią się tym, jak bardzo te zniekształcenia ograniczają.

Przedwzmacniacz i końcówka mocy

Każdy wzmacniacz stereo składa się z dwóch części:

• przedwzmacniacza, który nie wzmacnia mocy, tylko dopasowuje sygnały pod względem poziomu i impedancji – w prostych układach realizuje wzmocnienie napięciowe,
• wzmacniacza mocy (końcówki mocy), do którego podłącza się kolumny – w typowym układzie analogowym dwa tranzystory mocy pracują jako wtórnik komplementarny i dostarczają do głośnika prąd o odpowiednim natężeniu.

Wzmacniacz zintegrowany, dzielony i amplituner

W domowych zestawach najczęściej spotyka się dwie konfiguracje. Pierwsza to system ze wzmacniaczem zintegrowanym, druga to system, w którym przedwzmacniacz i końcówka mocy są osobnymi urządzeniami. Gdy obie części mieszczą się w oddzielnych obudowach, mówimy o wzmacniaczu dzielonym. Z kolei amplituner to wzmacniacz z dodatkowymi funkcjami, takimi jak:

• Bluetooth,
• Wi-Fi,
• odbiornik radiowy,
• radio internetowe.

Wzmacniacz lampowy, tranzystorowy i hybrydowy

Wzmacniacze różnią się też tym, z czego zbudowany jest stopień wyjściowy. Lampowe dają ciepłe, plastyczne brzmienie, ale są delikatne, drogie, szybko się nagrzewają i wymagają czasu na rozgrzanie przed pełną wydajnością. Tranzystorowe zwykle mają większą moc, są lżejsze i praktycznie bezawaryjne, ale nie mają jednego, wspólnego charakteru brzmienia. Pośrednim rozwiązaniem są konstrukcje hybrydowe: lampy pracują w przedwzmacniaczu, tranzystory w końcówce mocy. Dają cieplejsze brzmienie niż czysto tranzystorowe, ale nie oferują w pełni możliwości żadnego z dwóch typów.

Klasy pracy i sprawność energetyczna

Klasę pracy wyznacza punkt pracy elementu czynnego, czyli to, przez jaką część okresu sygnału tranzystor lub lampa przewodzi prąd. Od klasy zależy sprawność energetyczna, definiowana jako stosunek mocy oddanej do głośnika do mocy pobranej z zasilacza. Obowiązuje tu prosta zależność. Im lepsza wierność odtwarzania, tym niższa sprawność i tym więcej energii zamienia się w ciepło zamiast trafić do głośnika.

Źródła podają dla poszczególnych klas nieco inne widełki, dlatego w tabeli zestawiamy obie wersje:

Klasa A i klasa B

W klasie A prąd płynie przez tranzystory wyjściowe bez przerwy. Zniekształcenia są niskie, ale w tranzystorach wydziela się dużo mocy, a do głośnika trafia tylko niewielka jej część. Bez sygnału na wejściu taki wzmacniacz pracuje po prostu jak grzejnik. Straty sprawiają, że wzmacniacza bardzo dużej mocy w tej klasie praktycznie nie da się zbudować.

W klasie B każdy tranzystor wyjściowy wzmacnia tylko jedną połówkę przebiegu. Sprawność jest wysoka. Głównym problemem są jednak tak zwane zniekształcenia skrośne, dlatego czystej klasy B w praktyce się nie stosuje.

Klasa AB jako standard

W klasie AB pracuje zdecydowana większość analogowych wzmacniaczy audio. Tranzystory wyjściowe przewodzą cały czas, ale płynie przez nie prąd o niewielkim natężeniu. Przy bardzo małych sygnałach wzmacniacz zachowuje się podobnie do klasy A, a przy dużych jak klasa B. Wysokość prądu spoczynkowego przesuwa charakter pracy. Im jest niższy, tym bliżej klasy B, im wyższy, tym bliżej klasy A. W klasie AB pracują też niemal wszystkie scalone wzmacniacze mocy, na przykład TDA7294 czy LM3886.

Klasa D oraz klasy G i H

W klasie D komparator porównuje sygnał analogowy z sygnałem trójkątnym i zamienia go na przebieg impulsowy PWM. Stopień wyjściowy, najczęściej zbudowany z tranzystorów MOSFET, tylko się przełącza, a na końcu filtr dolnoprzepustowy z cewek i kondensatorów (filtr LC) usuwa składowe harmoniczne i odtwarza sygnał pierwotny. Litera D nie pochodzi od słowa „digital”. To po prostu kolejna litera alfabetu. Wzmacniacze klasy D pracują zarówno w dużych konstrukcjach estradowych, jak i w telewizorach, a nawet w telefonach komórkowych. Więcej o schematach poszczególnych klas znajdziesz w kursie Wzmacniacze audio – schematy i działanie.

Klasa G to wzmacniacz klasy AB z dwoma napięciami zasilania. Przy małych sygnałach pracuje na niższym napięciu. Klasa H jest jej rozwinięciem. W szczytach wysterowania wzmacniacz sam wytwarza wyższe napięcie. Wzmacniacze klasy H czasami trafiają do samochodowych zestawów nagłaśniających.

Parametry, które warto sprawdzić przed zakupem

Do podstawowych parametrów wzmacniacza mocy należą:

• moc wyjściowa w watach,
• wzmocnienie mocy,
• sprawność energetyczna w procentach,
• współczynnik zniekształceń nieliniowych,
• pasmo przenoszenia.

Przy doborze do kolumn liczą się przede wszystkim moc i impedancja. Najlepiej, żeby impedancja wzmacniacza i zestawu głośnikowego była identyczna, ewentualnie żeby kolumny miały impedancję wyższą. Moc wzmacniacza odnieś do parametrów podanych przez producenta zestawu głośnikowego.

Ile watów potrzebujesz

Orientacyjnie do mniejszych pomieszczeń, na przykład sypialni, wystarcza wzmacniacz o mocy 30-50 W, a do większych 100 W i więcej. Moc nie świadczy jednak o jakości ani klasie urządzenia. Więcej nie znaczy lepiej. Moc rośnie też wraz ze spadkiem impedancji kolumn: typowy wzmacniacz oddający 100 W przy 8 omach potrafi dostarczyć nawet 150-180 W przy 4 omach, jeśli pozwala na to jego zasilanie. Szczegółowe omówienie budowy i klas znajdziesz w bazie wiedzy RMS o wzmacniaczach stereo.

Ciepło i typowe błędy przy doborze wzmacniacza

Część energii, która nie trafia do głośnika, wzmacniacz oddaje w postaci ciepła. Najwięcej traci klasa A, dlatego takie konstrukcje mocno się nagrzewają. Klasa D ma straty najmniejsze. Przy podłączaniu i doborze sprzętu uważaj na te błędy:

• podłączenie głośnika bezpośrednio do źródła sygnału bez wzmacniacza,
• dostarczanie do kolumn mocy większej niż ich nominalne możliwości, co grozi przesterowaniem lub uszkodzeniem sprzętu,
• niedopasowanie impedancji wyjściowej wzmacniacza do impedancji kolumn,
• wybór urządzenia wyłącznie po liczbie watów, bez sprawdzenia pozostałych parametrów.

Najczęściej zadawane pytania

Czy do głośników potrzebny jest wzmacniacz?

Samo źródło sygnału nie napędzi głośnika. Ma zbyt małą amplitudę i wydajność prądową oraz znacznie wyższą impedancję niż głośnik. Wzmacniacz odbiera sygnał niskiego napięcia i wzmacnia go tak, żeby napędzić membrany. Bezpośrednie podłączenie głośnika do źródła może go uszkodzić albo nie da żadnego dźwięku.

Co lepiej kupić, amplituner czy wzmacniacz?

Amplituner to wzmacniacz z dodatkowymi funkcjami, takimi jak Bluetooth, Wi-Fi, odbiornik radiowy i radio internetowe. Wybór zależy więc od tego, czy te funkcje są ci potrzebne. Jeśli nie, możesz postawić na wzmacniacz zintegrowany albo zestaw z osobnym przedwzmacniaczem i końcówką mocy.

Co to znaczy, że wzmacniacz jest klasy A?

Oznacza to, że przez tranzystory lub lampy stopnia wyjściowego prąd płynie nieprzerwanie. Daje to niskie zniekształcenia, ale bardzo niską sprawność – zwykle od kilku do kilkunastu procent, w praktyce często nie więcej niż 10-20% – i dużą ilość ciepła.

Czy wzmacniacz klasy D jest dobry?

Jego największą zaletą jest sprawność sięgająca w praktyce 90-95%, więc mało energii zamienia się w ciepło. RMS podaje dla niej zniekształcenia na poziomie około 1%. Wzmacniacze klasy D pracują zarówno w dużym sprzęcie estradowym, jak i w telewizorach czy telefonach komórkowych.

Co ma największy wpływ na jakość dźwięku?

Największy wpływ mają kolumny głośnikowe – to na nie przypada około 70% ostatecznej jakości brzmienia, bo to one jako ostatnie ogniwo toru audio zamieniają sygnał elektryczny na fale akustyczne. Sam wzmacniacz odpowiada za około 20% wrażenia, a resztę dopełniają źródło sygnału i akustyka pomieszczenia.

Jak podłączyć wzmacniacz do głośników?

Najważniejsza jest zgodność polaryzacji: zacisk (+) wzmacniacza łączysz z zaciskiem (+) głośnika, a zacisk (-) z zaciskiem (-), osobno dla każdego kanału. Pomylenie biegunów w jednej z kolumn odwraca fazę i osłabia bas. Przy dwóch parach kolumn na jednym kanale można je połączyć równolegle – oba plusy do plusa wzmacniacza, oba minusy do minusa – albo szeregowo, czyli minus pierwszej kolumny do plusa drugiej. Połączenie szeregowe sumuje impedancję obu kolumn.

Źródła:

• Wikipedia – Wzmacniacz mocy
• Elportal – Wzmacniacze audio – schematy i działanie
• RMS – Wzmacniacze stereo – budowa i klasy
• Audio – Jakie są i czym się charakteryzują klasy pracy wzmacniacza?
• Geex x-kom – Co to jest wzmacniacz audio i jaki wybrać?
• Planeta Dźwięku – Po co wzmacniacz audio do kolumn głośnikowych
• Top Hi-Fi – Co to jest wzmacniacz mocy? Co daje końcówka mocy audio?
• Kruger&Matz – Jakość dźwięku – jakie elementy zestawu audio mają na nią największy wpływ
• hifi.pl – Szeregowe i równoległe podłączenie dwóch par kolumn