כיתות מגברי כוח

באלקטרוניקה, מגבר הוא מכשיר המעגל הנפוץ ביותר עם אפשרויות יישום ענקיות. במגבר קדם מגבר אלקטרוניקה וקשרי שמע הם שני סוגים שונים של מערכות מגברים המשמשים למטרות הקשורות להגברת קול. אך מלבד מטרה ספציפית ליישום זו, ישנם הבדלים עצומים בסוגים שונים של מגברים, בעיקר במגברי כוח. אז כאן נחקור סוגים שונים של מגברים יחד עם היתרונות והחסרונות שלהם.

סיווגי מגברים באמצעות אותיות

שיעורי המגבר הם זהות הביצועים והמאפיינים של המגבר. מגברי הספק מסוג אחר נותנים תגובות שונות בעת העברת זרם דרכם. על פי המפרט שלהם, מגברים מקצים אותיות או אלפבית שונים המייצגים את הכיתות שלהם. ישנם סוגים שונים של מגברים החל מ- A, B, C, AB, D, E, F, T וכו '. מתוך הכיתות האלה שיעורי המגברים השמע הנפוצים ביותר הם A, B, AB, C. שיעורים אחרים הם מגברים מודרניים המשתמשים בטופולוגיות מיתוג ובטכניקת PWM (Pulse Width Modulation) בכדי להניע את עומס הפלט. לעיתים, הגרסה המשופרת של הכיתות המסורתיות מוקצה לאות כדי לסווג אותן כמחלק אחר של מגבר, כמו שמגבר Class G הוא סוג מגבר שונה של מגבר Class B או Class AB.

מחלקות המגבר מייצגות את יחס מחזור הקלט כאשר הזרם מועבר דרך המגבר. מחזור הקלט הוא זווית ההולכה הנובעת מהולכת הגלים הסינוסואידית בקלט המגבר. זווית הולכה זו פרופורציונאלית מאוד עם המגברים בזמן במהלך מחזור מלא. אם המגבר תמיד פועל במהלך מחזור, זווית ההולכה תהיה 360 מעלות. לכן, אם מגבר מספק זווית הולכה של 360 מעלות, המגבר השתמש באות קלט שלמה ואלמנט הפעיל המנוהל לאורך 100% של מחזור סינוסי.

להלן נדגים שיעורי מגבר כוח מסורתיים הנעים בין Class A, B, AB ו- C, וכן נדגים מגבר Class D אשר נמצא בשימוש נרחב בתכנון מיתוג. שיעורים אלה אינם משמשים רק במגבר כוח אלא גם במעגלי מגברי שמע.

מגבר Class A

מגבר Class A הוא מגבר בעל רווח גבוה עם ליניאריות גבוהה. במקרה של מגבר Class A, זווית ההולכה היא 360 מעלות. כפי שציינו לעיל, זווית הולכה של 360 מעלות פירושה שמכשיר המגבר נשאר פעיל למשך כל הזמן ומשתמש באות קלט מלאה. בתמונה למטה מוצג מגבר A אידיאלי.

כפי שאנו רואים בתמונה, יש אלמנט פעיל אחד, טרנזיסטור. הטיה של הטרנזיסטור נותרה פעילה כל הזמן. בשל תכונה זו שלעולם לא תכבה, מגבר Class A מספק יציבות גבוהה יותר בתדרים גבוהים ובלולאות משוב. מלבד היתרונות הללו, קל לבנות מגבר Class A עם רכיב בעל התקן יחיד ומספר חלקים מינימלי.

למרות היתרונות והליניאריות הגבוהה, בהחלט, יש לה מגבלות רבות. בשל אופי התנהלות מתמשך, מגבר A בכיתה מציג אובדן הספק גבוה. כמו כן, בגלל ליניאריות גבוהה, מגבר Class A מספק עיוות ורעשים. ספק הכוח ובניית ההטיה זקוקים לבחירת רכיבים זהירה כדי למנוע רעש לא רצוי וכדי למזער את העיוות.

בגלל אובדן הספק גבוה במגבר Class A, הוא פולט חום ודורש שטח קירור גבוה יותר. היעילות נמוכה מאוד במגברים מסוג A, תיאורטית, היעילות משתנה בין 25 ל -30% אם משתמשים בה בתצורה הרגילה. ניתן לשפר את היעילות באמצעות תצורה מצומדת אינדוקטיבית אך היעילות במקרה כזה אינה עולה על 45-50%, ולכן היא מתאימה רק למטרות הגברה עם אות נמוך או רמת הספק נמוכה.

מגבר Class B

מגבר Class B שונה במקצת מה- Class A. הוא נוצר באמצעות שני מכשירים פעילים המוליכים מחצית מהמחזור בפועל, כלומר 180 מעלות של המחזור. שני מכשירים מספקים כונן זרם משולב לעומס.

בתמונה שלעיל הוצגה תצורת מגבר Class B אידיאלית. הוא מורכב משני מכשירים פעילים שמוטים אחד אחד במהלך מחזור החיובי והשלילי של הגל הסינוסי, וכך האות נדחק או נמשך לרמה המוגברת מהצד החיובי והשלילי כאחד ומשלב את התוצאה שנקבל מחזור שלם על פני הפלט.. כל מכשיר הופעל או נעשה פעיל במחצית המחזור, ועקב כך היעילות משתפרת, בהשוואה ליעילות של 25-30% של מגבר Class A, הוא מספק יותר מ- 60% יעילות באופן תיאורטי. אנו יכולים לראות כל גרף של קלט ופלט של מכשירים בתמונה למטה. היעילות היא לא יותר מ 78% עבור מגבר Class B . פיזור החום ממוזער בכיתה זו ומספק שטח קירור נמוך.

אבל, למעמד הזה יש גם מגבלה. מגבלה עמוקה מאוד של מעמד זה היא עיוות מוצלב. כאשר שני מכשירים מספקים כל אחד מחצי הגלים הסינוסואידיים המשולבים ומחוברים לרוחב הפלט, יש אי התאמה (מעבר) באזור, בו משולבים שני חצאים. הסיבה לכך היא שכאשר מכשיר אחד משלים את מחצית המחזור, השני צריך לספק את אותו הספק כמעט באותו זמן כאשר אחד אחר מסיים את העבודה. קשה לתקן שגיאה זו במגבר A בכיתה מכיוון שבמהלך המכשיר הפעיל המכשיר השני נותר פעיל לחלוטין. השגיאה מספקת עיוות באות הפלט. בשל מגבלה זו, זהו כישלון גדול ביישום מגבר שמע מדויק.

מגבר Class AB

גישה חלופית כדי להתגבר על העיוות צולב על, היא להשתמש מגבר AB. מגבר Class AB משתמש בזווית ההולכה הבינונית של מחלקות A ו- B, וכך אנו יכולים לראות את המאפיין של מגבר Class A וגם Class B בסוג AB זה של טופולוגיית מגברים. זהה למחלקה B, יש לו אותה תצורה עם שני מכשירים פעילים שמתנהלים במהלך מחצית המחזורים בנפרד, אך כל מכשיר מוטה אחרת כך שהם לא נכבים לחלוטין ברגע הבלתי שמיש (רגע מוצלב). כל מכשיר לא עוזב את ההולכה מיד לאחר השלמת מחצית צורת הגל הסינוסי, במקום זאת הם מנהלים כמות קטנה של קלט בחצי מחזור נוסף. באמצעות טכניקת הטיה זו, חוסר ההתאמה בין הצלבות באזור המת מתמעט באופן דרמטי.

אך בתצורה זו, היעילות מופחתת ככל שנפגעת הליניאריות של המכשירים. היעילות נותרה יותר מהיעילות של מגבר Class A טיפוסי אך היא פחות ממערכת המגברים Class B. כמו כן, יש לבחור בקפידה את הדיודות עם אותו דירוג בדיוק ולהציבן קרוב ככל האפשר להתקן הפלט. בחלק מבניית המעגלים, מעצבים נוטים להוסיף נגד בעל ערך קטן כדי לספק זרם שקט יציב על פני המכשיר כדי למזער את העיוות על פני הפלט.

מגבר Class C

מלבד מגבר Class A, B ו- AB, יש מגבר נוסף Class C. זהו מגבר מסורתי שעובד אחרת משאר מחלקות המגברים. מגבר Class C הוא מגבר מכוון שעובד בשני מצבי הפעלה שונים, מכוון או לא מכוון. היעילות של מגבר Class C היא הרבה יותר מ- A, B ו- AB. ניתן להשיג יעילות מרבית של 80% בפעולות הקשורות לתדרי רדיו

מגבר Class C משתמש בזווית הולכה של פחות מ -180 מעלות. במצב לא מכוון , קטע המקלט מושמט מתצורת המגבר. בפעולה זו, מגבר Class C נותן גם עיוות עצום על פני הפלט.

כאשר המעגל חשוף לעומס מכוון, המעגל מהדק את רמת הטיית המוצא עם מתח המוצא הממוצע שווה למתח האספקה. הפעולה המכוונת נקראת clamper. במהלך פעולה זו, האות מקבל את צורתו התקינה ותדר המרכז הפך פחות מעוות.

בשימושים אופייניים, מגבר Class C נותן יעילות של 60-70%.

מגבר Class D

מגבר Class D הוא מגבר מיתוג המשתמש ב- Modulation Width Modulation או PWM. זווית ההולכה אינה מהווה גורם במקרה בו משתנה אות הקלט הישיר ברוחב דופק משתנה.

במערכת מגברים זו מסוג D, הרווח הליניארי אינו מתקבל מכיוון שהם עובדים בדיוק כמו מתג טיפוסי שיש לו שתי פעולות בלבד, ON או OFF.

לפני עיבוד אות הקלט, האות האנלוגי מומר לזרם דופק בטכניקות אפנון שונות ואז הוא מוחל על מערכת המגברים. מכיוון שמשך הפולסים קשור לאות האנלוגי, הוא משוחזר שוב באמצעות פילטר מעבר נמוך על פני הפלט.

מגבר Class D הוא סוג המגבר היעיל ביותר בספק בקטע A, B, AB ו- C ו- D. יש לו פיזור חום קטן יותר, ולכן יש צורך בקירור קירור קטן. המעגל דורש רכיבי מיתוג שונים כמו MOSFET עם התנגדות נמוכה.

זוהי טופולוגיה בשימוש נרחב בנגני שמע דיגיטליים או בשליטה גם במנועים. אך עלינו לזכור כי אינו ממיר דיגיטלי. אם כי עבור תדרים גבוהים יותר, מגבר Class D אינו בחירה מושלמת מכיוון שיש לו מגבלות רוחב פס בכמה מקרים, בהתאם ליכולות המסנן הנמוך ומעבר למודול הממיר.

שיעורי מגבר אחרים

מלבד המגברים המסורתיים, ישנם מעט מחלקות נוספות שהן מחלקה E, מחלקה F, מחלקה G ו- H.

מגבר Class E הוא מגבר כוח יעיל ביותר המשתמש בטופולוגיות מיתוג ועובד בתדרי רדיו. אלמנט מיתוג של מוט יחיד ורשת תגובית מכוונת הם המרכיב העיקרי לשימוש עם מגבר Class E.

Class F הוא מגבר עכבה גבוהה ביחס להרמוניות. ניתן להניע אותו באמצעות גל מרובע או גל סינוס. עבור קלט הגל הסינוסי, ניתן לכוון מגבר זה באמצעות משרן וניתן להשתמש בו להגדלת הרווח.

מיתוג מסילה באמצעות סוג G להפחתת צריכת החשמל ולשיפור ביצועי היעילות. ו- Class H היא הגרסה המשופרת של Class G.

שיעורים נוספים הם מגבר ייעודי. במקרים מסוימים, המכתבים מסופקים על ידי היצרן לציון העיצוב הקנייני שלהם. אחת הדוגמאות הטובות ביותר היא מגבר Class T שהוא סימן מסחרי עבור סוג מיוחד של מגבר Class D מיתוג, המשמש לטכנולוגיות המגברים של Tripath שהוא עיצוב פטנט.