انواع آمپلی فایر های قدرت (آموزش انواع آمپلی فایر)

سلام. انواع آمپلی فایر های قدرت (آموزش کامل تقویت کننده ها) را آماده کردیم.

در الکترونیک، آمپلی فایر (Amplifier) رایج ترین دستگاه مدار با امکانات کاربرد زیاد است. در الکترونیک مرتبط با صدا، آمپلی فایر قبل و آمپلی فایر های قدرت دو نوع متفاوت از سیستم های تقویت کننده هستند که برای اهداف مرتبط با تقویت صدا استفاده می شوند. اما غیر از این هدف خاص برنامه، تفاوت های زیادی در انواع مختلف امپلی فایرها، مخصوصا در امپلی فایرهای قدرت، وجود دارد. بنابراین در اینجا ما انواع مختلفی از آمپلی فایر را همراه با مزایا و معایب آن ها بررسی خواهیم کرد.

طبقه بندی آمپلی فایرها با استفاده از حروف

کلاس های آمپلی فایرها  ، هویت عملکرد و ویژگی های آمپلی فایر هستند. انواع مختلفی از آمپلی فایر های قدرت وجود دارد که هنگام عبور جریان از آنها ، پاسخ های متفاوتی می دهند.  با توجه به مشخصات آنها ، به آمپلی فایرها حروف الفبا یا حروف مختلفی اختصاص داده شده است که نماینده کلاس آنها است.

کلاس های مختلف آمپلی فایر ها از A ، B ، C ، AB ، D ، E ، F ، T و غیره وجود دارد.از بین این کلاس ها متداول ترین کلاس آمپلی فایر های صوتی  A ، B ، AB ، C هستند. کلاس های دیگر ، آمپلی فایر های مدرن هستند که از توپولوژی سوئیچینگ و تکنیک PWM (مدول سازی پهنای پالس) برای حرکت بار خروجی استفاده می کنند. بعضی اوقات ، به ورژن های بهبود یافته کلاس های سنتی ، حروفی اختصاص داده می شود تا آنها به عنوان کلاس مختلف آمپلی فایر طبقه بندی شوند، مانند آمپلی فایر کلاس G ، یک کلاس آمپلی فایر اصلاح شده از کلاس B یا کلاس AB آمپلی فایر است.

کلاس آمپلی فایر ، هنگامی که جریان از طریق تقویت کننده عبور می کند ، نسبت چرخه ورودی را نشان می دهند.  چرخه ورودی، زاویه رسانش ناشی از هدایت موج سینوسی در ورودی آمپلی فایر است. این زاویه رسانش با آمپلی فایر در طی یک چرخه کامل متناسب است.

اگر آمپلی فایر در طی چرخه همیشه روشن باشد ، زاویه رسانش 360 درجه خواهد بود.  بنابراین ، اگر یک آمپلی فایر دارای زاویه رسانش 360 درجه باشد ، از تقویت کننده سیگنال ورودی، کامل استفاده می شود و عنصر فعال در طی یک دوره 100٪ از طریق یک چرخه سینوسی کامل انجام می شود.

در زیر ، کلاس آمپلی فایر قدرت سنتی از کلاس A ، B ، AB و C را نشان خواهیم داد و همچنین آمپلی فایر کلاس D را نشان می دهیم که در طرح های سوئیچینگ بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. این کلاس ها نه تنها در آمپلی فایر های قدرت بلکه در مدارهای آمپلی فایر های صدا نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

آمپلی فایر کلاس A

امپلی فایر کلاس A یک امپلی فایر با بهره ی بالا و خاصیت خطی بالاست. در صورت امپلی فایر کلاس A ، زاویه ی رسانش ۳۶۰ درجه است. همانطور که در بالا ذکر کردیم، یک رسانش 360 درجه ای ، یعنی دستگاه امپلی فایر برای کل زمان فعال باقی می ماند و از سیگنال ورودی کامل استفاده می کند. در تصویر زیر یک امپلی فایر کلاس A ایده آل نشان داده شده است.

در تصویر بالا ، پیکربندی امپلی فایر ایده آل کلاس B نشان داده شده است. این شامل دو دستگاه فعال است که در طول نیمه چرخه مثبت و منفی موج سینوسی یک به یک بایاس می شوند و بنابراین سیگنال از طرف مثبت و منفی به سطح تقویت شده کشیده می شود و در نتیجه ی تمام این ها ، چرخه کاملی را در سرتاسر خروجی بدست می آوریم. هر دستگاه نیمی از چرخه را روشن یا فعال می کند ، و به همین دلیل راندمان بهبود می یابد ، در مقایسه با راندمان 25 تا 30٪ امپلی فایر کلاس A ، بیش از 60٪ بهره وری را از نظر تئوری فراهم می کند. می توانیم نمودار ورودی و خروجی دستگاه را در تصویر زیر مشاهده کنیم. برای امپلی فایر کلاس B راندمان بیش از 78٪ نیست . به شرط آنکه  فضای نزول گرما کم باشد ، اتلاف گرما در این کلاس به حداقل می رسد .

پیشنهاد میکنم آموزش بایاس آمپلی فایر های BJT کلاس A را مشاهده کنید.

اما ، این کلاس نیز محدودیت هایی وجود دارد. محدودیت اساسی این کلاس اعوجاج گذر از صفر (crossover distortion) است. از آنجا که دو دستگاه ، هر نیمی از امواج سینوسی را که با هم ترکیب شده و در خروجی به هم وصل می شوند را فراهم می کند که در ناحیه عدم تطابق (گذر از صفر ) وجود دارد که در آن دو نیمه ترکیب شده است . این امر به این دلیل است که وقتی یک دستگاه نیم چرخه را کامل می کند ، دستگاه دیگر تقریباً همزمان با اتمام کار دیگر ، می تواند همان قدرت را تأمین کند. رفع این خطا در آمپلی فایر کلاس A دشوار است . زیرا در طول فعال بودن یک دستگاه ،  دستگاه دیگر کاملاً غیرفعال است. این خطا باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال خروجی می شود. با توجه به این محدودیت ، برای برنامه تقویت کننده صوتی دقیق ، یک خرابی عمده محسوب می شود.

آمپلی فایر کلاس B

آمپلی فایر کلاس B یکم با کلاس A متفاوت است. این با استفاده از دو دستگاه دستگاه عال که نصف چرخه ی واقعی را هدایت می کنند ساخته شده است، یعنی چرخه ی 180 درجه ای. دو دستگاه، درایو جریان ترکیبی را برای بار فراهم می کنند.

در تصویر بالا ، پیکربندی امپلی فایر ایده آل کلاس B نشان داده شده است. این شامل دو دستگاه فعال است که در طول نیمه چرخه مثبت و منفی موج سینوسی یک به یک بایاس می شوند و بنابراین سیگنال از طرف مثبت و منفی به سطح تقویت شده کشیده می شود و در نتیجه ی تمام این ها ، چرخه کاملی را در سرتاسر خروجی بدست می آوریم. هر دستگاه نیمی از چرخه را روشن یا فعال می کند ، و به همین دلیل راندمان بهبود می یابد ، در مقایسه با راندمان 25 تا 30٪ امپلی فایر کلاس A ، بیش از 60٪ بهره وری را از نظر تئوری فراهم می کند. می توانیم نمودار ورودی و خروجی دستگاه را در تصویر زیر مشاهده کنیم. برای امپلی فایر کلاس B راندمان بیش از 78٪ نیست . به شرط آنکه  فضای نزول گرما کم باشد ، اتلاف گرما در این کلاس به حداقل می رسد .

اما ، این کلاس نیز محدودیت هایی وجود دارد. محدودیت اساسی این کلاس اعوجاج گذر از صفر (crossover distortion) است. از آنجا که دو دستگاه ، هر نیمی از امواج سینوسی را که با هم ترکیب شده و در خروجی به هم وصل می شوند را فراهم می کند که در ناحیه عدم تطابق (گذر از صفر ) وجود دارد که در آن دو نیمه ترکیب شده است . این امر به این دلیل است که وقتی یک دستگاه نیم چرخه را کامل می کند ، دستگاه دیگر تقریباً همزمان با اتمام کار دیگر ، می تواند همان قدرت را تأمین کند. رفع این خطا در آمپلی فایر کلاس A دشوار است . زیرا در طول فعال بودن یک دستگاه ،  دستگاه دیگر کاملاً غیرفعال است. این خطا باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال خروجی می شود. با توجه به این محدودیت ، برای برنامه تقویت کننده صوتی دقیق ، یک خرابی عمده محسوب می شود.

آمپلی فایر کلاس AB

یک روش جایگزین برای غلبه بر اعوجاج گذر از صفر ، استفاده از آمپلی فایر AB است. آمپلی فایر کلاس AB از زاویه رسانش متوسط برای هر دو کلاس A و B استفاده می کند ، بنابراین می توانیم خاصیت هر دو آمپلی فایر کلاس A و کلاس  B را در این کلاس AB از توپولوژی تقویت کننده مشاهده کنیم . مانند کلاس B ، تنظیمات یکسانی با دو دستگاه فعال دارد که در طول نیمی از چرخه ها ، بصورت جداگانه انجام می شود . اما هر دستگاه متفاوت بایاس می شود. بنابراین در یک لحظه غیرقابل استفاده (لحظه گذر از صفر) کاملاً خاموش نمی شوند. هر دستگاه بلافاصله پس از تکمیل نیمی از شکل موج سینوسی هدایت را ترک نمی کند ، درعوض آنها مقدار کمی از ورودی را در یک چرخه نیمه دیگر انجام می دهند. با استفاده از این روش بایاسینگ ، عدم تطابق گذر از صفر در منطقه مرده به طرز چشمگیری کاهش می یابد.

اما در این پیکربندی با به خطر افتادن خطی بودن دستگاه ها ، راندمان کاهش می یابد. این راندمان بیشتر از راندمان آمپلی فایر معمولی کلاس A است اما از سیستم آمپلی فایر کلاس B کمتر است. همچنین ، دیودها باید با دقت و رتبه بندی دقیقی انتخاب شوند و نیاز دارند تا حد ممکن نزدیک دستگاه خروجی قرار گیرند. در برخی از ساخت مدار ، طراحان تمایل دارند که مقاومت کم ارزش را اضافه کنند تا جریان پایدار ساکن را در سراسر دستگاه تأمین کند تا اعوجاج در کل خروجی را به حداقل برساند.

آمپلی فایر کلاس C

به غیر از امپلی فایرهای کلاس  A، B، AB، امپلی فایر کلاس C نیز وجود دارد. این یک امپلی فایر قديمی است که در مقایسه با امپلی فایر های دیگر، به طور متفاوت کار می کند. امپلی فایر کلاس C یک امپلی فایر تنظیم شده است که به دو روشِ متفاوت عملیاتی  تنظیم‌ شده یا تنظیم نشده کار می کند. بازده امپلی فایر کلاس C خیلی بیشتر از امپلی فایرهای کلاس A، B و AB است. حداکثر 80 درصد بازده، می توان از فرکانس رادیویی مربوط به عملیات، به دست آورد.

امپلی فایر کلاس C از زوایه رسانش (برق و گرما)  کمتر از 180 درجه، استفاده می کند. در طی روش تنظیم‌ نشده، بخش تیونر (tuner) از ساختار امپلی فایر حذف می شود. در این عملیات، امپلی فایر کلاس C همچنین موجب اعوجاج بزرگي در سرتاسر خروجی می شود.

زمانی که مدار در معرض یک بار تنظيم شده قرار می گیرد، گیره های مدار سطح بایاس خروجی را با میانگین ولتاژ خروجی برابر با منبع تغذیه می کند. عملیات‌ تنظيم شده به عنوان Clamper نامیده می شود. در طی این عملیات، سیگنال شکل مناسب خود را به دست می آورد و فرکانس مرکزی کمتر تحریف می شود.

در کاربرد های معمولی (مصارف معمولی)، امپلی فایر کلاس C (سی)  70-60 درصد بازده می دهد.

آمپلی فایر کلاس D

امپلی فایر کلاس D  یک امپلی فایر کلید زنی است که از مدولاسیون پهنای پالس یا PWM استفاده می کند. زاویه رسانش در چنین مواردی یک فاکتور نیست چون سیگنال ورودی مستقیم با یک پهنای پالس متغیر، تغییر می‌کند.

در این سیستم امپلی فایر کلاس D، بهره خطی پذیرفته نمی شود، زیرا آنها درست مانند یک سوئیچ معمولی کار می کنند که فقط دو عمل ON یا OFF را دارند.

قبل از پردازش سیگنال ورودی، سیگنال آنالوگ با استفاده از تکنیک های مختلف مدولاسیون، به یک جریان پالس تبدیل می‌شود و سپس به سیستم امپلی فایر اعمال می‌شود. از آنجا که مدت زمان پالس مرتبط با سيگنال آنالوگ است، دوباره با استفاده از فیلتر پایین گذر در سرتاسر خروجی، بازسازی می شود.

تقویت کننده ی کلاس D، پرقدرت ترين امپلی فایر کارآمد در بخش A، B، AB، C وD است. اتلاف حرارت کمتری دارد، بنابراین گرماگیر کوچک تری لازم است. مدار به مؤلفه های سوئیچینگ مختلفی نیاز دارد مانند MOSFETS که مقاومت کمتری دارد.

این یک توپولژی پرکاربرد در پخش کننده های صوتی دیجیتال یا در موتورهای کنترل کننده است. اما باید در نظر داشته باشیم که این یک مبدل دیجیتال نیست. اگرچه، برای فرکانس بالاتر، امپلی فایر کلاس D انتخاب مناسبی نیست زیرا در بعضی موارد بسته به فیلتر پایین گذر و قابلیت های ماژول مبدل، ظرفیتی محدود دارد.

دیگر کلاس های آمپلی فایر

به غیر از آمپلی فایر های سنتی ، تعداد کلاس های بیشتری وجود دارد که عبارتند از کلاس E ، کلاس F ، کلاس G و H.

آمپلی فایر کلاس E، یک آمپلی فایر نیرومند و بسیار کارآمد است که از توپولوژی سوئیچینگ استفاده می کند و در فرکانس های رادیویی کاربرد دارد.  یک عنصر سوئیچینگ، تک قطبی و شبکه واکنشی تنظیم شده ، مؤلفه ی اصلی برای استفاده با آمپلی فایر کلاس E است‌.

کلاس F از نظر هارمونیک آمپلی فایر امپدانس بالا است.  با استفاده از موج مربعی یا موج سینوسی قابل رسانش است. برای ورودی موج سینوسی ، این آمپلی فایر با استفاده از القاگر تنظیم می شود و می تواند برای افزایش بهره مورد استفاده قرار گیرد.

کلاس G از سوئیچینگ ریلی برای کاهش مصرف برق و بهبود کارایی استفاده می کند.  و کلاس H نسخه بهبود یافته کلاس G است.

کلاس های اضافی ، آمپلی فایر ویژه ای هستند. در برخی موارد، حروف ، توسط سازنده برای نشان دادن طراحی اختصاصی آنها ارائه شده اند. بهترین مثال امپلی فایر کلاس T است که یک علامت تجاری برای نوع خاصی از سوئیچینگ آمپلی فایر کلاس D است، برای فن آوری های آمپلی فایر Tripath ، که یک طرح ثبت شده است ، استفاده می شود.