Wzmacniacz klasy D stał się już legendą, która obrosła zarówno w fakty, jak i w mity. Fani modeli z klasy A oraz AB już dawno temu porzucili to rozwiązanie. Czy słusznie? W naszym artykule postaramy się rozwiać wszelkie wątpliwości.
Wzmacniacz klasy D – czym dokładnie jest?
Klasa D może być kojarzona ze słowem Digital, jednak jest to mylne skojarzenie. Wzmacniacze klasy D bynajmniej nie są cyfrowe. W typowej konstrukcji nie znajdziemy sygnałów cyfrowych w postaci zero-jedynkowej. Urządzenia tej klasy to wzmacniacze impulsowe (ang. switching power amplifiers). Pojawia się również określenie PWM amplifier. Skrót PWM oznacza z ang. Pulse Width Modulation, czyli modulacja szerokości impulsu.
Jak właściwie działa wzmacniacz klasy D? W dużym uproszczeniu można porównać go do hulajnogi. Odpychając się, wykonujesz pracę, tym samym wprawiając hulajnogę w ruch. Później przechodzisz w stan spoczynku, jednak hulajnoga dzięki sile rozpędu jedzie dalej. Zwalnia do chwili, w której dochodzi do następnego odepchnięcia (impulsu). Aby prędkość jazdy cały czas była taka sama, konieczne byłoby odpychanie się z odmierzoną siłą i określoną częstotliwością. W podobny sposób działa wzmacniacz klasy D. Zamiast o prędkości, w tym przypadku mówimy o mocy dostarczanej do głośników.
Sposób działania wzmacniacza w klasie D
Inżynierowie dążyli do stworzenia „zimnego” wzmacniacza, dlatego powstała koncepcja wzmacniaczy przełączanych (kluczujących). Klasa D stanowi jedno z rozwiązań. Tranzystory włącza i wyłącza się cyklicznie. Do strat cieplnych dochodzi wtedy, gdy tranzystory pracują w stanie częściowego nasycenia. Można tego uniknąć, kiedy działają one zerojedynkowo – są maksymalnie nasycone lub puste. Jeśli tranzystory są w pełni nasycone, moc prądu stałego jest oddawana do obciążenia. Natomiast jeśli są wyłączone, w ogóle nie dochodzi do oddawania mocy.
Zarówno w jednym, jak i w drugim przypadku utrata mocy w tranzystorach jest mało znacząca. Częstotliwość przełączania zawsze musi być większa niż częstotliwości, które występują w sygnale audio.
Wykorzystywane jest tutaj pewne zjawisko fizyczne. Głośniki dynamiczne cechują się bezwładnością jak hulajnoga. Pole magnetyczne w cewce głośnika nie znika od razu po tym, jak tranzystory przechodzą w stan wyłączenia. Wówczas głośnik sam uzupełnia brakujące części sygnału, gdy tranzystory są wyłączone. Dlatego też część środowiska audiofilów, zarzuca, że sygnał klasy D jest ciągle przekazywany, a zatem inaczej niż we wzmacniaczach klasy A i AB.
Konstrukcja wzmacniaczy tego typu jest złożona, a komponenty urządzenia muszą sprostać wielu wymaganiom. Ze względu na wysoką częstotliwość przełączeń, może dochodzić do zakłóceń. Pojawiało się wówczas wiele problemów, które do niedawna były trudne do rozwiązania.
Co wpływało na popularność wzmacniaczy klasy D?
Wzmacniacz klasy D ugruntował już swoją pozycję na rynku, jednak początkowo nie cieszył się dobrymi opiniami. Założenia były bardzo obiecujące, jednak technologia półprzewodników nie znajdowała się jeszcze na odpowiednim poziomie. Pierwsze próby stworzenia wzmacniacza tego typu miały miejsce około 50 lat temu. Ówczesne tranzystory były bardzo wolne, dysponowały zbyt małą częstotliwością graniczną.
Około 20 lat później doszło do powstania tranzystorów MOSFET. Charakteryzowały się dość niską ceną, niezawodnością oraz odpowiednimi parametrami. Pierwsze wzmacniacze klasy D trafiły na rynek komercyjny pod koniec lat 90. ubiegłego wieku. Warto jednak podkreślić, że technologia ta nie była jeszcze dostatecznie rozwinięta, a same wzmacniacze w klasie D były dużo droższe niż ich odpowiedniki. Ich brzmienie nie zapewniało również najwyższej jakości.
Do przełomu doszło w 2009 roku, kiedy firma NAD zaprezentowała wzmacniacz Master M2. Stał się on wynikiem współpracy z firmą Zetex – brytyjskim producentem półprzewodników.
Na czym polegała innowacyjność tego rozwiązania? We wzmacniaczu zastosowano cyfrową pętlę sprzężenia zwrotnego. W ten sposób znaczącej poprawie uległy parametry mierzalne. Później w życie wprowadzono pojęcie DDFA (Direct Digital Feedback) w kolejnej wersji wzmacniacza.
Jednak rozwiązanie, w którym użytkownicy do dyspozycji mieli tylko wejścia cyfrowe, wciąż było trudne do przyjęcia. Kiedy intensywne prace podjęły firmy Philips i Hypex udało się stworzyć i wdrożyć skuteczną technologię produkowania wzmacniaczy klasy D oraz przeznaczonych do nich zasilaczy impulsowych. Ich cena również spadła. Oznacza to, że przyszłość tego rozwiązania ma ogromny potencjał.
W jaki sposób aktualnie postrzegane są wzmacniacze klasy D?
Urządzenia te obecne są na rynku sprzętów premium i często pojawiają się w wielu kinach domowych, wciąż nie cieszą się sympatią audiofilów.
Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest fakt, że audiofile, to często osoby o konserwatywnych poglądach i są nieco sceptyczni w stosunku do innowacji. Technologia jest dość nowa, dlatego nie została jeszcze dobrze przetestowana w sprzęcie hi-fi.
Część audiofilów preferuje pewien rodzaj zniekształceń, który pojawia się w układach lampowych. Nie przyjmują brzemienia wzmacniaczy tranzystorowych. W ten sposób chcą uniknąć zniekształceń inne typu, które powstają w innych urządzeniach. Istnieje też grono osób, które ze względu na swoje uprzedzenia po prostu nie chcą wypróbować dobrych wzmacniaczy z klasy D.
Warto również wspomnieć, że coraz większa liczba producentów zdecydowała się na stworzenie wzmacniaczy klasy D. Oznacza to, że wkrótce te urządzenia będą mogły cieszyć się ogromnym powodzeniem.
Wzmacniacz klasy A, AB czy D?
Według niektórych opinii wzmacniacze pracujące w klasie D są gorsze niż rozwiązania klasyczne.
To oczywiście nieprawda. Wiele sprawdzonych i skutecznych wzmacniaczy w klasie D oraz A/B korzysta z zasilania impulsowego. Efekt jest naprawdę zadowalający. Gdyby jednak został on wymieniony na liniowy, pogorszyłoby to rezultat brzmieniowy.
Zarówno klasa D, jak i zasilacze impulsowego to bardzo trudno technologia, więc złych przykładów można znaleźć całkiem sporo. A jeśli taki się już pojawi, łatwo jest o uogólnienie, że zbudowanie dobrego wzmacniacza w tej klasie jest niemożliwe. Na rynku dostępnych jest też wiele kiepskich liniowych zasilaczy, jednak nie oznacza to, że technologia jest zła.
Inne opinie mówią, że klasa D to jedyna słuszna droga dla wzmacniaczy audio.
Wiele przesłanek wskazuje na to, że stanie się tak w krótkim czasie. Jeśli dostępny jest wzmacniacz w klasie D, który dorównuje konstrukcjom z klas AB oraz A, to wykorzystywanie starej technologii jest bez sensu. Nie oznacza to, że klasa D jest wyższa. Po prostu przyszłość jej rozwoju wygląda bardzo dobrze.
Niektórzy twierdzą, że wzmacniacze w klasie D nie są kompatybilne ze wszystkimi zestawami głośnikowymi.
Nie jest to do końca prawda, ponieważ na wejściu każdego wzmacniacza z klasy D pracuje pasywny filtr (LC), na który silny wpływ ma impedancja głośników. Niestety nie ma możliwości optymalizacji filtra osobno dla każdego zespołu głośnikowego. Jednakże ostatnio producenci poświęcają więcej uwagi konstrukcji pętli sprzężenia zwrotnego, która odpowiada za niwelowanie zniekształceń.
Jaka klasa wzmacniacza najlepsza?
Nie jest prawdą to, że wzmacniacze pracujące w klasie D mają szereg specyficznych cech i związanych z nimi problemów konstrukcyjnych. Znaczenie miało to tylko we wstępnej fazie rozwoju. Były to m.in. pasożytnicze zjawiska występujące w trakcie przełączania, interferencje elektromagnetyczne, czy wpływ filtrów wyjściowych na pracę wzmacniacza. Obecnie pojawiły się różne rozwiązania, które radzą sobie z tego typu problemami.
Wzmacniacze klasy D nie są ani droższe, ani gorsze od klasycznych konstrukcji. Początkowo technologia ta była bardzo skomplikowana. Uzyskanie dobrych efektów audio jest ogromnym wyzwaniem, wymagającym zdolności matematycznych, połączonych z dobrym projektowaniem obwodów analogowych i płytek drukowanych. Obecnie jakość najlepszych wzmacniaczy klasy D jest porównywalna ze wzmacniaczami w klasie A z najwyższej półki, a ich koszt jest bardzo przystępny.