Мощный линейный усилитель в машине всегда упирается в тепло. Большую часть времени музыка играет на малой доле мощности, а выходные транзисторы всё равно сидят на полном напряжении питания и греют радиатор. Классы G и H придумали как раз против этого: давать транзисторам ровно столько вольт, сколько нужно прямо сейчас.
Откуда вообще берутся потери?
В линейном каскаде транзистор работает как регулируемый резистор между шиной питания и динамиком. Всё напряжение, которое не дошло до динамика, падает на транзисторе, умножается на ток и уходит в тепло. Если шина ±40 В, а сигнал в эту секунду 5 В, то 35 В разницы просто греют радиатор.
У классического AB КПД на полной мощности близок к теоретическим 78,5% для класса B. Но на музыке с её пик-фактором средний уровень в разы ниже пиков, и реальный КПД проваливается.
Как класс G переключает шины питания?
- У усилителя две пары шин, например ±20 В и ±40 В.
- Пока сигнал тихий и укладывается в низкую шину с запасом, выходной каскад питается от ±20 В. Падение на транзисторах маленькое.
- Когда приходит пик, схема за доли микросекунды подключает ±40 В, и каскад отрабатывает пик без клиппинга.
- Пик прошёл, питание возвращается на низкую шину.
Класс H идёт дальше: вместо ступенек шина плавно движется вслед за огибающей сигнала, оставляя сверху небольшой запас в несколько вольт. Обычно для этого нужен отдельный быстрый импульсный источник, который управляется от самого сигнала.
Сколько это даёт? Считаем
Возьмём модель: нагрузка 4 Ом, максимальная шина ±40 В, у G вторая шина ±20 В, у H запас над сигналом 3 В. Сигнал синус. Посчитал численно в Python КПД и тепло на выходном каскаде:
| Мощность в нагрузке | AB (±40 В) | G (±20/±40 В) | H (слежение +3 В) |
|---|---|---|---|
| 8 Вт | 16%, 43 Вт тепла | 31%, 18 Вт | 68%, 4 Вт |
| 22 Вт | 26%, 62 Вт | 52%, 20 Вт | 78%, 6 Вт |
| 50 Вт | 39%, 77 Вт | 55%, 41 Вт | 84%, 10 Вт |
| 162 Вт | 71%, 67 Вт | 76%, 52 Вт | 90%, 17 Вт |
Это идеализированная модель: потери в самом блоке питания и в схеме переключения в неё не входят. Но тенденция понятная. Самый большой выигрыш как раз на малых и средних мощностях, где и живёт музыка.
А что со звуком?
Выходной каскад остаётся линейным, поэтому характер звука ближе к AB, чем к классу D. Но появляется новый источник проблем: момент переключения шин. Если схема сделана плохо, в момент коммутации на выходе проскакивают короткие выбросы, которые проявляются как высокочастотные искажения и растут с частотой. У класса H важна скорость слежения: если питание не успевает за резким фронтом, транзистору не хватает запаса, и сигнал на мгновение клиппирует.
Хорошие схемы G и H по THD и IMD близки к AB. Судить по букве класса не стоит, только по измерениям конкретной модели.
Для машины важен и нагрев: 43 Вт тепла против 4 Вт на средней громкости: это разница между горячим и тёплым корпусом, а значит и между работой и защитой летом. Мощность считают по RMS усилителя, но греет его именно разница, а не выход.
Где это встречается в машине?
В автомобиле любой усилитель мощнее нескольких ватт и так содержит импульсный преобразователь: из 12–14 В надо получить ±30–50 В. Поэтому сделать несколько шин или регулируемое питание тут дешевле, чем дома. Некоторые производители автоусилителей делают линейные модели с такими схемами, чтобы получить звук AB с меньшим нагревом. Как именно устроена конкретная модель, смотри в документации: маркетинговые названия классов у разных фирм различаются.
- Смотри на КПД и нагрев в паспорте и на реальный ток потребления на средней громкости, а не только на букву класса.
- Проверяй THD на высоких частотах (10 кГц и выше), там проблемы переключения видны лучше всего.
- Сравнивай с КПД усилителя класса D той же мощности: иногда проще взять хороший D.
Когда речь заходит про G и H, в чате почти всегда спрашивают одно и то же: что выбрать, насколько меньше греется и что с током.
Однозначного ответа нет, выбирать стоит по измерениям конкретной модели. Усилитель класса D греется меньше всех и проще по питанию. Классы G и H сохраняют линейный выходной каскад, как у AB, и при хорошей схеме по THD и IMD близки к нему, но добавляют риски в момент переключения шин. Если G или H модель не показывает преимуществ на замерах, хороший D часто оказывается проще.
По расчёту в статье класс H на малой мощности греется примерно в 10 раз меньше AB. В модели с шиной ±40 В и нагрузкой 4 Ом на 8 Вт выходной мощности AB рассеивает около 43 Вт тепла, класс G около 18 Вт, класс H около 4 Вт. Модель идеализированная, без потерь в блоке питания, но порядок разницы для средней громкости в машине именно такой.
При той же выходной мощности усилитель класса G или H берёт от бортсети меньше тока, потому что меньше энергии уходит в тепло. Прикидка по той же модели: на 8 Вт в нагрузке AB потребляет от шин около 51 Вт, класс H около 12 Вт. Потери преобразователя питания добавятся к обоим, но разница на средней громкости остаётся многократной, и генератору с аккумулятором становится легче.
Шина питания это внутреннее напряжение, от которого работает выходной каскад усилителя, например ±40 В. В машине его получают импульсным преобразователем из бортовых 12–14 В. Чем выше шина, тем большую мощность усилитель может отдать на заданное сопротивление, но в линейном классе AB лишнее напряжение на тихих местах уходит в тепло. Классы G и H как раз и опускают шину, когда она не нужна.
G и H - это ответ на вопрос «как оставить линейный звук и не сжечь бортсеть». Решать, нужен ли тебе такой компромисс, лучше на этапе «Подбор компонентов», вместе с расчётом питания всей системы.
Встречал автоусилители G или H в деле? Поделись впечатлениями и замерами в EBAEVSQ, таких данных у сообщества мало.
Источники
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
- P. Horowitz, W. Hill, «The Art of Electronics», 3rd ed., Cambridge University Press, 2015
- IEC 60268-3, «Sound system equipment. Part 3: Amplifiers»
См. также: A-класс, B-класс, D-класс, Пик-фактор.