|
Deze pagina is de vertaling van de Engelstalige wiki. Afbeeldingen en citaties zijn niet meegenomen. In de elektronica worden vermogensversterkerklassen aangeduid met letters die worden toegekend aan verschillende soorten vermogensversterkers. De klasse geeft een algemene indicatie van de efficiëntie, lineariteit en andere kenmerken van een versterker. In grote lijnen geldt dat naarmate je hoger in het alfabet komt, de versterkers efficiënter worden maar minder lineair, en dat de verminderde lineariteit op andere manieren wordt gecompenseerd. De eerste klassen, A, AB, B en C, hebben betrekking op de tijdsperiode waarin het actieve versterkerapparaat stroom doorlaat, uitgedrukt als een fractie van de periode van een signaalgolfvorm die op de ingang wordt toegepast. Deze maatstaf staat bekend als de geleidingshoek ( ? {\displaystyle \theta }). Een klasse-A-versterker geleidt gedurende de gehele periode van het signaal ( ? = 360 {\displaystyle \theta =360}°); klasse B slechts gedurende de helft van de ingangsperiode ( ? = 180 {\displaystyle \theta =180}°), klasse C gedurende veel minder dan de helft van de ingangsperiode ( ? < 180 {\displaystyle \theta <180}°). Klasse-D- en E-versterkers laten hun uitgangsapparaat op een schakelende manier werken; het deel van de tijd dat het apparaat geleidt, kan worden aangepast, zodat een pulsbreedtemodulatie-uitgang (of andere op frequentie gebaseerde modulatie) uit de trap kan worden verkregen. Er zijn extra letterklassen gedefinieerd voor versterkers voor speciale doeleinden, met extra actieve elementen, verbeteringen in de stroomvoorziening of afstemming van de uitgang; soms wordt ook een nieuw lettersymbool gebruikt door een fabrikant om zijn eigen ontwerp te promoten. In december 2010 domineerden de klassen AB en D bijna de gehele markt voor audioversterkers, waarbij de eerste klasse de voorkeur genoot in draagbare muziekspelers, thuisaudio en mobiele telefoons vanwege de lagere kosten van klasse-AB-chips. Klasse A In een klasse A-versterker wordt 100% van het ingangssignaal gebruikt (geleidingshoek ? = 360 {\displaystyle \theta =360}°). Het actieve element blijft continu geleiden. De transistors in de uitgangstrap zijn gepolariseerd voor klasse A-werking, wat leidt tot een continue drainstroom. Dit betekent dat klasse A-versterkers een laag rendement hebben en dat er warmte wordt gegenereerd in de transistor, waardoor meestal thermisch beheer nodig is. Subklassen A1 en A2 worden soms gebruikt om te verwijzen naar vacuümbuis klasse A-versterkers die het rooster respectievelijk licht negatief of positief aansturen op signaalpieken voor iets meer vermogen dan normale klasse A. Dit leidt echter tot een hogere signaalvervorming. Voordelen van klasse A-versterkers
Nadelen van klasse A-versterkers
Single-ended en triode klasse A-versterkers Sommige hobbyisten die de voorkeur geven aan klasse A-versterkers, geven ook de voorkeur aan het gebruik van thermionische buizen in plaats van transistors, om verschillende redenen:
Transistors zijn veel goedkoper dan buizen, dus meer uitgebreide ontwerpen die meer onderdelen gebruiken, zijn nog steeds goedkoper te produceren dan buisontwerpen. Een klassieke toepassing voor een paar klasse A-apparaten is het long-tailed pair, dat uitzonderlijk lineair is en de basis vormt van veel complexere circuits, waaronder veel audioversterkers en bijna alle op-amps. Klasse A-versterkers kunnen worden gebruikt in uitgangstrappen van op-amps (hoewel de nauwkeurigheid van de bias in goedkope op-amps zoals de “741” kan resulteren in klasse A-, klasse AB- of klasse B-prestaties, die variëren van apparaat tot apparaat of met de temperatuur). Ze worden soms gebruikt als audioversterkers met gemiddeld vermogen, laag rendement en hoge kosten. Het stroomverbruik staat los van het uitgangsvermogen. In ruststand (geen invoer) is het stroomverbruik in wezen hetzelfde als bij een hoog uitgangsvolume. Het resultaat is een laag rendement en een hoge warmteafvoer. Klasse B Ideale klasse-B (push-pull) versterker. In de praktijk treedt vervorming op in de buurt van het crossover-punt. In een klasse B-versterker geleidt het actieve apparaat gedurende 180 graden van de cyclus (geleidingshoek ? = 180°). Omdat slechts de helft van de golfvorm wordt versterkt, is er direct aanzienlijke harmonische vervorming aanwezig in het uitgangssignaal. Daarom worden klasse B-versterkers over het algemeen gebruikt met afgestemde belasting, waarbij harmonischen worden kortgesloten naar de aarde door een reeks resonatoren. Een andere methode om vervorming te verminderen, vooral bij audiofrequenties, is het gebruik van twee transistorapparaten in een push-pull-configuratie. Elk apparaat geleidt gedurende de helft (180°) van de signaalcyclus en de apparaatstromen worden gecombineerd zodat de belastingsstroom continu is. Bij radiofrequentie kan, als de koppeling met de belasting via een afgestemd circuit verloopt, een enkel apparaat in klasse B worden gebruikt, omdat de opgeslagen energie in het afgestemde circuit de “ontbrekende” helft van de golfvorm levert. Apparaten die in klasse B werken, worden gebruikt in lineaire versterkers, zo genoemd omdat het radiofrequentie-uitgangsvermogen evenredig is aan het kwadraat van de ingangsspanning. Dit is gemakkelijker te begrijpen als we zeggen: “de uitgangsspanning is evenredig aan de ingangsspanning, dus het uitgangsvermogen is evenredig aan het ingangsvermogen.” Deze eigenschap voorkomt vervorming van amplitude- of frequentiegemoduleerde signalen die door de versterker gaan. Dergelijke versterkers hebben een rendement van ongeveer 60%. Wanneer klasse B-versterkers het signaal versterken met twee actieve apparaten, werkt elk apparaat gedurende de helft van de cyclus. Het rendement is veel beter dan bij klasse A-versterkers. Klasse B-versterkers worden ook vaak gebruikt in apparaten die op batterijen werken, zoals transistorradio's. Klasse B heeft een maximaal theoretisch rendement van p/4 (˜ 78,5\%). Een praktisch circuit met klasse-B-elementen is de push-pull-trap, zoals de zeer vereenvoudigde complementaire paaropstelling rechts. Complementaire apparaten worden elk gebruikt voor het versterken van de tegenovergestelde helften van het ingangssignaal, dat vervolgens bij de uitgang weer wordt samengevoegd. Deze opstelling biedt een goede efficiëntie, maar heeft meestal als nadeel dat er een kleine mismatch is in het crossover-gebied – op de “verbindingen” tussen de twee helften van het signaal, omdat het ene uitgangsapparaat de stroomtoevoer moet overnemen op het moment dat het andere klaar is. Dit wordt crossover-vervorming genoemd. Een verbetering is om de apparaten zo te biassen dat ze niet volledig uitgeschakeld zijn wanneer ze niet in gebruik zijn. Deze aanpak wordt klasse AB-werking genoemd. Klasse AB In een klasse AB-versterker ligt de geleidingshoek tussen klasse A en B in (geleidingshoek ? > 180°); elk van de twee actieve elementen geleidt meer dan de helft van de tijd. Klasse AB wordt algemeen beschouwd als een goed compromis voor versterkers, aangezien veel soorten ingangssignalen nominaal stil genoeg zijn om in het “klasse A”-gebied te blijven, waar ze met een goede getrouwheid worden versterkt, en per definitie, als ze dit gebied verlaten, groot genoeg zijn dat de vervormingsproducten die typisch zijn voor klasse B relatief klein zullen zijn. De crossover-vervorming kan verder worden verminderd door negatieve feedback te gebruiken. In klasse-AB-werking werkt elk apparaat op dezelfde manier als in klasse-B over de helft van de golfvorm, maar geleidt het ook een kleine hoeveelheid op de andere helft. Als gevolg hiervan wordt het gebied waar beide apparaten tegelijkertijd bijna uitgeschakeld zijn (de “dode zone”) verkleind. Het resultaat is dat wanneer de golfvormen van de twee apparaten worden gecombineerd, de crossover sterk wordt geminimaliseerd of helemaal wordt geëlimineerd. De exacte keuze van de ruststroom (de permanente stroom door beide apparaten wanneer er geen signaal is) maakt een groot verschil voor het vervormingsniveau (en voor het risico van thermische runaway, wat de apparaten kan beschadigen). Vaak moet de bias-spanning die wordt toegepast om deze ruststroom in te stellen, worden aangepast aan de temperatuur van de uitgangstransistoren. (In het circuit rechts zouden de diodes bijvoorbeeld fysiek dicht bij de uitgangstransistoren worden gemonteerd en gespecificeerd zijn met een bijpassende temperatuurcoëfficiënt.) Een andere benadering (vaak gebruikt bij thermisch volgend bias-spanningen) is om weerstanden met een kleine waarde in serie met de emitters op te nemen. Klasse AB levert wat efficiëntie in ten opzichte van klasse B ten gunste van lineariteit, en is dus minder efficiënt (doorgaans minder dan 78,5% voor sinusgolven met volledige amplitude in transistorversterkers; veel minder is gebruikelijk in klasse AB-vacuümbuisversterkers). Het is doorgaans veel efficiënter dan klasse A. Achtervoegsels voor vacuümbuisversterkers Klasse C In een klasse-C-versterker wordt minder dan 50% van het ingangssignaal gebruikt (geleidingshoek ? < 180°). De vervorming is hoog en voor praktisch gebruik is een afgestemde circuit als belasting nodig. Het rendement kan 80% bereiken in radiofrequentietoepassingen.] Klasse C-versterkers worden meestal toegepast in RF-zenders die op een enkele vaste draaggolffrequentie werken, waarbij de vervorming wordt geregeld door een afgestemde belasting op de versterker. Het ingangssignaal wordt gebruikt om het actieve apparaat te schakelen, waardoor stroompulsen door een afgestemde circuit stromen die deel uitmaakt van de belasting. De klasse-C-versterker heeft twee werkingsmodi: afgestemd en niet-afgestemd. Het diagram toont een golfvorm van een eenvoudig klasse-C-circuit zonder de afgestemde belasting. Dit wordt niet-afgestemde werking genoemd, en de analyse van de golfvormen toont de enorme vervorming die in het signaal optreedt. Wanneer de juiste belasting (bijvoorbeeld een inductief-capacitief filter plus een belastingsweerstand) wordt gebruikt, gebeuren er twee dingen. Ten eerste wordt het biasniveau van de uitgang geklemd met een gemiddelde uitgangsspanning die gelijk is aan de voedingsspanning. Daarom wordt afgestemde werking soms een clamper genoemd. Hierdoor krijgt de golfvorm weer de juiste vorm, ondanks dat de versterker slechts een voeding met één polariteit heeft. Dit houdt rechtstreeks verband met het tweede fenomeen: de golfvorm op de middenfrequentie wordt minder vervormd. De resterende vervorming is afhankelijk van de bandbreedte van de afgestemde belasting, waarbij de middenfrequentie zeer weinig vervorming vertoont, maar de demping groter wordt naarmate het signaal verder van de afgestemde frequentie komt. De afgestemde schakeling resoneert op één frequentie, de vaste draaggolffrequentie, waardoor de ongewenste frequenties worden onderdrukt en het gewenste volledige signaal (sinusgolf) wordt geëxtraheerd door de afgestemde belasting. De signaalbandbreedte van de versterker wordt beperkt door de Q-factor van de afgestemde schakeling, maar dit is geen ernstige beperking. Eventuele resterende harmonischen kunnen worden verwijderd met behulp van een extra filter. In praktische klasse C-versterkers wordt altijd een afgestemde belasting gebruikt. In een veelvoorkomende opstelling wordt de weerstand in het bovenstaande circuit vervangen door een parallel afgestemd circuit dat bestaat uit een spoel en een condensator in parallel, waarvan de componenten zo zijn gekozen dat ze resoneren op de frequentie van het ingangssignaal. Vermogen kan aan een belasting worden gekoppeld door middel van een transformator met een secundaire spoel die op de spoel is gewikkeld. De gemiddelde spanning aan de collector is dan gelijk aan de voedingsspanning, en de signaalspanning die over het afgestemde circuit verschijnt, varieert van bijna nul tot bijna tweemaal de voedingsspanning tijdens de RF-cyclus. Het ingangscircuit is zo voorgespannen dat het actieve element (bijvoorbeeld een transistor) slechts gedurende een fractie van de RF-cyclus geleidt, meestal een derde (120 graden) of minder. Het actieve element geleidt alleen terwijl de collectorspanning zijn minimum passeert. Op deze manier wordt het vermogensverlies in het actieve apparaat geminimaliseerd en wordt het rendement verhoogd. Idealiter zou het actieve element alleen een momentane stroompuls doorlaten terwijl de spanning erover nul is: dan wordt er geen vermogen verbruikt en wordt een rendement van 100% bereikt. Praktische apparaten hebben echter een limiet aan de piekstroom die ze kunnen doorlaten, en de puls moet daarom worden verbreed tot ongeveer 120 graden om een redelijke hoeveelheid vermogen te verkrijgen, waarbij het rendement dan 60-70% bedraagt. Klasse D Klasse-D-versterkers gebruiken een vorm van pulsbreedtemodulatie om de uitvoerapparaten te regelen. De geleidingshoek van elk apparaat is niet langer direct gerelateerd aan het ingangssignaal, maar varieert in plaats daarvan in pulsbreedte. In de klasse-D-versterker functioneren de actieve apparaten (transistors) als elektronische schakelaars in plaats van lineaire versterkingsapparaten; ze staan ofwel aan ofwel uit. Het analoge signaal wordt omgezet in een stroom pulsen die het signaal vertegenwoordigt door middel van pulsbreedtemodulatie, pulsdichtheidsmodulatie, delta-sigma-modulatie of een verwante modulatietechniek, voordat het op de versterker wordt toegepast. De tijdgemiddelde vermogenswaarde van de pulsen is recht evenredig met het analoge signaal, zodat het signaal na versterking weer kan worden omgezet in een analoog signaal door middel van een passief laagdoorlaatfilter. Het doel van het uitgangsfilter is om de pulsstroom te egaliseren tot een analoog signaal, waarbij de hoogfrequente spectrale componenten van de pulsen worden verwijderd. De frequentie van de uitgangspulsen is doorgaans tien of meer keer de hoogste frequentie in het te versterken ingangssignaal, zodat het filter de ongewenste harmonischen voldoende kan verminderen en de ingang nauwkeurig kan reproduceren. Het belangrijkste voordeel van een klasse-D-versterker is de energie-efficiëntie. Met MOSFET's is een efficiëntie van meer dan 90% haalbaar en >80% is vrij gebruikelijk. Omdat de uitgangspulsen een vaste amplitude hebben, worden de schakelelementen (meestal MOSFET's, maar er zijn ook vacuümbuizen en bipolaire transistors gebruikt) volledig in- of uitgeschakeld, in plaats van in lineaire modus te werken. Een MOSFET werkt over het algemeen met de laagste weerstand in de ingeschakelde toestand wanneer deze volledig is ingeschakeld en heeft dus (behalve wanneer deze volledig is uitgeschakeld) het laagste vermogensverlies in die toestand. In vergelijking met een gelijkwaardig klasse-AB-apparaat maken de lagere verliezen van een klasse-D-versterker het mogelijk om kleinere koellichamen voor de MOSFET's te gebruiken en tegelijkertijd het benodigde ingangsvermogen te verminderen, waardoor een voedingsontwerp met een lagere capaciteit mogelijk is. Daarom zijn klasse-D-versterkers doorgaans kleiner dan een gelijkwaardige klasse-AB-versterker. Een ander voordeel van de klasse-D-versterker is dat deze kan werken vanaf een digitale signaalbron zonder dat een digitaal-naar-analoog-omzetter (DAC) nodig is om het signaal eerst naar analoge vorm om te zetten. Als de signaalbron digitaal is, zoals in een digitale mediaspeler of geluidskaart van een computer, kan de digitale schakeling het binaire digitale signaal rechtstreeks omzetten in een pulsbreedtemodulatiesignaal dat op de versterker wordt toegepast, waardoor de schakeling aanzienlijk wordt vereenvoudigd en de kans op ruisverstoring wordt verminderd. Een klasse-D-versterker met een gemiddeld uitgangsvermogen kan worden gebouwd met behulp van een regulier CMOS-logisch proces, waardoor deze geschikt is voor integratie met andere soorten digitale schakelingen. Daarom wordt deze versterker vaak aangetroffen in System-on-Chips met geïntegreerde audio, wanneer de versterker een chip deelt met de hoofdprocessor of DSP. Hoewel klasse-D-versterkers veel worden gebruikt om motoren aan te sturen, worden ze ook gebruikt als eindversterkers. Als het signaal echter nog niet in een pulsgemoduleerd formaat is voordat het wordt versterkt, moet het eerst worden omgezet, wat extra schakelingen kan vereisen. Schakelende voedingen zijn zelfs aangepast tot eenvoudige klasse-D-versterkers (hoewel deze doorgaans alleen lage frequenties met een acceptabele nauwkeurigheid weergeven). Hoogwaardige klasse D-audioversterkers zijn gemakkelijk verkrijgbaar op de markt. In 2009 werd een dynamisch bereik van 118 dB waargenomen in een high-end consumentenproduct. De meeste blijven op dit moment [2022] echter dichter bij een dynamisch bereik van 100 dB vanwege praktische kostenoverwegingen. Er wordt gezegd dat deze ontwerpen qua kwaliteit kunnen wedijveren met traditionele klasse A- en AB-versterkers. Een vroeg gebruik van klasse-D-versterkers was in krachtige subwooferversterkers in auto's. Omdat subwoofers over het algemeen beperkt zijn tot een bandbreedte van niet meer dan 150 Hz, hoeft de schakelsnelheid voor de versterker niet zo hoog te zijn als voor een full-range versterker, waardoor eenvoudigere ontwerpen mogelijk zijn. Klasse-D-versterkers voor het aansturen van subwoofers zijn relatief goedkoop in vergelijking met klasse-AB-versterkers. De letter D die wordt gebruikt om deze versterkerklasse aan te duiden, is gewoon de volgende letter na C en staat niet voor digitaal, hoewel deze soms wel zo wordt gebruikt. Klasse-D- en klasse-E-versterkers worden soms ten onrechte als “digitaal” omschreven omdat de uitgangsgolfvorm oppervlakkig gezien lijkt op een pulstrein van digitale symbolen, maar een klasse-D-versterker zet een ingangsgolfvorm slechts om in een continu pulsbreedtegemoduleerd analoog signaal. (Een digitale golfvorm zou puls-code gemoduleerd zijn.) Extra klassen Andere versterkerklassen zijn voornamelijk variaties op de vorige klassen. Klasse-G- en klasse-H-versterkers worden bijvoorbeeld gekenmerkt door variatie van de voedingsrails (respectievelijk in discrete stappen of op continue wijze) die het ingangssignaal volgen. Verspilde warmte op de uitgangsapparaten kan worden verminderd doordat overtollige spanning tot een minimum wordt beperkt. De versterker die met deze rails wordt gevoed, kan zelf van elke klasse zijn. Dit soort versterkers is complexer en wordt voornamelijk gebruikt voor gespecialiseerde toepassingen, zoals zeer krachtige apparaten. Ook worden klasse-E- en klasse-F-versterkers vaak beschreven in de literatuur voor radiofrequentietoepassingen waar de efficiëntie van de traditionele klassen belangrijk is, maar verschillende aspecten aanzienlijk afwijken van hun ideale waarden. Deze klassen maken gebruik van harmonische afstemming van hun uitgangsnetwerken om een hogere efficiëntie te bereiken en kunnen worden beschouwd als een subset van klasse C vanwege hun geleidingshoekkenmerken.Klasse E ` De klasse-E-versterker is een zeer efficiënte afgestemde schakelende vermogensversterker die wordt gebruikt bij radiofrequenties. Hij maakt gebruik van een enkelpolig schakelelement en een afgestemd reactief netwerk tussen de schakelaar en de belasting. Het circuit bereikt een hoog rendement door het schakelelement alleen te laten werken op punten met nulstroom (inschakelen naar uitschakelen) of nulspanning (uitschakelen naar inschakelen), waardoor het vermogensverlies in de schakelaar tot een minimum wordt beperkt, zelfs wanneer de schakeltijd van de apparaten lang is in vergelijking met de werkfrequentie. De klasse-E-versterker wordt vaak genoemd als zijnde voor het eerst gerapporteerd in 1975. Een volledige beschrijving van de werking van klasse-E is echter te vinden in het proefschrift van Gerald D. Ewing uit 1964. Interessant is dat analytische ontwerpvergelijkingen pas recentelijk bekend zijn geworden. Klasse F In push-pull-versterkers en in CMOS heffen de even harmonischen van beide transistors elkaar gewoon op. Uit experimenten blijkt dat deze versterkers een blokgolf kunnen genereren. In theorie bestaan blokgolven alleen uit oneven harmonischen. In een klasse-D-versterker blokkeert het uitgangsfilter alle harmonischen; dat wil zeggen dat de harmonischen een open belasting zien. Zelfs kleine stromen in de harmonischen zijn dus voldoende om een blokgolfspanning te genereren. De stroom is in fase met de spanning die op het filter wordt gezet, maar de spanning over de transistors is uit fase. Daarom is er een minimale overlapping tussen de stroom door de transistors en de spanning over de transistors. Hoe scherper de randen, hoe kleiner de overlapping. Terwijl in klasse D transistors en de belasting als twee afzonderlijke modules bestaan, accepteert klasse F onvolkomenheden zoals de parasitaire effecten van de transistor en probeert het het totale systeem te optimaliseren om een hoge impedantie bij de harmonischen te verkrijgen. Er moet natuurlijk een eindige spanning over de transistor staan om de stroom door de weerstand in de ingeschakelde toestand te duwen. Omdat de gecombineerde stroom door beide transistors grotendeels in de eerste harmonische zit, lijkt deze op een sinus. Dat betekent dat in het midden van het vierkant de maximale stroom moet vloeien, dus kan het zinvol zijn om een dip in het vierkant te hebben, of met andere woorden om enige overswing van de vierkante spanningsgolf toe te staan. Een klasse-F-belastingsnetwerk moet per definitie onder een afsnijfrequentie zenden en daarboven reflecteren. Elke frequentie die onder de afsnijfrequentie ligt en waarvan de tweede harmonische boven de afsnijfrequentie ligt, kan worden versterkt, dat wil zeggen een octaafbandbreedte. Aan de andere kant kan een inductief-capacitieve serieschakeling met een grote inductie en een afstembare capaciteit eenvoudiger te implementeren zijn. Door de duty cycle te verlagen tot onder 0,5 kan de uitgangsamplitude worden gemoduleerd. De vierkante spanningsgolfvorm verslechtert, maar eventuele oververhitting wordt gecompenseerd door het lagere totale stroomverbruik. Elke belastingmismatch achter het filter kan alleen inwerken op de eerste harmonische stroomgolfvorm, dus alleen een puur resistieve belasting is zinvol, waarbij geldt: hoe lager de weerstand, hoe hoger de stroom. Klasse F kan worden aangestuurd door een sinus- of een blokgolf. Voor een sinus kan de ingang worden afgestemd met een spoel om de versterking te vergroten. Als klasse F wordt geïmplementeerd met een enkele transistor, is het filter ingewikkeld om de even harmonischen kort te sluiten. Alle eerdere ontwerpen gebruiken scherpe randen om de overlapping te minimaliseren. Klasse G en H Er zijn verschillende versterkerontwerpen die klasse-AB-uitgangstrappen verbeteren met efficiëntere technieken om een grotere efficiëntie met lage vervorming te bereiken. Deze ontwerpen komen veel voor in grote audioversterkers, omdat de koellichamen en voedingstransformatoren zonder de efficiëntieverhogingen onbetaalbaar groot (en duur) zouden zijn. De termen “klasse G” en “klasse H” worden door elkaar gebruikt om te verwijzen naar verschillende ontwerpen, waarvan de definitie varieert van fabrikant tot fabrikant of van document tot document. Klasse G-versterkers (die “rail switching” gebruiken om het stroomverbruik te verminderen en de efficiëntie te verhogen) zijn efficiënter dan klasse AB-versterkers. Deze versterkers bieden verschillende voedingsrails met verschillende spanningen en schakelen tussen deze rails wanneer het signaaluitgangsniveau elk niveau nadert. Zo verhoogt de versterker de efficiëntie door het verspilde vermogen bij de uitgangstransistoren te verminderen. Klasse-G-versterkers zijn efficiënter dan klasse AB, maar minder efficiënt in vergelijking met klasse D. Ze hebben echter niet de elektromagnetische interferentie-effecten van klasse D. Klasse-H-versterkers creëren een oneindig variabele (analoge) voedingsrail. Ze worden ook wel rail trackers genoemd. Dit wordt gedaan door de voedingsrails zo te moduleren dat de rails slechts enkele volts groter zijn dan het uitgangssignaal dat ze op elk moment ‘volgen’. De uitgangstrap werkt altijd op maximale efficiëntie. Dit komt door het vermogen van het circuit om de railtransistors (T2 en T4) in cutoff te houden totdat een muziekvoltagepiek voldoende groot is om de extra spanning van de + en - 80 V-voedingen nodig te hebben. Zie de schematische afbeelding. De klasse H-versterker kan eigenlijk worden beschouwd als twee versterkers in serie. In het schematische voorbeeld in de afbeelding kunnen +/- 40 V-railversterkers ongeveer 100 watt continu produceren bij een belasting van 8 ohm. Als het uitgangssignaal onder de 40 volt werkt, heeft de versterker alleen de verliezen die horen bij een 100 W-versterker. Dit komt doordat de klasse H-bovenste apparaten T2 en T4 alleen worden gebruikt wanneer het muzieksignaal tussen 100 en 400 watt output ligt. De sleutel tot het begrijpen van deze efficiëntie zonder de werkelijke cijfers te berekenen, is dat we een versterker hebben met een vermogen van 400 watt, maar met de efficiëntie van een versterker van 100 watt. Dit komt doordat de golfvormen van muziek lange periodes onder 100 watt bevatten en slechts korte pieken tot 400 watt – met andere woorden, de verliezen bij 400 watt zijn van korte duur. Als dit voorbeeld zou worden getekend als een klasse AB met alleen de 80 V-voedingen in plaats van de 40 V-voedingen, zouden de T1- en T3-transistors gedurende het hele 0 V tot 80 V-signaal in geleiding moeten zijn, met de bijbehorende verliezen gedurende de hele golfperiode – niet alleen tijdens de korte uitbarstingen van hoge energie. Om deze rail tracking-regeling te bereiken, fungeren T2 en T4 als stroomversterkers, elk in serie met hun laagspannings tegenhangers T1 en T3. Het doel van T2 en T3 is om diode D2 terug te biassen wanneer de versterkeruitgang zich op een positieve piek bevindt (boven 39,3 V) en D4 terug te biassen wanneer de uitgang zich op een negatieve piek bevindt van minder dan -39,3 V. Tijdens de muzikale pieken van 100 tot 400 watt leveren de +/-40 V-rails geen stroom, omdat alle stroom afkomstig is van de +/-80 V-rails. Dit cijfer is echter te simplistisch, omdat het de T2- en T4-transistors in werkelijkheid helemaal niet regelt. Dit komt doordat de D1- en D3-diodes, die bedoeld zijn om een pad te bieden voor de uitgangsspanning terug naar de bovenste apparaten, altijd in omgekeerde richting worden gepolariseerd. Ze worden achterwaarts getekend. In plaats van deze diodes zou in een daadwerkelijk ontwerp een spanningsversterker met versterking nodig zijn die vout als ingang gebruikt. Er is nog een andere reden voor deze versterkingsvereiste tussen vout en T2-basis in een daadwerkelijk klasse-H-ontwerp, namelijk om ervoor te zorgen dat het signaal dat op de T2 wordt toegepast altijd “voorloopt” op het Vout-signaal, zodat het nooit de rail tracker kan “inhalen”. De rail tracker-versterker kan een slew rate van 50 V/µs hebben, terwijl de klasse-AB-versterker slechts een slew rate van 30 V/µs heeft om dit te garanderen.
|
|||||||