Про работу усилителей различных классов и модификаций написано огромное количество текстов, которые изобилуют специальной технической терминологией, порой непонятной любителям музыки, не имеющим специального образования.
Я попытаюсь объяснить работу усилителя и функцию транзистора простыми словами, не затрагивая сложную радиотехническую часть.
В общих чертах, у нас есть слабый входной сигнал от источника звука, который нужно усилить до определенного уровня, чтобы «раскачать» динамики.
Усилитель, чтобы добавить мощности входному сигналу, должен взять энергию извне. Этим источником является комнатная розетка переменного тока напряжением 120-220В и частотой 50-60Гц.
Эта частота скучновата для воспроизведения музыки, которая, как известно, имеет диапазон частот от 20 герц до 20 тысяч герц. В общем, переменный ток из розетки, грубо говоря, не подходит нам для музыкальных дел. Поэтому нам нужно избавиться от его переменных свойств, выпрямив его в постоянный ток.
Источник питания усилителя выпрямляет переменный ток из розетки и формирует из него постоянный ток, который он запасает в своих конденсаторах и оперирует им в узлах своей схемы, а на динамики выдает заново сформированный усиленный переменный ток.
Постоянный ток, — это единый поток энергии, у которого нет никакой частоты. Это «чистый лист» энергии, на котором можно «нарисовать» синусоиду любой частоты и амплитуды.
И так, мы берем постоянный ток и применяем его к слабому входному аудиосигналу. Усилитель «обрисовывает» форму входного сигнала в увеличенном масштабе, формируя усиленный сигнал с частотой, аналогичной частоте входного сигнала, полученного от источника звука.
Фактически, усилитель, как чертежный пантограф, производит копирование рисунка (читай, формы сигнала) в увеличенном размере.
Усиленный сигнал на выходе из усилителя уже имеет достаточную мощность для раскачки мембран динамиков: электрический переменный ток (сигнал) превращается в звуковые волны.
Регулятор громкости, которым оснащён усилитель, управляет напряжением сигнала, позволяя слушателю регулировать громкость музыки.
Источник питания в усилителе, который преобразовывает переменный ток из розетки в постоянный ток и накапливает его в своих резервуарах (конденсаторах), является очень важным узлом в схеме усилителя. От него зависит не только выходная мощность сигнала, но и качество звучания.
Самым важным элементом в схеме усилителя является транзистор (или лампа), который при помощи сформированного и запасённого в источнике питания постоянного тока «вырисовывает» усиленный сигнал нужной частоты на основе слабого входного сигнала. 
Что такое транзистор?
Водопроводное объяснение.
Транзистор представляет собой сэндвич из трех слоёв полупроводников.
Полупроводник – это материал, занимающий промежуточное положение между диэлектриком и проводником.
В электронике применяется огромное количество различных полупроводниковых материалов, которые, помимо всего, могут содержать специальные примеси, определяющие поведение (логику) транзисторов, диодов и прочих полупроводниковых компонентов в электрической цепи.
При воздействии на полупроводник определенным видом энергии: свет, температура, электрический ток или напряжение, его можно превратить в проводник или диэлектрик.
И так, в транзисторе наблюдается три полупроводниковых слоя, которые маркируются как коллектор-база-эмиттер.
База находится посередине и является ключевым слоем, который может при определенных условиях стать проводником и пропустить ток от коллектора на эмиттер, а может превратиться в диэлектрик и ничего не пропустить.
Например, если через базу на эмиттер пропустить слабый ток (обозначен стрелкой А на рисунке), то база откроет проводимость между коллектором и эмиттером (стрелка В). Если ток убрать, то база закроет «кран» и ток прекратится.
На рисунке вверху транзистор представлен в виде водопроводного крана, который позволяет легким движением руки (то есть, слабым входным сигналом) управлять струёй воды (током), которая подается в коллектор от источника питания (насоса) под большим давлением.
Кран-база регулирует подачу воды из коллектора в эмиттер.
Кран-база может полностью перекрыть проток, открыть его на полную мощность или установить любое промежуточное положение (и изменять его) в любое время.
Следовательно, слабый входной сигнал от источника звука может управлять краном-базой, которая, в свою очередь, в состоянии пропускать более сильный ток (заранее усиленный источником питания) между коллектором и эмиттером.
В результате, усиленный аудио сигнал, который сформировался по указке слабого входного сигнала, получает туже форму, что и входной сигнал.
Вот вам и усиление транзистором, или лампой, которая, кстати, тоже имеет в своей конструкции условный трёхслойный сэндвич, состоящий из катода, анода и управляющей сетки по середине.
Транзисторы бывают разные: полевые, биполярные, управляющие не только током, но и напряжением.
И в силу того, что транзисторы могут занимать крайние положения: включен -выключен, или, если хотите, ноль – единица, - они незаменимы в компьютерах и прочих логических устройствах.
Основные элементы усиления: источник питания
Введение
Интуитивно понятно, что усилитель мощности представляет собой устройство, которое увеличивает мощность входного сигнала. Более точным представлением является устройство, которое потребляет переменный ток из розетки напряжением 120В и частотой 60Гц.
Пропуская его через свой трансформатор и выпрямитель, усилитель преобразует его в постоянный ток и накапливает в конденсаторах. Затем усилитель принимает слабый входной аудиосигнал и модулирует на его основе накопленную энергию в виде электрического тока, который пропускается через динамики с помощью выходных транзисторов или ламп.
Такой подход в осмыслении принципа действия усилителя приводит к осознанию того, что источник питания (секция, преобразующая переменный ток в постоянный и питающий лампы или транзисторы) на самом деле находится в тракте аудиосигнала. Эта одна из причин, по которой источник питания усилителя мощности так важен, и почему хорошие усилители, как правило, имеют большие и мощные источники питания.
На самом базовом уровне усилитель состоит из источника питания, входного каскада, управляющего каскада и выходного каскада. Входной каскад и управляющий каскад подготавливают сигнал для выходного каскада, на котором транзисторы или лампы пропускают электрический ток через динамики. Рассмотрим работу каждого каскада более подробно в следующих параграфах.
Источник питания
Блок питания преобразует переменный ток из розетки в постоянный ток, который нужен аудиосхемам. Блоки питания усилителей значительно отличаются от блоков питания других компонентов сетапа. Они должны быть способны пропускать большие токи, работать при гораздо более высоком напряжении и иметь большую ёмкость для накопления энергии. Таким образом, размеры и характеристики деталей блока питания усилителя намного больше и выше, чем у прочих аудио компонентов.
Первым элементом блока питания является силовой трансформатор. Это устройство понижает линейное напряжение переменного тока со 120В до более низкого значения, чаще до 80В. Вы можете получить довольно хорошее представление о мощности усилителя по его размеру и электрическим характеристикам.
Полная мощность трансформатора измеряется в ВА (VA) или в кВА (kVA) и вычисляется произведением напряжения (V) на максимальный ток (A), который может выдержать конструкция трансформатора.
Если номинальная мощность трансформатора равна 1kVA, то он может подавать в цепь усилителя силу тока, равную 8.34А (1000 делим на сетевое напряжение 120В, при условии, что трансформатор не понижает напряжение). Поскольку большинство трансформаторов понижают напряжение до 80В, то значение силы тока будет равно 12А.
Обратите внимание, что значение общего выходного постоянного тока в усилителе для обоих каналов не может превышать номинального тока силового трансформатора. Однако усилитель в состоянии выдавать кратковременные всплески более высокого тока во время музыкальных транзиентов*, таких как удары басового барабана благодаря энергии, накопленной в конденсаторах, и, при условии, что выходные транзисторы могут выдерживать повышенный ток.
Один очень большой трансформатор мощностью 4.5kVA весит 85 фунтов из 147 фунтов общего веса усилителя. Усилитель мощности более умеренного размера может иметь трансформатор мощностью 300VA.
--------------------------
*Транзиент – это кратковременный (внезапный) звук, воспроизводимый в основном ударными инструментами, маракасом, ударом молоточка по струне, щипок гитарной струны и пр. Транзиентная чувствительность характеризуется способностью системы точно воспроизводить скорость транзиентов.
-------------------------
Пониженное трансформатором напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем и фильтруется конденсаторами. Фильтрующие конденсаторы сглаживают постоянный ток для устранения остаточных следов пульсации после выпрямления. 
Конденсаторы также накапливают большое количество электрической энергии, необходимой для работы усилителя. Этот резервуар необходим, поскольку блок питания не может подавать ток из розетки достаточно быстро, чтобы обеспечить мгновенные скачки напряжения в динамиках.
Ёмкость конденсатора измеряется в фарадах. Эта единица названа в честь английского химика и физика Майкла Фарадея (1791-1867гг).
Некоторые конденсаторы размером с банку содовой могут накапливать огромное количество энергии, обычно от 30 000 до 500 000 микрофарад (мкФ). Если вы выключите такой усилитель во время воспроизведения музыки, вы будете продолжать её слушать ещё почти минуту.
Усилитель потребляет ток из сети для подзарядки конденсаторов и тратит на это всего несколько миллисекунд при положительных и отрицательных пиках синусоидальной волны.
Итак, блок питания формирует и накапливает энергию, необходимую для питания выходного каскада усилителя. Электроны из конденсаторов «вытягиваются» выходными транзисторами и подаются в виде тока на громкоговорители.
Слабый входной аудиосигнал модулирует накопленную в блоке питания энергию для создания собственной усиленной копии, ток которой движет конусы динамиков.
Идеальный источник питания будет поддерживать свое напряжение независимо от того, какой ток потребляют выходные транзисторы.
На практике выходное напряжение падает, когда транзисторы внезапно потребляют ток на музыкальных пиках. Такое падение напряжения в блоке питания называют провисанием или просадкой (droop).
Подача питания для выходного каскада проходит через предохранители (rail fuses), которые можно увидеть на задней панели многих усилителей.
Если выходной каскад потребляет слишком большой ток, то предохранитель перегорает.
Если это произошло один раз, замените предохранитель на аналогичный. Ни при каких обстоятельствах не заменяйте предохранитель на более мощный, что может привести к катастрофическому повреждению усилителя.
Если предохранители часто перегорают, то необходимо обогатиться в сервисной центр, скорее всего выходной транзистор вышел из строя.
Это описание относится к обычным линейным блокам питания, используемым в большинстве усилителей.
Альтернативой является импульсный блок питания, при котором транзисторы включаются и выключаются, а не остаются включенными все время, как при линейном источнике питания.
Преимущество заключается в меньших размерах, меньшем выделении тепла и большей эффективности.
Разберём коротко еще один термин, относящийся к блокам питания – это коррекция коэффициента мощности (power-factor correction).
Без корректировки коэф. мощности, реактивное сопротивление источника питания, подключенного к сети переменного тока, приводит к рассинхронизации напряжения тока. В результате реальная мощность блока питания снижается.
Блок питания, коэффициент мощности которого скорректирован, компенсирует эту проблему, что повышает эффективность его работы.
Мой опыт прослушивания усилителей, использующих данную опцию, показывает, что они демонстрируют исключительную динамику и чёткость воспроизведения басов.
Блоки питания усилителя также генерируют более низкое напряжение для питания менее энергоёмких цепей, таких как входной каскад и промежуточный каскад (driver stage).
Об этих каскадах поговорим в следующем параграфе.
Каскады усиления
Сигнал от источника питания или предусилителя подаётся через разъёмы на задней панели усилителя на его входной каскад (input stage).
Входной каскад усилителя мощности имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление, что упрощает управление усилителя предусилителем.
Именно здесь, на входном каскаде, устанавливается входное сопротивление усилителя, которое определяет силу тока сигнала, идущего от источника (предусилителя).
Это сопротивление должно быть достаточно высоким, чтобы не нагружать предусилитель: низкое входное сопротивление усилителя будет «требовать» от источника большей силы тока сигнала, которую источник может и не обеспечить. Значение входного сопротивления в 47 кОм является вполне стандартным для небалансного RCA входа усилителя мощности.
После входного каскада аудио сигнал следует в промежуточный управляющий каскад (driver stage), который управляет выходным каскадом (output stage).
Управляющий каскад формирует сигнал с более высоким напряжением, которое необходимо транзисторам выходного каскада.
В усилителях класса А/В управляющий каскад может выступать в качестве фазоразделителя для создания идентичной копии сигнала с обратной полярностью для подачи на двухтактный выходной каскад, в котором один транзистор усиливает первую половину синусоиды, а второй, пока первый отдыхает, усиливает вторую половину синусоиды сигнала.
Многие усилители имеют в схеме разделительные конденсаторы (coupling capacitors) для межкаскадной связи. Они называются разделительными, потому что блокируют прохождение постоянного тока и пропускают только переменный звуковой сигнал (изолируют постоянный ток от тех путей в схеме, где ему не место).
Но из-за того, что конденсаторы могут ухудшать музыкальные характеристики усилителя, некоторые разработчики не используют их в сигнальном тракте.
Усилитель без блокирующих конденсаторов (иногда их называют конденсаторами межкаскадной связи) называется усилителем с прямой связью (direct-coupled amplifier).
Усилители с прямой связью могут представлять некоторую опасность: даже небольшое количество постоянного тока может вывести из строя громкоговоритель. Поэтому такие усилители оснащаются специальной защитной схемой, которая называется DC servo – сервопривод постоянного тока.
Эта схема отслеживает наличие постоянного тока на выходных клеммах усилителя. Если постоянный ток в сигнале обнаруживается, то DC servo его компенсирует, сводя величину до минимально допустимого уровня.
Измерить уровень постоянного тока на выходных клеммах усилителя можно при помощи вольтметра постоянного тока, если значение менее 200mV, то всё в норме.
Сервопривод постоянного тока является весьма эффективной, хотя и более сложной альтернативой разделительным конденсаторам для устранения смещения постоянного тока на выходе усилителя, обеспечивая более чистое и точное усиление звука.
У большинства высококачественных усилителей входной и управляющий каскады собраны на дискретных схемах: то есть используют отдельные транзисторы, а не интегральные микросхемы.
Полевые транзисторы (FET) чаще всего используются во входных каскадах из-за их высокого входного сопротивления и их малой мощности, что согласуется с функциями входного и управляющего каскадов: обеспечение высокого входного импеданса и предварительного усиления входного сигнала перед передачей его на выходной каскад.
Оба этих каскада чаще работают в классе А, то есть транзистор усиливает весь музыкальный сигнал сразу (обрабатывается вся синусоида разом, без фазоразделения, как в классе В).
Почти все усилители используют процесс отрицательной обратной связи (ООС). Идея заключатся в подаче части выходного сигнала усилителя обратно на его вход.
Это делается для стабилизации усиления, улучшения линейности (снижения искажений) и расширения полосы пропускания.
Кроме того, обратная связь (feedback) снижает зависимость усилителя от вариации компонентов (таких как транзисторы или лампы) и снижает выходное сопротивление.
Однако аудиофилы считают, что хотя высокая отрицательная связь может снизить искажения до очень низкого уровня, она может негативно влиять на качество звука.
Многие усилители рекламируются как устройства с «низкой обратной связью» (low-feedback). У таких усилителей будут более высокие показатели искажений, но звучать они будут лучше.
Существует два типа обратной связи: локальная и глобальная. Локальная обратная связь, используется только в пределах одного каскада, а глобальная обратная связь подает сигнал от выходного каскада на входной каскад.
На рисунке вверху схематично показаны три каскада усиления: входной (input stage), управляющий (driver stage), выходной каскад (output stage) и источник питания (power supply), питающий первые два каскада и, гораздо большим током, выходной каскад, о котором речь пойдет ниже.
При обсуждении усилителей мощности наиболее распространенной темой является выходной каскад (output stage). Выходной каскад должен иметь высокое входное и низкое выходное сопротивления, а также быть способным отдавать в нагрузку (динамикам) значительный по величине ток.
Выходной каскад состоит из множества транзисторов, обычно биполярного типа, и, реже, MOSFET - транзисторов другого типа. Транзисторы — это рабочие лошадки усилителя – ток, который приводит в движение конусы динамиков, проходит через них.
Следовательно, чем больше транзисторов в выходном каскаде, тем больше тока (мощности) может выдать усилитель на громкоговорители. Однако не надо забывать и про источник питания, который должен быть в состоянии выдать требуемое количество тока.
Транзисторы выделяют много тепла, которое нужно отводить при помощи радиаторов, которые могут быть достаточно большими в мощных усилителях.
Когда от выходного каскада требуется больше мощности, чем он может выдать, верхняя и нижняя части сигнала (синусоиды) сглаживаются или обрезаются. Такое состояние перегрузки называют клиппингом (clipping – обрезка). В клиппинге сигнал сильно и отчетливо искажается.
Если на нескольких музыкальных пиках происходит кратковременный клиппинг, то это практически не заметно.
Если же усилитель находится в состоянии жесткого (длительного) клипинга, то это может привести к повреждению динамиков.
Причины возникновения клиппинга:
- при недостатке низких частот слушатель выкручивает на максимум регулятор басов, но усилитель не в состоянии справиться с нагрузкой.
- неправильное согласование входной чувствительности (например, перекрученный gain).
- слишком сильно выкручен регулятор громкости на усилителе.
- мощность усилителя недостаточна для нормальной работы с динамиками.
- входное сопротивление (импеданс) динамиков слишком мало.
В некоторых усилителях мощности вместо биполярных транзисторов используются полевые транзисторы типа MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (МОП). В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, МОП транзисторы с изолированным затвором управляются напряжением. В этом отношении они работают подобно лампам и обладают несколько другими звуковыми характеристиками.
Усилители на МОП транзисторах имеют характерное звучание: особенно плавные высокие частоты, которые могут показаться несколько расфокусированными, а звуковая сцена менее четкой, которую из-за этой особенности принято называть «МОП-затуманенностью» (MOSFET mist).
📑R.H.©
