Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

У всего есть свое начало, и, если мы говорим о режимах работы усилителя, у истоков стоит конечно же класс А. Именно с него началась история усилителей в частности и электронного аудио в целом. Все, что было до — к электронике, да и вообще к электричеству отношения не имеет, а все что появилось после проще всего понять, зная как работают усилители класса А. Ну и самый удивительный факт: при том, что данная схемотехника уже успела справить свой столетний юбилей, она по-прежнему востребована и конкурирует на равных с самыми совершенными схемотехническими решениями XXI века.

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Обзор видов

Акустические системы имеют различные параметры и сферы использования, в связи с этим и усиливающее устройство имеет ряд видов. По мощности встречаются:

• предварительные, которые являются переходным звеном;
• оконечные, напрямую повышающие мощность;
• интегральные, связывающие обе предыдущие модификации в единое устройство.

По элементной основе делятся на:

• ламповые;
• транзисторные;
• интегральные платформы.

По численности подключаемых каналов устройства подразделяются на:

• одноканальные устройства;
• двухканальный девайс;
• четырехканальный;
• многоканальные устройства для усиления.

Немаловажным аспектом классификации является и сфера использования девайса:

1. автомобильный усилитель звука;
2. домашние аудиосистемы;
3. концертное оборудование;
4. студийное оборудование.

Плюсы

На первый взгляд, схема довольно симпатична и имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста, лаконична и является отличным примером предельно короткого звукового тракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входящего сигнала — у них нет временных задержек, возникающих в момент выхода из полностью закрытого состояния.

В-третьих, середина рабочего диапазона электронного компонента — это та зона, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Значит, если не увеличивать амплитуду до предельных значений (не выкручивать особенно сильно ручку громкости и не подключать к усилителю тяжелую нагрузку), усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме, и сигнал на выходе будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти плюсы без побочных эффектов можно реализовать только в слаботочных цепях предварительного усилителя. А когда речь заходит о работе на мощностях, необходимых для взаимодействия с акустическими системами, класс А проявляет свои не менее очевидные минусы.

Какой стереоусилитель лучше

Высокое качество звука – это то, чего добиваются профессиональные музыканты, меломаны либо те, кто работает со звукозаписью. Добиться наилучшего детализированного звучания можно путем применения усилителя мощности.

Подобная техника имеет множество характеристик, в которых обычному пользователю сложно разобраться. Чтобы покупатель мог подобрать лучший вариант, мы составили свой рейтинг стереоусилителей. В него попали:

• Cambridge Audio AXA35, поддерживающий большой набор функций, оснащенный фонокорректором и простой в эксплуатации;
• Качественный профессиональный S.M.S.L A6 с простым управлением, насыщенным естественным звуком, минимальными искажениями;
• Бюджетный вариант Dynavox Spark II без лишних функций, обеспечивающий хорошее звучание.

Каждый номинант получит положительные отклики у обычных пользователей, музыкантов, специалистов. Так как есть модели из разных ценовых диапазонов, подобрать подходящий усилитель сможет любой покупатель.

Минусы

Главные минусы класса А так же, как и плюсы, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала приходится на середину рабочего диапазона электронного компонента, а это значит, что, когда на входе тишина — транзистор или лампа уже открыты наполовину и работают вполовину своей мощности, расходуя вхолостую много энергии. Реальный же КПД усилителей класса А оказывается существенно ниже теоретических 50%. Из 100% энергии, потребляемой усилителем, акустика получает не более 20–25%, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может негативно сказываться на режиме работы усиливающего элемента, поэтому транзисторные усилители класса А, выдающие хоть сколько-нибудь существенную мощность, обладают огромными радиаторами.

Если же вы хотите получить на выходе не десятки, а сотни ватт мощности, сохранив при этом режим работы усилителя в классе А, готовьте комнату побольше и вентиляцию для отвода тепла помощнее, ведь вследствие низкого КПД сам усилитель будет огромным, а его блок питания и вовсе колоссальным.

За всем этим следует целый ряд сопутствующих проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса А получит свой первый огромный счет за электричество, ему придется потратить немало денег на сам усилитель, ведь большие блоки питания, тяжелые выходные трансформаторы ламповых и массивные радиаторы транзисторных усилителей сами по себе стоят денег.

В ходе эксплуатации вслед за увеличившимися расходами на электроэнергию аудиофил рано или поздно столкнется с еще одной проблемой усилителей класса А — повышенным износом активных элементов схемы. Особенно эта проблема касается ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того малый ресурс работы.

Принцип действия

Работа звукоусиливающей аппаратуры основывается на преобразовании энергии, полученной усилительным элементом от источника питания, в энергию усиливаемого входного сигнала.

Основные этапы:

1. На вход от источника звука поступает сигнал, который на первом каскаде предварительно усиливается и без искажений направляется в усилитель. Здесь же находится регулировка громкости. При этом качество исходного звука не должно быть потеряно.
2. Во втором каскаде – драйверном, сигнал готовится к передаче в оконечный каскад.
3. К третьему самому мощному каскаду подключены колонки, которые без искажений воспроизводят звук с требуемой громкостью.

Особенности

Понимая как работает усилитель в классе А, мы можем рассмотреть его и с аудиофильской точки зрения. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне понятна: пока амплитуда сигнала не высока, усилитель работает в идеальных условиях и обеспечивает на выходе если не абсолютно совершенный сигнал, то что-то к нему максимально приближенное. Но возникает вопрос: что же происходит когда мы делаем музыку погромче?

До определенного момента — ничего страшного, но, как только пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимально открытому и закрытому состоянию лампы или транзистора), искажения будут расти существенно, как и у любого другого усилителя, после чего произойдет компрессия с выходом искажений за все мыслимые границы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель можно перегрузить и загнать в искажения. Это справедливо. Но тонкость момента состоит в том, что усилители класса А по определению маломощны, а значит довести их до предельной нагрузки не составляет труда. Именно это происходит в те моменты, когда усилитель, только что воспроизводивший тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, вдруг сваливает в неразборчивую кашу более громкое звучание симфонического оркестра.

Следующая специфическая особенность схемотехники касается блока питания. Это, кстати, один из важнейших компонентов любого усилителя, ведь энергия поступающая в акустику — это энергия блока питания, модулированная входящим сигналом. Выражаясь в более понятной автомобильной терминологии, блок питания — двигатель, а схема усилителя — руль.

Так вот, низкий КПД усилителя класса А и высокий ток покоя загоняет блок питания в довольно сложные условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, выдавая постоянно высокий ток, быть готовым мгновенно отдать в разы больше. После резкого всплеска сигнала конденсаторам блока питания необходимо зарядиться, т. е. взять дополнительную энергию от трансформатора, который и без того постоянно озадачен тем, чтобы поддерживать высокий ток покоя усилителя.

Далеко не все блоки питания способны справиться с такой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звучание мощного усилителя, работающего в классе А, кажется вам медлительным, быстрая музыка смазывается, а бас получается неизменно гулким и размазанным во времени, — не удивляйтесь и не спешите обвинять в этом акустику или ее неудачное расположение в помещении.

Сравнительная таблица технических характеристик

В этом рейтинге мы собрали 10 лучших усилителей звука.

Модель	Тип	Схемотехника	Размеры (ШхВхГ)
Denon PMA-720AE	интегральный усилитель, стерео	полупроводниковый	434x121x308 мм
YAMAHA A-S301	интегральный усилитель, стерео	полупроводниковый	435x151x387 мм
Pioneer A-30	интегральный усилитель, стерео	полупроводниковый	435x128x360 мм
Marantz PM5004	интегральный усилитель, стерео	полупроводниковый	440x105x369 мм
Cambridge Audio CXA60	интегральный усилитель, стерео	полупроводниковый	430x115x341 мм

Модель	Тип	Схемотехника	Размеры (ШхВхГ)
Fiio Q1 Mark II	усилитель для наушников, стерео	полупроводниковый	59x99x13 мм
Fostex HP-A3	усилитель для наушников, стерео	полупроводниковый	108x36x140 мм
Sennheiser GSX 1000	усилитель для наушников, стерео	полупроводниковый	143x70x139 мм
Chord Electronics Mojo	усилитель для наушников, стерео	полупроводниковый	82x60x22 мм
OPPO HA-2	усилитель для наушников, стерео	полупроводниковый	68x157x12 мм

Ниже представлено подробное описание каждой модели.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические особенности, усилители класса А по-прежнему производятся разными производителями и образуют весьма заметную нишу на рынке Hi-Fi техники, а если быть точным — в сегменте High End, где габаритами, энергопотреблением, сложностью эксплуатации и даже ценой можно пренебречь в угоду его величеству звуку.

Кроме того, с 1916 года и по настоящий момент времени на свет родилось немало талантливых инженеров, которые нашли способы существенно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Отличным примером вышесказанному является ламповый усилитель Octave V 16 Single Ended. Слова Single Ended в названии переводятся как «однотактный», что является техническим описанием режима работы ламп и, фактически, выступает синонимом понятия «класс А».

Для того, чтобы взбодрить классическую схемотехнику и приблизить эксплуатационные характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave воплотили в жизнь сразу несколько оригинальных решений, корректирующих режим работы. Адаптивная трехступенчатая настройка режима работы усилителя управляет величиной тока смещения сообразно максимальной амплитуде входящего сигнала, чтобы не держать схему усилителя в режиме высокого энергопотребления без необходимости.

А когда сигнал на входе отсутствует более двух минут, включается режим Ecomode, который понижает энергопотребление до 35%. Таким образом, усилитель, оставленный без присмотра, не будет без толку греть помещение.

За качество звучания разработчики боролись не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, усовершенствованные каскады предварительного усиления, расширяющие диапазон воспроизводимых частот, а также самые совершенные схемы стабилизации, избавляющие от шумов и гула, которые усилители класса А с удовольствием демонстрируют даже при небольшом отклонении от рабочих параметров.

В результате, усилитель можно использовать с совершенно различной нагрузкой: от низкоимпедансной акустики до высокоимпедансных наушников, — не боясь вывести их из строя или просто выйти за пределы рабочего режима. Следящие электронные схемы перенастраивают выходные каскады автоматически.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не спешите, ведь нужно заглянуть в паспортные данные. А там картина вырисовывается крайне специфическая. При низких показателях шумов и искажения, имея без малого два десятка килограмм живого веса и потребляя от сети до 200 Вт, Octave V16 Single Ended выдает на акустике импедансом 4 Ом не более 8 Вт на канал при использовании самых мощных ламп. Для наушников этого вполне хватит, но где искать подходящие колонки?

Как выбрать

При выборе усилителя для автомобиля не стоит оставлять без внимания определенные параметры, которые играют довольно важную роль. В первую очередь, это мощность модели. Производители указывают номинальную и максимальную мощность. Обращать внимание нужно именно на номинальный показатель. Проверенные производители в большинстве случаев кладут сертификат, где указывается серийный номер изделия и замер мощности, произведенный на заводе.

Так же надо обратить внимание на коэффициент гармонического искажения, который обозначается THD. От этого показателя будет зависеть частота звучания, поэтому чем он меньше, тем лучше. Лучше попросить подключить устройство и прослушать его звучание.

Не стоит оставлять без внимания качество сборки и производителя. Проверенные компании, зарекомендовавшие себя на рынке, вряд ли разочаруют в будущем. Так же определенные модели могут быть предназначены для установки в определенном месте, в этом случае, лучше заранее подумать получится ли у вас закрепить устройство в этой части транспортного средства.

Звук

Поскольку данный текст является частью большого цикла публикаций, посвященного различным типам усилителей, в процессе его подготовки было проведено одно большое сравнительное прослушивание, в котором участвовали усилители различных классов. Для придания прослушиванию достаточной степени объективности было выбрано две модели напольных колонок.

Одна из них была заведомо тяжелой нагрузкой с низкой чувствительностью — крупным тугим басовиком, и требовала высокой подводимой мощности. Вторая же была призвана стать обратной стороной медали: предельно легкой нагрузкой, способной сработаться с любым, даже маломощным усилителем. И во всех случаях эта схема тестирования была вполне рабочей до того момента пока на сцене не появился Octave V16 Single Ended с его 8 Вт на канал.

На тяжелой нагрузке искажения были столь реальны, что их, казалось, можно было потрогать, а нагрузка, ранее известная как легкая, успешно справилась с ролью тяжелой. За неимением под рукой еще одной пары колонок мощностью в несколько ватт и с чувствительностью выше 100 дБ роль легкой нагрузки выполнили наушники.

С колонками, которым по паспорту требуется не менее 25 Вт, Octave V16 Single Ended сработался на удивление неплохо. Если не злоупотреблять громкостью, можно в полной мере оценить живой, открытый и чистый звук, который на спокойных аудиофильских записях просто превосходен.

Ситуация осложняется, когда дело доходит до более динамичной музыки, а на рок-композициях усилитель с удовольствием сваливает звучание гитар в кашу, давая в качестве бонуса вполне различимую на слух компрессию. Спасает лишь тот факт, что компрессия и искажения в исполнении ламп в отличие от транзисторов придает звучанию довольно приятную окрашенность.

Если же попытаться уменьшить нагрузку на усилитель, понизить громкость, а затем подсесть поближе, чтобы не потерять в звуковом давлении — картина исправляется. И грязи нет, и деталей больше, и компрессия не ощущается. Здесь я замечу, что по габаритам этот усилитель совсем небольшой, его можно поставить не только в стойку, но даже на стол, для использования с наушниками и полочными мониторами ближнего поля.

В полной мере прочувствовать принадлежность усилителя к категории High End удалось в наушниках. Совершенно сумасшедшая детальность, открытое, объемное и тембрально богатое звучание, управляемый и четкий бас — все то, о чем можно мечтать. И, что характерно, даже на быстрой тяжелой музыке усилитель начал вести себя достойно. Никакой вальяжности, никакой каши, никакой гулкости в НЧ-диапазоне. Вот что значит — обеспечить усилителю класса А оптимальный режим работы.

Критерии выбора

Самостоятельно выбрать подходящий усилитель для квартиры, который отвечает сегодняшним требованиям и соответствует индивидуальным пожеланиям – занятие сложное. Это в некоторой степени даже инженерно-техническая задача. Необходимо принять в расчет параметры проигрывателя и акустических систем, которые будут эксплуатироваться совместно с усилителем. А также дополнительно просчитать размер и акустику комнаты, где будет находиться и работать музыкальное оснащение. И в довершение всего, требуется определиться с расходами, обдумав приемлемую для себя планку качества.

Следует учесть нескольких важных моментов.

1. В первую очередь нужно дать оценку уровню переходных (линейных) и интермодуляционных (нелинейных) искажений. Данные значения изготовители указывают не очень часто, и их присутствие в паспорте говорит об основательном подходе к делу. У лучших образцов вторая величина не выше 1%. У установок для дома удовлетворительный показатель не более 3%.
2. При проигрывании музыки мембраны динамиков претерпевают беспорядочные колебания. Они еще получили название – паразитные. Устройство для усиления способно им противодействовать. Успешность этого оценивается сглаживанием – еще одним числовым параметром, который для бытового применения должен быть не меньше 100.
3. Пропорция сигнал/шум. Это когда вы устанавливаете регулятор громкости устройства до предела и сопоставляете величину помех с разностью пределов выдаваемого полезного сигнала. Чем значительнее цифра, тем чище будет звучание.
4. Диапазон частот. Чем он обширнее, тем лучше. В особенности хорошо, когда данный диапазон уходит в не улавливаемую ухом человека зону – это обеспечивает работу без помех в слышимой. Разумеется, при остальных равных.
5. Необходимо непременно принять в расчет сопротивление и чувствительность колонок, с которыми потребуется функционировать усилителю. Акустические системы с маленькой чувствительностью требуют более мощного устройства. Меньшее сопротивление акустики, чем расчетное для устройства усиления, в силах спровоцировать короткое замыкание и поломку всей аудиосистемы. Большее же, хотя и не представляет опасности, при значительной разнице может убавить громкость проигрываемой музыки.
6. В вопросе о количестве каналов воспроизведения учитывайте, какое количество динамиков вы желаете подсоединить к усилителю и каким способом. Большая часть усилителей – 2-канальные, к ним возможно подсоединять два динамика в моно- либо стереорежиме. Имеются 4-канальные образцы, а в отдельных – численность каналов может доходить до 8. Многоканальные модели позволяют подключать к одному усилителю дополнительные АС. Например, сабвуфер подключается к 4-канальной. Впрочем, подобные усилители, стоят дороже обыкновенных 2-канальных при равной мощности по причине более сложной конструкции.

И еще несколько дополнительных рекомендаций.

1. Подбор модификации усилителя не всегда сводится к его цене и бренду. Тем не менее приобретать чересчур недорогую марку также нерационально – не надо уповать на чудо.
2. Приобретать аппарат в торговых точках, где нельзя его протестировать, можно лишь, сперва определившись с подбором его модификации.
3. Выбирать устройство для усиления необходимо с резервом по мощности, чтобы не «выжимать все соки» при ресурсе, приближенном к предельному, поскольку это моментально уменьшает его надежность. К примеру, аппарат с предельным ресурсом 100 Вт гарантирует продолжительную и надежную работу только при мощности, приблизительно в 2 раза меньшей.
4. Кроме того, следует ориентироваться на размеры площади, где будет использоваться производящее звук оборудование. Приблизительная мощность каждого из каналов равняется 3-5 Вт на м2. Когда пространство не более 15 м2, то руководствоваться необходимо первой цифрой, а при пространстве больше 20 м2 – второй.
5. Необходимо выбирать устройство для усиления, у которого подсоединение АС осуществляется не посредством пружинных защелок, а клеммами с резьбой. Это наиболее крепкая фиксация шнуров, к тому же это какой-никакой показатель качества и причастности аппарата к Hi-Fi-категории.

И в заключение. Необязательно приобретать самую современную модификацию. Порой прибор, продолжительное время пробывший на полке либо складе, становится намного дешевле без ухудшения характеристик.

Видеообзор об усилителе Yamaha A-S201 смотрите далее.

Резисторы

Качественный ламповый усилитель Hi-End – это ретроприбор. Конечно, детали для его сборки должны быть соответствующие. Вместо резистора может подойти углеродный и проволочный элемент. Если вы не жалеете средств на разработку этого прибора, следует применить прецизионные резисторы, которые довольно дорого стоят. В ином случае применимы МЛТ-модели. Это довольно неплохой элемент, о чем свидетельствуют отзывы.

Ламповые усилители Hi-End также применимы с ВС-резисторами. Их изготавливали около 65 лет назад. Отыскать такой элемент довольно просто, достаточно всего лишь прогуляться по радиорынку. Если вы применяете резистор с мощностью больше 4 Ватт, нужно выбирать проволочные эмалированные элементы.

Трансформаторы

Еще один важный момент – использование различных трансформаторов. Как правило, применяются силовой и выходные, которые необходимо подключать перпендикулярно. Таким образом вы сможете уменьшить уровень низкочастотного фона. Трансформаторы следует располагать в заземленных кожухах. Необходимо помнить, что сердечники каждого из трансформаторов также следует заземлить. Не нужно применять экранированный провод, когда будете устанавливать приборы, чтобы не появились дополнительные проблемы. Конечно, это не все особенности, связанные с монтажом. Их довольно много, и все рассмотреть не получится. При установке Hi-End (лампового усилителя) нельзя использовать новые элементные базы. Их сейчас применяют для подключения транзисторов и интегральных микросхем. Но в нашем случае они не подойдут.

Виды усилителей

Итак, есть три типа такой аппаратуры, которая делает аудио мощнее и громче:

Предварительный. Если устройство, например, такое как микрофон имеет дело с плохим источником звука – усилитель обрабатывает и улучшает информацию о нем, добавляя мощность.

Оконечный. Собственно, занимается только своими прямыми обязанностями – усиливает звук. Можно увидеть в студиях звукозаписи среди прочего профессионального оборудования.

Интегральный. Микс двух предшествующих. Самая распространяя система из доступных в магазинах. Как любое комбинированное решение дает несколько сниженное качество звучания по сравнению со специализированными усилителями. Но выигрывает в цене и универсальности.

Различают аппаратуру и по способу передачи сигнала:

Аналоговый усилитель. Работает с электрическими колебаниями, которые получает от проигрывателя, увеличивая их энергетические характеристики. Для подключения к цифровой технике требуется соответствующий преобразователь.

Цифровой усилитель. Преобразует на выходе цифровой сигнал в аналоговый, «понятный» колонкам и добавляет ему мощности.