Niskofrekventno pojačalo snage

Pojam pojačala obuhvaća velik broj vrlo različitih elektroničkih sklopova koji se razlikuju prema namjeni, konstrukciji i svojstvima. U elektroakustici se pojam pojačala odnosi s jedne strane na niskofrekventna, audio, pretpojačala koja djeluju kao naponska pojačala i predviđena su za priključak drugih elektroničkih sklopova u elektroakustičkom lancu reprodukcije, a s druge na pojačala koja su konstrukcijski predviđena su za priključak opterećenja vrlo malog električnog otpora, odnosno impedancije, kao što je to na primjer dinamički zvučnik.

Pojačanje snage

Pod pojmom naponskog pojačala podrazumijevamo elektronički sklop koji će na svom izlazu imati u pravilu veći napon električnog signala u odnosu na ulazni napon. U tom smislu se definira naponsko pojačanje kao

${A}={\frac {U_{izl}}{U_{ul}}}$.

Premda se u niskofrekventnoj tehnici govori o pojačalu snage, kod niskofrekventnih pojačala snage se općenito ne razmatra pojačanje snage u doslovnom smislu kao omjer izlazne i ulazne snage. Pojam pojačala snage odnosi na takav električni sklop koji će u području frekvencijskog spektra tonskog električnog signala na svom izlazu uz odgovarajući električni napon opterećenju moći predati i dovoljno jaku električnu struju dostatnu za odgovarajuću pobudu zvučnika. Pojačalo snage predstavlja u tom smislu naponski električni izvor s odgovarajućom elektromotornom silom i dovoljno malim unutarnjim električnim otporom.

Pojačalo snage

Pojačala snage (često nazvana i izlazna pojačala) izvode se na način da djeluju u protutaktnom načinu rada kao tzv. push-pull pojačala, gdje je princip takva načina rada ilustrativno prikazan na slici desno.

Za pozitivnu poluperiodu pobudnog signala provodi gornji, a za negativnu poluperiodu donji tranzistor, gdje oba tranzistora zajedno na izlazu daju cjelokupni električni signal. Izlazni dio pojačala snage prema prikazanom pojednostavljenom predlošku radi u tvz. B klasi, gdje se oba izlazna tranzistora u odsustvu pobudnog električnog signala nalaze u zapornom radnom području. Takav način rada je nepovoljan radi prilično velikih nelinearnih izobličenja koja se javljaju upravo za niske razine izlaznog signala kao posljedica nelinearne $U_{B}E$/$I_{B}$ ulazne karakteristike tranzistora. Uvažavajući pojavu nelinearnih izobličenja, daleko je povoljni rad u tzv. AB klasi gdje i u odsutnosti pobudnog električnog signala postoji neka određena struja izlazne kolektrorske struje te u A klasi gdje izlazni tranzistori rade u najlinearnijem području svoje prijenosne karakteristike.

Pojačalo snage u B klasi

Pojačala snage u AB, a naročito u A klasi imaju vrlo nizak faktor iskorištenja koji je posebno nizak kada je napon na izlazu pojačala mali ili kada ga uopće nema. Ukoliko se radi o komercijalnim namjenama izvode se zato pojačala u B klasi gdje se izlazni tranzistori dovode praktički pred prag vođenja kako bi se u što većoj mjeri umanjilo tzv. prijelazno izobličenje.

Idejno rješenje takvog izlaznog pojačala prikazano je na slici lijevo, gdje diode D1 i D2 postavljaju radnu točku izlaznih tranzistora Q4 i Q5 upravo pred prag vođenja. Pojačalo ima asimetrično napajanje i odgovarajući elektrolitski kondenzator na izlazu radi odijeljivanja istosmjernog napona na izlazu pojačala od zvučnika.. Sklop izlaznog pojačala ima na ulazu diferencijalno pojačalo gdje se na bazu jednog tranzistora diferencijalnog pojačala dovodi pobudni napon (tranzistor Q1), a na bazu drugog napon negativne reakcije (tranzistor Q2). Naponsko pojačanje je određeno otporima $R_{7}$ i $R_{8}$, gdje je:

${A_{V}}={\frac {R_{8}+R_{7}}{R_{7}}}$,

a sklop kao cjelina može poslužiti kao temelj za konstrukciju izlaznog pojačala snage do desetak ili nešto više vati izlazne snage. U namjeri da se postignu što kvalitetnije prijenosne karakteristike, u pojačala snage se općenito ugrađuju tranzistori velikog strujnog pojačanja gdje tranzistori u diferencijalnom ulaznom stupnju i naročito u izlaznom stupnju sklopa trebaju biti upareni.

Integrirano pojačalo snage u AB klasi

Pojačala snage se mogu izvesti i u obliku integriranog pojačala gdje se na takav integrirani krug izvana priključuju samo one diskretne električne komponente pomoću kojih se definira ulazni otpor sklopa, naponsko pojačanje, određuje nazivna vrijednost kolektorske struje u odsustvu pobude (tzv. kolektorska struja mirovanja) ili postavlja izlazni posmični istosmjerni, tzv. drift. napon na nulu. U integriranom pojačalu snage (slika desno) razlikujemo ulazni diferencijalni stupanj sa pratećim sklopovima za pojačanje signala i podešavanje izlaznog posmičnog napona (uokvireno plavom isprekidanom crtom), strujna zrcala, odn.izvore konstantne struje za postavljanje radnih točaka ulaznog dijela sklopa (uokvireno crvenim isprekidanim crtama), sklop za podešavanje radne točke tranzistora za pobudu izlaznih tranzistora sklopa (uokvireno ljubičastom isprekidanom crtom), sklop za podešavanje kolektorske struje mirovanja (uokvireno zelenom isprekidanom crtom) te sam izlazni stupanj pojačala (uokvireno plavom isprekidanom crtom). Sklop sa slike ima simetrično napajanje $V_{S}+$(7) i $V_{S}-$(4), gdje se zvučnik spaja neposredno između izlaza integriranog pojačala (6) i referentnog potencijala (mase). Ulazni signal se dovodi na neinvertirajući ulaz diferencijalnog pojačala (3), a signal negativne reakcije se uzima s izlaza pojačala (6) i dovodi preko odgovarajuće mreže otpora na invertirajući ulaz diferencijalnog pojačala (2). Frekvencijska kompenzacija sklopa izvedena je kapacitetom nazivne vrijednosti 30 pF. Integrirani sklop pojačala snage prikazane konstrukcije može predati zvučniku do desetak ili nešto više vati snage. Poteškoće s odvođenjem topline nakon toga postaju znatno veće te se nerijetko pojačala snage izvode na način da se cijeli ulazni i pobudni dio gdje nema velikog oslobađanja topline izvodi kao integrirani krug na čiji se izlaz spajaju sami tranzistori snage kao diskretne elektroničke komponente.

Pojačala snage s diskretnim elementima

Pojačala snage s diskretnim elementima zasnovana su na vrlo sličnim konstrukcijskim temeljima kao u prikazanom integriranom pojačalu. Ovdje naravno konstruktori pojačala imaju nebrojeno veće mogućnosti u pogledu izbora vrste i osobina ugrađenih elektroničkih elemenata te se niskofrekventna pojačala snage i dalje proizvode tamo gdje se traže vrhunske prijenosne karakteristike, a gdje cijena nije od primarne važnosti. Pojačala snage s diskretnim elementima se izvode na klasičan način gdje se sve elektroničke komponente leme na tiskanu pločicu, a gdje pojačala mogu biti izvedena elektronskim cijevima te bipolarnim ili unipolarnim tranzistorima povoljnih karakteristika. Ukoliko se pojačala izvode u poluvodičkoj tehnici, redovito se koristi simetričan izvor napajanja uz neposredno povezivanje izlaza pojačala i zvučnika. Ulazni sklop je u pravilu izveden diferencijalnim pojačalom, a izlazni dio sklopa mora imati riješenu toplinsku stabilizaciju i podešavanje kolektorske struje mirovanja. Koriste se tranzistori visoke granične frekvencije koji omogućavaju optimalnu kontrolu negativne reakcije, a u izlaznom stupnju i komplementarni izlazni tranzistori velikog faktora strujnog pojačanja (bipolarni tranzistori), odn. velike strmine (unipolarni tranzistori).