แอมพลิฟายเออร์คลาส H: หลักการทำงาน ประสิทธิภาพ และการใช้งานใน Pro Audio

เมื่อผู้ผลิตลำโพงเสริมกำลังประเมินแพลตฟอร์มของแอมพลิฟายเออร์ ทุกตัวเลือกจะต้องมีข้อต้องเสีย คลาส AB ได้รับการพิสูจน์แล้ว แต่ทำงานได้อย่างร้อนแรง คลาส D มีประสิทธิภาพแต่มีการสลับอาร์ติแฟกต์ และคลาส H มีแนวโน้มที่จะอยู่ระหว่างทั้งสอง ตรรกะทางวิศวกรรมนั้นเรียบง่าย: ทำให้แหล่งจ่ายไฟเป็นไปตามสัญญาณเสียง ดังนั้นระยะเอาท์พุตจึงไม่เปลืองแรงดันไฟฟ้าจำนวนมากเป็นความร้อน แอมพลิฟายเออร์ คลาสเอช ให้คุณภาพเสียงอะนาล็อกที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า และยังคงเป็นตัวเลือกที่ได้รับการยอมรับในแค็ตตาล็อกโมดูลเสียงระดับมืออาชีพ คู่มือนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของ ชั้นเรียน H ประสิทธิภาพที่คุณสามารถคาดหวังได้ และวิธีการประเมินโมดูลเครื่องขยายเสียง คลาสเอช สำหรับการออกแบบลำโพงและซับวูฟเฟอร์ OEM

แอมพลิฟายเออร์คลาส H คืออะไร?

เครื่องขยายเสียงคลาส H คือเครื่องขยายเสียงแบบอะนาล็อกที่มีรางจ่ายไฟแบบมอดูเลต ในแอมพลิฟายเออร์ คลาสเอB แบบเดิม แรงดันไฟฟ้าจะคงที่ในขณะที่สัญญาณเสียงมีความผันผวน ดังนั้นทรานซิสเตอร์เอาต์พุตจึงกระจายแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินออกมาเป็นความร้อนอย่างต่อเนื่อง ในแอมพลิฟายเออร์คลาส H วงจรติดตามจะยกและลดรางจ่ายไฟเพื่อให้อยู่เหนือระดับสัญญาณเสียงเพียงเล็กน้อย

เทคนิคนี้เรียกกันทั่วไปว่าการติดตามรถไฟ เมื่อเสียงเพลงเงียบ แรงดันไฟฟ้าของรางจะลดลง เมื่อมีการตีกลองแบบชั่วคราวหรือแบบเตะมาถึง แรงดันไฟฟ้าของรางจะเพิ่มขึ้นเพื่อให้ระยะเอาท์พุตมีพื้นที่ว่างเพียงพอ ผลลัพธ์ที่ได้คือการสร้างความร้อนต่ำกว่าและประสิทธิภาพโดยรวมดีกว่าการออกแบบอะนาล็อกแบบรางคงที่ การอภิปรายด้านการออกแบบระหว่างวิศวกรเสียงมักจะกล่าวถึงการประหยัดในปัจจุบันประมาณ 20-30% ที่ระดับเสียงเพลงทั่วไป เมื่อเทียบกับแอมพลิฟายเออร์ คลาสเอบี แบบรางคงที่ ตามบทความ Wikipedia ที่อ้างถึงอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับคลาสเครื่องขยายสัญญาณเสียง คลาส H แตกต่างจากคลาส G ตรงที่รางจ่ายไฟจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะเป็นขั้นตอนแยกกันเพื่อตอบสนองต่ออินพุต

สำหรับผู้ผลิต สถาปัตยกรรมเดียวกันนี้มีให้ใช้งานในรูปแบบเอกสารสำเร็จรูป: โมดูลเพาเวอร์แอมป์ที่ใช้งานอยู่ รวมปรีแอมป์ ตัวควบคุมการติดตาม และสเตจเอาท์พุตไว้บนบอร์ดเดียว คุณจึงสามารถนำประสิทธิภาพคลาส H มาใช้ได้โดยไม่ต้องออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับการติดตามตั้งแต่เริ่มต้น ตัวอย่างเช่น โมดูล เช่น Amp300H-7294 ให้กำลังความถี่ต่ำ 300 W บวกเอาต์พุตความถี่สูง 50 W จากแหล่งจ่ายหม้อแปลงเชิงเส้นสำหรับระบบลำโพงแบบไบแอมป์

สรุปประสิทธิภาพ: เปรียบเทียบคลาส H อย่างไร

ตัวเลขประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับโหลด ปริมาณสัญญาณ และการออกแบบวงจร โดยทั่วไปการอ้างอิงทางวิศวกรรมเสียงจะอ้างอิงช่วงต่อไปนี้ที่เอาต์พุตระดับสูงอย่างต่อเนื่อง:

คลาส A จะกระจายพลังงานมากที่สุดเนื่องจากอุปกรณ์เอาท์พุตจะใช้พลังงานได้เต็มที่เสมอ คลาส AB ปรับปรุงให้ดีขึ้นแต่ยังคงเผาผลาญความร้อนจำนวนมากทั้งที่ไม่ได้ใช้งานและเอาต์พุตบางส่วน คลาส H ลดการกระจายนี้โดยติดตามขอบเขตสัญญาณ ในขณะที่คลาส D ไปถึงประสิทธิภาพสูงสุดโดยการสลับระยะเอาต์พุตที่ความถี่สูง

ลักษณะทั่วไปของคลาสแอมพลิฟายเออร์หลักที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบเสียงระดับมืออาชีพ
Class	ประสิทธิภาพโดยทั่วไป	รางจ่าย	ขั้นตอนการส่งออก	การจัดการความร้อน
คลาสเอ	20-30%	แก้ไขแล้ว	เชิงเส้น ดำเนินการอยู่เสมอ	ต้องใช้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่
คลาสเอB	50-65%	แก้ไขแล้ว	เชิงเส้น	แผงระบายความร้อนปานกลาง
Class H	70-80%	การติดตาม	เชิงเส้น	แผ่นระบายความร้อนขนาดเล็กถึงปานกลาง
คลาสดี	85-90%	สลับแล้ว	การสลับ	น้อยที่สุด แต่จำเป็นต้องมีการกรองเอาต์พุต

รางจ่ายติดตามทำงานอย่างไร

แผนภาพด้านล่างแสดงให้เห็นถึงลักษณะการทำงานที่สำคัญ สัญญาณกลางคือคลื่นไซน์ เส้นประด้านบนและด้านล่างคือรางจ่ายบวกและลบ รางขั้วบวกจะเพิ่มขึ้นเฉพาะในช่วงครึ่งทางบวกของสัญญาณ และรางขั้วลบจะลึกลงเฉพาะในช่วงครึ่งทางลบเท่านั้น

ตัวควบคุมการติดตามทำการมอดูเลตนี้อย่างต่อเนื่อง โดยจะตรวจสอบสัญญาณอินพุต คาดการณ์เฮดรูมที่ต้องการ และขับเคลื่อนขั้นตอนการควบคุมแบบแอคทีฟที่ป้อนทรานซิสเตอร์เอาท์พุต ในการออกแบบโมดูลในทางปฏิบัติที่มีแหล่งจ่ายไฟหม้อแปลงเชิงเส้น ตัวควบคุมจะปรับรางเพื่อให้ระยะเอาท์พุตเห็นแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่เพียงพอเสมอ

ปรีแอมป์อินพุตจะกำหนดเงื่อนไขสัญญาณเสียงและส่งไปยังตัวควบคุมการติดตาม
ตัวควบคุมจะเปรียบเทียบขอบเขตเอาท์พุตทันทีกับแรงดันไฟฟ้าของรางปัจจุบัน
ขั้นตอนการควบคุมการจ่ายไฟจะเพิ่มหรือลดรางภายในไมโครวินาที โดยรักษาส่วนต่างเล็กน้อยเหนือจุดสูงสุดของสัญญาณ
ทรานซิสเตอร์เอาท์พุตจะขยายสัญญาณโดยใช้รางที่สูงเพียงพอ โดยแปลงพลังงานส่วนเกินให้เป็นความร้อนได้น้อยกว่ามาก

จุดแข็งและการแลกเปลี่ยนของคลาส H

สิ่งที่คลาส H ทำได้ดี

ประสิทธิภาพสูงกว่าคลาส AB ในรอบการทำงานของดนตรี โดยมีภาระการระบายความร้อนน้อยกว่า
ทำความสะอาดเอาต์พุตแบบอะนาล็อกโดยไม่มีสัญญาณรบกวนในการสลับหรือสิ่งรบกวนความถี่สูง
การใช้พลังงานขณะไม่ได้ใช้งานที่ลดลงจะเป็นประโยชน์ต่อผลิตภัณฑ์ที่จำกัดความร้อนหรือใช้พลังงานจากแบตเตอรี่
พื้นที่ส่วนหัวสูงสุดยังคงมีอยู่ชั่วคราวเนื่องจากรางสามารถขึ้นได้อย่างรวดเร็ว

ที่ที่ Class H ทำให้คุณจ่ายเงิน

ขั้นตอนการจ่ายไฟที่ซับซ้อนมากขึ้นจะทำให้ต้นทุนโมดูลเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับคลาส AB
การติดตาม controller must be stabilized carefully to avoid distortion on fast transients
ประสิทธิภาพยังคงต่ำกว่าคลาส D เมื่อใช้กำลังเต็มที่อย่างยั่งยืน
เชิงเส้น transformer supplies add weight compared with compact switching supplies

การอภิปรายด้านการออกแบบระหว่างวิศวกรเสียงสังเกตว่าคลาส H ไม่เคยกลายเป็นโทโพโลยีที่โดดเด่นในเครื่องเสียงไฮไฟสำหรับผู้บริโภค ส่วนใหญ่เป็นเพราะต้นทุนที่เพิ่มขึ้นและความซับซ้อนของการติดตามรางรถไฟนั้นยากที่จะพิสูจน์ได้สำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าเดี่ยวที่ใช้พลังงานต่ำ อย่างไรก็ตาม ในผลิตภัณฑ์ลำโพงระดับมืออาชีพ ประสิทธิภาพและข้อดีด้านความร้อนมีความสำคัญมากกว่ามาก และคลาส H ที่ใช้โมดูลก็ออกแบบให้หลีกเลี่ยงความกังวลเรื่องความซับซ้อนได้มาก

สิ่งที่ต้องตรวจสอบเมื่อเลือกโมดูลเพาเวอร์แอมป์คลาส H

ไม่ใช่ทุกโมดูล Class H ที่ทำงานในลักษณะเดียวกัน ประเด็นเหล่านี้แยกโมดูลระดับมืออาชีพที่ทนทานออกจากบอร์ดที่จะสร้างปัญหาในภาคสนาม:

กำลังไฟพิกัดและอิมพีแดนซ์: ยืนยันพิกัดกำลัง LP และ HP และอิมพีแดนซ์โหลดที่กำหนด เช่น 400 W และ 100 W เป็น 8 โอห์ม
โทโพโลยีการจ่าย: การจ่ายไฟหม้อแปลงเชิงเส้นให้กระแสไฟชั่วคราวที่แข็งแกร่งและสัญญาณรบกวนต่ำ ในขณะที่การจ่ายไฟสลับช่วยลดน้ำหนักและต้นทุน
การออกแบบแผงระบายความร้อน: หม้อน้ำอลูมิเนียมรูปตัว U ขนาดใหญ่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในระยะยาวที่ระดับเอาต์พุตสูง
วงจรป้องกัน: มองหาการป้องกันการโอเวอร์โหลด การลัดวงจร และอุณหภูมิเกินที่ติดตั้งไว้ในโมดูล
การปรับแต่ง: หากคุณเป็น OEM ให้ตรวจสอบว่าผู้ผลิตจะปรับการตั้งค่าล่วงหน้าของ EQ, ความไวอินพุต หรือเค้าโครงของตัวเชื่อมต่อหรือไม่
คุณภาพการผลิต: การประกอบ SMT การทดสอบอัตโนมัติ และการจัดหาส่วนประกอบที่สอดคล้องกันถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพของโมดูลที่ทำซ้ำได้

มุมมองภาพสามมิติ: โครงสร้างหลักของโมดูลเครื่องขยายเสียงคลาส H ขนาดกะทัดรัด

ตัวอย่างในหมวดหมู่นี้คือ Amp400H-7294 ซึ่งให้ความถี่ต่ำ 400 W บวกเอาต์พุตความถี่สูง 100 W พร้อมหม้อน้ำอะลูมิเนียมรูปตัว U และแหล่งจ่ายไฟหม้อแปลงเชิงเส้น ได้รับการออกแบบมาสำหรับ OEM ที่ต้องการพื้นที่ส่วนหัวที่เชื่อถือได้ในขนาดโมดูลขนาดกะทัดรัด

AMP400H 7294 Class H Amplifier Module with 400W LF and 100W HF Output

AMP400H 7294 โมดูลเครื่องขยายเสียงคลาส H พร้อมเอาต์พุต HF 400W และ 100W โมดูล Class H ขนาดกะทัดรัดนี้ให้กำลังความถี่ต่ำ 400W และความถี่สูง 100W พร้อมแหล่งจ่ายไฟหม้อแปลงเชิงเส้นและหม้อน้ำอะลูมิเนียมรูปตัว U ทำให้เป็นตัวเลือกที่เชื่อถือได้สำหรับลำโพงพาวเวอร์ที่ต้องการพื้นที่ด้านบน ดูผลิตภัณฑ์ →

เมื่อคลาส H เหมาะกับเสียงระดับมืออาชีพ

โมดูล Class H มีประโยชน์มากที่สุดในลำโพงแบบมีกำลังขับที่เล่นเนื้อหาที่มีปัจจัยยอดเสียงสูง: จุดสูงสุดที่สั้นเหนือระดับเฉลี่ยที่ค่อนข้างปานกลาง ซึ่งรวมถึงจอภาพ PA, ลำโพงแบบคอลัมน์, ตู้ Line-Array และโดยเฉพาะซับวูฟเฟอร์

ซับวูฟเฟอร์: ภาวะเสียงเบสชั่วคราวต้องการกระแสไฟฟ้าฉับพลัน และรางติดตามจะจ่ายพื้นที่ส่วนหัวที่ต้องการพอดี โดยไม่ต้องทำงานที่แรงดันไฟฟ้าเต็ม
ไลน์อาร์เรย์: มีการติดตั้งโมดูลแอมพลิฟายเออร์ภายในตู้ที่ปิดสนิท ซึ่งยากต่อการขจัดความร้อน คลาส H ช่วยลดภาระความร้อนเมื่อเทียบกับคลาส AB
ลำโพงแบบคอลัมน์: ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดกะทัดรัดทำให้จำเป็นต้องใช้แผงระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ และแหล่งจ่ายสำหรับการติดตามช่วยให้สามารถจัดการอุณหภูมิของตู้ได้

สำหรับงานซับวูฟเฟอร์ Amp600S-FP ให้กำลัง 600 W ผ่านแหล่งจ่ายไฟหม้อแปลงเชิงเส้นระดับมืออาชีพ ทำให้เป็นตัวอย่างโดยตรงของการที่ Class H เหมาะกับเอาต์พุตความถี่ต่ำกำลังสูง เหตุผลเดียวกันที่ทำให้มีประโยชน์ในการออกแบบซับวูฟเฟอร์จะนำไปใช้ในวงกว้างเมื่อคุณประเมินว่าอย่างไร โมดูลเครื่องขยายเสียงช่วยเพิ่มคุณภาพเสียงในระบบลำโพง : เครื่องขยายเสียงจะต้องส่งพลังงานที่สะอาดโดยไม่ทำให้ตู้ร้อนเกินไป

คำถามที่พบบ่อย

เครื่องขยายเสียง Class H ดีกว่า Class AB หรือไม่

คลาส H มีประสิทธิภาพมากกว่าคลาส AB เนื่องจากรางจ่ายไฟติดตามสัญญาณ ซึ่งจะช่วยลดความร้อนที่ระดับเสียงเพลงทั่วไป ขณะเดียวกันก็รักษาลักษณะเอาต์พุตแบบอะนาล็อกไว้ คลาส AB ยังคงเรียบง่ายกว่าและราคาถูกกว่าสำหรับแอปพลิเคชันระดับคงที่ที่ใช้พลังงานต่ำ

ประสิทธิภาพของเครื่องขยายเสียง Class H คืออะไร?

ประสิทธิภาพโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 70-80% ที่ระดับเอาต์พุตสูง ขึ้นอยู่กับการออกแบบและโหลด ซึ่งสูงกว่าคลาส AB ที่ 50-65% แต่ต่ำกว่าคลาส D ที่ 85-90%

เครื่องขยายเสียง Class H เหมาะสำหรับลำโพงหรือไม่?

ใช่. คลาส H ทำงานได้ดีกับลำโพงพาวเวอร์ ลำโพงแบบคอลัมน์ และซับวูฟเฟอร์ เนื่องจากจะช่วยลดความร้อนและการสูญเสียพลังงานขณะไม่ได้ใช้งาน ขณะเดียวกันก็ให้เอาต์พุตอะนาล็อกที่สะอาดตาโดยไม่ต้องสลับส่วนอื่น

อะไรคือความแตกต่างระหว่างเครื่องขยายเสียง Class D และ Class H?

คลาสดี switches the output stage on and off for very high efficiency and needs output filtering. Class H keeps a linear output stage but modulates its supply voltage; it uses more current than Class D but is easier to integrate for clean analog performance.

เครื่องขยายเสียง Class H ให้เสียงดีหรือไม่?

คลาส H สามารถฟังดูดีมากในทางปฏิบัติ ระยะเอาท์พุตเป็นแบบเชิงเส้น และแหล่งจ่ายการติดตามจะรักษาเฮดรูมชั่วคราว ดังนั้นลักษณะเสียงจึงใกล้เคียงกับแอมป์คลาส AB ที่ออกแบบมาอย่างดีโดยไม่มีภาระความร้อน

เหตุใดจึงต้องใช้เครื่องขยายเสียง Class H ในซับวูฟเฟอร์

เสียงเบสมีปัจจัยยอดสูง: จุดสูงสุดสั้นเหนือระดับเฉลี่ยเล็กน้อย คลาส H มีพื้นที่ว่างด้านบนเมื่อถึงยอดเขาและลดรางระหว่างนั้น ซึ่งช่วยลดความร้อนและการสูญเสียพลังงานตรงจุดที่สำคัญที่สุด