คลาส..ปัจจุบัน และคลาส..อนาคต ของเพาเวอร์แอมป์รถยนต์
- วันที่: 04/06/2014 13:25
- จำนวนคนเข้าชม: 8452
ด้วยยุคสมัยที่เปลี่ยนไป ทำให้เราต้องหันกลับมาดูกันแล้วละครับว่า เพาเวอร์แอมป์รถยนต์นั้นจะมีรูปแบบของพัฒนาการกันอย่างไร ในส่วนนี้จะนำท่านไปสัมผัสกับเทคโนโลยี่ในเรื่องของ “การจัดลำดับวิธีขยายเสียง” หรือ “Class” ของเพาเวอร์แอมป์กัน จะร่ายยาวทั้งในส่วนของคลาสที่ยังคงมีใช้งานกันในปัจจุบัน และคลาสใหม่ที่จะมีการนำมาใช้ในไม่ช้าไม่นานนี้
การเปลี่ยนแปลงของ “คลาส” ในเพาเวอร์แอมป์โดยทั่วไป มักมีใจความสำคัญในเรื่องของ “การลดค่าใช้จ่ายต่อกำลังวัตต์ในการขยายเสียง” โดยกรณีที่เห็นชัดเจนก็คงจะเป็นในส่วนของ Class D และลักษณะวงจรดิจิตอลอื่นๆที่คล้ายคลึงกัน นักออกแบบเพาเวอร์แอมป์รถยนต์รุ่นใหม่ๆ มีการนำเอาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี่เหล่านี้มาใช้งาน เพื่อลดขนาดและน้ำหนักของแพ็คเกจ(ตัวเครื่องเพาเวอร์แอมป์) รวมไปถึงการใช้ทรัพยาการทางด้านพลังงานให้ได้ประโยชน์สูงสุด
Class “A”
การขยายเสียงในแบบ Class A นั้น ถือเป็นระดับโครงสร้างที่ง่ายและเป็นพื้นฐานอย่างที่สุด เพาเวอร์แอมป์จะทำงานในความเป็นเชิงเส้นทั้ง 360 องศา จากรูปคลื่นที่ป้อนเข้ามา
ข้อเด่น
มีระดับความผิดเพี้ยนที่ต่ำมาก โดยไม่ปรากฏการบิดเบือนที่จุดตัดใดๆ
ข้อด้อย
มีการกระจายความร้อนออกมาสูงมาก ส่งผลให้ประสิทธิผลต่อพลังงานไม่ดี และกำลังขยายสูงสุดถูกจำกัดด้วยภาคจ่ายกระแสไฟ รวมไปถึงการลดน้อยถอยลงของช่วงไดนามิค
บทสรุป
บ่อยครั้งที่ Class A ถูกนำไปใช้ในการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเพาเวอร์แอมป์ เพื่ออ้างอิงกับคุณภาพของเสียง และมักใช้ในอุปกรณ์เชิงลึก ที่ออกแบบให้เป็น “ไฮเอ็นด์” โดยไม่ใส่ใจเรื่องประสิทธิผลต่อพลังงานที่ไม่ดี และไม่มีปัจจัยในเรื่องค่าใช้จ่ายมาเป็นตัวกำหนด
Class “B”
Class B นั้นจะใช้อุปกรณ์เอาท์พุทสองส่วน โดยอุปกรณ์หนึ่งเชื่อมตรงกับแหล่งพลังงาน และอุปกรณ์ที่สองเป็นกระแสกราวน์ การขยายจะทำงานที่ครึ่งซีกในความเป็นเชิงเส้น หรือน้อยกว่า 180 องศา จากสัญญาณขาเข้าที่เป็นสัญญาณกระแสสลับ เพื่อทำให้เกิดคลื่นเสียงได้ทั้งสองทิศทาง ทรานซิสเตอร์ในแบบ NPN และ PNP ถูกนำมาใช้งานร่วมกันสำหรับการสวิทช์สัญญาณช่วงบวกและช่วงลบ ในการขยายแรงดันกระแสเสียง
ข้อเด่น
ไม่มีการใช้กระแสไบอัส แต่ใช้ทรานซิสเตอร์เอาท์พุททั้ง NPN และ PNP ทำหน้าที่สลับการทำงานได้โดยไม่ต้องมีแอ่งกระแส ประสิทธิภาพทำได้อยู่ที่ประมาณ 60 เปอร์เซ็นท์
ข้อด้อย
อุปกรณ์เอาท์พุทที่ทำงานสลับระหว่างส่วนบวกและส่วนลบโดยไม่มีกระแสไบอัส มักทำให้เกิดการบิดเบือนในระดับสูง ที่เรียกกันว่า “การบิดเบือนที่จุดตัด” (ซึ่งการแก้ปัญหานี้ ก็คือการใช้ Class AB ที่มีการป้อนไบอัสให้กับอุปกรณ์ทางเอาท์พุทด้วยนั่นเอง)
บทสรุป
Class B มักจะนำมาใช้กับการออกแบบเพาเวอร์แอมป์ต้นทุนต่ำ และไม่ใส่ใจในเรื่องความเพี้ยนที่สูงนั้น โดยนิยมกันมากสำหรับการออกแบบใช้งานในวงจร TTL
Class “AB”
Class AB ใช้โครงสร้างแบบอุปกรณ์เอาท์พุทสองส่วน ในข้อกำหนดของ Class AB และประยุกต์ใช้การป้อนกระแสไบอัสเข้าไปที่ขา emitters ของอุปกรณ์ เพื่อทำให้อุปกรณ์เอาท์พุทมีกระแสเหนี่ยวนำเบื้องต้น (ประมาณ 3 mA) ทำให้ความเพี้ยนที่จุดตัดลดต่ำลง โดยประสิทธิผลที่ได้ยังเป็นแบบ Class B และมีความเพี้ยนต่ำในแบบ Class A
ในการประยุกต์ใช้กระแสไบอัสป้อนจ่ายแบบ Class A ไปยังส่วนเอาท์พุทในแบบ Class B จะปรากฏผลทางประสิทธิภาพอยู่ที่ 45 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ และเพาเวอร์แอมป์ที่เป็น Class AB จำเป็นต้องมีแผงระบายความร้อนในขนาดที่เหมาะสม
ข้อเด่น
ใช้กระแสสงบที่ระดับต่ำเมื่อเทียบกับ Class A และมีความเพี้ยนในระดับต่ำ
ข้อด้อย
มีการใช้กระแสจริงที่มากกว่า Class B การควบคุมกระแสจึงต้องมีความเที่ยงตรงแม่นยำเพื่อป้องกันความร้อนแฝงที่จะเกิดขึ้น รวมไปถึงการควบคุมระดับแรงดันก็จะต้องแม่นยำด้วยเช่นกัน และเมื่อมีการใช้กระแสไบอัสไปยังทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์นั้นก็จะต้องเชื่อมต่อกับแผงระบายความร้อนได้โดยตรงเพื่อระบายความร้อน รวมถึงต้องมีตัวควบคุมอุณหภูมิในการป้องกันความเสียหาย
บทสรุป
Class AB ได้การยอมรับมากที่สุดในโลกของอุตสาหกรรมทางอีเล็กโทรนิกส์ ทั้งในเรื่องความเรียบง่ายของงานออกแบบ, ความสัมพันธ์ของความเพี้ยนที่ระดับต่ำ, ต้องการแอ่งกระแสในปริมาณน้อย และมีค่าใช้จ่ายต่ำมาก
Class “D”
Class D มีโครงสร้างหลักเป็นอุปกรณ์เอาท์พุทแบบ MOSFETS ทีทำหน้าที่เหมือนสวิทช์เปิด/ปิดเต็มรูปแบบ เป็นการสวิทช์ในแบบไม่เป็นเชิงเส้น หัวใจหลักในการทำงานของระบบก็คือการเปรียบเทียบ ที่ซึ่งคลื่นสามเหลี่ยมความถี่สูงถูกนำมาเทียบกับระดับสัญญาณที่ถูกป้อนเข้ามา และแปรเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงเพื่อนำไปใช้ในการสวิทช์ ในขณะที่ยังไม่มีสัญญาณเข้าหรือมีค่าเป็นศูนย์ ความถี่ของการสวิทช์ที่เอาท์พุทจะอยู่ที่ 50 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วรอบทำงาน หรือเท่ากับเอาท์พุท RMS ที่ 0V (เช่นเดียวกับสัญญาณอินพุทที่ 0V)
เมื่อสัญญาณอินพุทเพิ่มขึ้น ภาค PWM ก็จะทำการเพิ่มหรือลดขนาดตามช่วงคลื่นบวกหรือลบ ทำให้บางครั้งเราอาจเรียกเพาเวอร์แอมป์ในแบบนี้ว่าเป็น “เพาเวอร์แอมป์ PWM” หรือ Pulse Width Modulation การสวิทช์ทางเอาท์พุทนี้บางครั้งถูกเรียกว่า “ตัวพาหะ” ที่ถูกผนวกรวมเข้าไปกับสัญญาณ และตัวกลั่นกรองทางเอาท์พุทก็ทำหน้าที่เป็น “ตัวแยกการผนวก” โดยอุปกรณ์กลั่นกรองจำพวก LC จะทำหน้าที่แยกความถี่ HF หรือตัวพาหะออก เหลือไว้แค่เพียงคลื่นเสียงเพื่อส่งออกไป
ข้อเด่น
ให้ประสิทธิภาพในการทำงานสูงถึงระดับ 80 เปอร์เซ็นท์หรือ 90 เปอร์เซ็นท์ ขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่คัดเลือกมาใช้งาน ใช้แผงระบายความร้อนขนาดเล็กหรือแทบไม่ต้องใช้เลย
ข้อด้อย
เพาเวอร์แอมป์ Class D นั้นมีความสลับซับซ้อนกว่าแอมป์ Class AB ต้องใช้อุปกรณ์ภาคส่วนป้องกันและกลั่นกรอง และชดเชยความล่าช้าทางเฟสเพื่อความเสถียรของการทำงาน ขนาดของแบนด์วิธหรือแถบความกว้างของคลื่นถูกจำกัดด้วยความถี่ในการสวิทช์และตัวกรองแยกพาหะ โดยทั่วไปจะมีราคาค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับ Class AB ที่ระดับกำลังขับต่ำกว่า 100 วัตต์
บทสรุป
Class D เป็นโครงสร้างที่ใช้กันอย่างกว้างขวางสำหรับเพาเวอร์แอมป์เพื่อขับซับวูฟเฟอร์ เนื่องด้วยข้อจำกัดทางด้านความกว้างของคลื่น และความต้องการของพลังขับที่สูงมากในการขับดันคลื่นเสียงดนตรีในความถี่ช่วงเบส
Class “G”
Class G ใช้โครงสร้างของส่วนจ่ายไฟ แยกเป็นสองรางในแต่ละไฟบวกและไฟลบ ผ่านทางไดโอดและ MOSFET ทีทำหน้าที่ในการสวิทช์กำลังไฟ
ที่การทำงานระดับต่ำ ไฟบวก/ลบของ VCC1 จะทำหน้าที่จ่ายกระแสไปยังทรานซิสเตอร์เอาท์พุท และไฟชุด VCC2 จะถูกตัดออก (โดย MOSFET เปิด)
เมื่อมีการไดร์ฟกำลัง(ป้อนอินพุท) เกนของ VCC +/- จะถูกเปรียบเทียบกับ +SW และ –SW เพื่อเปิด MOSFETs ในการเปลี่ยนรางแรงดันไฟระดับต่ำไปเป็นรางแรงดันไฟระดับสูง
ด้วยวิธีนี้ จะมีการกระจายกำลัง และมีประสิทธิภาพที่เหมาะสมสำหรับระดับกำลังที่กำหนด
ข้อเด่น
มีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนใน Class AB ดังนั้นค่าปัญหาทางเชิงเส้นและ EMI จึงมีอยู่ในระดับต่ำ
ประสิทธิภาพของการขยายมีความเสมอภาค สามารถส่งพลังงานออกไปได้ตามที่กำหนด โดยใช้ทรานฟอร์เมอร์ขนาดเล็กกว่า และใช้แผงระบายความร้อนขนาดเล็กกว่าเมื่อเทียบกับแอมป์ Class AB ทั่วๆไป
ข้อด้อย
โครงสร้างของวงจรมีความซับซ้อนมากขึ้น ทำให้ต้นทุนเพิ่มสูงขึ้น
ยังคงมีความบิดเบือนที่จุดตัดคล้ายๆกับ Class B มีการรบกวนในการสวิทช์ที่เกิดขึ้นในแต่ละครั้งของการเปลี่ยนถ่ายแรงดันไฟ
บทสรุป
เป็นโครงสร้างที่ใช้กันในเพาเวอร์แอมป์ประสิทธิภาพสูง ที่ไม่ใส่ใจในเรื่องของราคาและความบิดเบือน
Class “H”
มีโครงสร้างส่วนใหญ่คล้าย Class AB แต่มีหลักการของการใช้รางแรงดันไฟในการเพิ่มพลังไดนามิค โดยการเพิ่มแรงดันจะทำด้วยตัวแปลง DC-DC โครงสร้างนี้ยังคงใช้รางไฟสองระดับกับไฟบวกและไฟลบ ที่เอาท์พุทระดับต่ำ ไฟ +/- ที่ VCC จะถูกกำหนดไว้ตายตัว อาทิ +/- 10 โวลท์
กำหนดไฟอ้างอิงที่ +10V และใช้ Vo ส่งการกระตุ้นไปยัง TMOS-P กับ TMOS-N เพื่อรักษา PWM ให้ทำการควบคุมไว้ที่ +/- 10V
เมื่อมีแรงขับเพิ่มสัญญาณสูงขึ้นถึง 10V (อ้างอิง) ตัวแปลง Buck จะปล่อยจ่ายแรงดันขับให้เพิ่มสัญญาณขึ้นสูงกว่า 10V อ้างอิง และกระตุ้นให้ภาคจ่ายไฟ PWM เพิ่มแรงดันขาออกที่ถูกต้องให้กับทรานซิสเตอร์เอาท์พุท คล้ายกับการทำให้แรงดันไฟอยู่สูงกว่าสัญญาณขาออก
ด้วยวิธีนี้ การกระจายกำลังและประสิทธิภาพ จะถูกปรับให้เหมาะสมเมื่อมีการจ่ายกำลังที่มากกว่าสูงสุด 10V
Class H ใช้โครงสร้างพื้นฐานที่ผนวกรวม Class AB และ Class D เข้าด้วยกัน
ข้อเด่น
น่าจะเป็นเพาเวอร์แอมป์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด สามารถป้อนจ่ายกำลังขาออกได้ตามกำหนด โดยใช้ทรานฟอร์เมอร์ขนาดเล็ก และใช้การระบายความร้อนเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแอมป์ Class AB ทั่วๆไป
ไม่มีการรบกวนทางการสวิทช์ อันเนื่องมาจากความเป็นเชิงเส้นทางเอาท์พุท
ข้อด้อย
เพิ่มความซับซ้อนในวงจร มีผลให้ต้นทุนสูงขึ้น
การตอบสนองฉับพลันค่อนข้างแย่
ต้องการอุปกรณ์กรอง EMI ในภาคจ่าย ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น
บทสรุป
Class H เป็นโครงสร้างที่ถูกใช้ในเพาเวอร์แอมป์ประสิทธิภาพสูง ที่ค่าใช้จ่ายไม่ใช่ปัญหาที่ต้องตระหนก
Class “GH”
Class G/H เป็นโครงสร้างที่ใช้การเชื่อมต่อไดโอดเข้ากับรางจ่ายไฟ +/- หลายระดับ (อย่างน้อยก็สองรางไฟ +/-) ที่พลังงานขับระดับต่ำจะใช้กระแสจ่ายจาก +/- VCC1 ไปยังเอาท์พุท โดย VCC2 และ VCC3 ถูกปิด
เมื่อสัญญาณเพิ่มขึ้น VCC2, Q3 จะเริ่มทำงานเพื่อป้อนจ่ายกระแส จน Q1 กับ Q2 อยู่ในสภาวะอิ่มตัว ด้วยวิธีการนี้ กำลังจะถูกกระจาย และเพิ่มประสิทธิภาพที่เหมาะสมได้มากกว่าค่าแรงดันไฟในเพาเวอร์แอมป์
ข้อเด่น
เป็นเพาเวอร์แอมป์ประสิทธิภาพสูง เมื่อเทียบกันในขนาดกำลังวัตต์เดียวกัน ใช้ทรานฟอร์เมอร์จ่ายไฟขนาดเล็กกว่า และใช้แผงระบายความร้อนน้อยกว่า
ข้อด้อย
วงจรมีความสลับซับซ้อน ส่งผลให้ค้นทุนสูงขึ้น (ทรานฟอร์เมอร์แบบหลายจุดต่อ และอุปกรณ์เอาท์พุทที่ทับซ้อน ทำให้มีราคาค่อนข้างสูง)
มีความบิดเบือนที่จุดตัดคล้ายกับ Class B มีการรบกวนจากการสวิทช์เมื่อเปลี่ยนถ่ายระดับเอาท์พุท รวมถึงค่า THD ที่ความถี่สูงของคลื่นเสียง
บทสรุป
Class G/H จึงเป็นโครงสร้างที่ใช้กันในเพาเวอร์แอมป์ประสิทธิภาพสูง ที่ราคาและความบิดเบือนไม่ใช่เรื่องที่ต้องคำนึง
