Кіріспе
Дыбыс қабылдағышты (немесе қуат күшейткішін) қосуға жеткілікті қуатты аудио күшейткіш, радио қабылдағыштан немесе электр гитарадан алынған сигнал сияқты, төмен қуатты электрондық аудио сигналдарды динамиктерді немесе құлаққаптарды қосуға жеткілікті деңгейге дейін күшейтеді. Аудио қуат күшейткіштерін дыбыс күшейту, халыққа жариялау, үй аудио жүйелері және гитара күшейткіштері сияқты барлық дыбыс жүйелерінде кездестіруге болады. Бұл сигнал динамиктерге жіберілмес бұрын, әдеттегі аудио ойнату тізбегінің соңғы электрондық кезеңі болып табылады. Мұндай тізбектегі алдыңғы кезеңдер – сигналды алдын ала күшейту, теңестіру, әртүрлі кіріс сигналдарын араластыру сияқты міндеттерді орындайтын төмен қуатты аудио күшейткіштері. Кірістер сондай-ақ винил ойнатқыштар, CD ойнатқыштар, цифрлық аудио ойнатқыштар және кассета ойнатқыштар сияқты кез келген аудио көздері болуы мүмкін. Көптеген аудио қуат күшейткіштеріне сызықтық деңгейдегі төмен деңгейлі кірістер қажет. Электр гитарасының сигналы сияқты аудио қуат күшейткішіне берілетін кіріс сигналы бірнеше жүз микроваттты құрауы мүмкін, ал оның шығысы шағын тұтыну электроникасы үшін бірнеше ватт, үй стерео жүйесі үшін ондаған немесе жүздеген ватт, түнгі клубтың дыбыс жүйесі үшін бірнеше мың ватт немесе үлкен рок концерттері үшін ондаған мың ватт болуы мүмкін. Қуат күшейткіштерін жеке құрылымдарда табуға болады, әдетте олар жоғары сапалы аудиофильдер нарығына (шешімді нарық) және дыбыс күшейту жүйелерінің мамандарына бағытталған. Бірақ көптеген тұтыну электроникасының аудио өнімдері, мысалы, интегралдық күшейткіштер, қабылдағыштар, сағат радиолары, бумбокс және теледидарлар бір корпус ішінде алдын ала күшейткіш пен қуат күшейткішін біріктіреді.
An audio power amplifier (or power amp) amplifies low power electronic audio signals, such as the signal from a radio receiver or an electric guitar pickup, to a level that is high enough for driving loudspeakers or headphones. Audio power amplifiers are found in all manner of sound systems including sound reinforcement, public address, home audio systems and musical instrument amplifiers like guitar amplifiers. It is the final electronic stage in a typical audio playback chain before the signal is sent to the loudspeakers. The preceding stages in such a chain are low power audio amplifiers which perform tasks like pre amplification of the signal, equalization, mixing different input signals. The inputs can also be any number of audio sources like record players, CD players, digital audio players and cassette players. Most audio power amplifiers require these low level inputs, which are line level. While the input signal to an audio power amplifier, such as the signal from an electric guitar, may measure only a few hundred microwatts, its output may be a few watts for small consumer electronics devices, such as clock radios, tens or hundreds of watts for a home stereo system, several thousand watts for a nightclub's sound system or tens of thousands of watts for a large rock concert sound reinforcement system. While power amplifiers are available in standalone units, typically aimed at the hi fi audiophile market (a niche market) of audio enthusiasts and sound reinforcement system professionals, many consumer electronics audio products such as an integrated amplifier, a receiver, clock radios, boomboxes and televisions have both a preamplifier and a power amplifier contained in a single chassis.
Тарих
Аудио күшейткішті 1912 жылы Ли де Форест ойлап тапты. Бұл оның 1907 жылы алғашқы электрлік күшейткіш компонентін – триодты вакуумдық түтікті (британдық ағылшын тілінде «valve») ойлап тапқандығының нәтижесінде мүмкін болды. Триод – электр жіптен пластинаға электрондар ағынын басқаруға арналған торлары бар үш терминалды құрылғы. Триодты вакуумдық күшейткіш алғашқы АМ радионы жасау үшін пайдаланылды. Алғашқы аудио қуат күшейткіштері вакуумдық түтіктерге негізделген, және олардың кейбіреулері өте жоғары дыбыс сапасына қол жеткізді (мысалы, 1947-1949 жылдарғы Уильямсон күшейткіші). Транзисторларға негізделген аудио қуат күшейткіштері 1960 жылдардың соңында арзан транзисторлардың кеңінен қолжетімділігімен іске асырылды. 1970 жылдардан бері, қазіргі заманғы аудио күшейткіштердің көпшілігі жартылай өткізгіш транзисторларға, әсіресе биполярлы тоқтап тұру транзисторына (BJT) және металл-оксидті жартылай өткізгіш өрістік эффект транзисторына (MOSFET) негізделген. Транзисторлық күшейткіштер жеңіл, сенімді және түтік күшейткіштеріне қарағанда аз күтімді қажет етеді. 1959 жылы Bell Labs-те Мохамед Атала және Давон Канг ойлап тапқан MOSFET, 1974 жылы Тохоку университетінде Джун Ичи Нишизава аудио үшін қуатты MOSFET ретінде бейімделді. Қуатты MOSFET-тер Yamaha компаниясымен Hi-Fi аудио күшейткіштері үшін жақын арада өндіріле бастады. JVC, Pioneer Corporation, Sony және Toshiba компаниялары да 1974 жылы қуатты MOSFET-терді қолданатын күшейткіштерді шығара бастады. Көптеген транзисторлық күшейткіштер қуат бөлімдерінде MOSFET құрылғыларын пайдаланады, себебі олардың бұрмалау қисығы түтіктерге ұқсас. 2010 жылдары әлі де аудио энтузиастары, музыканттар (әсіресе электр гитарашылары, электр бас гитарашылары, Хаммонд орган ойнаушылары және Fender Rhodes электр пианино ойнаушылары және т.б.), аудио инженерлері және музыка продюсерлері түтік күшейткіштерін және олардың «жылырақ» дыбысын қалайтындар бар.
Құрылыс параметрлері
Аудио қуат күшейткіштерінің негізгі конструкциялық параметрлері – жиілік диапазоны, күшейту, шу және бұрмалау. Бұл параметрлер бір-бірімен байланысты; күшейтудің артуы көбінесе шу мен бұрмалаудың күшеюіне алып келеді. Теріс кері байланыс күшейтуді төмендетсе, сонымен бірге бұрмалауды да азайтады. Көптеген аудио күшейткіштері AB класында жұмыс істейтін сызықтық күшейткіштер болып табылады. 1970 жылдарға дейін күшейткіштердің көпшілігі вакуумдық лампалармен жасалған. 1970 жылдары лампалық күшейткіштер транзисторлық күшейткіштермен ауыстырылды, олар жеңіл, сенімді және күтімге азырақ талап етті. Дегенмен, лампалық алдын ала күшейткіштер әлі де белгілі бір нарықтарда сатылады, мысалы, үйдегі аудиофильдер, дыбыс инженерлері және музыка продюсерлері (студиялық жазбаларда микрофондық сигналды «жылуландыру» үшін лампалық алдын ала күшейткіштерді пайдаланады), сондай-ақ электр гитарашылар, электр бас гитарашылар және Hammond органшілер, олардың аз бөлігі лампалық алдын ала күшейткіштерді, қуат күшейткіштерін және эффекттерді пайдалануды жалғастырады. Аудиофильдер мен дыбыс инженерлері тікелей эфирде немесе студияда тректерді бақылау үшін ең аз бұрмалауға ие күшейткіштерді іздесе, блюз, рок және хеви-метал сияқты жанрлардағы электр аспаптарын ойнаушылар лампалық күшейткіштерді жақсы көреді, себебі олар күшейткіштерді қатты жүктеген кезде туындайтын табиғи күшейткіш эффектісін ұнатады. D класындағы күшейткіштер, AB класындағы күшейткіштерге қарағанда әлдеқайда тиімді болғандықтан, қазір тұтыну электроникасының аудио өнімдерінде, бас күшейткіштерде және дыбыс күшейту жүйелерінде кеңінен қолданылады, себебі D класындағы күшейткіштер жеңіл және аз жылу бөледі.
Сүзгілер мен алдын ала күшейткіштер
Қазіргі заманғы цифрлық құрылғылар, соның ішінде CD және DVD ойнатқыштар, радио қабылдағыштар және таспа магнитофондары сызықтық деңгейде "тегіс" сигналды қамтамасыз ететіндіктен, преампер тек дыбыс деңгейін реттеу және сигнал көзін таңдау үшін ғана қажет. Жеке преамперге қарағанда, пассивті дыбыс деңгейін басқару және ауыстыру құрылғыларын пайдалану мүмкін, олар кейде интегралдық күшейткішті құру үшін қуат күшейткішке енгізіледі.
Қуат шығару сатылары
Алдын ала күшейткіштерден кейінгі күшейткіштің соңғы сатысы – шығыс сатысы, онда транзисторларға немесе лампаларға ең жоғары талаптар қойылады. Сондықтан, шығыс құрылғысының (бір полюсті шығыс сатылары үшін, мысалы, бір полюсті триодты күшейткіштерде) немесе құрылғылардың (иіріліп-бұрылатын шығыс сатылары үшін) таңдалуы, әсіресе шығыс құрылғыларының жұмыс класы, көбінесе қуат күшейткішінің жалпы сипаттамасы ретінде қарастырылады. Мысалы, B класындағы күшейткіште жоғары қуатты шығару құрылғылары әрбір циклдың жартысында тоқтатылып, ал қалған құрылғылар (дифференциалдық күшейткіш, кернеу күшейткіші және тіпті драйверлік транзисторлар) A класында жұмыс істейді. Трансформаторсыз шығыс сатысында құрылғылар негізінен қуат көзімен және шығыс жүктемесімен (мысалы, динамикпен) тікелей байланыста болады, мүмкін ірі конденсаторлар және/немесе кішкентай кедергілер арқылы.
Қосымша өзгерістер
Қатты күйдегі күшейткіштер енгізілгеннен кейін бірнеше жыл бойы олардың естілетін дыбысы ең жақсы лампалық күшейткіштердің тамаша дыбыс сапасына жете алмады (лампалық дыбыс күшейткішіне қараңыз). Бұл аудиофильдерді "лампалық дыбыс" немесе лампа дыбысы вакуумдық лампа технологиясының өзіне тән қасиеті деп ойлауға итермеледі. 1970 жылы Матти Отала бұрын байқалмаған бұрмалану түрінің пайда болуы туралы мақала жариялады: уақытша интермодуляциялық бұрмалану (TIM), кейін басқалар оны жылдамдықтан туындаған бұрмалану (SID) деп атады. TIM бұрмалануы күшейткіштің шығыс кернеуінің өте жылдам өсуі кезінде пайда болады. TIM тұрақты синусоидалық сигналдарды өлшеу кезінде көрінбеді, бұл 1970 жылға дейін оны жобалаушы инженерлерден жасыруға көмектесті. TIM бұрмалануының мәселелері қатты күйдегі күшейткіштердің ашық контур жиілік жауабының төмендеуінен туындайды. Отала және басқа авторлардың одан әрі жұмыстары TIM бұрмалануына шешімдер тапты, оның ішінде жылдамдықты арттыру, алдынғы күшейткіштің жиілік диапазонын тарылту және күшейткіштің кіріс сатысына кешіктіру компенсациясы тізбегін енгізу. Жоғары сапалы заманауи күшейткіштерде ашық контур жауабы кем дегенде 20 кГц болып табылады, бұл TIM бұрмалануын жояды. Келесі қадам Англияда Питер Баксандалл жасаған Баксандалл теоремасы болды. Бұл теорема күшейткіштің кіріс бұрмалануы мен шығыс бұрмалануы арақатынасын салыстыру тұжырымдамасын енгізді. Бұл жаңа идея дыбыс инженерлеріне күшейткіштің ішіндегі бұрмалану процестерін жақсырақ бағалауға көмектесті.
Қолданбалар
Маңызды қолданыс салаларына қоғамдық дабыл жүйелері, театр және концерттік дыбыс күшейту жүйелері, сондай-ақ стерео немесе үй кинотеатры жүйесі сияқты тұрмыстық жүйелер жатады. Гитара күшейткіштері мен электрлік клавиатура күшейткіштерін қоса алғанда, аспап күшейткіштерінде де аудио қуат күшейткіштері қолданылады. Кейбір жағдайларда, аспап күшейткішінің қуат күшейткіші, алдын ала күшейткіш, тонды реттеу элементтері және электрондық эффекттерді қамтитын бір күшейткіш "басына" біріктіріледі. Бұл компоненттерді ағаштан жасалған динамик корпусына орнату арқылы "комбо күшейткіш" жасауға болады. Ерекше өнер көрсету қажеттіліктері немесе өте қуатты күшейтуді қажет ететін музыканттар, жеке тіректе орнатылған алдын ала күшейткіштер, теңестіргіштер және 19 дюймдік сақтау корпусына орнатылған қуат күшейткіштен тұратын арнайы жиынтық құра алады. Қуат күшейткіштері жеке блоктар түрінде қол жетімді, оларды Hi-Fi аудио әуесқойлары, қоғамдық дабыл жүйелерін (QA жүйелерін) және дыбыс күшейту жүйелерін жобалаушылар пайдаланады. Hi-Fi қолданушы қуат күшейткіштерін сол және оң динамиктерді басқару үшін стерео түрінде, ал субвуферді басқару үшін бір арналы (моно) түрінде қолдануы мүмкін. Дыбыс күшейтуде қолданылатын қуат күшейткіштерінің саны, орынның өлшеміне байланысты. Шағын кофеханада екі QA динамигін басқаратын бір қуат күшейткіші болуы мүмкін. Түнгі клубта негізгі динамиктер үшін бірнеше қуат күшейткіштері, монитор динамиктері үшін (музыканттарға бағытталған) бір немесе бірнеше қуат күшейткіштері және субвуфер үшін қосымша қуат күшейткіші болуы мүмкін. Стадиондағы концертте көптеген қуат күшейткіштері тіректе орнатылуы мүмкін. Телевизорлар, бумбокс, үй кинотеатры дыбыс жүйелері, Casio және Yamaha электрондық клавиатуралары, "комбо" гитара күшейткіштері және автомобиль стерео жүйелері сияқты көптеген тұтыну электроникасының дыбыс өнімдерінде қуат күшейткіштері негізгі өнімнің шассиіне енгізілген.