مشخصات فنی عمومی و اجرایی تاسیسات برقی ساختمان : ضابطه شماره 110 جلد 2 | ۹-۷- تقویت کننده های قدرت صوتی

تقویت کننده های صوتی تقویت ولتاژ و جریان سیگنال صوتی آنالوگ را به منظور راه اندازی بلندگوها بر عهده دارد. قدرت خروجی و سایر مشخصات فنی هر تقویت کننده بستگی به کاربرد آن دارد. 

۱-۹-۷- تقویت کننده قدرت امپدانس پایین 

تقویت کننده های امپدانس پایین (اهمی) تقویت کننده ای متداول است که به منظور اتصال مستقیم خروجی به بلندگو طراحی شده و با توجه به امپدانس بلندگوها، امپدانس خروجی پایینی دارد تقویت کننده ها به صورت یک یا چند کانال ساخته می شود که اغلب کانال ها دارای توان مساوی است ولی تقویت کننده های دو کانال بیشترین کاربرد را دارد. شکل (۸۳-۷) چند نمونه تقویت کننده قدرت با تعداد کانال های مختلف نشان داده شده است. 

معمولا به هر خروجی تقویت کننده قدرت یک یا چند بلندگو متصل میشود. اغلب تقویت کننده های دو کانال سه حالت در ورودی خود دارد. 

   • حالت دوتایی - در این حالت هر دو کانال به صورت مجزا کار کرده و هر یک سیگنال خود را دریافت و به بلندگوهای مجزا اعمال می کند. 

   • حالت Y - در این حالت ورودی دو کانال تقویت کننده از یک سیگنال (معمولا ورودی کانال ۱) تغذیه شده ولی خروجی ها به بلندگوهای مجزا اعمال می شود. شکل (۷-۸۴) طریقه اتصال تقویت کننده به بلندگو در حالت دوتایی و Y را نشان می دهد. 

   • حالت بریج (پل) - در این حالت سیگنال ورودی یک کانال (معمولا کانال ۱) را تغذیه کرده و همان سیگنال با ۱۸۰ درجه اختلاف فاز به ورودی کانال دوم اعمال میشود. در این حالت بلندگوی خروجی بین دو خروجی تقویت کننده ها قرار می گیرد. به این ترتیب توان دو تقویت کننده با هم جمع شده و دو کانال تقویت کننده به یک کانال با قدرت بیشتر (معمولا دو برابر) تبدیل می شود. شکل (۷-۸۵) طریقه اتصال سیگنال و بلندگو در حالت پل را نشان داده می دهد.

توان خروجی تقویت کننده ها طبق جداولی بر حسب امپدانس بار خروجی تعیین می شود. معمولا توان خروجی بر حسب وات به ازای امپدانس های مختلف مانند 4Ω، 2Ω و 8Ω در خروجی در حالت های دوتایی و پل، توسط سازنده در مشخصات فنی ارایه می شود. جدول (۷-۹) یک نمونه جدول توان خروجی تقویت کننده قدرت امپدانس پایین در حالت های دوتایی و بریج را نشان می دهد.

۲-۹-۷- تقویت کننده قدرت امپدانس بالا 

تقویت کننده قدرت امپدانس بالا (ولتی) جهت راه اندازی بلندگوهای با امپدانس ورودی بالا به کار می رود. هر تقویت کننده امپدانس بالا از یک تقویت کننده امپدانس پایین تشکیل شده که در خروجی آن یک ترانسفورماتور مچینگ افزاینده قرار داده شده است. در تقویت کننده های پیشرفته به جای ترانسفورماتور از مدارهای الکترونیک در طبقه خروجی استفاده شده و افزایش ولتاژ و امیدانس در خروجی ایجاد میشود جدول (۱۰۷) یک نمونه جدول توان خروجی تقویت کننده قدرت امپدانس بالا در حالتهای دوتایی و بریج را نشان می دهد. 

۳-۹-۷- تقویت کننده قدرت دیجیتال با پردازشگر داخلی 

از آنجا که سیگنال تقویت شده جهت راه اندازی برخی از تقویت کننده های قدرت با پردازشگر داخلی ساخته می شود. این تقویت کننده ها سیگنال ورودی را به دیجیتال تبدیل کرده پس از انجام پردازش های مدیریت بلندگو مجددا به آنالوگ تبدیل کرده و به بلندگو اعمال می کند. این تقویت کننده ها در مدل های ساده به صورت دستی تنظیم و در مدل های پیشرفته تر با اتصال به کامپیوتر توسط نرم افزارهای مخصوص تنظیم می شود. ارتباط با کامپیوتر معمولا از طریق پورت های RS-232 ،RS-485 ،USB ، Ethernet برقرار می شود. شکل (۷-۸۶) چند نمونه تقویت کننده قدرت با پردازش گر داخلی را نشان می دهد. 

۴-۹-۷- تقویت کننده های قدرت دیجیتال تحت شبکه 

تقویت کننده های قدرت دیجیتال تحت شبکه معمولا دارای پردازشگر داخلی دیجیتال هستند. در طبقه ورودی این دستگاه ها یک پردازشگر سیگنال دیجیتال قرار دارد که می توان این تقویت کننده ها را به وسیله کامپیوتر در شبکه از راه دور کنترل و پایش کرد. مانیتورینگ دستگاه اغلب شامل مواردی از قبیل ولتاژ تغذیه برق شهر، دمای داخلی تقویت کننده و وضعیت بار خروجی را شامل می شود و در صورت تغییر پارمترهای مربوطه از محدوده تعیین شده در نرم افزار کنترلی با آلارم اپراتور را از وضعیت نامناسب دستگاه مطلع می کند. در پروژه های بزرگ که به واسطه گستردگی مساحت امکان قرار دادن دستگاه های تقویت کننده در یک مکان وجود ندارد و تقویت کننده ها در رک های مختلف در سطح پروژه نصب می شوند ضرورت استفاده از تقویت کننده های دیجیتال تحت شبکه بیشتر است. این نوع تقویت کننده ها معمولا به وسیله درگاه شبکه با سوکت RJ۴۵ و از طریق سوییچ های شبکه LAN به کامپیوتر متصل می شود. به منظور جلوگیری از تداخل آدرس دهی بهتر است برای سیستم صوتی از شبکه مستقل استفاده شود، ولی در پروژه هایی که از یک شبکه مرکزی برای تمام زیر سیستم های تحت شبکه استفاده شده است بهتر است از یک شبکه مجازی تعریف شده مستقل برای سیستم صوتی استفاده شود. در برخی مدل های قدیمی از رابط با پروتکل ۴۸۵-RS یا ۴۲۲-RS جهت ارتباط با کامپیوتر استفاده می شود. بسته به این که سیگنال صوتی به چه شکل وارد تقویت کننده دیجیتال تحت شبکه شود این تقویت کننده ها دارای دو نوع کلی با ورودی های آنالوگ و دیجیتال است. 

۱-۴-۹-۷- تقویت کننده دیجیتال تحت شبکه با ورودی آنالوگ 

در تقویت کننده های دیجیتال تحت شبکه سیگنال ورودی از طریق کابل سیگنال متوازن (بالانس) به دستگاه وارد می شود و شبکه متصل به آن فقط جهت کنترل تنظیم پارامترها و پایش آنها به کار می رود. معمولا این دستگاه ها به دلیل نداشتن رابط و پروتکل انتقال سیگنال دیجیتال ارزان قیمت تر از مدل های با ورودی دیجیتال است. ولی استفاده از کابل های مرغوب در طول های بالا جهت انتقال سیگنال آنالوگ به آن ها ضروری است. این نوع تقویت کننده ها قابلیت زون بندی گستره دستگاه های با ورودی دیجیتال را ندارند. 

۲-۴-۹-۷- تقویت کننده تحت شبکه با ورودی دیجیتال 

در تقویت کننده های قدرت تحت شبکه با ورودی سیگنال دیجیتال سیگنال صوت به وسیله یک فرستنده مانند پردازش گر یا میکسر مرکزی طبق یک پروتکل مشخص به دیجیتال تبدیل شده و به وسیله شبکه دیجیتال به دستگاه های تقویت کننده منتقل می شود. انواع پروتکل های سیگنال دیجیتال در بخش ۷-۵-۳ معرفی شده است. بستر و ساختار شبکه استفاده شده بستگی به نوع پروتکل منتخب دارد در استفاده از این نوع دستگاه ها قابلیت اطمینان شبکه و سوییچ های سازگار با پروتکل بسیار ضروری است. در این تقویت کننده ها علاوه بر کنترل تنظیم و مانیتورینگ دستگاه امکان زون بندی و اعمال تغییرات در آن وجود دارد و می توان چندین سیگنال مختلف را هم زمان به چندین زون مختلف ارسال کرد. در تقویت کننده های با ورودی دیجیتال محاسبه و در نظر گرفتن پهنای باند مورد نیاز شبکه از اهمیت بالایی برخوردار است و در صورت استفاده از شبکه مجازی حتما باید پهنای باند مورد نیاز رزرو شود چرا که افزایش ترافیک و کاهش پهنای باند موجب قطع و وصل شدن و اختلال در ارسال سیگنال صوتی خواهد شد. به منظور افزایش ایمنی و جلوگیری از قطع شدن سیگنال در تقویت کننده های دیجیتال تحت شبکه با ورودی دیجیتال اغلب از دو ورودی شبکه استفاده می شود که یکی به عنوان ورودی اصلی و دومی به عنوان ورودی اضافه با پشتیبان استفاده می شود. معمولا این دو ورودی باید به دو شبکه مجزا متصل شده و در صورت قطع شبکه اصلی به طور خودکار شبکه دوم فعال می شود. تقویت کننده های تحت شبکه با ورودی دیجیتال اغلب دارای ورودی و خروجی های سیگنال آنالوگ نیز است که هم به عنوان یک واحد I/O عمل کرده و هم از ورودی های آنالوگ جهت ورودی جایگزین استفاده می شود که در صورت قطع شبکه های دیجیتال ورودی دستگاه به صورت خودکار از ورودی آنالوگ تامین خواهد شد. شکل (۷-۸۷) یک دستگاه تقویت کننده تحت شبکه با ورودی دیجیتال را نشان می دهد. 

۵-۹-۷- تقویت کننده های قدرت صوتی سینمایی 

تقویت کننده قدرت سینمایی در واقع تقویت کننده امپدانس پایین معمولی است که طراحی آن بر مبنای استاندارهای سینمایی صورت گرفته است و تنظیمات مدل های مختلف بلندگوهای سینمایی در داخل حافظه آن برنامه ریزی شده و استفاده کننده می تواند با انتخاب مدل بلندگوی سینمایی به سهولت تنظیمات مربوطه را انجام دهد. 

۶-۹-۷- سیستم خنک کننده تقویت کننده ها 

اغلب تقویت کننده های قدرت صوتی جهت خنک شدن قطعات الکترونیک قدرت از قبیل ترانزیستورهای خروجی از قطعات آلومینیومی یا الیاژ آلومینیوم به عنوان خنک کننده استفاده می کند. حرارت این قطعات آلومینومی اغلب به وسیله فن هایی که در داخل تقویت کننده قرار دارد دفع می شود. این فن ها معمولا دارای دور متغیر بوده و با افزایش حرارت داخلی دور فن به طور خودکار بالا می رود. برخی تقویت کننده ها به صورت محدود بدون فن ساخته می شود. اغلب جهت حرکت هوا از دریچه های ورودی در جلوی دستگاه به سمت پشت آن است و هوای خنک از جلو مکیده شده و از پشت دستگاه هوای گرم دمی ده می شود. به منظور جلوگیری از برگشت هوای گرم خروجی به دریچه های ورودی تقویت کننده ها باید حتما پنل های رک پرشده و در صورت خالی ماندن بخشی از رک حتما از پنل های مخصوص پرکن استفاده کرده و تقویت کننده ها بدون فاصله در داخل رک نصب شود. در مورد تقویت کننده ها و دستگاه هایی که در بالا یا پایین آنها دریچه تهویه هوا وجود دارد حتما باید با قرار دادن حداقل یک پنل مخصوص پرکن فاصله لازم برای تهویه هوا ایجاد کرد. به همین دلیل در رک های بزرگ با تعداد تقویت کننده زیاد حتما باید تمهیدات لازم جهت خنک شدن رک و فضای اطراف آن در نظر گرفته شود. ظرفیت خنک کنندگی دستگاه سرمایش اتاق رک باید با در نظر گرفتن مجموع توان حرارتی تقویت کننده ها طبق جداول ارایه شده توسط سازنده و اعمال ضریب هم زمانی محاسبه شود. به منظور تهویه هوای گرم لازم است رک دارای دریچه مناسب و فن باشد جهت جلوگیری از استهلاک فن داخل رک بهتر است از ترموستات های مخصوص رک در مدار فن استفاده شود. شکل (۷-۸۸) نحوه نصب گردش هوا در تقویت کننده ها در داخل رک را نشان می دهد. 

۷-۹-۷- کلاس تقویت کننده های قدرت 

هم زمان با پیشرفت قطعات و مدارهای الکترونیک الگوی طراحی و روش کار تقویت کننده های صوتی نیز بنا به کاربرد تقویت کننده پیشرفت کرده و کلاس های مختلف تقویت کننده ها به وجود آمده است. کیفیت صدای خروجی و هم چنین راندمان تقویت کننده ها بستگی مستقیم به کلاس آن ها دارد. شکل (۷-۸۹) منحنی مقایسه چند کلاس مختلف از تقویت کننده ها را نشان می دهد. 

۱-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس A 

تقویت کننده کلاس A متشکل از یک طبقه مدار خروجی برای کل ۳۶۰ درجه سیکل های منفی و مثبت سیگنال است به همین دلیل دارای کمترین اعوجاج در خروجی است و بالاترین کیفیت صدا را در بین سایر کلاس ها تولید می کند. اما به دلیل قرار گرفتن مدار تقویت کننده در بایاس دایمی نقطه و خاموش نشدن ترانزیستور خروجی دارای مصرف انرژی بالا و در نتیجه پایین ترین بهره وری (حدود ۲۰% تا ۲۵%) در بین کلاس های مختلف است. به دلیل تولید حرارت زیاد در دستگاه هایی با توان بسیار کم استفاده می شود و کاربردی برای قدرت های بالا ندارد شکل (۷-۹۰) یک نمونه مدار ساده و منحنی نقطه کار و خط بار تقویت کننده کلاس A را نشان می دهد. 

۲-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس B 

تقویت کننده های کلاس B اولین مدل گروه کلاس های تقویت کننده با ترانزیستورهای مکمل جهت تقویت سیکل های مثبت و منفی هر یک به میزان ۱۸۰ درجه از یک سیکل کامل است. 

از آنجا که هر ترانزیستور در نیم سیکل مخالف خاموش می شود و جریان بایاس ندارد به همین دلیل اتلاف انرژی حدود دو برابر نسبت به کلاس A کمتر بوده و بهره وری آنها به ۵۰ درصد می رسد. اما به دلیل عدم باباس در هنگام عبور سیگنال از نقطه صفر سیگنال خروجی دچار اعوجاج شده و به دلیل عدم وجود رابطه خطی کامل بین ورودی و خروجی از کیفیت صدا کاسته می شود. شکل (۷-۹۱) یک نمونه مدار ساده و منحنی نقطه کار و خط بار تقویت کننده کلاس B را نشان می دهد.

۳-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس AB 

تقویت کننده کلاس AB در واقع ترکیب دو کلاس تقویت کننده های A و B است. از یک سو هر نیم سیکل توسط یک طبقه ترانزیستور تقویت شده که از این بابت مانند کلاس B عمل می کند و به منظور حذف اعوجاج عبور از نقطه صفر هر دو ترانزیستور تا آستانه هدایت بایاس می شود و در نزدیکی عبور سیگنال از نقطه صفر هر دو ترانزیستور مانند کلاس A روشن بوده و فعال است. میزان بهره وری کلاس AB حدود ۵۰ درصد بوده و کیفیت صدای خروجی با کیفیت بالاتری نسبت به کلاس B ایجاد می شود. 

شکل (۷-۹۲) یک نمونه مدار ساده و منحنی نقطه کار و خط بار تقویت کننده کلاس AB را نشان می دهد. 

۴-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس C 

تقویت کننده کلاس C در بین تقویت کننده های غیر سوییچینگ بالاترین بهره وری را دارد و با ایجاد بایاس معکوس روی ترانزیستور خروجی به اندازه بیش از نیم سیکل یا ۱۸۰ درجه خاموش بوده و اتلاف انرژی کمی دارد ولی پاسخی کاملا غیر خطی داشته و موجب ایجاد اعوجاج در موج ورودی می شود. به همین دلیل به عنوان تقویت کننده صوتی کاربرد ندارد ولی در گروه کلاس های تقویت کننده ها بیان می شود. کاربرد تقویت کننده کلاس C معمولا در مدارهای توسان سازهای فرکانس بالا و رادیویی است. شکل (۷-۹۴) یک نمونه مدار ساده و منحنی نقطه کار و خط بار تقویت کننده کلاس C را نشان می دهد.

۵-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس D 

تقویت کننده کلاس D اولین کلاس تقویت کننده های سوییچینگ است. در این کلاس ترانزیستورهای خروجی مانند  کلاس AB از دو گروه مکمل جهت سیکل های مثبت و منفی تشکیل شده است، اما هر ترانزیستور در دو حالت قطع و وصل کامل است بنابراین افت توان در آنها به حداقل می رسد و بهره وری در این کلاس بین ۹۰ تا ۹۵ درصد بدست می آید. سیگنال صوتی پس از عبور از یک مدولاتور پهنای پالس به صورت مدولاسیون پهنای باند PWM در آمده و طبقه ترانزیستورهای خروجی را به صورت سوییچینگ روشن و خاموش می کند. فرکانس حامل نسبت به فرکانس صوتی دارای فرکانس بالاتری بوده و با عبور از یک فیلتر پایین گذر تمام هارمونیک های فرکانس بالای موج حامل حذف و سیگنال تقویت شده به بار خروجی اعمال می شود. با توجه به بهره وری بالا و افت توان کم تقویت کننده های کلاس D یکی از پرکاربردترین مدارهای تقویت کننده های صوتی است. شکل (۷-۹۴) بلوک دیاگرام مدار تقویت کننده کلاس D را نشان می دهد. 

۶-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس E و F 

تقویت کننده های کلاس E و F بر اساس تقویت کننده کلاس D به صورت سوییچینگ توسعه پیدا کرده و در آنها از فیلترهای پایین گذر پیچیده تری جهت کاهش اعوجاج ناشی از هارمونیک های فرکانس بالا استفاده شده است. 

۷-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس G

تقویت کننده کلاس G در واقع مدل توسعه یافته کلاس AB است و با استفاده از کاهش و افزایش ولتاژ تغذیه طبقه خروجی متناسب با سیگنال ورودی به صورت پله ای و ولتاژهای از پیش تعیین شده موجب کاهش افت توان در ترانزیستورهای خروجی می شود. این کار موجب افزایش بهره وری تقویت کننده می شود. شکل (۷-۹۵) بلوک دیاگرام مدار تقویت کننده کلاس G را نشان می دهد. 

۸-۷-۹-۷- تقویت کننده های کلاس H

اساس کار تقویت کننده کلاس H نیز مانند کلاس G بوده و در واقع مدل توسعه یافته کلاس AB است ولی به جای تغییرات پله ای دارای تغییرات پیوسته ولتاژ تغذیه طبقه خروجی است و در واقع ولتاژ تغذیه طبقه خروجی با نمونه برداری و دنباله روی از سیگنال ورود تغییر می کند که خود موجب کاهش افت توان در ترانزیستورهای خروجی و افزایش بهره وری در مدار تغذیه و کل دستگاه می شود.