Jak vybrat zesilovač: co je dobré vědět

Pokud se chceme zabývat tím, jak vybrat ten správný zesilovač pro náš audio systém, měli bychom se také seznámit s tím, co se pod dnes zcela běžným označením "zesilovač" vlastně v reálu skrývá. Dychtivých čtenářů, kteří by dnes měli zájem něco se doopravdy přiučit, je jako šafránu a s železnou pravidelností se u testů nebo článků setkáváme s tím, že nejčtenější je pouze závěr celého artiklu shrnující celé autorovo snažení. Tento článek žádný takovýto závěr, resp. shrnutí mít nebude, a tak si dovolím doporučit přečíst jej opravdu celý, tedy pokud jste onou malou cílovou skupinou, která hledá ten správný hifi zesilovač a navíc má ještě chuť se něco málo dovědět.

Zesilovač je elektronickým zařízením, jehož primárním účelem je zesílení signálu, který dostane na svůj vstup tak, aby ve výsledku na jeho výstupu byl tento signál dostatečně silný pro další užití, kterým je pro nás např. dostatečně silný signál pro napájení reproduktorových soustav na výstupních svorkách zesilovače. Vstupní signál přiváděný na analogový vstup zesilovače je typicky velmi slabý a maximálně ve stovkách mV, který je následně zesílen a kontrolován tak, aby na výstupu signál svým průběhem odpovídal originálnímu signálu s tím rozdílem, že jeho výsledná amplituda je větší a závisí na úrovni samotného zesílení, které je samozřejmě regulovatelné (předzesilovač s regulací hlasitosti).
V rámci lepšího pochopení základních principů je vhodné zesilovače dále rozdělit do několika samostatných skupin, které se liší především ve vlastnostech jejich vstupu a výstupu. Jednou ze základních vlastností takového zesilovače je zisk (gain), což znamená obvykle to, jaký je poměr mezi vstupní a výstupní úrovní signálu. To znamená například poměr mezi vstupním a výstupním napětím zesilovače. Zisk zesilovače je prezentován jako veličina bez jednotky, ale většinou je v praxi vyjadřována v decibelech (dB), což znamená úroveň zesílení vzhledem k výše uvedenému poměru.

Druhy zesilovačů

Pro tento článek bude vhodné čtenáře seznámit s tím, že kromě typů zesilovačů, které jsou představeny v dalších kapitolách (závisí na jejich aktivních součástkách - lampy nebo tranzistory atd.), existují i druhy zesilovačů, které jsou charakterizovány odlišnými pracovními třídami, resp. polohou jejich klidového pracovního bodu. Tyto "pracovní" třídy jsou do značné míry určující pro vlastnosti a tím pádem také nasazení daného zesilovače. V hifi, resp. audiu, se nejčastěji setkáváme obecně se 3 druhy zesilovačů dělených podle jejich klidového pracovního bodu.

Zesilovače pracující ve třídě A

Zesilovače ve třídě A mají své výstupní aktivní prvky (např. bipolární tranzistory, mosfetové tranzistory nebo lampy) neustále pracující v lineární části své charakteristiky (nikdy se tedy nezavírají). To ve výsledku znamená, že vedou (proud) ve svém pracovním cyklu neustále, a proto je zesilovač pracující ve třídě A typický tím, že má (za předpokladu korektního řešení výkonových stupňů před koncem) velmi nízké zkreslení (přechodové zkreslení zde díky výše uvedeným faktům logicky neexistuje). Na druhou stranu má takový zesilovač také malou účinnost, která je spojená s dalším negativem těchto zesilovačů, kterým je velké odpadní teplo. Zesilovač ve třídě A je typický tím, že má velký stálý příkon a nižší výstupní výkon, než bývá zvykem u jiných tříd zesilovačů.Zesilovače pracující ve třídě A najdete především u high-endových lampových konstrukcí, protože tento princip fungování dovoluje velmi snadnou aplikaci u "single-ended tube" konstrukcí též známých jako SET, kde je užito jediné výkonové lampy na kanál. Typicky jde o monobloky, nebo o stereo koncové zesilovače. Třída A se ovšem široce uplatňuje také u tranzistorových protějšků, kde je její implementace do značné míry náročná a výsledné zesilovače patří k tomu dražšímu, co na trhu najdete. To je spojeno s nutností řešit chlazení těchto zesilovačů, resp. jejich provozní teplotu, která má značný vliv na životnost součástek. Není to ovšem tak, že byste museli být ve střehu a „áčka“ s ohledem na jejich životnost odmítat, ale je potřeba si vybírat z řad výrobců, kteří mají s navrhováním špičkových zesilovačů ve třídě A své zkušenosti.

Zesilovače pracující ve třídě AB

Za kompromis mezi efektivností třídy B a vlastnostmi třídy A se považuje třída AB, která je jen více „otevřená“ než třída B, resp. má vyšší klidový proud než třída B. Oproti třídě B je zkreslení vyšší, avšak jeho nárůst je pozvolnější. Toto řešení je dobrý kompromis mezi stabilitou nastavení, zkreslením a možností na malých výkonech pracovat ve třídě A (obvykle jednotky W). Třídu AB charakterizuje především větší účinnost ve srovnání se zesilovačem ve třídě A a akceptovatelné zkreslení zesilovače. To se týká především absence přechodového zkreslení při výkonech, kdy jsou konce ještě otevřené. Ostatní zkreslení závisí na obvodovém řešení před koncem a je nezávislé na pracovní třídě zesilovače a tedy společné pro všechny typy tříd respektive zesilovačů.
Vlastnosti třídy AB jsou výsledkem úpravy pracovního cyklu tranzistorů (nebo jiných zmiňovaných aktivních prvků) tak, aby koncové tranzistory vedly i v oblasti minimálních amplitud signálu (tedy tam, kde efektivnější třídy B mají problémy s přechodovým zkreslením, resp. se svou nelinearitou). Ve výsledku pak zesilovač třídy AB využívá aktivity obou tranzistorů při nižších amplitudách zesilovaného signálu a při větších amplitudách je jeden z tranzistorů po část periody zcela uzavřen. Výhodou těchto zesilovačů jsou akceptovatelné provozní vlastnosti pro zesilování analogového audio signálu. Zapojení ve třídě AB je někdy spojováno s označením "push-pull", což je ovšem dvojčinné zapojení, které je nezávislé na pracovní třídě (jde v podstatě o vše kromě SET zesilovačů). Třídu AB najdete u tranzistorových i u lampových konstrukcí.

Zesilovače pracující ve třídě D

Zesilovače pracující ve třídě D jsou někdy často mylně označovány jako "digitální" a jejich princip práce je velmi odlišný od výše uvedené třídy A nebo třídy AB. Zesilovače třídy D pracují v pulsním režimu podobně jako spínané napájecí zdroje - velmi rychle (s kmitočtem mnohonásobně vyšším než je maximální přenášený kmitočet analogového signálu) přepínají výstup mezi oběma polaritami napájení. Běžný reproduktor nestačí sledovat rychlé změny, takže okamžitá výchylka membrány závisí na poměru dob vypnutí a zapnutí (pro 1:1 je na výstupu 0 a stav bez signálu na vstupu).
Třída D se nespoléhá na vlastnosti reproduktorů, ale používá dolní propust, která složky s vysokými kmitočty odfiltruje. Spínaný signál pro koncový stupeň se získá pomocí pulzně šířkové modulace nebo delta modulace. Hlavní výhodou celé konstrukce je účinnost, která často přesahuje 90 %, neboť výstupní tranzistory jsou během své činnosti buď zcela sepnuty, nebo úplně vypnuty (jsou nevodivé). Takto jsou v případě třídy D vyloučeny situace, kdy tranzistor vede pouze částečně a při poměrně velkém proudu na něm vzniká velký úbytek napětí, takže se velké množství energie musí proměnit na teplo (což je případ např. třídy A). Moderní zesilovače třídy D se již dnes pomalu a jistě stávají konkurencí pro zesilovače třídy AB, byť ještě mají do plné konkurenceschopnosti respektive do zcela srovnatelné kvality zvuku přece jen nějaký ten kousek cesty před sebou.