Giải mã các loại công suất cục đẩy ( Class A, AB , D , H , TD)

Khi nói đến cục đẩy công suất chúng ta thường quan tâm đến công suất ( Watt ), thương hiệu , hay vẻ ngoài. Nhưng yếu tố quyết định đến chất âm , hiệu suất, độ tỏa nhiệt và cả giá thành của thiết bị lại nằm ở thành phần cốt lõi bên trong - Mạch công suất ( Amplifier Class ). Có thể ví mạch công suất như kiểu động cơ của một chiếc xe hơi. Cùng là xe nhưng với những động cơ nó sẽ cho ra những hiệu năng , mức tiêu thụ nhiên liệu và trải nghiệm hoàn toàn khác nhau. Tương tự , mỗi loại mạch công suất ( Class ) nó cũng sẽ có một nguyên lý hoạt động riêng dẫn đến những ưu nhược điểm điểm đặc thù. Trong bài viết này hãy cùng Trường Thành Audio , mổ xẻ các loại công suất phổ biến nhất hiện nay : Class A , Class AB , Class D , Class H và Class TD.

1. Mạch công suất Class A : Vua của âm thanh chân thật

Đây là loại mạch khuếch đại lâu đời và đơn giản nhất về mặt nguyên lý.

• Nguyên lý hoạt động : Sò công suất ( transistor ) trong mạch class A luôn ở trạng thái mở và dẫn điện 100% , dù có tín hiệu âm thanh đầu vào hay không. Nó khuếch đại toàn bộ 360 độ của một sóng âm thanh chỉ với một sò công suất duy nhất cho một kênh.
• Sơ đồ mạch công suất Class A 

Mạch Class A sử dụng một transistor duy nhất để khuếch đại toàn bộ tín hiệu. Transistor này luôn được cấp dòng điện tĩnh (bias để luôn hoạt động)

• Ưu điểm

Chất âm cực  kỳ trung thực , tự nhiên : Vì transistor luô hoạt động, không có điểm chuyển giao nào trong quá trình khuếch đại, giúp tín hiệu gần như méo tiếng ( distortion ). Đây là loại mạch cho chất âm được giới audiophile đánh giá cao nhất.

Độ tuyến tính cao : Tín hiệu đầu ra là một bản sao khuếch đại hoàn hảo của tín hiệu đầu vào.

• Nhược điểm

Hiệu suất cực thấp : Chỉ khoảng 20-25% . Điều này có nghĩa là nếu cục đẩy tiêu thụ 100W điện , chỉ có tối đa 25W được chuyển thành công suất âm thanh , 75W còn lại bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.

Tỏa nhiệt cực nhiều : Vì luôn hoạt động hết công suất, mạch class A cực kỳ nóng và đòi hỏi một hệ thống tản nhiệt cực mát.

Giá thành rất cao, năng nề : Do linh kiện phải chịu nhiệt tốt và bộ nguồn phải lớn.

• Ứng dụng thực tế : Hầu như chỉ xuất hiện trong các amply nghe nhạc hi-end , ultra hi-end đắt tiền, nơi chất lượng âm thanh là điều kiện tiên quyết mọi thứ.

2. Mạch công suất Class AB : Sự cân bằng hoàn hảo

Class AB ra đời để khắc phục nhược điểm lớn về hiệu suất của Class A. Đây là loại mạch phổ biến nhất trong nhiều thập kỷ.

• Nguyên lý hoạt động : Mạch sử dụng 2 sò công suất hoạt động theo kiểu " đẩy - kéo " ( push - pull ). Một sò sẽ khuếch đại nửa chu kỳ dương của sóng âm, sò còn lại khuếch đại nửa chu kỳ âm. Điểm cải tiến so với mạch class B ( tiền thân của nó ) là luôn có một dòng điện tĩnh bias nhỏ để cả 2 sò luôn hé mở một chút . Điều này giúp loại bỏ hiện tượng méo xuyên tâm ( crossover distortion ) khi tín hiệu chuyển giao giữa 2 sò.
• Sơ đồ mạch công suất Class AB : 

Mạch Class AB sử dụng transistor đối xứng. Mỗi transistor xử lý một nửa sóng âm, với một dòng điện bias nhỏ để đảm bảo quá trình chuyển giao mượt mà

• Ưu điểm

Chất lượng âm thanh tốt : Cho chất âm trong trẻo chi tiết, chỉ thua kém class A một chút không đáng kể với tai người nghe thông thường.

Hiệu suất cao hơn nhiều Class A : Đạt khoảng 50-65% tỏa nhiệt ít hơn đáng kể.

Giá thành hợp lý : Là sự cân bằng tuyệt với giữa chất lượng và giá cả.

• Nhược điểm

Vẫn tỏa nhiệt nhiều khi hoạt động ở công suất lớn.

Hiệu suất không cao bằng các loại mạch hiện đại như Class D.

• Ứng dụng thực tế : Cực kỳ phổ biến trong các amply nghe nhạc, amply karaoke gia đình, cục đẩy công suất tầm trung.

3. Mạch công suất Class D : Kỷ nguyên của hiệu suất và gọn nhẹ

Mạch Class D là một cuộc cách mạng trong công nghệ khuếch đại.

• Nguyên lý hoạt động : Mạch Class D không khuếch đại tín hiệu analog một cách tuyến tính. Thay vào đó, nó biến tín hiệu âm thanh analog đầu vào thành một chuỗi xung tín hiệu vuông có độ rộng khác nhau ( PWM - Pulse Width Modulation ). Các sò công suất lúc này chỉ hoạt động ở hai trạng thái : Bật hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn với tần số cực cao ( hàng trăm ngàn lần mỗi giây ). Vì ở hai trạng thái này sò công suất gần như không tiêu tốn năng lượng, hiệu suất được đẩy lên rất cao. Cuối cùng bộ lọc LC Filter sẽ chuyển chuỗi sung này trở lại thành tín hiệu âm thanh analog đã được khuếch đại.
• Sơ đồ mạch công suất Class D 

Mạch class D bao gồm bộ điều khiển PWM, các công tắc bán dẫn MOSFET và bộ lọc LC đầu ra để tái tạo tín hiệu analog

• Ưu điểm

Hiệu suất vượt trội : Thường trên 90%.

Rất ít tỏa nhiệt : Gần như toàn bộ điện năng được chuyển thành công suất âm thanh.

Gọn và nhẹ. Không cần tản nhiệt lớn và cỏ thể sử dụng bộ nguồn xung nhỏ gọn.

• Nhược điểm

Thiết kế mạch phức tạp.

Các thiết kế đời đầu có thể bị nhiễu tần số cao, nhưng công nghệ hiện đại đã gần như đã khắc phục hoàn toàn.

• Ứng dụng thực tế : Gần như có mặt ở khắp nơi như : cục đẩy công suất sân khấu chuyên nghiệp, cục đẩy chuyên đánh sub , loa active , loa di động, hệ thống âm thanh xe hơi.

4. Mạch công suất class H  : Thông minh hơn, tiết kiệm hơn

Class H là phiên bản cải tiến của class AB , tập trung vào việc nâng cao hiệu suất.

• Nguyên lý hoạt động : Vẫn là mạch khuếch đại kiểu AB , nhưng thay vì chỉ có một mức điện áp nguồn, mạch class H có nhiều mức điện áp khác nhau ( ví dụ: ±40V và ±80V ). Mạch sẽ theo dõi tín hiệu đầu vào. Khi tín hiệu nhỏ, nó chỉ sử dụng mức điện áp thấp ±40V. Khi tín hiệu lớn và sắp đạt đỉnh, mạch sẽ tự động chuyển lên mức điện áp cao hơn ±80V. Điều này giúp giảm thiểu lượng điện năng bị lãng phí dưới dạng nhiệt.
• Sơ đồ mạch công suất class H :

Mạch Class H có một tầng khuếch đại AB và một mạch điều khiển cấp nguồn đa cấp, chuyển đổi tín hiệu điện áp tùy theo tín hiệu đầu vào

• Ưu điểm

Hiệu suất cao hơn class AB : Đạt khoảng 75 - 85%.

Chất âm tốt của class AB được giữ lại.

Tỏa nhiệt ít hơn class AB đáng kể.

• Nhược điểm

Mạch phức tạp hơn class AB.

Chi phí cao hơn

• Ứng dụng thực tế : Rất phổ biến trong các cục đẩy công suất sân khấu, sự kiện , nơi cần sự cân bằng giữa chất lượng âm thanh và hiệu quả năng lượng.

5. Mạch công suất class TD : Sự kết hợp tinh hoa

Class TD là một công nghệ tiên tiến, được xem là sự kết hợp ưu điểm class AB và class D.

• Nguyên lý hoạt động : Class TD sử dụng một tầng khuếch đại đầu ra kiểu class AB để đảm bảo chất âm trung thực. Tuy nhiên nó lại được cấp nguồn bởi một bộ xung hiệu suất cao có khả năng tracking tín hiệu đầu vào một cách chính xác. Bộ nguồn này luôn cung cấp mức điện áp chỉ cao hơn một chút so với mức cần thiết tại mỗi thời điểm. Kết quả là tầng class AB luôn ở trạng thái hiệu quả cao nhất, giảm thiểu tối đa tổn thất nhiệt.
• Ưu điểm :

Đạt được hiệu suất của class D thường trên 90%.

Mang lại chất lượng âm thanh của class AB.

Công suất lớn, gọn nhẹ và hoạt động không bị tỏa ra nhiều nhiệt năng.

• Nhược điểm :

Thiết kế mạch cực kỳ phức tạp và thường là công nghệ độc quyền của các hãng lớn.

Giá thành rất cao.

• Ứng dụng thực tế : Các dòng cục đẩy công suất cao cấp, chuyên dụng cho lưu diễn và các hệ thống âm thanh chuyên nghiệp đòi hỏi khắt khe nhất.

Hy vọng qua bài viết chi tiết này, bạn đã có một cái nhìn sâu sắc hơn về "trái tim" của những chiếc cục đẩy công suất. Hiểu rõ về mạch công suất sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn đầu tư thông minh, phù hợp nhất với nhu cầu về chất âm, hiệu suất và ngân sách của mình.