เพาเวอร์แอมป์ Power Amp

พาวเวอร์แอมป์ คืออะไร

         พาวเวอร์แอมป์ เป็นอุปกรณ์ขยายสัญญาณอิเล็คทรอนิคส์ที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มขนาดกำลังของสัญญาณอินพุตให้มีระดับสูงพอที่จะแปลงเป็นเสียงอคูสติกหรือขับโหลดอุปกรณ์เอาต์พุตต่าง ๆ เช่น ลำโพง หูฟัง เป็นต้น โดย สัญญาณอินพุตที่จะเข้ามายังพาวเวอร์จะต้องเป็นสัญญาณที่มีระดับสูงพอ เช่นผ่านการปรับระดับและโทนเสียงจากมิกเซอร์ดังตัวอย่างต่อไปนี้คือ สัญญาณแรกจากไมโครโฟนที่มีขนาดสัญญาณไม่เพียงพอสำหรับพาวเวอร์แอมป์ ถูกขยายสัญญาณด้วยปรีแอมป์ของมิกเซอร์ จากนั้นจะถูกส่งผ่านวงจรควบคุมโทนเสียงและระดับเสียง และสุดท้ายจึงถูกส่งไปสู่พาวเวอร์แอมป์ และเอาต์พุตจากพาวเวอร์แอมป์ก็จะถูกส่งไปยังลำโพงต่อไป

 

คลาสของพาวเวอร์แอมป์

      การออกแบบวงจรมีอยู่หลายวิธี รวมทั้งยังมีลักษณะการทำงานและมีเอาต์พุตของวงจรแต่ละแบบแตกต่างกัน ดังนั้น ในการแยกแยะลักษณะของวงจรพาวเวอร์ที่แตกต่างกัน จึงใช้การแทนที่ด้วยสัญลักษณ์ตัวอักษร ดังต่อไปนี้

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส A    

       ปกติแล้วในรูปคลื่นอะนาล็อกจะประกอบด้วยเสียงสูงคือบวกและเสียงต่ำคือลบ พาวเวอร์แอมป์คลาสนี้ รูปคลื่นอินพุตทั้งครึ่งบวกและครึ่งลบจะถูกใช้ในกระบวนการขยายด้วยทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียว ซึ่งในแง่ของมุมการนำไฟฟ้า(ส่วนของรูปคลื่นท่าใช้ในการขยายเสียงจาก 360°) สำหรับพาวเวอร์แอมป์คลาส A นั้นคือ360°  ดังนั้น ระดับความผิดเพี้ยนของสัญญาณจึงมีน้อยมาก ทำให้ได้ประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดีขึ้น ให้รายละเอียดเสียงที่ดีที่สุดในคลาสทั้งหมด

       แต่ข้อจำกัดของพาวเวอร์แอมป์คลาสนี้ก็คืออิลิเมนต์แอ็คทีฟ (ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้สำหรับแอมพลิฟายเออร์ ซึ่งในกรณีนี้คือทรานซิสเตอร์) จะถูกใช้งานตลอดเวลาแม้ว่าจะไม่มีสัญญาณอินพุตก็ตาม ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมากและลดประสิทธิภาพของพาวเวอร์แอมป์ลง  เหตุนี้จึงทำให้พาวเวอร์แอมป์คลาส A มีกำลังขับที่ค่อนข้างน้อย จึงเหมาะกับงานที่เน้นรายละเอียดของเสียงสูง ไม่เน้นความดังมากๆ

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส B

      ถูกออกแบบขึ้นเพื่อแก้ปัญหาเรื่องความร้อน ที่มีอยู่ในพาวเวอร์แอมป์คลาส A โดยใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว แทนที่จะใช้ตัวเดียวแบบคลาส A โดยทรานซิสเตอร์ตัวแรกขยายเครื่องบวกของรูปคลื่น และอีกตัวขยายครึ่งลบของรูปคลื่น เท่ากับแต่ละตัวจะนำรูปคลื่นครี่งนึงหรือ (180°) และเมื่อรวมกันก็เท่ากับขยายสัญญาณทั้งหมด การออกแบบลักษณะนี้ทำให้พาวเวอร์แอมป์คลาส B มีกำลังที่สูงขึ้นมาก เนื่องจากไม่สูญเสียประสิทธิภาพไปกับความร้อน แต่ก็มีข้อเสียคือ เนื่องจากมีการทับซ้อนกันของรูปคลื่นสองส่วน จึงมีการดิสทรอชั่นที่บริเวณที่มีการครอสโอเวอร์กัน ทำให้เกิดการผิดเพี้ยนของสัญญาณขึ้น จึงทำให้ไม่ได้รับความนิยม และมีการพยายามออกแบบคลาสอื่นขึ้นเพื่อทดแทน

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส AB

       เป็นการผสมผสานระหว่างพาวเวอร์แอมป์คลาส A และพาวเวอร์แอมป์คลาส B  ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ไขปัญหาด้านประสิทธิภาพที่ลดลงของพาวเวอร์แอมป์คลาส A และการดิสทรอชั่นกันของสัญญาณที่บริเวณครอสโอเวอร์ของพาวเวอร์แอมป์คลาส B โดยพาวเวอร์แอมป์คลาส AB จะรักษาการตอบสนองความถี่สูงเหมือนในพาวเวอร์แอมป์คลาส A มีประสิทธิภาพที่ดีเหมือนพาวเวอร์แอมป์คลาส B ไดโอดและตัวต้านทานถูกใช้เพื่อให้แรงดันไบแอด ช่วยลดการดิสทรอชั่นของรูปคลื่นใกล้บริเวณที่ครอสโอเวอร์

      พาวเวอร์แอมป์คลาส AB ได้รับความนิยมมากในการใช้งาน เนื่องจากมีกำลังที่สูง ให้รายละเอียดเสียงที่ดี แม้ไม่เท่าพาวเวอร์แอมป์คลาส A  แต่ก็เกิดความร้อนที่น้อยกว่า นิยมใช้ทั้งในงานการขับลำโพงกลางแหลม หรือแม้กระทั่งลำโพงเสียงต่ำ เช่นซับวูฟเฟอร์ เป็นต้น

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส C

      พาวเวอร์แอมป์คลาส C มีวิธีการทำงานคือ วงจรขยายจะทำงานเมื่อสัญญาณอินพุตป้อนเข้ามาจนถึงระดับหนึ่งๆของวงจรขยาย ที่ตั้งไว้ ตั้งไว้โดยการนำแรงดันที่ตรงข้ามมาต่อไว้ให้ทรานซิสเตอร์ที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณทำงานแบบไบแอสกลับไว้  มีข้อดีก็คือไม่สิ้นเปลืองกระแส ทำให้มีประสิทธิภาพการทำงานด้านขยายกำลังสูงสุดในเครื่องส่ง แต่ก็มีข้อเสียใหญ่ๆก็คือ สัญญาณที่ขยายจะมีความผิดเพี้ยนสูงมาก จึงไม่เหมาะในการใช้งานกับระบบเสียง นิยมใช้กับวงจรที่มีสัญญาณที่มีความถี่คงที่ เช่น วงจรกำเนิดสัญญาณความถี่สูง ภาคขยายกำลังในเครื่องส่งวิทยุ เป็นต้น

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส D

     พาวเวอร์ทั้ง 3 คลาสที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ ทั้งคลาส A คลาส B และคลาส AB จะมีลักษณะการทำงานที่เหมือนกันคือ ภาคขยายสัญญาณขาออกจะทำหน้าที่ขยายหรือให้กำลังตามความแรงของสัญญาณขาเข้า แต่สำหรับพาวเวอร์แอมป์คลาส D จะมีรูปแบบการทำงานที่ต่างออกไป ก็คือ จะแปลงสัญญาณขาเข้าให้กลายเป็นคลื่นแบบ Pulse Width Modulation(PWM) โดยมีลักษณะรูปคลื่นเป็นแบบ Square wave ในขณะที่สัญญาณเสียงโดยทั่วไปเป็นแบบ sine wave สัญญาณที่ถูกแปลงนี้จะถูกส่งไปกระตุ้นที่ภาคขยายเสียงขาออก ให้ทำงานและหยุดทำงานตามความกว้างของคลื่นที่ส่งเข้าไป ซึ่งจะคล้ายกับการทำงานของสัญญาณในแบบดิจิตอล จึงทำให้หลายคนเกิดความเข้าใจผิดว่าพาวเวอร์คลาส D คือดิจิตอล 

       พาวเวอร์แอมป์คลาส D นั้น จะมีข้อจำกัดการทำงานที่ความถี่ค่อนข้างต่ำ เพราะการขยายสัญญาณในภาคขาออก จะต้องกรองความถี่ที่เป็น Square wave ออกเพื่อให้กลายเป็นความถี่แบบ sine wave และส่วนใหญ่พาวเวอร์แอมป์คลาส D ทั่วไป (ยกเว้นระดับโปรที่มีราคาสูงมาก) จะมีการกรองถี่ที่ 500 Hz นั่นจึงทำให้ความถี่ที่ใช้งานได้ จึงไม่ควรเกิน 250 Hz หรือมากกว่าได้เพียงเล็กน้อย หากสูงกว่านี้จะมีรายละเอียดที่ไม่ดี ด้วยสาเหตุนี้ พาวเวอร์แอมป์คลาส D จึงนิยมใช้ในการขับซับวูฟเฟอร์ มากกว่าการใช้ขับลำโพงกลางแหลม    

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส E

         พาวเวอร์แอมป์คลาส E  นิยมใช้กับวงจรที่มีสัญญาณที่มีความถี่คงที่ เช่น วงจรกำเนิดสัญญาณความถี่สูง ภาคขยายกำลังในเครื่องส่งวิทยุ เป็นต้น แบบเดียวกับคลาส C แต่ทำงานโดยการปล่อยให้มีกระแสไหลผ่านจำนวนต่ำๆ เพื่อคอยกระตุ้นการทำงานของภาคขาออกตลอดเวลา เพื่อลดความผิดเพี้ยนจากจุดครอสโอเวอร์(switching distortion)

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส F

            เป็นพาวเวอร์แอมป์อีกชนิดนึง ที่ออกแบบมาให้ใช้กับวงจรกำเนิดสัญญาณความถี่สูง ภาคขยายกำลังในเครื่องส่งวิทยุ ไม่เหมาะกับงานระบบเสียง มีการเพิ่มประสิทธิภาพเอาท์พุตโดยการใช้ “ฮาร์โมนิกเรโซเนเตอร์”เพื่อกำหนดรูปคลื่นเอาต์พุตเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม ทำให้แอมพลิฟายเออร์มีประสิทธิภาพสูงมากกว่า 90%

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส G

           พาวเวอร์แอมป์คลาส G เป็นการอัปเกรดแอมพลิฟายเออร์คลาส AB เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานและลดการสูญเสียพลังงาน โดยพาวเวอร์แอมป์คลาส G  ใช้ชุดจ่ายไฟหลายชุดที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน เมื่อแอมพลิจูดอินพุตเพิ่มขึ้น วงจรพาวเวอร์แอมป์จะเปลี่ยนไปใช้ชุดจ่ายไฟที่สูงกว่า และเมื่อแอมพลิจูดอินพุตต่ำลง มันจะเลือกชุดจ่ายไฟที่มีแรงดันไฟต่ำกว่า ด้วยวิธีนี้ การสูญเสียพลังงานจะลดลง ข้อเสียของพาวเวอร์แอมป์คลาส G ก็คือ จะมีปัญหาในช่วงเปลี่ยนภาคจ่ายไฟที่จะปรับใช้ในแต่ละความแรงของสัญญาณ และแม้คลาส G นั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าคลาส AB แต่ยังมีประสิทธิภาพน้อยกว่าประเภทคลาส D รวมถึงด้วยการออกแบบของจรที่มีความซับซ้อน จึงไม่ได้รับความนิยมในปัจจุบัน

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส H

          มีความคล้ายคลึงกับคลาส G แต่ได้แก้ไขปัญหาความผิดเพี้ยนจากรอยต่อระหว่างการขยายสัญญาณของทรานซิสเตอร์บนและทรานซิสเตอร์ชุดล่างด้วยการเพิ่มภาคจ่ายไฟที่สามารถปรับแรงดันได้ วงจรของพาวเวอร์แอมป์คลาส H จะมีความเหมือนกับพาวเวอร์แอมป์คลาส D แต่วงจรขาออกจะเหมือนกับวงจรแบบคลาส AB จึงทำให้ได้รายละเอียดเสียงที่ดี มีกำลังสูง เหมาะทั้งสำหรับการขับลำโพงกลางแหลมและลำโพงซับวูฟเฟอร์ อีกคุณสมบัติพิเศษของพาวเวอร์แอมป์คลาส H ก็คือ หากเปิดโวลลุ่มเบาแอมป์จะใช้ไฟน้อย และแอมป์จะใช้ไฟมากเมื่อเราเปิดโวลลุ่มมากขึ้น

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส S

          พาวเวอร์แอมป์คลาส S เป็นพาวเวอร์แอมป์โหมดสวิตช์คล้ายกับคลาส D เพียงแต่พาวเวอร์แอมป์คลาส S แปลงสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอลโดยใช้โมดูเลเตอร์ “เดลต้า- ซิกมา” และทำการขยายเพื่อเพิ่มกำลังเอาท์พุตก่อนจะถูกกรองด้วยความถี่แบบ band pass filter และจากการที่สัญญาณดิจิตอลของพาวเวอร์แอมป์สวิตชิ่งนี้จะ เปิด และ ปิด อย่างเต็มรูปแบบเสมอ จึงมีประสิทธิภาพถึง 100% ต่อมาภายหลังพาวเวอร์แอมป์คลาส S ได้ถูกพัฒนาจนเป็นคลาส D ในปัจจุบัน

 

พาวเวอร์แอมป์คลาส T

      เทคโนโลยี พาวเวอร์แอมป์คลาส T เป็นพาวเวอร์แอมป์แบบสวิตชิ่งถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของพาวเวอร์แอมป์คลาส D ที่ตอบสนองความถี่สูงได้ไม่ดีนัก โดยใช้ความสามารถในเชิงดิจิตอลเข้ามาช่วย โดยใช้การประมวลผลแบบดิจิตอล ไตรพาส ที่ทำให้วงจรทำงานได้กว้างจนเต็มช่วงสัญญาณความถี่ นั่นก็คือ 20 Hz-20KHz ซึ่งนั่นหมายถึงเต็มระดับความสามารถที่หูของมนุษย์จะสามารถได้ยิน

     ด้วยเทคโนโลยีนี้จึงทำให้พาวเวอร์แอมป์คลาส T สามารถใช้งานได้อย่างครอบคลุมตั้งแต่การใช้งานขับลำโพงกลางแหลม ไปจนถึงการขับลำโพงซับวูฟเฟอร์ได้ และมีประสิทธิภาพที่สูงยิ่งกว่าที่คลาสABทำได้