Analógové vs. digitálne zosilňovače a ich prednosti aj nedostatky

Zosilňovače sú neoddeliteľnou súčasťou každého kvalitnejšieho audio systému v automobile a ich kvalita, výkon a taktiež trieda ovplyvňujú celkový zvuk aj samotnú inštaláciu. V tomto článku sa zameriame práve na jednotlivé triedy zosilňovačov a to najmä na rozdiel medzi digitálnou triedou D a analógovou triedou AB. Dozviete sa tie zásadné rozdiely so všetkými výhodami a nedostatkami a tiež prečo aj v dnešnej dobe stále preferujeme analógové zosilňovače pred tými digitálnymi.

Na akom princípe fungujú zosilňovače?

V našom predchádzajúcom článku ako vybrať zosilňovač do auta sme už napísali veľa všeobecných informácií, ktoré vám pomôžu pri výbere aj nastavení zosilňovača. Tentokrát však pôjdeme viac do hĺbky a rozoberieme si technické vlastnosti zosilňovačov a ich tried a podelíme sa aj o naše skúsenosti z inštalácií.

Začneme tou najzákladnejšou otázkou: ako taký zosilňovač do auta vlastne funguje? Všeobecne zosilňovač pracuje tak, že odoberá 12 voltový jednosmerný prúd prichádzajúci od batérie do zosilňovača, premieňa ho na striedavý a zvyšuje napätie cez transformátor. Potom skombinuje tento vysokonapäťový výkon so zvukovým signálom prichádzajúcim z hlavnej jednotky a vytvorí vysokonapäťovú a vysokoprúdovú výstupnú verziu tohto slabého vstupného signálu.

Pri tomto procese sa dostáva k slovu trieda zosilňovača, ktorá zásadne ovplyvňuje jeho účinnosť. Je pravidlom, že zosilňovače vždy vydávajú menej energie ako spotrebujú a spomínaná účinnosť predstavuje pomer vydanej a čerpanej energie z elektrického systému. Žiadny zosilňovač na svete však nie je 100% účinný a nemôže vydať rovnako alebo viac energie, ako čerpá. Tým vzniká zbytočná energia, ktorá sa nedostane na výstupné svorky a mení sa na teplo – zákerného nepriateľa všetkých zosilňovačov.

Rozdiely medzi jednotlivými triedami

Než sa dostaneme k hlavnej téme tohto článku, pozrime sa najprv na najbežnejšie triedy zosilňovačov. Vyššie sme uviedli, že trieda zosilňovača ovplyvňuje najmä jeho účinnosť, inými slovami množstvo tepla, ktoré zosilňovač produkuje. Okrem toho však trieda definuje aj vernosť zvuku, skreslenie, rušenie a poťažmo aj dizajn a konštrukciu zosilňovača. Keďže prílišné teplo môže zosilňovač aj vážne poškodiť (a to najmä v podmienkach automobilu), inžinieri výrobcov zosilňovačov prichádzajú s konštrukčnými riešeniami, ktoré najlepšie kombinujú vlastnosti daných tried v prospech čo možno najkvalitnejšieho zvuku. A aké sú teda tie hlavné rozdiely medzi jednotlivými triedami?

Trieda A - najvernejší zvuk, nízka účinnosť a veľké generovanie tepla

V zosilňovačoch triedy A pracujú výstupné tranzistory konštantne na plný výkon a nezáleží na tom, či je k dispozícii vstupný signál alebo nie. A keď nie je žiadny signál, tak sa výkon tranzistorov mení na teplo. Každý výstupný tranzistor triedy A navyše zosilňuje záporné aj kladné napäťové časti signálu, čím zvyšuje pracovnú záťaž a generuje ešte viac tepla. Zosilňovače triedy A tak obvykle pracujú s účinnosťou okolo 25 %. To znamená, že 75 % ich energie sa premení na teplo. Tieto základné vlastnosti majú však aj svoje výhody. Keďže je každý tranzistor výstupného stupňa vždy zapnutý, nedochádza k žiadnym cyklom zapínania, vypínania, zahrievania alebo chladenia, ktoré by ovplyvnili tok signálu. Vďaka tomu zosilňovače fungujú bez akéhokoľvek skreslenia alebo rušenia a disponujú tým najvernejším zvukom. Vzhľadom k vyššie uvedenému sú zosilňovače triedy A v automobiloch skôr vzácnosťou, napriek tomu sa nájde niekoľko výrobcov, ako taliansky Audison alebo Steg, ktorí tieto zosilňovače pre svoju špičkovú kvalitu zvuku ponúkajú. A právom ide o jedny z najkvalitnejších zosilňovačov na svete, tomu však zodpovedá aj vysoká cena.

Trieda B - vyššia účinnosť, ale nízka vernosť zvuku

Zosilňovače triedy B sa v automobilovom priemysle prakticky neobjavujú, napriek tomu ich tu spomenieme pre lepšie pochopenie triedy AB. Zosilňovače triedy B uľahčujú pracovnú záťaž každého koncového stupňa tak, že nahradí jediný tranzistor dvoma tranzistormi nastavenými v usporiadaní, ktoré sa nazýva "push-pull". Jeden tranzistor zosilňuje záporné napäťové časti striedavého priebehu signálu, druhý sa stará o kladné napätie a následne sa obaja spoja do jednotného výstupu. Každý tranzistor je teda polovicu času zapnutý a druhú polovicu vypnutý. Vďaka tomu dosahujú zosilňovače triedy B vyššiu účinnosť okolo 50%, ale neustálym zapínaním a vypínaním vytvárajú značné harmonické skreslenie, čo robí tieto zosilňovače najmenej atraktívne.

Trieda AB - vysoká vernosť zvuku aj dostatočná účinnosť

Zosilňovače triedy AB sú najčastejšie používané v automobilových audio systémoch kvôli ich schopnosti kombinovať výhody triedy A a B. Fungujú na princípe dvoch výstupných tranzistorov typu "push-pull", z ktorých každý je zapnutý viac ako polovicu času a žiadny sa náhle nezapína a nevypína . To poskytuje zosilňovaču základné charakteristiky triedy A, keď má signál nízky výkon a vedie cez oba tranzistory a zároveň triedy B, keď je naopak výkon vysoký. Pre každý zosilňovač je tiež definovaná optimálna doba, počas ktorej oboma tranzistormi prechádza prúd, čo minimalizuje skreslenie. Výsledkom je vyššia účinnosť, ktorá dosahuje obvykle 60%, a výrazne menšie skreslenie ako v prípade triedy B. Aj z toho dôvodu boli zosilňovače triedy AB dlhé roky prakticky jedinou možnou voľbou pre dosiahnutie vysoko verného zvuku. Túto hegemóniu však v poslednej dobe narušili zosilňovače triedy D, ktoré sa tešia čoraz viac rastúcej obľube.

Trieda D - preborník v účinnosti

Zosilňovače triedy D pracujú jedinečným a zaujímavým spôsobom. Vstavané obvody vytvárajú vysokofrekvenčné impulzy jednosmerného prúdu, kedy šírka každého impulzu je modifikovaná vstupným signálom. Zároveň platí, že čím širší impulz, tým hlasnejší signál. To označujeme pod skratkou "PWM" (Pulse Width Modulation), po slovensky impulzová šírková modulácia. Tieto jednosmerné impulzy prechádzajú zosilňovacími tranzistormi a vytvárajú veľmi výkonný výstup. A keďže dostávajú jednosmerné impulzy namiesto analógových signálov, pracujú tranzistory buď v plnom výkone, alebo sú vypnuté bez napájania. To umožní účinnosť atakujúcu až 90% a u tých najkvalitnejších zosilňovačov triedy D aj viac. To samozrejme vedie k minimálnemu zahrievaniu. Zosilňovače triedy D disponujú aj malými rozmermi, vysokými výkonmi a veľmi kvalitným zvukom, ktorý sa blíži zosilňovačom triedy AB. Aj preto ich využitie neustále rastie, aj keď vernosť zvuku analógových zosilňovačov stále nedosiahli.

Trieda, G, H a ostatné

Tried zosilňovačov je však ešte viac, hoci väčšina z nich sa v našom odbore používa minimálne. Aj preto im nebudeme venovať toľko pozornosti, pretože obvykle ide o deriváty triedy AB a D, prípadne ich vylepšené verzie. V ponuke špičkových výrobcov nájdete aj ďalšie označenie tried ako BR (Rockford Fosgate), ADT (Audison) alebo Ultra HD (Helix). U týchto tried nájdete určité vylepšenia, nakoľko však ide o pokrok alebo len vydarený marketing si netrúfame tvrdiť. Trendom sú aj kombinácie, kedy napríklad zosilňovač disponuje štyrmi analógovými kanálmi a jedným digitálnym pre subwoofer. Vznikajú aj hybridné triedy ako je nová trieda AAB od Mosconi, ktorá spája výhody triedy A s triedou AB, čo má za následok zvuk ešte vyššej kvality. A dočkáme sa určite aj ďalších nových vzniknutých tried.

Analógové vs. digitálne zosilňovače

Venujme sa však teraz analógovým zosilňovačom triedy AB a digitálnym zosilňovačom triedy D. Teda zosilňovačom, ktoré sú v súčasnosti najčastejšie zastúpené ako v automobiloch, tak aj v domácnostiach. Hneď na úvod je potrebné spomenúť, že zosilňovače triedy D nie sú digitálne zariadenia. Iba sa im tak (zle) hovorí a popravde ich tak nazývame aj my. Tieto zosilňovače majú iba digitálne riadiace obvody, ktoré prijímajú binárny symbol "0" alebo "1" ako signál, prevádzajú ho na analógový a zosilňujú ho. Oproti tomu analógový elektronický systém zosilňovačov triedy AB prijíma trvalý výstupný signál a ďalej ho zosilňuje. Ďalším rozdielom je ten, že analógový systém prevádza signál ihneď na začiatku tohto procesu, zatiaľ čo digitálny systém zachováva signál v digitálnom formáte po celej ceste k reproduktoru. A až tesne pred reproduktorom je digitálny signál prevedený na analógový a skontrolovaný, či neobsahuje chyby. Následne dochádza k opravám problémov ako je prepätie, podpätie a pod.

S vyššie uvedeným súvisí aj šum. Ten je nepravdepodobný vo fáze prevodu digitálneho signálu na analógový, ku ktorému v prípade digitálnych zosilňovačov dochádza na konci tohto procesu. Ako sme už uviedli, tak analógové zosilňovače prevádza signál ihneď na začiatku. Vďaka tomu môže byť akýkoľvek šum zachytený a zosilnený, čím je ovplyvnený výstupný rušivý šum. Aj z toho dôvodu sú digitálne zosilňovače (áno, budeme ich aj naďalej nazývať zle), známe pre svoj veľmi čistý zvuk s minimom šumu. Pri analógových zosilňovačoch spravidla platí to, že čím kvalitnejší (a drahší) je zosilňovač, tým je šum nižší a na podobnej úrovni ako v prípade zosilňovačov digitálnych.

Zanechajme však technických odlišností a venujme sa tomu, pre aký zosilňovač sa vlastne rozhodnúť. Každý z týchto dvoch typov zosilňovačov má odlišné vlastnosti a je nevyhnutné uprednostniť ich výhody, aby bolo možné zvoliť ten vhodnejší pre váš audio systém. Oba typy zosilňovačov produkujú kvalitný, detailný zvuk s dostatočnou vernosťou zvuku aj účinnosťou. Skutočný audiofil a profesionál naháňajúci sa po najvyššej kvalite zvuku sa pravdepodobne vždy obráti na analógový zosilňovač, ten kto hľadá jednoduchú inštaláciu, minimálne rozmery a vysokú účinnosť siahne zase po tom digitálnom. Sú však rozdiely vo zvuku natoľko markantné, že by malo ísť o zásadný parameter, alebo sú zvukové odlišnosti vo zvuku v dnešnej dobe natoľko minimálne, že to bežný poslucháč nemôže poznať? Nižšie si rozvedieme všetky výhody aj nevýhody jednotlivých zosilňovačov a možno vám pomôžeme sa rozhodnúť.

Výhody a nevýhody analógových zosilňovačov

Ako sme už uviedli, analógové zosilňovače triedy AB fungujú na inom princípe ako digitálne zosilňovače triedy D a to so sebou prináša niekoľko výhod, ale samozrejme aj nevýhod. Analógové zosilňovače sú historicky známe pre svoju výbušnú dynamiku a dych vyrážajúci, verný zvuk. Medzi najväčšie nevýhody však patria ich rozmery a zahrievanie, čo môže odradiť niektorých užívateľov. Aj to sa však výrobcovia snažia riešiť či už dômyselným pasívnym a dokonca aj aktívnym chladením. Doba sa však mení a s ňou aj priority užívateľov. Sú analógové zosilňovače ohrozeným druhom podobne ako spaľovacie motory? Posúďte samy podľa nižšie uvedných typických vlastností.

Výhody analógových zosilňovačov

• Analógové zosilňovače produkujú klasický "teplý zvuk", ktorý je najbližšie k skutočnému hi-fi zvuku.
• Pri zvuku ešte zostaneme, je skrátka odlišný od toho digitálneho. Je vernejší, hlbší a dynamickejší.
• Analógové zosilňovače majú tiež kvalitnejší a dynamickejší zvuk oproti triede D aj pri veľmi nízkych úrovniach hlasitosti.
• Lineárnejšia odozva na zmeny vstupného signálu, čo môže byť dôležité pri meraní a nastavení zvuku.
• Optimálna voľba pre poskytnutie výkonu pokročilým reproduktorom vyššej kvality.

Nevýhody analógových zosilňovačov

• Analógové zosilňovače sú výrazne drahšie kvôli náročnejšiemu procesu výroby.
• Väčšia náchylnosť k šumu, ktorá je eliminovaná obvykle u drahších analógových zosilňovačov vyššej kvality.
• Zosilňovače triedy AB majú síce dostatočnú účinnosť, napriek tomu sa najmä v stiesnených priestoroch môžu prehrievať.
• Medzi nevýhody patria aj obvykle väčšie rozmery, ktoré znemožňujú inštaláciu do moderných vozidiel.
• S vyšším výkonom úmerne rastú rozmery, ale obvykle aj cena zosilňovačov.
• Analógové zosilňovače s viac ako 6 kanálmi sú skôr výnimočným úkazom a to opäť predovšetkým kvôli rozmerom.
• Pre domácich majstrov náročnejšie a nákladnejšie opravy, čo súvisí s prvým bodom.

Digitálne zosilňovače a ich prednosti a nedostatky

Dostávame sa k digitálnym zosilňovačom triedy D, ktoré sú s nami od roku 1998 a patria teda k tým modernejším riešeniam. Prakticky ihneď si však získali svojich fanúšikov vďaka menším rozmerom, minimálnemu zahrievaniu a vysokým výkonom. A to aj napriek počiatočnej nižšej kvalite zvuku, ktorá v prvých rokoch nebola bohvieako oslnivá. Čas však uteká v technológiách nezastaviteľným tempom a tieto rozdiely sa už natoľko zmenšili, že sú v dnešnej dobe pre mnoho bežných používateľov i profesionálov tou prvou voľbou.

Výhody digitálnych zosilňovačov

• Moderné digitálne zosilňovače sú schopné produktovať zvuk vysokej kvality.
• Vysoká účinnosť dosahujúca 90% a v niektorých prípadoch aj viac, čo vedie k minimálnemu zahrievaniu.
• Nízka hmotnosť a kompaktné rozmery, ktoré oceníte u moderných vozidiel s minimom priestoru.
• Nižšia spotreba energie ako v prípade analógových zosilňovačov. To môže hrať zásadnú úlohu napríklad pri elektrických vozidlách.
• Možnosť ozvučenia automobilov s viackanálovým aktívnym systémom (12 až 16 kanálov nie je dnes výnimkou).
• Jednoduchá integrácia na továrenské systémy a široká ponuka zosilňovačov s integrovaným DSP procesorom.
• Digitálne zosilňovače aj s veľmi vysokým výkonom je možné zakúpiť za dostupnú cenu.
• Zvyčajne sú digitálne zosilňovače vhodnejšou voľbou pre subwoofer.
• Vysoká odolnosť proti šumu v signálovej ceste.

Nevýhody digitálnych zosilňovačov

• Aj napriek rýchlemu vývoju a veľkému zlepšeniu za poslednú dobu zvuk digitálnych zosilňovačov nedosahuje vernosť analógového zvuku.
• Niektoré digitálne zosilňovače môžu generovať vysokofrekvenčný šum a sú tiež citlivejšie na kvalitu vstupného signálu.
• Často nižšia kvalita zvuku pri nízkej hlasitosti a naopak väčšie skreslenie pri veľmi vysokej hlasitosti.
• Veľký rozdiel vo zvuku lacných a špičkových digitálnych zosilňovačov (pri analógových zosilňovačoch sú rozdiely menšie).

Ktorý typ zosilňovača je teda ten najlepší?

Na túto otázku bohužiaľ nemožno jednoznačne odpovedať. Všeobecne by malo ísť o taký zosilňovač, u ktorého vo vašom konkrétnom prípade prevládajú výhody nad nedostatkami. Vždy totiž najviac záleží práve na vašich osobných preferenciách. Všeobecne sa podľa vyššie uvedených bodov javí ako výhodnejšia kúpa digitálneho zosilňovača, ktorý sa ľahšie integruje na súčasný systém v automobile, menej sa zahrieva, má menšie rozmery a v neposlednom rade je často aj lacnejší. Kvalita zvuku je navyše veľmi subjektívny pojem a existuje určitá pravdepodobnosť, že medzi porovnávanými zosilňovačmi nespoznáte rozdiel. Pri výbere zosilňovača by ste však mali vziať do úvahy aj ďalšie faktory ako je požadovaný počet kanálov, pomer signálu k šumu, frekvenčný rozsah, úroveň citlivosti a vstupnej impedancie, spotrebu energie a tiež umiestnenie zosilňovača. Nakoniec sa však znovu vrátime k tomu niekoľkokrát spomínanému zvuku. Vo všeobecnej rovine platí, že pokiaľ je pre vás hlavným cieľom vysoká účinnosť, malé rozmery alebo jednoduchá inštalácia a vernosť zvuku je skôr druhoradá, zvoľte digitálny zosilňovač. Pokiaľ je pre vás naopak vernosť zvuku tým základným prvkom pri výbere zosilňovača, potom venujte svoju pozornosť nasledujúcemu odseku tohto článku.

Je pre vás vernosť zvuku prioritou? Zvoľte analógový zosilňovač

Pokiaľ je pre vás tou najvyššou prioritou kvalita a vernosť zvuku a dovolí to aj priestor v aute, potom všeobecne odporučíme zakúpiť analógový zosilňovač triedy AB. Mnohoročné skúsenosti z našej montážnej dielne, kde na dennej báze inštalujeme ako digitálne, tak analógové zosilňovače všetkých cenových kategórií, nás opakovane presviedčajú o doterajšej nenahraditeľnosti práve analógových zosilňovačov. Ten rozdiel vo zvuku v ich prospech je skutočne poznať a umožní pozdvihnúť audio systém na ešte vyššiu úroveň. Preto sa obvykle snažíme zvoliť také riešenie, ktoré umožní inštaláciu analógového zosilňovača. Aspoň pri tých pokročilejších inštaláciách, kde je kvalita zvuku jasnou prioritou. Nie vždy to však ide aj kvôli vyššie spomínaným nedostatkom zosilňovačov triedy AB. V takom prípade potom hľadáme tú najadekvátnejšiu digitálnu alternatívu. Ale pozor, ani analóg nie je všemocnou spásou a zárukou špičkového zvuku. Vždy je dôležité porovnávať zosilňovače podobnej cenovej kategórie, s podobným výkonom aj počtom kanálov. Ľahko sa inak môže stať, že digitálny zosilňovač za šyristo bude zvukovo kvalitnejší ako jeho analógová alternatíva za polovičnú cenu. Vždy teda záleží na konkrétnom zosilňovači, jeho kvalite a samozrejme aj renomé výrobcu. Všeobecne však platí, že nielen pre audiofilov, ale aj pre náročnejších poslucháčov, je aj v dnešnej dobe vhodnejšou voľbou analógový zosilňovač. Aspoň čo sa týka kvality a vernosti zvuku.

Slovo záverom

Technologický vývoj beží míľovými krokmi smerom vpred a hoci sú analógové zosilňovače stále zvukovo tým najvhodnejším riešením pre kvalitný audio systém, špičkové digitálne zosilňovače svojim starším súrodencom pomaly šliapu na päty. Kvalita zvuku teda už nemusí byť tá najdôležitejšia téma, rozdiely sa postupne zmenšujú a vznikajú nové priority pri stavbe audio systémov v automobile. Doba navyše digitálnym zosilňovačom vyložene praje. Elektrické autá nie sú práve ideálnym prostredím pre energeticky náročné analógové zosilňovače a prémiové automobilky vo svojich modeloch často využívajú viackanálové aktívne systémy s 12 a viac kanálmi, čo je ťažko nahraditeľné s využitím analógových zosilňovačov. A to najmä v stiesnených podmienkach dnešných vozidiel. Na druhú stranu kto chce dosiahnuť skutočne kvalitný audio systém, potom nepotrebuje v automobile praktizovať marketingový trik väčšiny automobiliek v podobe akejsi alternatívy kina s veľkým množstvom reproduktorov. Cieľom náročného poslucháča je obvykle stereo zvuk ideálne s trojpásmovými prednými komponentmi, subwooferom a zodpovedajúcimi zosilňovačmi. V drvivej väčšine tými analógovými. Alfou a omegou takého systému je však aj zdroj, lokácia reproduktorov, profesionálne naladenie zvuku a ako vždy cena. Ale to už výrazne odbočujeme od témy.

Nechajme sa teda prekvapiť, kam tento generačný súboj dospeje. Možno sa dočkáme skutočne zvukovo verných digitálnych zosilňovačov, ktoré navždy povedia zbohom tým analógovým. Už dnes sú začínajúcim trendom analógové zosilňovače kompaktnejších rozmerov a možno sme aj na prahu éry nových hybridných technológií. Je navyše skvelé, že aj v tomto odvetví máme možnosť voľby a tá napokon je a vždy bude iba na vás.