Yüzyılın Soruları Serisi: D Sınıfı (Class D) güç amfisinin HiFi/HiEnd’de bir geleceği var mı?

Bu konuyu neden açtığımızı anlatayım: Biliyorsunuz oydofiller olarak biz “kör test” sevmeliyiz. Benim her zaman ki sözüm: “Kör test, bir odyofilin cebinin en iyi dostudur” 😊

Yine yaptığımız bir kör test sonucunda; 250 watt 8 ohm AB sınıfı bir güç amfisi ile yine 250 watt 8 ohm D sınıfı bir güç amfisi arasında hiçbir fark bulamadıktan sonra bu konuya biraz daha eğilmek istedim. Karşılaştırdığımız cihazlardan AB sınıfı amfi yaklaşık 10 bin dolar değerinde bir cihaz iken, karşısındaki D sınıfı amfi ise Purifi modüllü, Hypex SMPS’li 2.500 dolar değerindeki bir amfiydi. Özet: 2.500 dolarlık D sınıfı ile 10 bin dolarlık AB sınıfı arasındaki farkı “kör testte” hiç kimse duyamadı. Evet hiç kimse. İnternette de bu tarz kör testleri bulabilirsiniz. Hepsi bulduğumuz sonucu doğruluyor.

Üstüne, geçen gün ziyarete gittiğim, uzun yıllardır bu işin içinde olan bir büyüğümüzün (Serdar Bey 😊) yıllar sonra radikal bir kararla D sınıfı amfiye geçtikten sonraki memnuniyeti ve rahatlığını görünce bu konuya daha detaylı el atmam gerektiğini düşündüm. Umarım bu yazı sayesinde, Serdar Beyin yaşadığı memnuniyeti ve rahatlığı başkalarının da yaşamasına vesile olabilirim.

Hadi gelin öncelikle güç amfisi ne demektir ve kabaca nasıl çalışır ona bir bakalım. Bir güç amfisinin görevi, ön işlemciden gelen düşük voltajlı sinyali, hoparlörlerimizin sürücülerini mekanik olarak hareket ettirip ses dalgası üretebilecek şekilde yükseltmektir. Bu yükseltmeyi yaparken de aldığı sinyali bozmadan, değiştirmeden bu işi yapması beklenir. (Hi-Fi: High Fidelity – Yüksek Sadakat – Kaydın orijinaline en yakın halini yakalama isteği)

Çoğu amplifikatör, elektronik tasarımında temel olarak benzerdir. Genellikle, temel yükseltme bileşeni olan transistörlerin yanında dirençler, kapasitörler, indüktörler, teller ve transformatörler kullanırlar.

İlk icat edildiklerinde, amplifikatörler, sabit bir güç kaynağına ve doğrudan hoparlörlere bağlı çıkış transformatörlerine sahip vakum tüpleri kullanan A Sınıfı devre topolojisini kullanıyordu. Bu, amplifikatörleri oldukça büyük ve ağır, gürültüye duyarlı ve potansiyel olarak güvenilmez hale getiriyordu. Ayrıca, bu eski amplifikatörler son derece verimsizdi.

1940’ların sonunda transistörün ortaya çıkmasıyla birlikte, vakum tüpleri zamanla birçok amplifikatörde metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerle (MOSFET'ler) hızla değiştirildi. Bu, çok daha küçük amplifikatörlere olanak sağladı, ancak yüksek güç çıkışı için çok sayıda MOSFET'e, ayrıca MOSFET'leri soğuk tutmak için büyük bir dahili transformatöre ve soğutuculara ihtiyaç duyuldu. AB sınıfı amplifikatör devreleri daha popüler hale geldi ve verimliliği %70 civarına çıkarırken, daha az verimli A sınıfı devrenin ses kalitesinin çoğunu korudu.

1950’lerde D sınıfı diye yeni bir topoloji keşfedildi. Bu daha verimli bir sistem olmasına rağmen birçok eksisi vardı. Çalışma prensibi ise diğerlerinden çok farklıydı.

Hadi bunu daha basit bir benzetme kullanarak açıklamaya çalışalım: Geleneksel amplifikatörler (A Sınıfı, AB Sınıfı) bir su musluğu gibi çalışır. Belirli bir su akışı (ses) elde etmek için vanayı kısmen açarlar. Bu durum bir direnç yaratır; vana basınca karşı koyar, bu da sürtünme ve ısı üretir. Transistörler, fazla enerjiyi atık ısı olarak yakan "değişken dirençler" gibi davranır.

Class D ise farklıdır. O, bir lamba anahtarı (aç-kapa) gibi çalışır. D sınıfı amfiler her zaman açık değildir. Saniyede binlerce kez açılıp kapanırlar. Bu yüzden de daha verimli olurlar ve ısınma yapmazlar (Ya da daha az yaparlar.) Dijital olarak çalışırlar ve çıkışı çok hızlı bir şekilde açıp kapatırlar.

D Sınıfı bir tasarım, analog dalgayı doğrudan yükseltmez. Bunun yerine, gelen pürüzsüz sinüs dalgasını (müziği) yüksek hızlı kare dalgalara dönüştürür, analog bir girişi alır ve onu PWM (Pulse Width Modulation) (Darbe Genişliği Modülasyonu) sinyaline dönüştürür; burada sinyalin tepe noktası en geniş darbeyi, çukur noktası ise en dar darbeyi oluşturur. Yani sesin gücü artık dikey değil, dalgaların yatay düzleminde belirlenir. Eskiden bu, pozitif ve negatif raylar arasında geçiş sırasında oluşan çok kısa zaman aralığı distorsiyona neden olurdu ama artık değil.

D Sınıfı amplifikatörler, sinyali taşımak için çok yüksek bir frekansa ihtiyaç duyarlar. (Örneğin, 500khz - 1mhz) Bu taşıyıcı yüksek frekanstaki gürültüyü gidermek için bir çıkış filtresi kullanılır. İlk zamanlardaki filtreler kusurluydu, bu da faz kaymalarına ve tizlerde bozulmalara yol açıyordu ama artık değil.

Teorik olarak, A sınıfı amplifikatörler, crossover olmadığı için en düşük bozulma oranına sahiplerdi ama artık değil. Son 5-10 yılda Hypex NCore, Purifi Eigentakt ve GaN (Galyum Nitrür) transistörleri gibi teknolojiler D Sınıfı devrelerde devrim yarattı.

• Verim

Bu, en önemli özellik ancak etkileri sadece elektrik tasarrufuyla sınırlı değil. Dolaylı yoldan cihazın performansı üzerinde çok büyük etkileri bulunmakta.

D Sınıfı amfiler %90'ın üzerinde güç verimliliğine sahipken, AB sınıfı amplifikatörler tipik olarak enerjinin yaklaşık %50'sini ısı olarak israf eder. A sınıfı ise sadece %10 civarında verimli çalışır. Tabi zamanla bu rakamlar biraz yükseldi ancak burada ortalamadan bahsediyoruz.

• Güç Kaynağı Üzerindeki Yükün Azaltılması

Güç israfı yapmadıkları için, prizinden veya bataryadan önemli ölçüde daha az akım çekerler. Bu, güçlü bas vuruşları sırasında güç kaynağındaki voltaj düşüşünü önleyerek daha sert ve daha iyi dinamik tepe noktalarına olanak tanıyabilir.

• Tam performans için ısınmayı beklemeye gerek yok

A ve AB sınıfı amplifikatörlerin, transistörlerinin doğrusal olarak çalışması için genellikle termal dengeye (ısınmaya) ulaşmaları gerekir. D sınıfı amplifikatörler ise açıldığı andan itibaren tutarlı bir performans sergiler.

• Termal Dayanıklılık

Isı, elektronik cihazların bir numaralı düşmanıdır. (kondansatörler kurur, lehim bağlantıları çatlar vs) D Sınıfı amplifikatörler serin çalıştığı için, çevredeki bileşenler genellikle sıcak bir A Sınıfı amplifikatörün içindeki bileşenlerden daha uzun süre dayanır.

• Muhafaza Kutusunda Kocaman Metal Isı Dağıtıcılar

D Sınıfı Amfiler genellikle büyük harici ısı dağıtıcılara ihtiyaç duymazlar, bu da maliyeti ve ağırlığı önemli ölçüde azaltır.

• Yük/Empedans Bağımlılığı

D sınıfı amfilerin ilk tasarımlarda, hoparlör empedansına bağlı olarak tutarsız frekans tepkileri vardı. 4 ohm'luk bir hoparlör, aynı amfiye bağlı 8 ohm'luk bir hoparlörden farklı ses çıkarabilirdi. Ama artık bu tamamen yok oldu. Hatta tam tersi D sınıfı amfiler, AB sınıfının zorlanacağı düşük yüklerde bile performans düşüklüğü olmadan kullanılabiliyorlar. Zaten bu nedenle subwooferların hemen hemen hepsinde D sınıfı amfi kullanılmaktadır. 2 ohm 500-1.000w için bir AB sınıfı amfi kullanmayı düşünebiliyor musunuz?

• Frekans Sapması

Eski/daha ucuz D Sınıfı amplifikatörler 8 ohm hoparlörlerde parlak, 4 ohm hoparlörlerde ise koyu ses verir gibi frekans sapmalarına sahipti. Ancak, özellikle yeni çıkan gelişmiş D Sınıfı amplifikatörler (Purifi/Hypex gibi) filtre sonrası geri besleme (Post-filter feedback) gibi yeni teknolojiler kullanmaktadır. Bu, amplifikatörün hoparlörünüzün 2 ohm, 4 ohm veya 8 ohm olmasına bakılmaksızın tam olarak aynı frekans tepkisine sahip olmasını sağlar. Aynı zamanda distorsiyon gibi şeyler de filtrelenir. İşin güzel yanı, bu teknoloji artık sadece çok üst sınıf güç amfilerinde değil Fosi Audio gibi 150-200 dolarlık amfilerde bile kullanılmakta ve muhteşem sonuçlar vermektedir. Bu teknoloji basitçe, giren sinyal çıktıktan sonra tekrar ele alınıp, çıkış sinyali ile giriş sinyalinin tekrar karşılaştırılması ve farkların düzeltilmesi şeklinde çalışır. Modern D Sınıfı amplifikatörler, hataları düzeltmek için çok büyük miktarda negatif geri besleme (75 dB'ye kadar) kullanır. Bu, bozulmayı yok denecek kadar düşük seviyelere indirir (THD+N genellikle %0,001'in altındadır).

Aşağıda çok bilinen ve 5.000 dolar etiketi olan bir AB sınıfı HiEnd güç amfisi ile 1.500 dolarlık D sınıfı Purifi tabanlı bir amfinin frekans tepkisi karşılaştırmasını görebilirsiniz.

NOT: Tartışmaya yer vermemek için AB sınıfı cihazın markasını gizledim.

İlk grafikteki D sınıfı amfinin frekans çizgisi mükemmel iken, ikinci grafikteki AB sınıfı amfinin özellikle üst frekanslarda sapma yaşadığını görüyorsunuz. Halbuki eskiden durum tam tersi idi, değil mi? 😊 (Not: Bu, tüm AB sınıfı amfilerde sapma olacak demek değil)

• Distorsiyon

A sınıfı amfilerde transistörler arasında geçiş olmadığı için geçiş distorsiyonu bulunmaz, ama yüksek ısı kaynaklı olabilir. AB sınıfı amfilerde ise geçiş olduğu için distorsiyon A sınıfına göre daha yüksektir. Ancak D sınıfı amfiler farklı çalıştığı ve geçiş hiç bulunmadığı için distorsiyon daha düşüktür.

Aşağıda ilk grafikte yine D sınıfı amfinin gürültü ve distorsiyon oranının duyma sınırımızın çok altında olmasına rağmen AB sınıfı pahalı amfinin SINAD değeri yaklaşık 2 kat daha düşük (69db) olup duyulur seviyededir.

Ne kaynaklı olursa olsun, yeni nesil üst sınıf D sınıfı amfilerin distorsiyon oranı AB sınıfı amfilerin çok altında kalmaktadır. Ancak unutmayalım, ikisi de duyulabilir seviyenin altındaysa rakamsal olarak farklı olması bizim için bir anlam ifade etmez.

• Düşük Taban gürültüsü

D sınıfı amfilerin kendi taban gürültüleri de azken, AB sınıfına göre bir avantajları daha vardır. D sınıfı amplifikatörler yüksek Güç Kaynağı Reddetme Oranına (PSRR) (Power Supply Rejection Ratio) sahip oldukları için, doğal olarak "kirli" şebeke elektriğinden kaynaklanan gürültüyü/uğultuyu AB sınıfı amfilere göre daha çok yok sayarlar.

Aşağıda yine iki cihazın gürültü tabanına baktığımız zaman yaklaşık 40 db gibi ciddi bir fark görüyorsunuz.

• Dinamik aralık

Dinamik aralık konusunda da distorsiyon oranları ve güç çarpanı daha yüksek olduğu için yeni nesil D sınıfı amfiler bir sıkıntı yaşamamaktadır.

İlk sıradaki D sınıfı amfimize baktığımız zaman; tam güçte 131 db gibi inanılmaz bir rakam görmekteyken, AB sınıfı hiend cihazın tam güçteki dinamik kapasitesi 101 desibelde kalmaktadır.

• Damping faktörü

Modern D Sınıfı amplifikatörler genellikle çok düşük çıkış empedansına sahiptir ve bu da muazzam bir Sönümleme Faktörü (çoğu zaman >1000) ile sonuçlanır. Bu, amplifikatörün wooferların bas notasından hemen sonra onu durdurmasına katkı sağlar. Zaten bu nedenle de D Sınıfı amfiler, subwoofer'lar için vazgeçilmezdir.

• Düşük Frekanslarsa süreklilik

AB sınıfı amplifikatörlerdeki doğrusal güç kaynakları (transformatörler) 50/60 Hz'de çalışır. D sınıfı anahtarlamalı güç kaynakları ise daha önce bahsettiğimiz gibi 100 kHz ve üzeri gibi yüksek frekanslarda çalışır. Bu, güç kaynağının kapasitörlerini binlerce kat daha hızlı şarj edebileceği ve amplifikatörün uzun süreli düşük frekanslı çalma sırasında "enerjisinin" tükenmemesini sağlayacağı ve performans düşüklüğü yaşatmadan daha uzun süreli düşük frekans çalınabilmesi anlamına gelir.

D Sınıfı amplifikatörler, güç rayları için 50Hz/60Hz'lik bir şarj döngüsüne bağlı olmadığından, derin basları bir AB Sınıfı amplifikatörün eşleşmesi için buzdolabı büyüklüğünde olması gereken bir doğrusallık ve kalıcılıkla yeniden üretir.

• Tutarlılık (Bileşen Eşleştirme Yok)

Üst düzey bir AB sınıfı amplifikatörün çıkış transistörlerinin aynı şekilde davranması için eşleştirilmesi gerektirir. D sınıfı, anahtarların zamanlamasına (PWM) dayandığı için sol kanal ve sağ kanal matematiksel olarak özdeştir.

• Yüksek Güç Yoğunluğu

Bir cep kitabı boyutundaki bir kasaya 500 Watt'lık D Sınıfı güç sığdırabilirsiniz. Bu, amplifikatörün iç bileşenleri eritmeden kabinin içine sığması gereken yüksek performanslı aktif hoparlörler için olanak sağlar.

• Çevresel Etkiler

D Sınıfı amplifikatörlerin doğal verimliliği ve kompakt boyutu, önemli çevresel avantajlar sağlar. Bu amplifikatörler minimum enerji tüketir, bu da enerji tüketiminin azalmasına ve dolayısıyla karbon ayak izinin küçülmesine katkıda bulunur. Ek olarak, sadeleştirilmiş tasarımları çevre dostu taşıma seçeneklerine olanak tanıyarak sürdürülebilirliklerini daha da artırır.

• DSP ile Entegrasyon

D Sınıfı mimarisi, Dijital Sinyal İşleme (DSP) ile doğal bir uyum sağlar. Birçok D Sınıfı modülü, çoklu Dijital-Analog dönüşümlerinden kaçınarak, dijital sinyalin son çıkış aşamasına kadar dijital kalmasını sağlar.

SONUÇ

Subwoofer ve hoparlörlerinizin ne kadar güç ihtiyacı olduğunu aşağıdaki linkten hesaplayabilirsiniz:

https://perlistenaudio.com.tr/ses-sistemi-guc-hesaplayici

Bu yazı ile alakalı sorularınız varsa ya da Hi-Fi/Sinema Sistemlerini merak ediyor ve bu hobiye giriş yapmak istiyorsanız, Telegram kanalımıza da bekleriz:

https://t.me/FilmSesHifi

Perlisten Audio Türkiye Telegram Kanalı: https://t.me/PerlistenTurkiye

Perlisten Audio Web Sitesi: www.perlistenaudio.com.tr

Objective Audio Web Sitesi: www.objectiveaudio.com.tr

Ses ve görüntüye dair yazılarımızın, üye sistemlerinin ve demoların paylaşıldığı web sitemizi de ziyaret edebilirsiniz: www.filmses.com

Hoparlör parçalarından, sesin algılanmasına; ses formatlarından, bağlantı noktalarına; hoparlör test ölçümlerinden, sistem kurulumuna dair bir çok şeyin yer aldığı, Türkiye’de “HiFi, Akustik ve Ev Sineması” sistemleriyle ilgili tek kitaba ulaşmak için bizimle iletişime geçebilirsiniz.

Sonraki yazıda görüşünceye dek, sevgi ve sağlıcakla kalın…