Forstærker Klasse J er en unik forstærker klasse opfundet af Earthquakes chefingenør Joseph Sahyoun. Class J er en blandt mange tekniske innovationer som er med til at udmærke Earthquake blandt andre producenter. Earthquake designer alle aspekter af et produkt fra grunden op til at arbejde sammen på den mest optimerede vis. Earthquake outsourcer ikke ingeneering og bruger derfor ikke standart moduler og Oem varer der ikke er særligt optimeret til det givne formål.

 

 

 

For bedre at kunne sætte Class J egenskaber og virkemåde i perspektiv vil første del være en historisk gennemgang af væsentlige nyskabelser inden for forstærkerteknologi der har ført til højere effektivitet. Det skal ikke læses som at hver udvikling nødvendigvis betyder en lydforbedring.  Her anskues innovationens validitet udelukkende udfra dens indflydelse på effektivitet.

 

 

Den primære årsag til ineffektivitet og varmespild i en almindelig klasse AB forstærker er resultatet af at transistorerne skal holde den fulde DC forsynings spænding tilbage. Hvis man ser på en sinus kurve så er alt det der ligger under kurven til venstre det forstærkede signal - og den forskel der er  fra kurvens overside og på til forsyningspændingen, er det der skal holdes tilbage og dermed bliver brændt af i varme.

 

Flere forstærker teknologier er blevet opfundet gennem tiderne med det formål at øge effektiviteten og muliggøre kraftigere effektforstærkere. Den første væsentlige udvikling på den kendte klasse AB konstruktion blev opfundet af Gerald R Stanley i midten af 60erne.

 

 

Han kaldte det klasse AB+B hvor den almindelige AB konstruktion slæber på en ekstra klasse B udgang. Det øgede effektiviteten betydeligt og Crown blev verdenskendt for den første kraftige og stabile samt vellydende transistor forstærker Crown DC300. Der i 1969 blev udråbt af samtlige amerikanske audiotidsskrifter til verdens bedste forstærker.

 

Ca. 10 år senere laver Gerald Stanley endnu et gennembrud inden for effektivitet og evne til højt spændingssving med opfindelsen af Grounded-Bridge output teknologien, der udmærker sig ved at hver transistor kun ser den halve forsyningsspænding, den opnåede forøgelse af spændingssving og effektivitet er ren matematik.

 

 
Næste skridt inden for effektivitet kommer ved perfektionen af flere forsyningsspændinger der slås til og fra efter behov. Dvs. hvis forstærkeren kun har brug for en forsyningsspænding på 10 volt for at forstærke signalet uforvrænget så indkobler man kun den strømforsyning med den laveste spænding. Udgangs transistorerne skal derved kun tilbageholde 10 volt og forstærkeren bliver meget mere effektiv. Rail-switcher og multi tier strømforsyning er brugte betegnelser for denne teknologi som fik klassificeringen Class H. Igen udmærker Gerald Stanley sig ved at lave den mest elegante multi voltage strømforsyning som fik navnet VZ for Variable Impedance. Forskellen på VZ og andre klasse H multi spændings forsyninger var at VZ havde 2 eller flere strømforsyninger som afhænger af nødvendig udgangs styrke blev skiftet rundt til enten at være i parallel eller seriel. Det havde den fordel at alle strømforsyningsressourcerne var til rådighed konstant. Ved andre designs der lå de højere spændings trin ubrugt hen indtil udgangsniveauet nødvendiggjorde deres indkobling.

 

 

Den næste væsentlige udvikling kom med opfindelsen af Tracking-Rail strømforsyningen. Tracking rail bygger videre på klasse H princippet om ikke at have mere forsyningsspænding end højst nødvendigt. Hvor klasse H skifter ved fastsatte spændings niveauer mellem statiske forsyninger så går Tracking-Rail forsyningen skridtet videre og følger (tracker) behovet for forsyningsspænding trinløst og kontinuerligt. En PWM forsyning modulere en spænding der ligger et par volt over hvad klasse AB udgangs trinnet skal bruge for at forstærke det aktuelle signal uden forvrængning. Det betyder at nu skal forstærkeren ideelt kun tilbageholde et par volt og effektiviteten stiger markant.

 

En af de første opfindere af tracking teknologien var Gerald Stanley, som dog på daværende tidspunkt ikke valgte at gå videre med det da PWM teknologien ikke var langt nok fremme til at få det til at virke optimalt. Den første patenterede og producerede applikation var Hamada fra Sony. Dog var konstruktionen plaget med problemer primært fordi den forsøgte at "tracke" mere præcist end hardwaren var til. Det kommercielle gennembrud for Tracking-Rail kom med Bob Carvers Sunfire forstærker. Carver valgte at lade trackeren få en generøst "forspring" på 6 volt over udgangstrinnet og på den måde (plus den komponentmæssige udvikling der havde været siden Hamadas forsøg) fik lavet en funktionel, stabil og ikke mindst vellydende forstærker der havde en rigtig god effektivitet.
 
Det næste skridt i jagten på højere effektivitet kom gennem modningen af PWM (Pulse With Modulated) teknologien. I audio sammenhænge kendt som klasse D. Der er flere varianter af klasse D, half bridge, fullbridge og en række forskellige måder modulationen bliver gjort på. Grundlæggende har de relativt ens properties og ingen af dem udmærker sig særligt i forhold til hinanden mht. effektivitet.

 

 

Det næste skridt i udviklingen blev taget (igen) af Gerald Stanley i 1996 med opfindelsen af Klasse I også kendt som BCA (Balanced Current Amplification). Klasse I er et fundamentalt brud med den traditionelle PWM paradigme om streng "time alteration". Normalt på klasse d skal den positive switch slukke i det øjeblik den negative tænder, ellers "ser" de hinanden og i stedet for sød musik så kommer der røg. Klasse I (bca) er modsat ved at switche er interleaved og forbundet gennem en spole. I stedet for at tænde og slukke asynkront så tænder positiv og negativ samtidigt og risikoen for afbrænding eksistere ikke. Udfra et effektivitets synspunkt så er det væsentlige ved klasse I at switchne er interleaved så dermed kan hver sektion kører med halvdelen (250khz) af den nødvendige switch rate nødvendig for fullrange audio. Det er generelt accepteret at en switch rate på 500khz er nødvendigt for at have nok (25) oversamplinger ved 20khz audio gengivelse. 

 

PWM adskiller sig fra AB ved at den ikke skal holde forsyningspændingen tilbage. Så i stedet for at transistoren agere vandhane der lukker op og ned for strømmen af vand så er transistoren en kontakt der enten er helt tændt eller helt slukket. Da effekt afsat er volt gange ampere så vil regnestykket for en PWM forstærker være at enten har den fuld spænding over transistoren (slukket) dvs. der løber ingen strøm. Så effekten er X antal volt * 0 ampere = 0 watt. Når transistoren er tændt så er regnestykket x antal ampere * 0 volt = 0 watt. Der er et spændingsfald på 0 volt da transistoren er helt åben og derfor ikke forsøger at holde nogen spænding tilbage. Så kigger man udelukkende på den teoretiske del isoleret til effekt afsat så er PWM teoretisk 100 procent effektivt.
 
Det er selvfølgeligt ikke tilfældet i den virkelige verden. En PWM forstærker, om det er Class D eller I eller noget tredje har en del tab og afhængigt af den nødvendige udgangs effekt ikke nødvendigvis mere effektiv end en almindelig klasse ab forstærker.
 
En PWM forstærkers tab udgøres primært af 2 faktorer. Den første er Switching hastigheden, da det kræver energi at slukke og tænde transistorerne så er tabet større jo hurtigere de skal switche. Den anden er forsyningsspændingens størrelse. Jo højere en forsyningsspænding der skal switches jo mere tab er der. Da forsyningsspændingens størrelse direkte afgør forstærkerens mulige udgangseffekt så vil store PWM forstærkers være proportionelt mere ineffektive, dette bliver især tydeligt hvis de primært bruges ved lave lydniveauer hvor switching tab bliver disproportionalt store.
 
Ok, nu er vi ved at nå til det punkt hvor de egenskaber Joseph Sahyouns Class J har, kan sættes i perspektiv.
 
Skal effektiviteten øges på PWM så er den eneste måde at angribe de 2 primære årsager til PWM spild nemlig switch hastighed og forsyningsspænding. Gør man det ”Head-On” er der flere åbenlyse problemer. Nedsætter du switch raten så vil diskant og øvre mellemtone blive mindre godt defineret (grovkornet). Nedsætter man forsyningspændingen så begrænser man forstærkerens udgangseffekt og i en tid med mere og mere effekthungrende højtalere så er det ikke en god ide.

 

 

Class J angriber begge problemstillinger ved at tilføje PWM teknologien intelligens. Class J er centreret omkring en computer A.I. der analysere det signal input forstærkeren ser i realtime. Som man kender det fra militær historie så er den rigtige information på det rigtige tidspunkt alt afgørende. Man kan udrette det samme med en håndgranat som en hel eskadron af B-52 bombefly hvis man kan placere den på præcis det rigtige sted.
Ved at analysere lydsignalet og med paradigmen "lige præcis nok" så styrer Class J computeren switching hastigheden på transistorerne trinløst. I stedet for at køre med max switch hastighed på 500khz hele tiden så ændres den konstant afhængigt af inputsignalet. Kun ved tilstedeværelse af højfrekvent diskant skruer den helt op på 500khz.

 

Den sørger konstant for at det aktuelle signal får den nødvendige oversampling for præcis audio gengivelse. Både PWM savtands generatoren og switching hastigheden bliver optimeret til signalet. Det betyder at forstærkeren altid indstiller sig til at forstærke netop det aktuelle signal på bedst mulig vis. Det har en meget stor betydning for effektiviteten og lydkvaliteten. Man kan sammenligne denne funktion af Class J med Tracking-Rail strømforsyningen der øger effektiviteten ved at give udgangstrinnet netop det den har brug for og en anelse mere for både at have headroom og maksimal effektivitet. Forskellene er dog store. Class J arbejder i det digitale domæne og hvor de gamle tracking rail konstruktioner kun ser på amplituden (styrken) af det indkommende signal, så ser Class J computer AI på det faktiske frekvens baserede indhold af signalet såvel som amplituden. Da over 80 procent af energien i et typisk musik materiale ligger under 1000hz og frekvensen (læs hyppighed) af indhold over 10khz er meget lav så vil forstærkeren operer langt under 500khz i størstedelen af tiden.

 

 

Der bliver vundet mere end effektivitet ved ikke at have forstærkeren fastlåst i en 500khz switch hastighed. Rå mænger af strøm til at drive bas bliver mest effektivt og præcist givet af transistorer der har åbent i længere tid. Dvs. switcher med lavere hastighed. Dette er en af årsagerne til at baskontrol på en Class J forstærker overstiger en typisk fullrange klasse D ganske væsentligt.

Ok, det løste problemet med switch hastigheden. Hvad så med forsyningsspændingen?

Class J analysere ligesom klasse H signalets styrke og beregner derudfra hvor stor en forsyningsspænding er nødvendig. Vi ved at jo lavere forsyningspændingen er jo mere effektiv er en PWM forstærker, men vi ønsker ikke at begrænse forstærkernes effekt potentiale. Class J løser dette ved en teknologi kaldet Stagged-Rail. Det er udfra et grundlæggende klasse H princip anvendt i det digitale domæne. Switch transistorerne skifter ikke over den fulde forsyningspændingen ved lave udgangsniveauer. Efterhånden som effektbehovet ænder sig så til og fra kobler Class J computeren forsyningsspænding. "Stagged" vil sige at forsyningsspænding er stablet oven på hinanden.

 

 

Nu tænker den garvede hifi entusiast måske:"hvorfor er Stagged-Rail teknologi ikke fuld moduleret som en Tracking-Rail forsyning, men opbygget omkring statiske spændinger kendt fra klasse H?”  Hvis man ser firkantet på en Tracking-Rail konstruktion så har man en klasse D forstærker der driver en klasse AB forstærker. Skulle man gøre det på en Class J forstærker ville man have en Class D forstærker der drev en klasse D forstærker (Class J, ikke Class d, men PWM baseret). Hvis man ser på den konstruktion så har man kun flyttet switching tabet pga. en høj forsyningsspænding tilbage i konstruktionen. Nu er det klasse D tracking rail forsyningen der skal switche over en høj forsyningsspænding. Så man har kun tilført konstruktionen yderligere switching tab ved at have en ekstra PWM del samt øget forstærkernes indre impedans. Ved Stagged-Rail teknologien er der ingen switching tab eller forøgelse af indre modstand.
 
Andre fabrikanter af PWM teknologi kan opnå en effektivitet på op til 90 procent (udgangen alene) Problemet er at den effektivitet typisk er opgivet ved max effekt for at gøre switching tabene så forholdsmæssigt små som muligt da de ikke ændres ved med styrke og frekvens. Det er ret vildledende da det er de færreste private lydentusiaster der har deres forstærker på redline størstedelen af tiden. Da Class J strømforbrug er proportionelt med inputsignalet så er der ikke et stort spild der skal dækkes til med meningsløse effektivitets opgivelser ved fuld effekt. Class J er under optimale forhold 99 procent effektiv.