Выходная мощность усилителя – Выходная мощность — усилитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Характеристики усилителей

При выборе усилителя мощности покупатели часто допускают похожую ошибку, полагая, что указанные в паспорте технические характеристики позволят им понять, какого звука стоит ожидать от приобретаемого усилителя. Дело в том, что основные параметры не отражают «характер» усилителя, хотя бы потому, что они измерены в рафинированных лабораторных

условиях и вообще могут быть недостоверными. Равные по техническим характеристикам усилители могут звучать по-разному. А бывает, что усилитель с худшими характеристиками звучит гораздо лучше. Можно сделать предположение, что эти явления в основном связаны с субъективным восприятием звукового поля разными людьми. Однако правильнее предположить, что если при одинаковых «цифрах» имеются различия, это означает, что что-то измерить попросту забыли. В итоге получается, что оценивать усилитель по основным характеристикам – все равно, что оценивать человека лишь по его физическим параметрам.

К основным характеристикам усилителя мощности звуковой частоты относятся:
  1. Выходная мощность.
  2. Частотный диапазон.
  3. Коэффициент гармонических искажений.
  4. Отношение сигнал / шум.
  5. Демпинг-фактор (или коэффициент демпфирования).
Дополнительно могут указываться:
  1. Коэффициент интермодуляционных искажений.
  2. Скорость нарастания выходного напряжения.
  3. Перекрестные помехи.

Разумеется, в паспорте присутствуют и немаловажные эксплуатационные характеристики:

  1. Напряжение питания.
  2. Максимальная потребляемая мощность.
  3. Масса.
  4. Габаритные размеры.
Выходная мощность

Данный параметр имеет множество разновидностей и методик измерения, и некоторые производители используют это в рекламных целях, намеренно не указывая условия, при которых выходная мощность была измерена. Именно поэтому покупатель недоумевает, сравнивая в магазине крохотный музыкальный центр с наклейкой 2х1000W и увесистый усилитель мощности внушительных размеров с характеристикой 30 Вт на канал.

Для отечественных усилителей в основном использовались такие характеристики, как номинальная и максимальная выходная мощность:

Номинальная мощность – выходная мощность усилителя при заданном коэффициенте нелинейных искажений. Такая методика измерения предоставляет определенную свободу выбора изготовителю, который волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. А ведь широко известно, что в усилителях класса АВ при малых уровнях выходной мощности, например 1Вт, уровень искажений может достигать огромных значений. Существенно уменьшаться он может только при увеличении выходной мощности до номинальной. В паспортах отечественными производителями указывались рекордные номинальные характеристики, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5-15% от максимального значения. Вероятно, поэтому советские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости. В СССР же шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.

Максимальная мощность – выходная мощность усилителя при ненормированном коэффициенте нелинейных искажений. Данный параметр является еще менее информативным, чем номинальная мощность и характеризует только запас прочности усилителя – способность работать длительное время при перегрузках по входу.

Среди зарубежных чаще всего используются характеристики RMS, PMPO и DIN POWER:

RMS (Root Mean Squared) – среднеквадратичное значение мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Как правило, измерение проводится на 1 кГц при достижении коэффициента нелинейных искажений 10%. Этот показатель был заимствован из электротехники и, строго говоря, для описания звуковых характеристик непригоден. В музыкальных сигналах громкие звуки человек слышит лучше, чем слабые, поскольку на органы слуха воздействуют амплитудные значения, а не среднеквадратичные. Таким образом, усредненное значение будет мало о чем говорить. Стандарт RMS был одной из неудачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры и имеет весьма ограниченное применение — усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности нужно еще поискать. До достижения максимальной мощности, искажения не превышают зачастую сотых долей процента, а потом резко возрастают.

PMPO (Peak Music Power Output) — максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS). Как следует из описания, параметр PMPO — виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Тем не менее, он очень часто встречается в описаниях на усилители, вводя в заблуждение многочисленных покупателей. В связи с этим можно лишь посетовать на отсутствие единых обязательных стандартов измерения выходной мощности и на недобросовестность производителей. 100 Вт PMPO зачастую соответствуют лишь 3 Вт номинальной мощности при 1% КНИ.

DIN POWER — значение выдаваемой на реальной нагрузке мощности при нормированном коэффициенте нелинейных искажений. Измерения проводятся в течении 10 минут с помощью сигнала частотой 1 кГц при достижении 1 % КНИ.

Данный параметр наиболее адекватно характеризует выходную мощность усилителя. Иногда он встречается в паспорте усилителя под обозначением IEJA. Его разновидность IHF определяет выходную мощность при 0,1% КНИ.

Строго говоря, есть и многие другие виды измерений, например, DIN MUSIC POWER, описывающая мощность не синусоидального, а музыкального сигнала. В последнее время из-за отсутствия единого стандарта производители стараются указывать выходную мощность вкупе с другими характеристиками, при которых она измерена. Например,

650 W (8 Ω, 20 – 20000 Hz, 0,1% THD)
750 W (8 Ω, 1000 Hz, 0,1% THD)

Учитывая тот факт, что музыкальный сигнал имеет большой частотный и динамический диапазон, правильнее проводить измерения с помощью музыкальных сигналов. И указывать не номинальную мощность, а график зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности.

Можно добавить, что каждый усилитель рассчитан на определенное сопротивление нагрузки. Тем не менее, оно может варьироваться, и в технических паспортах указываются основные параметры для каждого допустимого сопротивления.

Частотный диапазон

Практически любой современный усилитель мощности звуковой частоты способен усиливать сигналы с частотой, выходящей далеко за рамки слышимого диапазона. Поэтому указывать в чистом виде частотный диапазон, например, от 5 Гц до 100 кГц – совершенно бессмысленно.

Назначение усилителя мощности звуковой частоты (если он не имеет специального назначения, как, например, гитарный усилитель) – формирование на выходе электрического сигнала, по форме в точности повторяющего входной сигнал, но имеющего большую мощность. Так как музыкальный сигнал, даже если он формируется одним музыкальным инструментом, далек от гармонического, то минимизации коэффициента нелинейных искажений в усилителях для качественного воспроизведения звука, недостаточно. Необходимо, чтобы в диапазоне слышимых частот от 16 до 20000 Гц амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя были абсолютно горизонтальными. На практике, этого добиться не удается, да и акустическая система имеет АЧХ с более существенными провалами и подъемами.

Частотный диапазон указывается при нормированной неравномерности амплитудно-частотной характеристике, выраженной в относительных величинах. Самые удачные модели усилителей имеют неравномерность АЧХ +/-0,1 дБ в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Если при измерении принять стандартную неравномерность амплитудно-частотной характеристики 3 дБ, то частотный диапазон составит 10 – 100000 Гц.

Коэффициент гармонических искажений

Искажения сигнала вызваны нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных элементов и присущи любым усилителям мощности. Если подать на вход усилителя синусоидальный сигнал, то в спектре выходного сигнала, кроме основной гармоники, обнаружатся дополнительные, частота которых кратна частоте полезного сигнала. Такие гармоники являются паразитными и их мощность, как правило, невелика. Однако их суммирование с полезным сигналом приводит к существенному искажению его формы, и как следствие, искаженному звучанию.

Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) показывает слышимую составляющую гармонических искажений в выходном сигнале и определяется как отношение суммарной мощности паразитных сигналов к мощности полезного гармонического сигнала. Как правило, измерения проводятся на частоте 1 кГц.

При замерах обращается внимание на спектральное распределение и характер искажений. Слышимость паразитных гармоник зависит от относительного уровня по отношению к тестовому сигналу, от порядка гармоники, от типа (четная/нечетная), а так же от того, на какой громкости прослушивается тестовый фрагмент.

Типовое значение THD для Hi-Fi усилителя составляет 0,1%. Однако, уже не раз отмечалось: усилитель с THD 0,001% может оказаться хуже по звуку, чем другой, с THD 0,1%. Дело в том, что при таких малых значениях этого параметра, искажения сложно проследить в форме выходного сигнала или ощутить на слух. Поэтому, разницы между 0,1% и 0,001% слышно не будет.

Отношение сигнал / шум

Отношение сигнал / шум определяется как отношение мощности полезного гармонического сигнала к мощности собственных шумов усилителя мощности. Данный параметр для современной звукоусилительной техники превышает значение 100дБ. Это означает, что мощность собственных шумов усилителя в 10 миллиардов раз меньше мощности полезного музыкального сигнала. Можно с уверенностью сказать, что в настоящее время этот параметр – лишь предмет гордости производителя. Он не имеет для пользователя никакого значения. Кто сможет ощутить различия между ОСШ 95 и 100 дБ?!

Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования)

Коэффициент демпфирования определяется как отношение номинального сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя и характеризует способность подавлять паразитные напряжения, которые возникают в динамических головках при движении катушки в магнитном поле. Если демпфирование недостаточно, то диффузор будет совершать свои собственные «телодвижения», никак не связанные с музыкой, но зависящие от упругости подвески. Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве моделей акустических систем эта проблема успешно решается. Можно считать достаточным, если значение коэффициента превышает 100.

Демпфирование зависит не только от выходного сопротивления усилителя и сопротивления акустической системы. Необходимо учитывать, что способность поглощать возвращаемую громкоговорителем энергию зависит от индуктивностей фильтров и от сопротивления разъемов и кабеля, которым подключены акустические системы.

Минимальным значением коэффициента демпфирования можно считать 20, хорошим — 150-400. Современные усилители высокого класса имеют значение этого параметра 150 и выше.

Коэффициент интермодуляционных искажений

Нелинейность характеристик усилительных элементов приводит к возникновению нелинейных искажений. Большинство производителей усилителей измеряют и указывают в паспорте только коэффициент гармонических искажений (THD). Измерения проводятся с помощью гармонического сигнала. При подобном тестировании на выходе усилительного тракта появляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте основного тона. Однако, как уже упоминалось, музыкальный сигнал далек от гармонического. Более того, любой музыкальный инструмент воспроизводит не только основной тон, но «обертона», которые являются ярким примером гармонических искажений. Известно, что наличие в музыкальном сигнале «обертонов» вовсе не портят, а обогащают звук. Поэтому очень важно указывать не коэффициент гармонических искажений, а весь спектр выходного сигнала, из которого можно определить тип (четные или нечетные) паразитных гармоник и их уровень относительно полезного сигнала. С точки зрения психоакустики, например, наличие в выходном сигнале ощутимых по уровню четных гармоник воспринимается на слух лучше, чем наличие малых нечетных.

Наибольший вред музыкальному сигналу приносят интермодуляционные искажения (Inter Modulation Distortion), которые возникают при подаче на вход нелинейной системы мультитонового сигнала. При этом на выходе появляются паразитные сигналы с частотами, являющимися суммой или разностью частот входных сигналов, а также суммой или разностью частот сигналов, вызванных гармоническими искажениями и через обратную связь возвращенных на вход усилителя. Подобные искажения не соотносятся с основными тонами музыкального сигнала и привносят в него фоновый шум.

Необходимо отметить, что единых стандартов по измерению интермодуляционных искажений не существует, а результаты измерений существенно зависят от уровней входных сигналов и их частот. Чаще всего, IMD не указывается просто потому, что неизвестно как его измерять. Тем не менее, данный параметр является наиболее перспективным для оценки нелинейных свойств усилителя мощности.

Скорость нарастания выходного сигнала

Данный параметр характеризует уровень динамических искажений, которые возникают вследствие ограничения скорости нарастания выходного сигнала в усилителе, охваченного глубокой обратной связью. Введение ООС, как правило, приводит к нестабильности усилителя на высоких частотах. Это вынуждает применять частотную коррекцию. В свою очередь недостаточно высокая частота среза образуемого фильтра низких частот и вызывает динамические искажения.

В музыкальном сигнале всегда присутствуют резкие всплески по уровню, например, при работе ударных инструментов. Недостаточная скорость нарастания сигнала приводит к ухудшению звучания, которое выражается в потере энергичности.

Перекрестные помехи

Данный параметр определяет степень проникновения сигнала из одного канала в другой. Высокий уровень перекрестных помех приводит к незначительному ухудшению четкости восприятия стереобазы. Однако чуткий слушатель сразу ощутит, что звук не дает представления о взаимном расположении и размерах музыкальных инструментов, т.е. отсутствие или нечеткость звуковой 3D картинки.

Не в последнюю очередь при выборе усилителя обращается внимание на его внешний вид и удобство в эксплуатации. В силу субъективности эти показатели не поддаются никакому измерению и выражаются в виде звездочек в многочисленных рейтингах и наклеек типа «Gold Design» на корпусе устройства. Вне сомнений, это также является характеристикой усилителя мощности.

www.hifiaudio-spb.ru

Выходная мощность

При
активном характере сопротивления
нагрузки выходная мощность усилителя
равна

,

где
Uвых

— действующее, а Um
вых

амплитудное значение выходного
напряжения.

Выходная
мощность – это полезная мощность,
развиваемая усилителем в нагрузочном
сопротивлении.

Увеличение
выходной мощности усилителя ограничено
искажениями, которые возникают за счет
нелинейности характеристик усилительных
элементов при больших амплитудах
сигналов. Поэтому чаще всего усилитель
характеризуют максимальной мощностью,
которую можно получить на выходе при
условии, что искажения не превышают
заданной (допустимой) величины.

Эта
мощность называется номинальной
выходной мощностью усилителя.

Коэффициент полезного действия

Этот
показатель особенно важно учитывать
для усилителей средней и большой
мощности, так как он позволяет оценить
их экономичность. Численно к.п.д. равен

где
Ро
– мощность, потребляемая усилителем
от источника питания.

Номинальное
входное напряжение

(чувствительность)

Номинальным
входным напряжением называется
напряжение, которое нужно подвести к
входу усилителя, чтобы получить на
выходе заданную мощность. Входное
напряжение зависит от типа источника
усиливаемых колебаний. Чем меньше
величина входного напряжения,
обеспечивающего требуемую выходную
мощность, тем выше чувствительность
усилителя. Подача на вход усилителя
напряжения, превышающего номинальное,
приводит к значительным искажениям
сигнала и называется перегрузкой со
стороны входа.

Если
усилитель предназначен для работы от
нескольких источников, то его вход
рассчитывается обычно на наименьшее
напряжение, которое дает один из
источников, а другие источники сигнала
включаются через делители напряжения.

Диапазон усиливаемых частот

Диапазоном
усиливаемых частот, или полосой
пропускания, называется та область
частот, в которой коэффициент усиления
изменяется не больше, чем это допустимо
по техническим условиям.

Допустимые
изменения коэффициентов усиления в
пределах полосы пропускания зависят
от назначения и условий работы усилителя.

Уровень собственных помех усилителя

Причины
возникновения помех на выходе усилителя
можно разделить на три основные группы:

1)
тепловые шумы, 2) шумы усилительных
элементов, 3) помехи из-за пульсаций
напряжения питания и наводок со стороны
внешних электромагнитных полей.

Известно,
что в проводниках и полупроводниках
при нормальной комнатной температуре
(порядка
С)
электроны движутся хаотически, причем
в каждый данный момент количество
электронов, движущихся в каком либо
одном направлении, превышает количество
электронов, движущихся в других
направлениях. Преимущественное движение
электронов в любом направлении является
электрическим током и, следовательно,
при этом на проводнике или полупроводнике
создается напряжение, не подчиняющееся
какому либо определенному закону.

Так
как впервые с этим напряжением
столкнулись при создании радиовещательных
приемников, в которых оно после усиления
попадало к громкоговорителю и создавало
шум, то его назвали напряжением
шумов
.

Шумовые
напряжения, в силу своей случайности,
имеют самые различные частоты и фазы и
поэтому практически охватывают всю
полосу частот усилителя. Следовательно,
с увеличением полосы пропускания
усилителя уровень шума возрастает.
Кроме того, шум тем больше, чем выше
температура и больше величина сопротивления
цепи, которая создает напряжение тепловых
шумов.

При
температуре 20 — 25°С шумовое напряжение
можно найти по формуле

Uт.ш
,

где
Uт.ш

– напряжение тепловых шумов, мкВ; fв
и
fн

— высшая и низшая частоты, пропускаемые
цепью, кГц;

R
– активная составляющая сопротивления
цепи в полосе частот от fв
до
fн,
кОм.

Все
цепи усилителя создают напряжение
тепловых шумов, однако особенно большое
влияние оказывают собственные шумы
первых усилительных каскадов, так как
эти шумы в дальнейшем усиливаются всеми
последующими каскадами. Если, например,
высшая и низшая рабочие частоты усилителя
равны 10000 и 100 Гц, а активное сопротивление
входной цепи составляет 500 Ом, то
напряжение тепловых шумов будет равно

Uт.ш

0,27 мкВ.

Приведенные
вычисления показывают, что величина
напряжения тепловых шумов очень мала.
Поэтому помехи от тепловых шумов в
усилителях сказываются лишь при больших
коэффициентах усиления.

Напряжения
шумов может возникнуть также из-за
неравномерности движения носителей
электрических зарядов через усилительный
элемент. Это явление называют дробовым
эффектом
.
Уровень шумов транзисторов обычно
оценивают коэффициентом шума, выраженным
в децибелах и показывающим, на сколько
децибел, включенный в цепь транзистор
повышает уровень шумов по сравнению с
тепловыми шумами цепи.

Большое
влияние на общий уровень помех усилителя
оказывают пульсации напряжений источников
питания, а также наводки со стороны
внешних электрических и магнитных
полей. Уменьшение этих помех может быть
достигнуто применением дополнительных
сглаживающих фильтров на выходе
источников питания и тщательной
экранировкой наиболее ответственных
цепей усилителя (главным образом
входных).

Величина
общих помех на выходе усилителя должна
быть значительно меньше напряжения
усиленного сигнала; в противном случае
из хаотически изменяющегося напряжения
помех нельзя будет выделить полезный
сигнал. Обычно считают, что полезный
сигнал должен превышать уровень помех
не менее чем

в
2 – 3 раза (на 6 – 10 дБ).

Отношение
амплитуд наиболее сильного и наиболее
слабого сигналов на входе усилителя
называют динамическим диапазоном
амплитуд D.
Динамический диапазон обычно выражают
в децибелах

studfiles.net

Выходная мощность усилителя | качество звука


Некоторые считают — идеальная музыкальная аудио система должна работать так же громко, как её концертный аналог, забывая о том, что основная задача бытовой аудио аппаратуры — максимально точно спроектировать музыкальное событие и сохранить пропорцию фрагментов, а абсолютная масса звука не является показателем музыкальных качеств. Следовательно добротность аудио системы характеризуется — мощной динамической активностью звука на чуть слышимом уровне громкости.

Психоакустикой доказано, что гармоники натуральных музыкальных инструментов и человеческого голоса могут проявляется на частотах свыше 50 кГц и оказывать заметное влияние на общий характер звука. Хотя эти гармоники человек не слышит, но создаваемые ими ощущения учитываются нашим мозгом, и их отсутствие воспринимается как некая форма искажений, что снижает время комфортного прослушивания на высокой громкости.

Чтобы сохранить тембр звучания музыкальных инструментов и достоверность голосов певцов, микро и макродинамику музыкального произведения, требуется полоса частот усилителя мощности от 10 Гц до 50 кГц и акустической системы от 30 Гц до 30 кГц, отношение сигнал /шум не менее 75 Дб, а так же звуковое давление в точке нахождения слушателя, превышающие уровень шумов в помещении прослушивания на величину динамического диапазона музыкального материала. Обычно 15 Ватт «однотактной» выходной мощности усилителя вполне достаточно для ударной прокачки комнаты 30м/кв.

Прямым доказательством достатка выходной мощности (30 Ватт на канал) служит случайная запись с выставки, записанная одним из её организаторов на мобильный телефон. Ручка громкости установлена на 14 часов, выходная мощность усилителя приблизительно составляет 25 Ватт на канал, помещение прослушивания «огромное» — концертный зал.

Понятие громкости и качество звука. Моно запись (18 минут) сделана с мобильного телефона (объём 1.7гб) и сжата до 52 мб, по программе «Total Video Converter 3.5». Однако звук — судите сами.

Наверное понятно, что усилитель «Grimmi» способен обеспечить достойное качество звука, даже с акустическими системами очень низкого класса. Потому мы открыто предлагаем, давайте официально сравним наш усилитель с любым другим усилителем мощности, стоимость которого может быть беспредельно огромная. Но когда дело доходит до реального прослушивания дилеры известных брендов пропадают.

Желающие послушать усилитель «Grimmi» с более достойными АС, звоните по телефону: (495) 233-9472. Гарантируем, что Вы получите огромное удовольствие, на много больше, чем на натуральном концерте.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

          Мы не создаём иллюзий,
          Мы делаем звук живым!

grimmi.ru

Классы усилителей мощности — audioGO

Первая попытка классификации усилителей мощности можно найти здесь.

А и Б сидели на трубе
А упало, Б пропало
Что осталось на трубе?
(D… H… T…)

Автомобильная аудиосистема при всем своем отличии от домашней состоит из тех же самых компонентов. Разница только в упаковке. Помимо источника сигнала (тюнера, магнитофона, CD- или MD-проигрывателя) в составе любой аудиосистемы обязательно присутствует усилитель — малозаметный, но очень важный компонент. Эта статья — не учебник и не справочник, поэтому материал упрощен, без лишних формул. Хотя изложение ведется применительно к автомобильным усилителям, материал не ограничивается этими рамками…

Основная проблема при создании автомобильной аудиосистемы состоит в оптимальном согласовании всех компонентов по характеристикам (уровням сигналов, мощности, чувствительности и т.д.). В одних случаях владельцу автомобильной аудиосистемы достаточно встроенного усилителя головного аппарата, в других случаях необходимо использовать дополнительный усилитель — конкретное решение зависит от поставленной задачи. Конечно, в каждом случае решение требуется свое, но производители автомобильной техники придерживаются определенных стандартов и стыковка компонентов обычно не вызывает проблем. При использовании головного аппарата в &quotгордом одиночестве&quot (конечно, совместно с качественными динамиками) проблем обычно не возникает, но иногда они могут возникнуть при создании системы из нескольких компонентов.

;Усилители мощности (оконечные усилители) предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, чтобы они могли возбуждать громкоговорители. Принцип работы усилителя состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность постоянного тока в переменный ток в нагрузке, причем форма сигнала на выходе полностью повторяет сигнал на входе. При этом усилитель должен обеспечить минимальные искажения сигнала и высокий КПД. Если в домашних аудиосистемах решение этих задач представляет определенные сложности, то в автомобильных выливается в проблемы буквально вселенского масштаба.

Характеристики усилителей.
Основные определения.
Мостовое включение.

;Теперь настало время поговорить о характеристиках усилителей. И, хотя взаимосвязь между объективно измеренными параметрами и субъективно воспринимаемым звучанием заметна мало, на сегодняшний день другого способа &quotзаочной&quot оценки и сравнения усилителей пока не придумано. Следующий этап — сопоставительное прослушивание, и тут возникает парадокс — звучание усилителя с худшими показателями нередко оказывается более приятным. Чуть позже мы вернемся к этой теме.

Выходной каскад усилителя мощности служит усилителем тока и согласует предварительные каскады с низкоомной нагрузкой. Основные характеристики выходного каскада — его выходная мощность, мощность рассеяния, потребляемая мощность и коэффициент полезного действия (КПД). КПД показывает эффективность работы усилителя (какая часть потребляемой выходным каскадом мощности передается в нагрузку). Мощность рассеяния — это мощность потерь в выходном каскаде, превращающаяся в тепло и нагревающая выходные транзисторы. Величина мощности рассеяния и КПД зависят от класса работы усилителя (об этом далее) и уровня сигнала. Эти показатели связаны следующими соотношениями:

потребляемая мощность = выходная мощность + мощность рассеяния
КПД = (выходная мощность / потребляемая мощность) * 100%

  • Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, полоса усиливаемых частот) показывает способность усилителя усиливать различные частоты спектра. Обычно указывается диапазон частот, в котором отклонение коэффициента передачи усилителя от коэффициента передачи на частоте 1кГц не превосходит некоторых пределов (обычно +- 0,5…1дБ). Для современных усилителей полоса пропускания простирается от нескольких герц до десятков и сотен килогерц и, во всяком случае, не должна быть уже 20 Гц…20 кГц. Исключение составляют специализированные усилители. Так, для усилителей сабвуферов характерна полоса 10…500 Гц.
  • Амплитудная характеристика показывает зависимость коэффициента усиления от входного напряжения. При прохождении сигнала через нелинейный усилительный тракт появляются составляющие с частотами, кратными основной (гармоники), а в случае нескольких сигналов — комбинационные составляющие на частотах, кратных сумме или разности составляющих частот и их гармоник. Амплитудную характеристику усилителя характеризует коэффициент нелинейных (гармонических) искажений и коэффициент интермодуляционных искажений. Эти параметры показывают мощность продуктов искажений относительно мощности основного сигнала в процентах. Заметность искажений определяется спектральным составом продуктов искажений: четные гармоники более заметны на слух, но не так неприятны, как нечетные. Мнения относительно допустимой величины этих искажений расходятся, ясно только одно — заметность интермодуляционных искажений на порядок выше, чем гармонических. Во всяком случае, коэффициент интермодуляционных искажений усилителя не должен быть больше 0,1-0,2%..
  • Номинальная или непрерывная выходная мощность (Continuous Power Output) — выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с определенным коэффициентом нелинейных искажений (от 0.1% до 1% в зависимости от принятого стандарта) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). Измеряется на синусоидальном сигнале на активной нагрузке. Определяет зону качественного звучания. Кроме того, усилитель должен без проблем выдерживать указанную мощность в течение длительного периода (в частности, не перегреваться).
  • Максимальная выходная мощность (MPO, Max. Power Output) — выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с повышенным коэффициентом нелинейных искажений (обычно 10%) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). В зависимости от конструкции выходного каскада усилителя может превышать номинальную в 1,5 — 2,5 раза. Определяет &quotгромкость&quot усилителя, но говорить о музыкальности при таких искажениях бессмысленно.
  • Пиковая или музыкальная выходная мощность (PMPO, Peak Music Power Output) — мощность, измеренная на импульсном сигнале на комплексной нагрузке. Понятие весьма спорное с точки зрения музыки, но достаточно точно характеризующее способность усилителя без искажений передавать реальные звуковые сигналы. Большая часть этой мощности имеет реактивный характер, поэтому оценивать &quotгромкость&quot усилителя по этой характеристике не стоит.
  • Коэффициент демпфирования (Damping Factor) — отношение сопротивления нагрузки (обычно 4 Ом) к выходному сопротивлению усилителя. Показатель достаточно спорный. Определяет эффективность электрического демпфирования резонанса подвижной системы низкочастотных динамиков и с этой точки зрения должен быть не менее 20-30 (у ряда моделей дистигает сотен и даже тысяч). С другой стороны, для отдельных полосовых усилителей средних и высоких частот снижение коэффициента демпфирования значительно снижает уровень интермодуляционных искажений в динамиках. Однако эта характеристика позволяет косвенно оценить способность усилителя отдавать в нагрузку большой ток.

;Минимальная спецификация любого усилителя (не только автомобильного) должна включать номинальную и максимальную мощности и коэффициент гармоник, для полноты картины полезно знать и коэффициент интермодуляционных искажений. В последнее время наряду с этими параметрами иногда используется и спектр искажений.

пример спецификации
номинальная мощность
при К.Н.И.0.1%
20W/ch at 0.1%THD20 Вт/канал
максимальная мощность
при К.Н.И.10.0%
35W/ch at 10.0%THD35 Вт/канал

Максимальную выходную мощность можно реализовать в том случае, когда размах напряжения сигнала становится равным напряжению питания. На практике это невозможно, так как свойственное транзисторам напряжение насыщения (~0,5…1,5 В для биполярных и ~2…5 В для большинства полевых в линейном режиме) не позволяет доводить напряжение сигнала до напряжения питания. Это особенно актуально при низких напряжениях питания, т.е. при использовании встроенных усилителей головных аппаратов. По этой причине они до недавнего времени выполнялись только на биполярных транзисторах. Полевые транзисторы, сохраняющие высокую линейность при низких напряжениях, появились относительно недавно.

Дополнительные усилители имеют встроенные преобразователи напряжения, обеспечивающие напряжение питания выходного каскада несколько десятков вольт и для них это обстоятельство не так существенно. Поэтому выходные каскады дополнительных усилителей часто выполняются на полевых транзисторах — качество звучания у них заметно выше, чем у биполярных, а сами усилители проще и надежнее. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева — с увеличением температуры кристалла ток транзистора уменьшается.

Наиболее простой способ увеличить выходную мощность при неизменном напряжении питания — снизить сопротивление нагрузки. Однако у этого способа есть недостатки:

  • Ухудшение демпфирования может привести к росту резонансного горба на АЧХ
  • Увеличение тока нагрузки может привести к росту искажений
  • Усиливается влияние соединительных проводов между усилителем и динамиком

Другой способ увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания — включить его по мостовой схеме (рис.1.). Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Наряду с достоинством — большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь — повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно — выходные сопротивления усилителей сложились.

Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.

Что скрывается за выходной мощностью.
Импеданс громкоговорителей.
Компенсатор Цобеля-Буше.
Стандартный эквивалент нагрузки.

Многие производители указывают для усилителя колоссальную мощность: 100, 200 и более ватт на канал. При этом необходимо иметь в виду, что это PMPO (пиковая мощность), для реализации которой необходимо, как минимум, использовать в блоке питания батарею конденсаторов большой емкости (из расчета ~1000 мкФ на каждый ватт максимальной выходной мощности). Как уже указывалось, оценить громкость звучания по этой характеристике невозможно. Мощность дополнительных усилителей ограничивается, главным образом, возможностями источника питания (способностью отдавать большой ток без снижения выходного напряжения). Мощность усилителей головных аппаратов ограничивается напряжением питания и с учетом потерь на выходных транзисторах не превышает указанных в таблице значений.

Реально достижимая номинальная (максимальная) выходная мощность головного аппарата при напряжении питания 14.4 В
выходная мощностьобычная схемамостовая схема
на нагрузке 4 Ом4.5 (8) Вт15 (24) Вт
на нагрузке 2 Ом8 (15) Вт25 (45) Вт*
* в головных аппаратах используется редко
Помните, что использование акустики с импедансом меньше рекомендованного может вывести усилитель из строя, с большим — не принесет вреда, но выходная мощность пропорционально снизится.

Усилители мощности современных головных аппаратов выполняются исключительно на микросхемах, дополнительные усилители — как правило, на дискретных компонентах, хотя встречаются исключения из этого правила. В головных аппаратах подразумевается использование акустики с импедансом 4 Ом, но некоторые модели в состоянии работать на нагрузку 2 Ом (это оговаривается особо). Впрочем, подобные исключения достаточно редки. С другой стороны, для современных дополнительных усилителей нагрузка 2 Ом или даже 1 Ом — обычное явление.

С мощностью наконец разобрались. Но тут есть прямо-таки фарисейская уловка. Дело в том, что номинальная и максимальная выходная мощность усилителя измеряется на активной нагрузке при подаче на вход синусоидального сигнала. В действительности же усилители работают на комплексную нагрузку, обладающую помимо активного сопротивления и емкостью, и индуктивностью. Да и в реальном музыкальном сигнале трудно найти что-нибудь, хотя бы отдаленно напоминающее синусоиду. Чтобы оценить взаимодействие усилителя и нагрузки, необходимо учитывать зависимость импеданса нагрузки от частоты.

Импеданс (полное электрическое сопротивление) громкоговорителей имеет максимумы и минимумы. В области средних частот он имеет минимум, равный примерно половине активного сопротивления звуковой катушки динамика, и максимум вблизи частоты резонанса подвижной системы. Импеданс в зоне резонанса превышает номинальный в несколько раз. Увеличивается он и с ростом частоты — сказывается индуктивность обмотки звуковой катушки.

Для компенсации индуктивной составляющей импеданса применяется компенсатор Цобеля-Буше. Он представляет собой последовательную RC-цепь, подключаемую параллельно динамику. В результате импеданс нагрузки становится практически активным и не зависящим от частоты. Емкость конденсатора определяется индуктивностью звуковой катушки динамика и в большинстве случаев составляет ~10-20 мкФ. Особенно оправдано включение компенсатора в состав пассивных разделительных фильтров — стабилизация нагрузки фильтра улучшает его частотную характеристику.

При воспроизведении реальных музыкальных сигналов, имеющих импульсный характер, за счет влияния нагрузки возникают значительные скачки тока и напряжения, приводящие к перегрузке выходного каскада усилителя. За счет реактивных токов в цепи нагрузки мощность рассеяния в выходном каскаде может многократно превышать мощность, потребляемую усилителем от источника питания. Емкость создает бросок тока, а индуктивность — выброс напряжения при резком изменении сигнала. Для испытаний усилителей в условиях, приближенных к реальным применяется стандартный эквивалент нагрузки. Схема в основном имитирует резонанс низкочастотных динамиков.


Работа усилителя на комплексную нагрузку.
Основные требования к усилителям мощности.

Особенно сложной и трудно предсказуемой становится работа усилителя на многополосные акустические системы, снабженные сложными пассивными разделительными фильтрами (кроссоверами). Их импеданс достаточно сильно изменяется в рабочем диапазоне частот. Нагрузка на выходной каскад усилителя в этом случае значительно возрастает. Например, при выходной мощности усилителя 100 Вт и нагрузке 8 Ом ток сигнала на выходе составляет 5 А при активной нагрузке и 28 А при комплексной нагрузке, что почти в шесть раз больше. Поэтому ясно, что усилитель должен быть в состоянии отдать в нагрузку значительный ток без искажений формы сигнала и вредных для себя последствий. По той же причине сильное влияние на звучание системы оказывают соединительные провода между усилителем и динамиками — именно по ним циркулируют реактивные токи. Если сечение провода недостаточно, значительная часть мощности усилителя будет теряться в проводах. Поэтому выбор проводов — достаточно серьезный вопрос.

    Основные требования к усилителям мощности и их установке можно кратко сформулировать следующим образом:

  • Выходные каскады должны обладать большой перегрузочной способностью по току. Это позволит без искажений воспроизвести пики сигнала.
  • В схеме усилителя должны быть предусмотрены средства защиты выхода от перегрузок по току (автоматические предохранители), а также защита АС при выходе усилителя из строя. Для автомобильных усилителей необходимы устройства защиты от перегрева.
  • Желательно обеспечить возможно более высокий КПД — это снизит нагрузку на аккумулятор и генератор и нагрев усилителя.
  • Крайне желательно использование сглаживающих конденсаторов большой емкости, установленных в непосредственной близости от усилителя. Конденсатор играет роль фильтра и дополнительного источника питания на пиках мощности. Емкость конденсатора выбирается из соотношения ~1000мкФ на каждый ватт мощности усилителя.
  • Монтаж цепей питания и, особенно, выходных цепей должен быть выполнен проводами правильно подобранного сечения. Чем больше потребляемый ток и длина провода, тем больше должно быть его сечение.
  • Обеспечение требований помехозащищенности. Это требование относится уже к входящему в состав автомобильных усилителей высокочастотному преобразователю напряжения питания, который фактически представляет собой достаточно мощный передатчик.

Сравнительные характеристики.

Как уже говорилось, усилитель мощности должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала. Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах. Однотактные усилители типа Pass Zen — экзотика, в автомобиле мало применимая. Полевые транзисторы используются при высоких напряжениях питания и сами по себе вносят малые искажения в сигнал, но КПД усилителя несколько ниже, чем при использовании биполярных транзисторов. Зато у биполярных искажения больше — как всегда, палка о двух концах.

Существует три основных режима работы выходного каскада &quotзвукового&quot усилителя — A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.

класс усилителяABAB
КПДmax.50%max.78%max.60-75%
Искажениямалыевысокиесредние
потребляемая мощностьпостояннаязависит от выходнойзависит от выходной
термостабильностьнизкаявысокаясредняя
  • В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала — и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.
  • В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов — каждый из них усиливает свою &quotполовинку&quot сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства — при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.
  • Режим AB — попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность — удовлетворительная.

Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B. Подробно об этом далее.


Другие классы усилителей
(A+, SuperA, G, DLD, H)

За все надо платить. Плата за малые искажения &quotчистого&quot класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами. Стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал превращается в скромный электрокамин мощностью 400 Вт, который чем тише звучит, тем больше греется. В квартире камин не помеха, но в машине нужен только зимой. А экономичные усилители класса B явно проигрывают по качеству звучания и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках &quotзолотой середины&quot между экономичностью и качеством звучания. Замкнутый круг.

Выход был найден достаточно неожиданный — совместить два усилителя в одном так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По качеству звучания они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности — к AB. Цена такого достижения немалая — усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).

Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от &quotплавающего&quot (не связанного с &quotземлей&quot) источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка &quotплавающего&quot источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от &quotнормального&quot источника достаточно высокого напряжения (несколько десятков вольт). За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.

Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение — нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилители класса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.

Не думайте, что разнообразие классов усилителей на этом закончилось. Битва за КПД привела к рождению монстров с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант — усилитель класса G. В нем используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности (до 25-30% максимальной) работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжением питания. Экономичность каскада выше, чем в режиме В, искажения несколько меньше.

Дальнейшим развитием этой схемы стал каскад с динамическим линейным возбуждением (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип его работы практически такой же, но для снижения переходных искажений мощный высоковольтный каскад вступает в работу до того, как исчерпает свои возможности маломощный. Для реализации этого режима используется специальная схема управления. Применялись также усилители с управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала.

Сущность режима G в том, что два каскада работают при разных напряжениях питания. Пока амплитуда входного сигнала не превышает напряжение питания малосигнального каскада T1T1′, в работе участвует только он. Диоды D1D1′ защищают от пробоя обратным напряжением переход база-эмиттер транзисторов T2T2′. При дальнейшем росте входного напряжения они отпираются. При этом диоды D3D3′ защищают источник низковольтного питания от броска тока. Диоды D2D2′ запрещают транзисторам T1T1′ перейти в состояние насыщения раньше, чем откроются транзисторы T2T2′, что снижает возникающие при этом процессе переходные искажения. В этой схеме они возникают на фоне достаточно больших полезных сигналов, что позволяет эффективно бороться с ними при помощи отрицательной обратной связи.

Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались в домашних аудиосистемах редко. В автомобильных усилителях эти решения как-то не прижились — тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Теперь особые надежды возлагаются на импульсные (&quotцифровые&quot) усилители, о которых пойдет речь далее.

Но есть один класс усилителей, рожденный специально для автомобилей. Это класс H. Толчком для разработки этих усилителей послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка — применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения — накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала.

К сожалению, радоваться рано. Производители аппаратуры сообщают только эти цифры, умалчивая о главном. Максимальная мощность усилителей класса H зависит от емкости накопительных конденсаторов и частоты сигнала. Чем меньше емкость конденсаторов, тем меньше запас мощности на низких частотах, то есть как раз там, где она особенно нужна. Совершенно очевидно, что упрятать батарею конденсаторов внушительной емкости внутрь стандартного корпуса DIN практически невозможно, поэтому заявленная производителями мощность обеспечивается лишь на средних и высших частотах.

В качестве итога — сравнительные характеристики усилителей различных типов:


Цифровые усилители.

Строго говоря, правильно было бы называть их импульсными усилителями, но параллели &quotаналоговый-цифровой&quot уже сработали, и термин принят de facto, хотя и не признан официально.

В конце концов под натиском цифровой техники стали отступать даже усилители, традиционно работавшие только с аналоговыми сигналами. Идея, положенная в основу усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — иначе говоря, усилителей класса D, известна еще с конца 50-х годов. Однако создание действительно пригодных для высококачественного звуковоспроизведения конструкций стало возможным лишь в середине 80-х после появления соответствующей элементной базы.

В усилителях класса D возможен режим непосредственного усиления цифровых сигналов без их преобразования в аналоговую форму. Когда аудиосигнал уже представлен в цифровом виде, информацию о величине сигнала и необходимом для его усиления напряжении питания можно получить заранее. Это используется в некоторых конструкциях, так что идея управления напряжением питания получила вторую жизнь.

Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Фильтр НЧ на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей доходит до фантастической цифры 92-95%. Это преимущество особенно проявляется при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.

Усилители класса D, подобно их аналоговым собратьям, тоже разделяются на классы. Основное разделение идет по количеству уровней выходных импульсов:

  • два уровня (+U и — U) — режим AD
  • три уровня (+U, 0 и -U) — режим BD

Усилители в режиме AD подобны аналоговым усилителям класса A — потребляют значительный ток покоя. В режиме BD ток покоя отсутствует. Что же касается искажений, то они при прочих равных условиях зависят от способа модуляции и вида модулирующего сигнала.

  • односторонняя модуляция: смещается во времени только один фронт импульсов (передний или задний)
  • двухсторонняя модуляция: смещаются во времени оба фронта импульсов симметрично относительно момента тактирования
    Модулирующие сигналы могут быть двух видов

  • непосредственно аналоговый сигнал (случайная дискретизация). Дополнительные искажения не возникают.
  • сигнал после схемы выборки-хранения (фиксированная дискретизация). Изменения формы импульсов приводят к дополнительным нелинейным искажениям сигнала.

В случае цифровых входных сигналов (от CD-проигрывателей, MD-магнитофонов, систем цифрового вещания, которых у нас пока нет) в работу вступает цифро-цифровой преобразователь &quotкод — длительность&quot. Такое преобразование выполняется путем многократной передискретизации и перехода от 16 разрядов к одному (BitStream). Полученный на его выходе сигнал подается на вход усилителя мощности, и далее — на фильтр НЧ. Возможно применение цифровой обратной связи.

В случае аналоговых входных сигналов преобразование амплитуды сигнала в длительность импульса происходит в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ). Скважность (отношение длительности импульсов к периоду следования) пропорциональна амплитуде полезных сигналов. Входной сигнал сравнивается компаратором с опорным сигналом пилообразной (при односторонней модуляции) или треугольной формы (при двусторонней модуляции). Кроме того, двухсторонняя ШИМ может быть реализована при симметричном смещении фронтов относительно одного периода дискретизации (один отсчет) или по двум периодам (два отсчета), что позволяет вдвое снизить эффективную тактовую частоту. Частота опорного сигнала (частота дискретизации) должна, согласно теории, превышать максимальную частоту сигнала не менее, чем в 2 раза. Практически для облегчения фильтрации и снижения искажений частота дискретизации выбирается не ниже 500 килогерц, а в последних моделях измеряется уже многими мегагерцами. Сигнал на выходе компаратора имеет форму прямоугольных импульсов с частотой дискретизации, ширина которых пропорциональна мгновенным значениям входного сигнала. Для снижения искажений в усилителях с аналоговым входом обычно применяется отрицательная обратная связь по звуковому сигналу.

    В целом выводы таковы:

  • В режиме AD искажения меньше, чем в режиме BD.
  • В режиме AD КПД хуже, чем в BD.
  • Двухсторонняя модуляция лучше односторонней, поскольку при этом отсутствуют четные гармоники.
  • Повышение частоты дискретизации уменьшает нелинейные искажения.

Помимо усилителей класса D к группе цифровых относится и новая разработка фирмы Tripath Technology — усилители класса T. Алгоритм их работы аналогичен, но частота дискретизации не постоянна, а зависит от частоты и уровня входных сигналов. Поскольку изменяется как частота, так и период следования выходных импульсов, можно предположить, что используется одна из разновидностей дельта-модуляции.

Можно сказать: Да здг’авствуют цифг’овые усилители — за ними будущее !!!.

Автор: А.И.Шихатов 2002

Источник: «Мастер 12вольт» №39 (февраль-март 2002)

Отдельный и подробный разбор цифровых усилителей мощности класса Т

audiogo.ru

Расчет мощности усилителя для чайников / Stereo.ru

Всем салют!

Являюсь новичком в Hi-Fi, сейчас занимаюсь выбором своей первой серьезной аккустической системы 5.0. Довольно много прочитал на этом форуме и часто сталкивался с выражением «этот усилитель/ресивер не раскачает эти колонки», «он слишком слабый для вашей комнаты» и т.д. Решил попробовать посчитать требуемую мощность усилителя, погнали)

Максимально допустимый уровень звукового давления для человека -100 дБ (сильно громче вагона метро), адекватный человек на такой громкости слушать музыку в квартире не будет, скорее всего максимум для квартиры — 80-85 дБ (да и то соседи будут жаловаться). 85 дБ — это громкость в кинотеатре. 97 Дб — это плюс/минус громкость вагона метро.

Берем колонки с чувствительностью 91 дБ, т.е. это уровень звукового давления на расстоянии 1 метра от колонок при подаваемой мощности 1 Вт. Слушать музыку будем подальше от колонок — в 3 м от них, через эти 3 метра уровень звукового давления упадет на 9 дБ. Т.е. для прослушивания «вагона метро» нам нужно, чтобы колонки выдавали 106 дБ.

Считаем ватты: «при увеличении громкости на 3 дБ, нужно удвоить подаваемую мощность». Т.е. для уровня 91 дБ — нужен 1 Вт, для 94 дБ — 2 Вт, 97 дБ — 4 Вт, 100 дБ — 8 Вт, 103 дБ — 16 Вт, 106 дБ — 32 Вт. Т.е. для прослушивания «вагона метро», сидя в трех метрах от колонки, нам нужно подать на колонку 32 Вт мощности.

Как я понял, почти все дешевые ресиверы — являются усилителями класса D; если верить гуглу, то КПД у таких усилителей — 90-95%, но в это мне верится с трудом, округлим КПД в меньшую сторону — до 80%. Т.е. для того чтобы подать на колонку 32 Вт, ресивер должен сожрать 40 Вт электрической мощности. Умножаем на 5 каналов (хотя на тыловые и центральный канал столько не нужно), получаем 200 Вт потребляемой мощности.

А теперь смотрим один из самых дешевых ресиверов на рынке — Yamaha RX-V483, его мощность 260 Вт. Получается, что при расчетных условиях он работает на 75%. Я понимаю, что это довольно много — нелинейные искажения и все дела, но извините — это предельный максимум по уровню звука, так никто никогда музыку не слушает. А если брать реальный уровень громкости (85-90 дБ), то рассчет для него покажет необходимую электрическую мощность для 5 каналов в 25-30 Вт, а это уже вывезет любой усилитель.

Вот и получается у меня вывод, что для квартиры достаточно ЛЮБОГО ресивера/усилителя. Да и по качеству довольно трудно отличить один усилитель класса D от другого усилителя класса D (это ж почти «цифровое» усиление). Если мы хотим реального улучшения по качеству, то имеет смысл брать усилитель класса А, к примеру. Но КПД у него уже будет значительно ниже (процентов 10), и следовательно мощность тут гораздо более важна, но и соответственно цена вырастает настолько, что среднестатистический обыватель на такие усилители даже не посмотрит).

Где я ошибся в вычислениях? Что я упустил в расчетах требуемой мощности усилителя?

stereo.ru

Лаборатория звуковой техники: Про мощность усилителей

В этой статье я хотел бы поднять ещё одну важную, фундаментальную тему, которая, вдобавок, для многих является ещё и «больной». Это – тема мощности усилителя. Я собираюсь рассказать, как эта, казалось бы, простая и очевидная величина может быть очень неоднозначной, и на что стоит обращать внимание при выборе и эксплуатации усилителя. Так же вы узнаете, что такое выходное сопротивление и коэффициент демпфирования, а так же взаимосвязь между потребляемой и выходной мощностью.

Что же такое мощность, в частности электрическая? Справочники по физике называют мощность величиной, характеризующей скорость преобразования энергии, в частности — электрической. Пытаясь получить более точное определение, попадаем словесную формулировку формулы мгновенной мощности, которая есть произведение мгновенного значения силы тока на мгновенное значение напряжения. Для технического специалиста здесь, кажется, нет ничего непонятного. Но как всё же более доступно объяснить смысл этой величины для людей, далёких от физики и электроники? Лично я для этого воспользовался бы двумя другими формулами:
и
, и опираясь на них уже определил бы
мощность как величину, характеризующую
работу, которую совершает источник
напряжением U в нагрузке с сопротивлением
R в заданный период времени.

Пусть это определение и отличается от тех, которые предлагают нам авторитетные источники, но, на мой взгляд, оно более уместно при рассмотрении вопроса мощности усилителя, поскольку чётко иллюстрирует взаимодействие усилителя (который выступает в роли источника напряжения U) и динамика (который выступает в качестве нагрузки сопротивлением R).

Теперь вспомним про ещё один факт: сопротивления динамиков и акустических систем , используемых в профессиональной технике, строго стандартизованы. Чаще всего – 8 или 4 Ома. А значит, рассуждая о мощности усилителя, сопротивление нагрузки можно принять за величину постоянную. Тогда она должна определяться максимальной амплитудой напряжения, которая способна развиться на его выходе. Иными словами, чем больше амплитуда напряжения на выходе при стандартном сопротивлении нагрузки, тем мощнее должен считаться усилитель. Действительно, в радиотехнических расчётах действующая мощность усилителя определяется как
, где Uамп – размах напряжения на выходе, Rнагр – сопротивление нагрузки (динамика или акустической системы). Это – начальный теоретический минимум, который известен многим, но полностью не объясняет принцип вычисления мощности и не показывает множества очень важных аспектов, являющихся показателями ещё и качества усилителя. И, прежде чем рассказать о них, обратимся к практике.

На современном рынке профессиональной звуковой аппаратуры мы можем наблюдать огромное количество самых разнообразных моделей усилителей, что обусловлено как большим количеством производителей, так и разнообразием линеек продукции у каждого из них. При этом, в большинстве своём характеристики их, в том числе мощности, очень близки. Однако большинство читателей подтвердит личным опытом: усилители разных производителей и серий, при одинаковой или близкой заявленной мощности «звучат» по-разному – как по громкости, так и по определённым аспектам качества.

Прежде, чем вдаваться в эту проблему, хочу сразу отметить, что я не буду рассматривать случаев с «китайскими ваттами» и некачественными подделками, где всё, вроде бы, понятно. А поговорим о «солидных» производителях, проходящих сертификацию и, в общем, зарекомендовавших свою продукцию как качественную. В чём же дело? Неужели они обманывают, когда пишут мощность?

И да, и нет. Как же так? Дело в том, что на самом деле у усилителя много мощностей. Прекрасно представляю, какое недоумение у читателя вызывает это заявление, поэтому по порядку расскажу обо всех, и поясню, для чего это было нужно, ведь есть стандарт, которые рекомендует указывать в характеристиках лишь одну определённую.

  1. Расчётная мощность – та, которая требуется от разрабатываемого усилителя. Определяется на стадии проектирования

  2. Реальная мощность – измеренная в условиях, близких к условиям реальной работы усилителя. По ряду объективных причин всегда отличается от расчётной и никогда не фигурирует в документации (можете ли представить себе усилитель с надписью, например, 926W или 1152W?)

  3. Мощность выходного каскада усилителя, или, точнее, максимальная мощность, которую может выдержать без пробоя выходной каскад усилителя при имеющемся напряжении питания и системе охлаждения

  4. Мощность, развиваемая при определённом коэффициенте искажений. Как известно, до определённого порога КНИ транзисторного усилителя остаётся сравнительно небольшим – десятые и сотые доли процента, а после этого порога стремительно растёт. Это очень важный аспект, поскольку при увеличении уровня сигнала, начиная с этого самого порога мощность усилителя ещё может расти (правда, тоже – до определённого придела), но качество звука после его достижения станет неприемлемым.

  5. Мощность блока питания. На самом деле именно блок питания является последней инстанцией в определении мощности всего усилителя – его мощность и конструкция определяют эффективность конструкции. Но об этом – позже.

Итак, что из вышеперечисленного
можно считать настоящей мощностью
усилителя? По чисто инженерным принципам
это должна быть измеренная мощность на
реальном продолжительном сигнале (2)
при допустимом уровне нелинейных
искажений (4) и при обязательном условии,
что блок питания усилителя способен
обеспечить такую мощность (5) в течение
продолжительного периода времени с
учётом всех потерь (1*). Однако это —
идеализированные условия, который
выполняются у очень редких производителей,
и то — эта практика уходит в небытие.
Дело в том, что принцип использование
усилителя низкой частоты для воспроизведения
музыкального сигнала даёт производителям
возможность на некоторые послабления.
И, чтобы обосновать их, рассмотрим, чем
на самом деле является музыкальный
сигнал.

По-сути вся музыка представляет
собой колебания не одного постоянного
уровня, который можно установить
максимальным, а сигнал сравнительно
невысокой амплитуды с периодическими
или непериодическими “всплесками”.
При чём выражено это как в классической,
например, музыке — резкими фортиссимо,
оркестровыми акцентами, так и в современной
— ритм-секцией, в частности, ударами
бас-бочки. Кто-то из вас сейчас резонно
напомнит про “мастерингованную”,
подготовленную для эфира фонограмму с
глубокой компрессией, но
о ей в дальнейшем мы вспомним отдельно.

По мере увеличения требований
потребителя к соотношению
эффективность/компактность разработчики
пришли к выводу, что эксплуатировать
усилитель в режиме, когда реальный,
“честный” максимум (1*) приходится на
короткие “пики” — т.е. со скважностью
гораздо большей, чем длительность,
неэффективно. Получается, что за время
прохождения через него полезного сигнала
большую часть времени он почти что
“простаивает” — мощность, достаточная
для вопроизведение “основного” —
“тихого” сигнала в разы меньше, чем
мощность, выдаваемая на пиках.

Давайте теперь посмотрим, в
каком режиме ещё может работать усилитель,
и может ли он выдать мощность выше, чем
максимальная “идеализированная”,
обозначенная в (1*). Как решается задача
наращивания мощности? Начнём с выходного
каскада усилителя. Увеличить его мощность
на современной элементной базе проще
всего и дешевле всего, относительно
других элементов конструкции усилителя.
Изменения в схемотехнике можно и вовсе
считать “символическими”, если мы,
конечно, не говорим о переходе усилителя
в другие классы. Сложнее всего обстоит
дело с блоком питания: для того, чтобы
усилитель мог сколь угодно долго выдавать
максимальную мощность, его блок питания
должен иметь восьмикратный (!) запас
мощности (определяется несложной
формулой). Вот здесь и можно упростить
конструкцию, учитывая поправку на
представление о музыкальном сигнале.
Тогда блок питания проектируется так,
что может выдавать максимальную
мощность
в течение лишь
короткого промежутка времени

(соизмеримого, например, с длительностью
удара бас-бочки). Так же, нередко на
“пиках” КНИ усилителя выходит за
пределы нормы, что уже считается тоже
приемлемым: всё равно звуке с короткой
длительностью услышать неглубокие
искажения — почти невозможно. Максимальная
же длительная мощность
блока питания, а следовательно и всего
усилителя соответствует “тихому”
сигналу. К слову, разница между “тихим”,
а точнее средним за длительные промежуток
времени уровнем сигнала и максимальным
— “пиковым” называется пик-фактором
и имеет некоторое среднее значение,
которое должно учитываться при разработке,
но, при этом, всегда разное для каждого
источника сигнала.

Именно мощность, развиваемую
усилителем на коротком импульсе, как
правило, указывают на современных
усилителях. Более того, такой способ
измерения уже есть в стандартах,
признанных и принятых многими
“авторитетными” производителями.
Конечно, такой способ исчисления мощности
таит множество подводных камней и
непонимание его сути может создать
определённые трудности. Если вернуться
к технической реализации “избыточной
мощности” в усилителях, основывается
она, как было уже сказано, на конструкции
блока питания, способного, как правило,
за счёт конденсаторов, какое-то время
удерживать более высокий ток в нагрузке,
чем его номинальный, после чего напряжение
на его выходе падает — “просаживается”.
Это, само собой, ведёт к снижению выходной
мощности усилителя в момент “просадки”,
и, одновременно, резкому скачку искажений.
Чтобы этого не происходило, на входе
усилителя ставится лимитер с определённым
временем срабатывания, через который
“успевают проскочить” атаки резких
звуков большой амплитуды, после же
срабатывания его сигнал мягко
ограничивается.

Главный минус такого усилителя
в том, что, если максимальную мощность,
которую он может выдать в коротком
импульсе мы знаем, то “нормальную”,
которую он способен выдавать и рассеивать
длительно, а так же насколько длинный
всплеск (импульс) он может выдержать мы
можем узнать только экспериментально.
Да, существует рекомендуемое стандартом
EIA соотношение кратковременной
максимальной мощности к действующей,
приблизительно равняющееся трём, но,
всё равно, опираясь на неё мы не получим
реального значения

полезной
мощности. Иными словами,
такой усилитель способен “качнуть”
систему на ударе барабана, с мощностью,
предположим, 1 киловатт, но при этом
остальной, нормализованный музыкальный
сигнал будет выдаваться с мощностью
200-300Вт. Если же мы имеем дело с жёстко
компрессированным сигналом, то его
максимум не поднимется выше той же
отметки. По субъективному мнению
некоторых специалистов способность
выдавать столь высокую мощность сколь
угодно долго — излишне, т.к. это резко
увеличит риск выхода из строя подключенных
к такому усилителю АС от перегрева.
Вместе с этим, однако, существует мнение,
что пиковая мощность вообще не должна
фигурировать, по крайней мере, на лицевых
панелях приборов, а вместо неё должна
быть указана только та, которую усилитель
способен выдавать в течение длительного
промежутка времени. Однако
судить об этом в этой статье я, пожалуй,
не буду.

К разговору о «реальных» мощностях. На к первой картинке — обычный современный усилитель, заявленная мощность — 350 ватт на канал при сопротивлении нагрузки 8 ом.

На второй картинке — старый польский усилитель Unitra времён СССР. Заявленная мощность при тех же 8 омах — всего лишь 150 ватт. «А чего он такой огромный?», — скажете вы. Не спешите
строить предположения о том, что он старый и нетехнологичный. Мы сравнили оба усилителя на работу с одной и той же аккустической системой. Если первый едва справляется с ней — по-сути звука почти нет. Второй же «раскачивает» систему наура — мощный, плотный бас. Трёхсотваттные 18″ НЧ динамики работают на полную при уровне на пудльте -4db. «Разгонять» на полную не рискнули, чтоб не лишиться динамиков.

Обратите так же внимание на потребляемую им мощность от сети. 600 Ватт!
Вот на этом усилителе обозначена мощность, наиоблее близкая к его реальной «синусоидальной» , «долговременной» мощности. У современных усилителей, как правило, потребляемая мощность ниже заявленной выходной.

В дополнение к описанному
выше считаю нужным упомянуть ещё одну
характеристику усилителя, связанную с
мощностью, но более влияющую на качество
звучания. Характеристика эта называется
выходное сопротивление. Для людей,
далёких от электроники определение и
смысл этой величины может казаться
непонятным: если с сопротивлением,
нагрузки всё понятно, то какое сопротивление
и, главное, чему может оказывать
устройство, которое само является
источником напряжения? Как его измерить
или определить? Явно не тестером,
подключённым к выходу. В учебниках
говорится, что выходное сопротивление
усилителя определяется разностью
напряжения на его выходе без нагрузки
и напряжения на выходе с нагрузкой,
делённое на ток, протекающий через
нагрузку. Иными словами, внутреннее
сопротивление показывает, насколько
будет “проседать” выходное напряжение
при увеличении тока в нагрузке. Особого
смысла знать численного значения этой
величины нет, однако важен её порядок:
сотые и десятые доли ом — низкое выходное
сопротивление, больше ома — высокое. Как
же эта величина проявляется на практике?

То и дело от музыкантов
приходится слышать отзывы о работе
некоторых усилителей: звук “замыленый”,
“вялый”, “не качает”. Именно этими
эпитетами и описываются последствия
высокого выходного сопротивления!
Происходит это, как правило, в результате
того, что при увеличении амплитуды
выходного сигнала вместе с ней возрастает
сила потребляемого нагрузкой тока. По
ряду причин, которые мы рассмотрим ниже,
при повышении тока в нагрузке нарастание
выходного напряжения становится
непропорциональным нарастанию входного.
А это приводит к искажению сигналов с
большой амплитудой, приводящему,
например, к сглаживанию атак.

Самая распространённая
причина такого эффекта — недостаточная
мощность или особенность конструкции
блока питания. Как было описано выше,
на мощности блока питания часто экономят,
при чём не только в пользу его стоимости,
но и в пользу размера. Если в блоке
питания применены фильтрующие конденсаторы
достаточно большой суммарной ёмкости,
то усилитель сможет выдавать свою
максимальную мощность хотя бы на пиках,
как это описано выше. Однако, если ёмкость
конденсаторов недостаточна, напряжение
питания будет падать уже при нагрузке,
близкой к номинальной. При чём справедливо
это как для линейных, так и для импульсных
блоков питания. В последних есть ещё
один распространённый конструктивный
недостаток, приводящий к описанной
проблеме: “медленная” обратная связь
— ШИМ-контроллер не успевает среагировать
на увеличение потребляемого тока.

Причиной высокого выходного
сопротивления могут быть и схемотехнические
особенности непосредственно усилителя
мощности, но это — в редких случаях. С
некоторой уверенностью можно сказать,
что профессиональный усилитель высокой
мощности должен обладать низким выходным
сопротивлением. Однако, некоторые
инженеры придерживаются строго
противоположного мнения, и в их аргументах
тоже есть смысл. Ранее даже велись
разработки, в которых для обеспечения
высокого выходного сопротивления
вводилась отключаемая обратная связь
по току. Так, пока единственный аргумент
в пользу высокого выходного сопротивления
— электрическое демпфирование, которое
в теории позволяет снизить призвуки и
резонансы акустической системы, но
применимость их на практике пока возможно
только в бытовой и студийной аппаратуре
и, в основном, в среднечастотном и
высокочастотном звене.

Усилитель с линейным блоком питания.

Усилитель с импульсным блоком питания

На этом можно завершить
рассмотрение проблемы мощности усилителей
и, по традиции, необходимо подвести
итоги и сделать вывода. Но в этом то и
проблема. Единственный вывод, который
напрашивается из описанного выше, весьма
печален: сделать однозначно верное
заключение о том, насколько громко и
качественно будет играть ваша акустическая
система с тем или иным усилителям,
руководствуясь заявленной мощностью,
почти невозможно. Не подумайте, что этим
я хочу сказать, что все производители
таким образом обманывают покупателей.
Скорее это политика современного рынка,
вынуждающая производителей профессиональной
техники перенимать некоторые традиции
у производителей бытовой. Так, что
полагаться на одни цифры, ровно как и
на бренд уже не стоит, и пора это осознать.
Единственный совет, который я хотел бы
дать потенциальным покупателям
звукоусилительной техники, не совсем
научный, но основан на практике. Обращайте
внимание на потребляемую от сети
мощность. Точной формулы, связывающей
её с выходной для всех классов усилителей
не существует, однако некоторые выводы
сделать по ней можно. Если потребляемая
от сети мощность значительно меньше
заявленной выходной

значит, с большой вероятностью, вы
столкнётесь с проблемой, которой
посвящена статья. Это и очевидно: закон
сохранения энергии никто не отменял, а
избыточная мощность, отдаваемая за счёт
заряда конденсаторов, всё равно
сравнительно невелика. У качественных
и мощных усилителей с линейным блоком
питания, как правило, большой трансформатор,
а значит усилитель будет увесист.
Потребляемая мощность будет близка или
даже больше выходной. Толстые провода,
массивные радиаторы, n-ное количество
конденсаторов ёмокстью в несколько
тысяч микрофарад после выпрямителя —
признак мощного усилителя, построенного
по классической схеме. Если же мы имеем
дело с современными усилителями с
импульсными блоками питания, или же
работающими в классе D, то массивность
здесь, само собой, тут не показатель.
Однако косвенным признаком качества
такого устройства будет сложная схема
со множеством активных и пассивных
элементов, чаще всего с несколькими
трансформаторами, где используется
многоступенчатое преобразование,
индуктивные фильтры помех, экранирование,
опять же — достаточной ёмкости конденсаторы,
как правило, включённые по несколько
штук в параллель. Такие конструкции
имеют высокую плотность монтажа и
занимают практически весь корпус. Но
окончательно оценить качество усилителя,
как и любого изделия, можно только в
работе, и, конечно же, при наличии
собственного опыта и достаточной
квалификации. А поэтому хотелось бы
посоветовать не гоняться за высокими
количественными показателями. Усилители,
способные выдавать длительную мощность
в несколько киловатт использовать для
воспроизведения звука нецелесообразно.

Панов В.Г.

Статья подготовлена по заказу издательства 625 и опубликована в блоге по соглашению с редакцией спустя 6 месяцев после выхода в печатном издании. Все права защищены.

radiomonkeys.blogspot.com

Выходные усилители мощности | Основы электроакустики

Выходные усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадного усилителя и предназначены для обеспечения заданной мощности нагрузки РН при заданном сопротивлении нагрузки RН, как правило, низкоомной. Получение на выходе усилителя большой мощности предполагает работу его транзисторов при больших значениях токов и напряжений. Отсюда следует, что одним из основных параметров усилителя становится его КПД. К тому же переменные составляющие токов и напряжений в этом случае соизмеримы с постоянными составляющими сигналов. На свойства усилителя сильно влияют связь параметров транзистора с режимами его работы и нелинейность характеристик.         В выходных усилителях мощности должны использоваться транзисторные каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые цепи ООС должны быть только по напряжению. Это обусловило применение в усилителях мощности только двухтактных схем усиления , обеспечивающих работу транзисторов в режимах класса В и АВ. Усилители, работающих в режиме класса А (выходной транзистор всегда в открытом состоянии), имеют малое КПД, поэтому при больших мощностях сигналов такие схемы используется редко.          На рис. 11.17 показана двухтактная схема усилителя мощности, работающая в режиме класса В. Усилитель, собранный на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, имеющих одинаковые параметры, получил название комплементарный усилитель. Транзистор VT1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор VT2 – при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторный ток отсутствует и мощность, рассеиваемая на транзисторах, близка к нулю. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт, максимально возможный коэффициент полезного действия схемы составляет 78%

Рис. 11.17. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса В 

         Этой схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал повторяет входной с разницей на величину падения напряжения UБЭ, на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной будет таким, как показано на рис. 11.11, а. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Для улучшения формы сигнала нужно немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис.11.18.

Рис.11.18. Двухтактный усилитель, работающий в режиме класса АВ 

         Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря чему этому напряжение на базе VT1 превышает входное напряжение на величину напряжения на диоде, а напряжение на базе VT2 на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. При нулевом входном сигнале оба транзистора немного приоткрыты, их рабочие точки находятся в начале линейного участка входных характеристик (рис. 11.9). Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. В этой схеме несколько увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и уменьшается КПД.        Для улучшения параметров схемы часто используют двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис.11.19). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах VT1 и VT2. Поскольку напряжение на нагрузке RН примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рис.11.19. Усилитель мощности с ОУ 

         Рассмотренный выше усилитель имеет один серьезный недостаток: он не обладает температурной стабильностью. При нагревании выходных транзисторов (они нагреваются, так как рассеивают мощность), напряжение uКЭ начинает убывать, а коллекторный ток покоя — возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме получится неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и т.д.). Для исключения этого эффекта используют схему с параметрической температурной стабилизацией режима (рис. 11.20). Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада, резистор выполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора VT1 и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы R3 и R4 обычно имеют сопротивление несколько ом и ниже, они уменьшают влияние критического смещения тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде, дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R2 (иногда его заменяют еще одним диодом).

Рис.11.20. Усилитель с температурной параметрической стабилизацией режима 

         Падение напряжения на резисторах R3 и R4 составляют несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения UБЭ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R3 и R4, тем менее чувствителен к температуре усилитель) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (размещены на их корпусе).         Еще одно преимущество схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволит управлять величиной переходных искажений. При выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя.         Составной транзистор. Если соединить транзисторы, как показано на рис. 11.21, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов.

Рис.11.21. Составной транзистор 

         Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Для улучшения параметров схемы между базой и эмиттером транзисторов включают резистор R, который предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение на диоде в предыдущей схеме, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе.         Промышленность выпускает составные транзисторы в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор.

 

audioakustika.ru