Выходная мощность
,
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
В чем измеряется выходная мощность активного усилителя
Измерение выходной мощности усилителей звуковой частоты.
Автор:
Опубликовано 14.04.2006
Возьмём обычный усилитель НЧ с напряжением питания +12 Вольт, сопротивлением нагрузки 4 Ом, присоединим к нагрузке осциллограф, а к входу — генератор синусоидального сигнала, (рис.1)
включим всё и наблюдаем на экране осциллографа «весёлые картинки» — синусоиду, пока она не достигнет видимых искажений (рис.2а). (Примечание Учёного кота: менее 3% искажения простым глазом не заметны. О том, что такое искажения, поговорим в другой статье.)
Площадь, занимаемую синусоидой, можно вычислить (или измерить) и заменить эквивалентным напряжением постоянного тока той же площади (рис.2б).
Это напряжение называется СреднеКвадратичным напряжением — СКВ (англоязычная аббревиатура — RMS), в просторечии — «эффективным». Таким образом можно найти эквивалентное напряжение для любой формы тока (рис.2в,г,д).
Для треугольного, прямоугольного, синусоидального, экспоненциального тока есть математические выражения для эквивалентного преобразования. Для простоты понимания на рисунках изображены половины периодов симметричных сигналов. Появление компьютерной регистрации позволяет выполнить численное интегрирование любой функции без поиска его математического выражения. Для чего всё это надо? Найденный эквивалентный постоянный ток будет производить ту же тепловую работу, что и наш исследуемый ток.
Любой переменный ток можно характеризовать следующими видами напряжения:
Амплитудное — синие стрелки (понятно из названия и рисунков);
Среднее — среднеарифметическое всех мгновенных значений сигнала за измеряемый период (на рисунках не показано);
Среднеквадратичное — красные стрелки (рассмотрено выше).
Для облегчения понимания указанных видов напряжения можно нарисовать их на миллиметровке и самостоятельно просуммировать численные значения напряжения (для синусоидального, прямоугольного и треугольного напряжения ). Большинство вольтметров переменного напряжения имеют схему выпрямления переменного тока, соответствующую среднему напряжению — как самую простую, а градуировку показывающей шкалы — в СКВ. При измерении синусоидальных токов и напряжений это не вызывает никаких затруднений, а если ток или напряжение отличаются от синусоиды — придётся вводить поправочные коэффициенты.
Теперь вспомним начала начал — Закон Ома: I=U/R, а также формулы для вычисления мощности постоянного тока — P=U*I=I2R=U2/R.
Для синусоидального тока (и напряжения) формула вычисления мощности по измеренному осциллографом амплитудному напряжению будет выглядеть так:
P = (0,707U) 2 /R н = U 2 /2R н
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока.
Мы пришли к практическому способу измерения выходной мощности усилителя с помощью измерения амплитуды сигнала на экране осциллографа (рис.2б). Механическая мощность — это работа за 1 секунду. Электрическая мощность не содержит параметра времени в явном виде; подразумевается (но не соблюдается, причём именно при измерении мощности усилителей низкой частоты), что это — тоже 1 секунда. Например, для меандра частотой 100 Гц за время 10 мс в любой момент СКВ напряжение равно его амплитудному значению (рис.2в)
А кто мешает распространить такой подход и к синусоидальному сигналу? Для части синуса 100Гц за время 1мс (рис.2е) получим практически прямоугольник, для которого коэффициент перевода амплитудного напряжения в СКВ равен 1, и соответственно мгновенную мощность в два раза больше, чем за целый полупериод 10 мс.
Но это ещё не всё! Можно измерить размах напряжения при переходе от минимального до максимального значения (рис.2ж) за очень небольшой период времени и получить мощность ещё больше! Вот они — десятки ватт от бумбокса и сотни ватт от бытового усилителя!
Сведём полученные результаты в таблицу.
Среднеквадратическое напряжение Uскв=2в. Мощность на Rн 4 ом Рвых = 1 ватт
Амплитудное U=2.83в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=2 ватта
Размах (двойная амплитуда)U=5.66в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=8 ватт
Среднеквадратическое Uскв= 3,54в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=3.12 ватт
Амплитудное U=5в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=6,25 ватт
Размах (двойная амплитуда) 10 вольт. Мощность на Rн 4 ом Рвых=25 ватт
Среднеквадратическое Uскв=10в. Мощность на Rн 6 ом Рвых=16,7 ватт
Амплитуда U=14,14в. Мощность на Rн 6 ом Рвых=33,3 ватт
Размах (двойная амплитуда) 28,3 вольт. Мощность на Rн 6 ом Рвых=133,2 ватт
Мы рассмотрели измерение мощности на активной нагрузке (например, на мощном проволочном резисторе), обычно применяемой при испытании усилителей. Внимательный радиолюбитель, измеряя сопротивление динамика цифровым омметром, обнаружит, что оно окажется меньше, чем 4 ома, например, 3,8 ом. «Ага, значит, я получу больше, чем указано в таблице!» — воскликнет он — и будет прав, но не совсем. Дело в том, что динамик имеет две составляющие сопротивления — активную, которую можно измерить любым омметром, и индуктивную — зависящую от числа витков катушки динамика и его магнитных свойств (измеряемую измерителем RCL). Возьмём для примера динамик 3ГД-32-75 с номинальным сопротивлением катушки по постоянному току R=4 Ома; индуктивностью L=150 микроГенри. Полное сопротивление Z динамика состоит из двух компонент — активной R x и индуктивной X L . Рассчитаем их для двух частот:
Частота
1000 Гц
10 кГц
Индуктивное сопротивление рассчитывается по формуле
Полное сопротивление — по формуле
Видим, что на 10 кГц сопротивление реальной нагрузки выросло в 2,5 раза, а мощность, отдаваемая в эту нагрузку, соответственно уменьшилась в те же 2,5 раза (рис.3 б). А теперь вспомним, что на входе усилителя (и на выходе) присутствует конденсатор.
Предположим R вх =100 кОм, ёмкость конденсатора С вх = 0,1 мкФ. На частоте 1 кГц его сопротивление будет 1,6 кОм; на частоте 100 Гц — 16 кОм; на частоте 10 Гц — 160 кОм, т.е. напряжение, поступающее на вход первого каскада усилителя, уменьшится в 0,38 раза, а пропорционально этому — и выходная мощность (рис.3в).
Аналогичный расчёт для влияния выходной ёмкости С вых = 1000 мкФ даёт: 1 кГц — 0,16 Ом; 100 Гц — 1,6 Ом; 10 Гц — 16 Ом. В последнем случае на нагрузку 4 Ом будет поступать всего 0,2 выходного напряжения, и отдаваемая мощность снизится до 1/25 от максимально возможной (рис.3г). Поэтому не ленитесь рассчитать минимально необходимые ёмкости входного и выходного конденсаторов для получения заданной частотной характеристики в области низких частот.
Но это опять таки ещё не всё! Если наш громкоговоритель -двух- или трёхполосный- поведение полного сопротивления громкоговорителя из-за влияния индуктивностей, конденсаторов и резисторов разделительных фильтров предсказать достаточно сложно, проще провести измерения (рис.3е). (Примечание премудрого кота. Да, в общем, это не слишком то и нужно.)
Подведём итоги.
1.Измерение выходной мощности лучше всего проводить, наблюдая синусоидальный не ограниченный сигнал на экране осциллографа, и пересчитать измеренное значение амплитудного напряжения в СКВ (для получения синусоидальной мощности), либо оставить как есть (для пиковой мощности). Измерение напряжения вольтметром переменного тока нежелательно, поскольку мы не увидим искажения сигнала при мощности, близкой к максимальной, и обычно не знаем, по какой схеме собран и проградуирован вольтметр. Измерение амплитудной пиковой мощности вызывает сомнение — её можно получить и чисто расчётным путём. Формула для прикидочного расчёта мощности синусоидального сигнала выглядит следующим образом: Р = (U п :3) 2 /R н , где U п — напряжение питания, R н -сопротивление нагрузки на заданной частоте. Ревнители точности могут вычесть из U п падение напряжения на выходных транзисторах и учесть просадку U п при нестабилизированном питании.
2.Теперь мы знаем, как относиться к мощности, заявленной на шильдике «крутого» домашнего кинотеатра: «суммарная мощность всех каналов составляет 400 ватт» при мощности, потребляемой от сети -100 ватт.
3.Наиболее правильно будет говорить так: измеренная мощность усилителя — Х ватт при коэффициенте гармоник Y% и частоте Z герц на нагрузке R Ом. (Для любознательных — старые ГОСТы подразумевали коэффициент гармоник 1% при номинальной мощности и 10%- при максимальной). О коэффициенте гармоник (будем говорить позже, сейчас мне нужно питание в виде рыбы, а не электрического тока! — примечание голодного кота).
4.«Но это опять таки ещё не всё!» (Хозяин, можешь говорить без употребления рекламных слоганов? примечание грамотного кота). Мощность, рассеиваемая на оконечных транзисторах усилителя, величина непостоянная (для наиболее распространённых усилителей класса АВ), и достигает максимума в диапазоне 0,25..0,5 выходной мощности. Исходя из этого, и надо рассчитывать необходимую площадь радиаторов.
Общие сведения о характеристиках выходной мощности усилителя
Рейтинг ватт на канал (WPC) всегда выделяется в рекламе и описаниях продуктов для усилителей, стереосистем и ресиверов для домашних кинотеатров. Бытует мнение, что чем больше ватт, тем лучше, чем больше ватт, тем больше громкость. Но это не обязательно так.
Заявленные значения мощности могут вводить в заблуждение
Что же касается реальной выходной мощности усилителя, особенно для ресиверов объемного звука, вы не можете принимать заявленные производителем номинальные мощности усилителя за чистую монету. Вам нужно внимательнее присмотреться к тому, на чем они основывают свои утверждения.
Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является ватт (русское обозначение: Вт, международное: W). Википедия
Кроме того, было ли измерение выполнено с использованием тестового тона 1 кГц или тестового тона от 20 Гц до 20 кГц?
Обнуление заявленных номинальных мощностей
Когда вы видите номинальную мощность усилителя 100 Вт на канал при 1 кГц (что считается стандартным эталоном средней частоты) с одним управляемым каналом, это реальная выходная мощность, когда все пять или семь каналов работают одновременно. по всем частотам ниже, возможно, на 30-40 процентов ниже.
Лучше основывать измерения на двух управляемых каналах и, вместо использования тона 1 кГц, использовать тоны от 20 Гц до 20 кГц. Это самый широкий частотный диапазон, который человек может слышать. Однако при этом не учитывается выходная мощность усилителя, когда задействованы все каналы.
В ресивере домашнего кинотеатра не все каналы требуют одинаковой мощности одновременно. Вариации аудиоконтента влияют на требования для каждого канала в любой момент времени.
Например, в саундтреке к фильму есть участки, в которых только передние каналы могут потребоваться для вывода значительной мощности, в то время как каналы объемного звучания могут выводить меньшую мощность для окружающих звуков. С другой стороны, каналам объемного звучания может потребоваться вывод большой мощности для взрывов или аварий, но в то же время можно уменьшить акцент на передних каналах.
Исходя из этих условий, номинальная мощность, указанная в контексте, более практична в реальных условиях. Одним из примеров может быть 80 Вт на канал (WPC), измеренное в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, два канала, 8 Ом, 0,09 процента THD.
Все, что означает этот жаргон, — это то, что усилитель, стереосистема или ресивер домашнего кинотеатра могут выдавать 80 WPC с использованием тестовых сигналов во всем диапазоне человеческого слуха, когда два канала работают со стандартными 8-омными динамиками. Этого более чем достаточно для гостиной среднего размера.
Также в этот пример включено обозначение, что результирующее искажение (называемое THD или полным гармоническим искажением) составляет всего 0,09 процента. Это обеспечивает очень чистый звук.
Непрерывная мощность
Еще один фактор, который следует учитывать, — это то, может ли приемник или усилитель непрерывно выводить полную мощность. Тот факт, что ресивер или усилитель указан как способный выдавать 100 WPC, не означает, что он может делать это в течение какого-либо значительного периода времени. При проверке технических характеристик усилителя проверьте, измеряется ли выход WPC в единицах RMS или FTC, а не в пиковой или максимальной мощности.
Децибелы
Уровни звука измеряются в децибелах (дБ). Наши уши обнаруживают разницу в уровне громкости нелинейным образом. Уши становятся менее чувствительными к звуку по мере его усиления. Децибелы — это логарифмическая шкала относительной громкости. Разница примерно в 1 дБ — это минимальное заметное изменение громкости, 3 дБ — умеренное изменение громкости и около 10 дБ — это приблизительное воспринимаемое удвоение громкости.
Вот как это соотносится с реальным миром:
- 0 дБ : Порог человеческого слуха
- От 15 до 25 дБ : Шепот
- 35 дБ : Фоновый шум
- От 40 до 60 дБ : Обычный домашний или офисный фон
- От 65 до 70 дБ : Нормальный голос
- 105 дБ : Оркестровая кульминация
- 120 дБ + : Живая рок-музыка
- 130 дБ : Болевой порог
- От 140 до 180 дБ : Реактивный самолет
Чтобы один усилитель воспроизводил звук в два раза громче, чем другой, в децибелах, вам потребуется в 10 раз больше выходной мощности. Усилитель с номинальной мощностью 100 Вт / пк способен вдвое увеличить уровень громкости по сравнению с усилителем 10 Вт / п. Усилитель с номиналом 100 WPC должен быть 1000 WPC, чтобы быть вдвое громче. Это соответствует логарифмической шкале, упомянутой выше.
Искажение
Качество усилителя отражается не только на выходной мощности и громкости звука. Усилитель, который демонстрирует чрезмерный шум или искажения на высоких уровнях громкости, может быть неслышимым. Лучше использовать усилитель примерно 50 Вт / с с низким уровнем искажений, чем более мощный усилитель с высоким уровнем искажений.
Важно: Характеристики искажений выражаются термином THD (Total Harmonic Distortion).
Однако при сравнении значений искажений между усилителями или ресиверами домашнего кинотеатра все может стать нечетким. В спецификации усилитель или приемник A может иметь заявленный рейтинг искажений 0,01 процента при выходной мощности 100 Вт, в то время как усилитель или приемник B может иметь указанный рейтинг искажения 1 процент при выходной мощности 150 Вт.
Вы можете предположить, что усилитель или приемник A может быть лучшим приемником, но вы должны учитывать, что номинальные искажения двух приемников не указаны для одинаковой выходной мощности. Может случиться так, что оба приемника имеют одинаковые (или сопоставимые) рейтинги искажений, когда оба работают при выходной мощности 100 Вт, или когда A приводится в выходную мощность 150 Вт, он может иметь такой же (или худший) рейтинг искажений, как B.
С другой стороны, если усилитель имеет рейтинг искажений 1 процент при 100 Вт, а другой — всего 0,01 процента при 100 Вт, усилитель или ресивер с рейтингом искажений 0,01 является лучшим устройством в отношении в соответствии с этой спецификацией.
В качестве последнего примера, усилитель или приемник с заявленным рейтингом искажений 10 процентов при 100 Вт будет неслышимым при таком уровне выходной мощности. Он может быть более приятным для прослушивания с меньшими искажениями при более низком уровне выходной мощности, но если вы столкнетесь с усилителем или приемником, в котором указан 10-процентный уровень искажения (или любой уровень искажения выше 1 процента) для заявленной выходной мощности, получите некоторые пояснения. у производителя перед покупкой.
Соотношение сигнал / шум (S / N)
Еще одним фактором, влияющим на качество усилителя, является отношение сигнал / шум (S / N). Это отношение звука к фоновому шуму. Чем больше коэффициент, тем больше желаемые звуки (музыка, голос, эффекты) отделены от акустических эффектов и фонового шума. В характеристиках усилителя отношение сигнал / шум выражается в децибелах. Отношение сигнал / шум 70 дБ более желательно, чем отношение сигнал / шум 50 дБ.
Динамический запас
И последнее (для целей этого обсуждения) — это способность ресивера или усилителя выводить мощность на более высоком уровне в течение коротких периодов времени, чтобы приспособиться к музыкальным пикам или экстремальным звуковым эффектам в фильмах. Это важно в домашних кинотеатрах, где во время просмотра фильма происходят резкие изменения громкости и громкости. Эта спецификация выражается как динамический запас.
Динамический запас измеряется в децибелах. Если приемник или усилитель может удвоить свою выходную мощность на короткий период для соответствия условиям, описанным выше, он получит динамический запас в 3 дБ.
При покупке ресивера или усилителя будьте осторожны с характеристиками выходной мощности.Также обратите внимание на другие факторы, такие как полное гармоническое искажение (THD), отношение сигнал / шум (S / N) и динамический запас по уровню. Кроме того, обратите внимание на эффективность и чувствительность используемых динамиков.
Усилитель или ресивер могут быть центральным элементом вашей аудиосистемы или домашнего кинотеатра. Другие компоненты, такие как проигрыватели компакт-дисков, вертушки и проигрыватели дисков Blu-ray, также могут быть звеньями в цепи. У вас могут быть самые лучшие компоненты, но качество прослушивания пострадает, если ваш ресивер или усилитель не справятся с этой задачей.
Хотя каждая спецификация способствует максимальной производительности ресивера или усилителя, одна спецификация, вырванная из контекста с другими факторами, не дает точного представления о том, как будет работать ваша система домашнего кинотеатра.
Важно понимать терминологию, которую использует реклама или продавец, но не позволяйте цифрам ошеломлять вас. Основывайте свое решение о приобретении на том, что вы слышите ушами и в своей комнате.
Классы усилителей мощности
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 "гордом одиночестве" (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 "заочной" 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:
;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.
при К.Н.И.0.1%
при К.Н.И.10.0%
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:
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.
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:
1000мкФ на каждый ватт мощности усилителя.
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 "звукового" усилителя – A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.
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 "чистого" 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 "золотой середины" 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 "плавающего" (не связанного с "землей") источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка "плавающего" источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от "нормального" 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 ("цифровые") 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:
Строго говоря, правильно было бы называть их импульсными усилителями, но параллели "аналоговый-цифровой" 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:
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.
Модулирующие сигналы могут быть двух видов
В случае цифровых входных сигналов (от CD-проигрывателей, MD-магнитофонов, систем цифрового вещания, которых у нас пока нет) в работу вступает цифро-цифровой преобразователь "код – длительность". 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:
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 .