Эквивалент нагрузки для УМЗЧ
Любой только что собранный или отремонтированный усилитель мощности звуковой частоты нуждается в испытании работоспособности, надежности, качества работы. Отладка усилителей как в самое плодотворное для мужчин ночное время, так и в любое другое, не менее плодотворное, при подключенных к ним акустических системах представляет немалую проблему. Чтобы понять величину этих неудобств, источником которых можете быть Вы, вспомните собственное раздражение, которое Вы испытываете, если кто-то, намывая или ремонтируя машину, поставленную рядом с вашими окнами, включит магнитолу на полную мощность, полагая, что его музыкальные предпочтения доставят безграничное эстетическое удовольствие волею обстоятельств оказавшимся рядом людям. Если 100 лет назад на выставленный барином на улицу поющий граммофон собиралась толпа праздного народа, то в настоящее время ситуация в корне изменилась, и людей, которые демонстрируют свои музыкальные вкусы на всю округу, можно назвать, как минимум, дурно воспитанными. Чтобы не доставлять больших неудобств другим людям, предварительную настройку УМЗЧ целесообразно проводить с беззвучным эквивалентом нагрузки. На рис.1 показана схема простого устройства, которое можно использовать для настройки усилителей звуковой частоты с выходной мощностью до 20. 100 Вт и более.
Вместо реальной акустической системы нагрузкой для усилителя служат 6 мощных проволочных резисторов. Мощные проволочные резисторы в отличие от обычных углеродистых и металлопленочных имеют значительно большую собственную индуктивность, что немного приближает условия работы усилителя с эквивалентом нагрузки к работе в реальных условиях. Эквивалент нагрузки имеет сопротивление около 5 Ом. Основная часть поступающей мощности рассеивается в виде тепловой энергии на проволочных резисторах R1-R4. Проволочный резистор R5 — регулируемый, имеет открытую конструкцию, включен как подстроечный. В зависимости от положения на его корпусе токосъемного кольца на контрольную динамическую головку поступает большая или меньшая часть входящей мощности. Цепь C1R6 имитирует наличие в АС высокочастотной динамической головки. Светодиоды HL1, HL2 сигнализируют о наличие на выходе УМЗЧ постоянной составляющей, что обычно говорит о серьезной неисправности усилителя. Светодиод HL3 при отсутствии на входе УМЗЧ полезного сигнала сигнализирует своим свечением о самовозбуждении усилителя на высоких частотах. Светодиодная индикация аварийных режимов работы позволяет вовремя заметить ненормальное состояние УМЗЧ, что во многих случаях позволяет избежать появления более серьезных неисправностей, цена которых может достигать десятков и сотен USD.
На месте проволочных резисторов R1-R4 можно применить любые «старые» резисторы мощностью 4. 100 Вт, например, ПЭВ, ПЭВР, ПЭВТ, С5-35, С5-36, С5-37В. Применение на их месте современных импортных проволочных резисторов в белом керамическом корпусе крайне нежелательно по причине их низкой надежности в этой конструкции. Резистор R5 можно установить типа ПЭВР или аналогичный сопротивлением 200. 470 Ом. От мощности резисторов R1-R4 будет зависеть то, какую мощность можно подвести к эквиваленту нагрузки. Даже если суммарная мощность резисторов R1-R4 будет больше выходной мощности усилителя, при его мощности более 20 Вт эти резисторы могут значительно нагреваться и нагревать всю конструкцию в целом. Поэтому желательно предусмотреть в конструкции принудительное воздушное охлаждение, например, с помощью компьютерного вентилятора на 12 В. Резистор R6 можно установить мощностью 5. 20 Вт любого типа из уже упомянутых. При необходимости число параллельно включенных резисторов можно увеличить, например, при 10 параллельно включенных резисторах мощностью по 20 Вт сопротивлением 40 Ом каждый к устройству можно подвести 200 Вт мощности. Принудительное воздушное охлаждение конструкции в этом случае будет обязательным, особенно при близком расположении относительно один от другого мощных резисторов. Динамическая головка используется для контрольного прослушивания работы усилителя, может быть любого типа с сопротивлением катушки 4. 16 Ом мощностью 2..5 Вт. Конденсатор С1 типа К73-17, К73-24, МБМ на рабочее напряжение не менее 160 В. Диоды VD1-VD4 можно заменить 1N4148, серий КД521, КД522 или выпрямительным мостом КЦ407А. Светодиоды подойдут любого типа, например, из серий АЛ307, КИПД40 или L-1503.
Кроме использования в качестве эквивалента нагрузки для предварительных испытаний УМЗЧ, возможно ее использование для настройки блоков питания, принудительной разрядки аккумуляторных батарей, для быстрой сушки склеиваемых поверхностей, подогрева растворов для увеличения скорости химических реакций. При эксплуатации этого устройства следует помнить, что проволочные резисторы могут сильно нагреваться, а размах амплитуды выходного сигнала мощных УМЗЧ может достигать 100. 160 В и более — соблюдайте осторожность.
А.Л. Бутов, с. Курба, Ярославская обл., Радiоаматор №2, 2009г.
Нагрузка для усилителя схема.
На рис.1 показана схема эквивалента нагрузки, который удобно использовать для предварительной настройки усилителей звуковой частоты (УЗЧ) с выходной мощностью 20. 100 Вт. Отладка усилителя при подключенных к ним акустических систем может создавать неудобства для находящихся поблизости людей, а также возникает опасность повреждения динамических головок при неисправности выходных каскадов УЗЧ или при перегрузке. Чтобы избежать таких проблем, предварительную настройку усилителя целесообразно проводить с эквивалентом нагрузки.
Вместо реальной акустической системы нагрузкой служат 9 мощных проволочных резисторов R1. R7, которые, в отличие от обычных углеродистых и металлопленочных, более устойчивы к перегрузкам, а также имеют значительно большую собственную индуктивность, что немного приближает условия работы УЗЧ с эквивалентом нагрузки к работе в реальных условиях.
Устройство нагрузки имеет входное сопротивление около 8 Ом или 5 Ом, которое зависит от положения переключателя SA1. При замкнутых контактах этого переключателя входное сопротивление имитатора уменьшается до 5 Ом. Основная часть поступающей мощности рассеивается в виде тепла на R1. R7.
Проволочный R8 — регулируемый (подстроечный). В зависимости от положения токосъемного кольца, на контрольную динамическую головку ВА1 поступает определенная часть входного сигнала.
Цепочка С1-R9 является приближенным эквивалентом высокочастотной динамической головки в АС. Светодиоды HL1, HL2 сигнализируют о наличии на выходе усилителя постоянной составляющей, что обычно говорит о серьезной неисправности усилителя. Свечение светодиода HL3 при отсутствии на входе усилителя полезного сигнала сигнализирует о его самовозбуждении на высоких частотах. Светодиодная индикация аварийных режимов работы позволяет вовремя заметить ненормальное состояние УЗЧ, что во многих случаях позволяет избежать появления серьезных неисправностей.
Все детали этого устройства нагрузки, кроме светодиодов и динамической головки, установлены на монтажной плате размерами 140х50 мм (рис.2).
На месте проволочных R1 . . R7 можно применить любые сопротивления на 4. 100 Вт, например, ПЭВ, ПЭВР, ПЭВТ, С5-35, С5-36, С5-37В. Эти резисторы прикручены в два этажа винтами МЗ к дюралюминиевой пластине размерами 70х60 мм.
Резистор R9 — типа ПЭВР или аналогичный на 200.. ..470 Ом.
Если суммарная мощность R1. R7 ненамнoго больше выходной мощности УЗЧ, то они при длительной работе могут значительно нагреваться и нагревать всю конструкцию. В таком случае желательно предусмотреть принудительное воздушное охлаждение нагрузки, например, с помощью компьютерного вентилятора на рабочее напряжение 12 В.
С этой целью готовое устройство нагрузки имеет бескорпусное исполнение и монтажная плата закреплена на подставке из полистирола (рис.3).
При необходимости число параллельно включенных резисторов можно увеличить. Например, при 10 включенных 20 Вт резисторах на 40 Ом каждый (на месте R2, R3, R5) к нагрузке можно подвести 200 Вт при установленном входном сопротивлении 5 Ом. Принудительное воздушное охлаждение конструкции нагрузки в этом случае обязательно.
Динамическая головка ВА1 используется для контрольного прослушивания работы усилителя; она может быть любого типа с сопротивлением катушки 8. 16 Ом на 0,5. 2 Вт.
Конденсатор С1-типа К73-17, К73-24, МБМ на рабочее напряжение не менее 160 В.
Диоды VD1. VD4 можно заменить на 1N4148, 1SS244, КД510, КД521, КД522 или выпрямительным мостом КЦ407А.
Светодиоды подойдут любого типа, например, из серий АЛ307, КИПД40, L-1503.
Кнопка SА1 — П2К, группы контактов которой соединяют параллельно.
При рабочей мощности более 20 Вт желательно применить переключатель, контакты которого рассчитаны на ток не менее 10 А.
Устройство нагрузки можно также использовать для принудительной разрядки аккумуляторных батарей, для быстрой сушки склеиваемых поверхностей, подогрева растворов для увеличения скорости химических реакций. При эксплуатации устройства нагрузки усилителя следует помнить, что проволочные резисторы могyт сильно нагреваться, а размах амплитуды выходного сигнала мощных усилителей может достигать 100. 160 В и более, так что необходимо соблюдать осторожность.
Хозайке на заметку: эквивалент нагрузки для УМЗЧ из желудей и спичек
Зачастую при измерении параметров или же настройке усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), которой завершается, например, ремонт или изготовление усилителя, а, бывает, и просто его покупка (любознательные покупатели есть, хоть их и мало), требуется эквивалент нагрузки, т.к. все мы окружены соседями, а заставлять их слушать всякие меандры, шумы, импульсы или же скользящие синусы крайне некомильфо. Исторически сложилось, что в качестве эквивалента нагрузки используются обычные сопротивления — резисторы. Но это есть неправильно:
импедансно-частотная и фазо-частотная характеристики резистора 
импедансно-частотная и фазо-частотная характеристики реальной трёхполосной акустической системы с пассивным делением частот; это, кстати, далеко не худший вариант из возможных в практике, даже, можно сказать, вполне ещё ничего
Обратите внимание на разные масштабы для фазы (график синего цвета): для резистора масштаб составляет +- два градуса, а для реальной АС — +- сто градусов. Если привести масштаб фазо-частотной характеристики резистора к оной для реальной АС, то график будет являть собой практически горизонтальную прямую линию. Кстати, если кто не знает — если фаза больше нуля, то реактивная нагрузка состоит из индуктивной комплексной составляющей, а если фаза меньше нуля, то из ёмкостной.
Для усилителей мощности (да и вообще для любых усилителей) совершенно небезразлично на что они окажутся нагружены — только на активную нагрузку или же на сложную реактивную: очень редко какой усилитель стоически и нордически спокойно отнесётся к смене нагрузки, большинство же напрягутся и, может быть, даже возбудятся. Иной раз и вусмерть.
Так что, по-большому счёту, для проверки и настройки-наладки УМЗЧ грамотно использовать эквивалент реальной нагрузки. Как его сделать? Легко! Зачастую, например, при модернизации акустических систем (АС) типа Radiotehnika S-90 и её производных не у дел остаётся штатный кроссовер и регуляторы уровней СЧ и ВЧ. Разобрав их на комплектующие, перетасовав их нужным образом и собрав (частично) обратно мы получим вот это:
А вот и электрическая принципиальная схема модели эквивалентной нагрузки, на основе которой сделана эта установка:
Теперь мы имеем вот такие импедансно- и фазо-частотные характеристики нагрузки:
особо наблюдательные читатели могут даже оценить эквивалентную динамическую головку: динамический диффузорный СЧ-излучатель средней руки
Коментарии по схеме:
— батарея конденсаторов (набор конденсаторов, соединённых параллельно друг с другом) являет собой требуемую Cresonant
— большая катушка индуктивности — это Lresonant
— двухваттный резистор типа МОН — это Rq
— батарея из двух резисторов типа ПЭВ-10 — это Rdc
— меньшая по размерам катушка индуктивности — это Le
Rdc задаёт сопротивление эквивалента по постоянному току и на низких частотах, Lresonant+Cresonant симулируют поведение импеданса динамической головки у частоты собственного резонанса подвижной системы, Rq корректирует добротность резонанса (в большую сторону, без этого резистора добротность будет ниже), а Le — поведение импеданса динамической головки на ВЧ.
оченно наглядно
При использовании указанных желудей и спичек мы получаем электрический эквивалент динамической головки с постоянной тепловой мощностью в 20 ватт: Rdc собран на резисторах ПЭВ-10 (т.е. каждый по 10Вт, двое, объеденены параллельно), способных выдерживать даже пятикратные перегрузки, Rq — двухваттный, да и выделяться на нём особо ничего не будет, катушки индуктивности намотаны медным проводом диаметром 1мм, а конденсаторы — металло-бумажные МБГО-2, рассчитанные на напряжения до 160 вольт. Соединительные провода и перемычки имеют достаточные сечения для их длин. В общем, запас прочности хоть и не космический, но вполне себе авиационный.
То есть с помощью этого эквивалента можно производить замеры мощности для усилителей, конструктивной мощностью до 20Вт на 4Ом, а также (вернее, ещё лучше) проводить замеры характеристик усилителей мощностью до 200Вт на 4Ом (так как для УМЗЧ принято указывать всякие искажения на мощности в 10% от максимальной).
В следующих выпусках мы поговорим о том, с какой стороны подходить к паяльнику.
Простой эквивалент нагрузки 8 Ом на 96 Вт и 4 Ом на 192 Вт
Выписал у китайцев 200 резисторов номиналом 390 Ом мощностью рассеивания 2 W . Рассчитывал сделать эквивалент нагрузки на два канала усилителя с сопротивлением 4 и 8 Ом.
Расчеты такие: один сегмент эквивалента нагрузки должен состоять из 48-ми резисторов номиналом 390 Ом. Делим 390 Ом на 48 шт., получаем сопротивление 8,125 Ом. Почти то, что надо.
А два таких сегмента, включенных параллельно, дадут сопротивление 4,06 Ом. Тоже хорошо.
Причём, один сегмент сопротивлением 8 Ом будет иметь мощность рассеивания 96 W (48 резисторов по 2 W). Два сегмента включенные параллельно с сопротивление 4 Ом будут иметь мощность рассеивания 192 W.
По-моему, хватит за глаза! �� Но я решил ещё и воздушное охлаждение примудрить.
↑ Детали устройства
Вентилятор от блока питания компьютера, восемь зажимных клемм от какой-то советской техники, и медный провод диаметром 1.5-2 мм.
↑ Изготовление сборки резисторов
Две таких штуковины будут основой для одного сегмента сборки резисторов.
Накручиваем наши резисторы на основы, оставляя некоторый зазор между резисторами и основой.
Пропаиваем и получается вот такой сегмент. Внутренний диаметр содержит 16 резисторов, внешний 32 резистора.
↑ Корпус эквивалента нагрузки и сборка
Просверлил отверстия под зажимные клеммы, поставил их на место и припаял к ним сегменты.
Из болтов М4 сделал ножки, для того чтобы поток воздуха свободно поступал снизу и при необходимости усиливался кулером.
Сверху закрыл кожухом, вырезанным из того же блока питания компьютера, от которого взял вентилятор.
↑ Итого
При тестировании лампового усилителя мощностью 6-7 W с эквивалентом нагрузки 4 Ом вентилятор не потребовался вовсе.
Резисторы были едва тёплыми.