Как измерить выходное сопротивление усилителя

Как измерить выходное сопротивление усилителя

Прежде чем проверять динамики, колонки или наушники, убедитесь в том, что ваш усилитель (или стационарный, или встроенный в активные колонки, или звуковой карты компьютера) имеет достаточно хорошие технические характеристики (параметры). Т.е. насколько прямолинейна и широка его АЧХ, может ли он выдавать все частоты с одинаковым уровнем, без завала по низким частотам (чем часто грешат усилители низкого качества).

Заодно можно определить, развивает ли он заявленную изготовителем максимальную мощность (Pmax) и какое выходное сопротивление (Rвых) имеет.

Методика проверки амплитудно-частотной характеристики

Для измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 5-10ом. Парал­лельно резистору подключите вольтметр пере­менного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1вольт (1000 милли­вольт), далее, не меняя уровень сигнала, уменьшайте частоту генератора (в диапа­зоне 1000-100 герц кнопкой «-100», в диапазоне 100-20 герц кнопкой «-10») начиная от 1000гц. и до 20гц. включительно (при этом регуляторы тембра на усилителе должны стоять в среднем положении или отключены, т.е. его АЧХ должна быть прямолинейна (горизон­тальна).

Напряжение на выходе усилителя НЕ ДОЛЖНО меняться более чем на ±2 децибела (или в 1,25 раза), но чем меньше, тем лучше (в нашем случае, оно должно находиться в пределах между 0,8-1,25 вольт, или 800-1250 милли­вольт). Идеальный вариант — все частоты выдаются с одинаковым уровнем.

Ну а если завал напряжения по низким частотам составит 2 и более раз, что соответ­ствует 6 децибел и более (т.е. напряжение опустится до 0,5 вольт и менее), то ваши колонки никогда не смогут звучать во всей своей красе. К тому же, при нелинейной характеристике усилителя вы не сможете точно определить резонансную частоту динамиков. Пример такой нелинейной АЧХ показан на рисунке слева (см. синюю кривую).

Точно также проверяется и второй канал усилителя. В случае значительного спада сигнала на низких частотах желательно поменять усилитель на более качественный.

Измерение выходного сопротивления усилителя

От величины выходного сопротивления зависят коэффициент демпфирования и интер­модуляционные искажения, также оно напрямую влияет на общую добротность системы. Выходное сопротивление усилителя мощности должно находиться в пределах 1/10-1/1000 от сопротивления нагрузки и у современных усилителей имеет величину порядка 0,01-0,1 Ом.

Для его измерения в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением 4 или 8ом соответствующей мощности. Параллельно выходу усилителя подключите вольтметр переменного тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение в пределах от 1 до 5 вольт.

Вначале нужно замерить выходное напряжение усилителя на холостом ходу (без нагрузки). Потом проделать то же самое, нагрузив его на резистор. Все величины, включая Rнагр, нужно измерять как можно точнее. Выходное сопротивление вычисляется по формуле
Rвых=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр или
Rвых=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. пример: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким образом можно определить выходное сопротивление и на втором канале, и на любой частоте.

Измерение максимальной мощности

Некоторые пользователи хотят знать, какую мощность реально выдают их усилители в нагрузку, не доверяя характеристикам, заявленным производителями. Это можно сделать, но вам понадобятся:

1. мощный нагрузочный резистор
2. генератор звуковых частот
3. вольтметр переменного напряжения
4. осциллограф.

Самое сложное, это купить или самостоятельно изготовить мощный нагрузочный резистор и найти осциллограф. В крайнем случае, в качестве осциллографа можно использовать компьютер или ноутбук с программой «Виртуальный осциллограф» из архива (объём 0,3 Мб.). Подробное описание его работы и схема адаптера (делитель напряжения для согласования входа звуковой карты компьютера с источником исследуемого напряжения) имеются в справке программы. Резистор можно изготовить из спирали древнего утюга, электрической плитки или тепловентилятора.

В один из каналов (левый или правый) вместо колонки в качестве нагрузки усилителя проводниками подключите резистор любого типа, сопротивлением, соответствующим расчётному сопротивлению нагрузки вашего усилителя. Оно указывается в инструкции на аппаратуру и обычно составляет 8 или 4ом. Мощность резистора должна быть достаточной, чтобы он не сгорел во время работы, т.е. не меньше предполагаемой выходной мощности усилителя (если усилитель заявлен на 100 ватт на канал, мощность резистора должна быть 100 ватт и больше).

Параллельно резистору подключите вольтметр переменного тока (лучше стрелочный, он показывает действующее значение напряжения), а также осциллограф и, подав с компьютера сигнал генератора звуковых частот (объём архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости установите выходное напряжение, например 1 вольт (1000 милли­вольт). Наблюдайте форму сигнала на осциллографе, далее, не меняя частоту, увеличивайте амплитуду сигнала.

Синусоида будет увеличиваться по высоте, не искажая свою форму, но в какой-то момент произойдёт её клиппирование, она как бы упрётся в «потолок и пол», вместо закруглённой, её верхняя и/или нижняя части станут горизонтальными, как на рисунке справа, т.е. начнётся ограничение сигнала по амплитуде. Уменьшите амплитуду таким образом, чтобы сигнал был на грани клиппирования (ещё сохранял закругленную форму). Напряже­ние, показанное в этот момент на вольтметре, равно Umax. По формуле P=U²/R рассчитайте максимальную мощность усилителя.

Например, Umax=21v. R=4om. Pmax=21²/4=110ватт. Если R=8ом, то Рmax=55ватт.

Таким же способом можно проверить максимальную выходную мощность на нижней частоте АЧХ усилителя (20 герц.), или на нижней частоте частотного диапазона, указанного для ваших колонок, например 40, 45 или 50 герц. Ограничение синусоиды по амплитуде в идеале должно происходить строго симметрично, на обоих полуволнах сигнала.

Visual Analyser. Практическое измерение параметров. Часть 4

Добрый день, уважаемые радиолюбители. В предыдущих частях данной статьи (1, 2, 3, 4, 5, 6) мы кратко познакомились с Вами с основными функциями измерительного комплекса на базе ПК, рассмотрели основные технические характеристики данного комплекса, изучили настройку измерительного комплекса, а так же начали рассматривать измерение различных параметров на примере лампового усилителя. Сегодня мы продолжим данную тематику и познакомимся с практическим измерением ещё некоторых параметров. Итак, пожалуй, начнём…

Выходное сопротивление усилителя.

Итак, согласно ГОСТ 18421-93 под выходным сопротивлением усилителя понимается величина, равная отношению приращения выходного напряжения усилителя к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или синусоидального тока [1].

ГОСТ 23849-87 выделяет следующие разновидности выходного сопротивления, подлежащие измерению:

1. Модуль полного выходного сопротивления при стандартных условиях;

2. Модуль полного выходного сопротивления на заданных частотах.

Используя измерительный комплекс на базе ПК Visual analyser, мы не можем без дополнительного оборудования измерить выходное сопротивление, согласно методике ГОСТ [2].

Суть в том, что согласно ГОСТ на выход исследуемого усилителя необходимо последовательно подключить генератор сигналов и резистор, сопротивление которого равно номинальной нагрузке усилителя. После этого, изменяя выходное напряжение генератора необходимо установить напряжение на резисторе на 10 дБ меньше номинального выходного напряжения усилителя. После этого модуль выходного сопротивления вычисляется по соответствующей формуле [2].

Для измерения выходного сопротивления воспользуемся другой методикой, широко распространённой в радиолюбительской практике [3, 4, 5].

Суть методики заключается в том, что на заданных частотах необходимо измерить напряжение переменного тока на выходе усилителя с подключённым эквивалентом нагрузки и без него. После этого выходное сопротивление вычисляется по формуле:

При измерении выходного сопротивления выходную мощность усилителя с подключенным эквивалентом нагрузки необходимо выбрать небольшой (около 10-20% от номинальной) т.к. в случае относительно высокого выходного сопротивления выходное напряжение с отключенным эквивалентом нагрузки может быть значительно выше. Это может привести в некоторых усилителях к ограничению выходного напряжения недостаточностью напряжения питания (соответственно недостоверности полученных данных по выходному сопротивлению в дальнейшем) либо к повреждению выходного каскада усилителя.

Измерение выходного сопротивления целесообразно провести, как минимум в 2-4 точках в пределах полосы пропускания усилителя (на краях полосы пропускания и в середине, например), а в идеальном случае представить в виде зависимости выходного сопротивления от частоты.

При использовании высокоточного вольтметра (например, True RMS вольтметра измерительного комплекса с соответствующим делителем напряжения – пункты 26-29) для измерения выходного напряжения усилителя, а так же высокоточного резистора в качестве эквивалента нагрузки данную методику измерения можно достоверно применять вплоть до достаточно низких выходных сопротивлений (около 0.1 Ом с достаточной для радиолюбительских целей точностью).

Например, измерим выходное сопротивление усилителя на частоте 1 кГц. Для этого на выход подключим эквивалент нагрузки сопротивлением 4 Ом. Далее в настройках встроенного генератора сигналов выставим частоту генерируемого сигнала равную 1 кГц (пункты 22, 24). После этого запустим генератор сигналов и выставим выходную мощность равную 10-20% от номинальной мощности усилителя. Зафиксируем выходное напряжение усилителя. После этого отключим эквивалент нагрузки, и не изменяя напряжения на входе усилителя повторим измерение выходного напряжения.

Итак, при измерении выходного сопротивления в исследуемом усилителе на частоте 1 кГц выходное напряжение на холостом ходу получилось равным 4.7 Вольта, а под номинальной нагрузкой – 3.1 Вольта. Согласно полученным экспериментальным данным выходное сопротивление усилителя на частоте 1 кГц будет равно:

Аналогичным образом вычисляется выходное сопротивление на всех остальных частотах в пределах полосы пропускания усилителя. Чем больше будет проведено измерений, тем точнее получится конечная характеристика.

Данная методика применяется для усилителей с относительно низким выходным сопротивлением (обычно ниже 1 кОм т.е. источников напряжения, усилителей напряжения). Для измерения высоких выходных сопротивлений (обычно более 1 кОм т.е. источников тока, усилителей тока) применяется сходная методика, но основанная на измерении тока короткого замыкания и тока через эквивалент нагрузки с номинальным сопротивлением [3].

На графике ниже представлена зависимость выходного сопротивления исследуемого усилителя от частоты выходного сигнала во всей полосе частот усилителя. По графику видно, что зависимость имеет сложный характер.

Начиная с низких частот (на которых выходное сопротивление примерно равно 2.5 Ома), выходное сопротивление в целом уменьшается по мере роста частоты вплоть до 12-14 кГц, где достигает своего минимума, примерно равного 0.35 Ом, после чего снова начинает возрастать вплоть до верхней границы полосы пропускания усилителя. Выходное сопротивление на верхней границе полосы пропускания примерно равно 2.3 Ома.

Таким образом, выходное сопротивление усилителя в полосе пропускания изменяется примерно в 7.15 раза т.е. неравномерность выходного сопротивления равна 17 дБ, что достаточно сильная неравномерность.

В идеальном усилителе выходное сопротивление не должно зависеть от частоты выходного сигнала т.к. это приводит к некоторым негативным последствиям при работе связки усилитель-акустическая система.

Как известно, импеданс акустической системы зависит от частоты достаточно сложным образом. Между выходным сопротивлением усилителя и импедансом акустической системы образуется классический частото-зависимый делитель. При этом сопротивление обоих плеч зависит от частоты и изменяется достаточно сложным образом. В этом случае возможны трудно предсказуемые подъёмы и спады результирующей АЧХ системы воспроизведения.

В том случае, когда выходное сопротивление усилителя будет постоянно во всей полосе воспроизведения поведение связки усилитель-акустическая система при работе становится более предсказуемой [15, 16].

Коэффициент демпфирования

Под коэффициентом демпфирования (демпинг-фактором) понимается коэффициент, показывающий степень взаимодействия акустической системы (АС) и усилителя. Коэффициент демпфирования вычисляется по формуле [13]:

В данной части статьи, говоря о коэффициенте демпфирования (КД) я буду подразумевать коэффициент электрического демпфирования (согласно формуле 3).

Динамическая головка акустической системы – сложная колебательная система, имеющая несколько частот механического резонанса (резонанс подвижной системы, внутренние резонансы подвеса, резонанс диффузора и т.д.). При воспроизведении импульсного сигнала (которым является любой реальный музыкальный сигнал) возникают затухающие колебания на частотах механических резонансов системы.

Основная проблема заключается в том, что при слабом демпфировании эти затухающие колебания могут продолжаться и после того, как закончился вызвавший их импульс. В результате воспроизводимый звук будет дополнительно обогащён гармониками (частота которых равна частотам механических резонансов АС), интермодуляционными искажениями (между продолжающимися затухающими колебаниями на частотах собственного резонанса и частотами вновь пришедших импульсов), а так же будет наблюдаться подъём АЧХ в области резонансных частот.

Но это с одной стороны. Как и следовало ожидать, величина коэффициента демпфирования – это палка о двух концах. Если коэффициент демпфирования слишком большой, то возникает риск повышения уровня интермодуляционных искажений, порождаемых АС с одновременным расширением их спектра, а так же повышается риск механического повреждения динамика при достаточно больших выходных мощностях [12].

Таким образом в реальном музыкальном сигнале в обоих случаях появится дополнительные искажения, но с несколько разным уровнем и распределением в полосе частот. Наиболее сильно данная проблема проявляется в области низких частот т.к. диффузор динамической головки НЧ канала имеет достаточно большие геометрические размеры, ощутимую жёсткость, а иногда и внушительную массу, по сравнению с диффузорами динамиков СЧ/ВЧ каналов.

Можно долго спекулировать о вкусовых предпочтениях в окрашивании звука теми или иными продуктами гармонических и интермодуляционных искажений – этот спор бесконечен (спор между любителями так называемого «транзисторного» и «лампового» звука) – мы постараемся быть объективными и подойти с точки зрения максимально достоверного воспроизведения. Подробнее прочесть о восприятии звука человеком, а так же о влиянии тех или иных искажений на восприятие можно в соответствующей литературе [6, 7, 8, 9, 10].

Как правило, хорошее демпфирование динамической головки на НЧ, несмотря на возможность повышения уровня интермодуляционных искажений более приемлемое решение т.к. наше ухо менее чувствительно к гармоническим и интермодуляционным искажениям в области низких частот [6, 7, 8, 9, 10].

Согласно DIN45500 минимальный рекомендуемый коэффициент демпфирования должен быть не менее 20 [11].

Коэффициент демпфирования наиболее актуально в нашем случае вычислять на низких частотах, но в целом есть смысл произвести вычисления ещё на 2-4 частотах в пределах полосы пропускания усилителя, либо представить в виде графической зависимости коэффициента демпфирования от частоты во всей полосе воспроизводимых частот.

Для примера рассчитаем коэффициент демпфирования на частоте 1 кГц. Ранее мы рассчитали, что выходное сопротивление на частоте 1 кГц равно 2.1 Ома (формула 2). Таким образом, коэффициент демпфирования на частоте 1 кГц будет приближённо равен 1.9 (4 Ом разделить на 2.1 Ом).

Если вспомнить форму зависимости выходного сопротивления от частоты, полученную нами ранее, а так же учесть формулу 3, то становится очевидным, что форма зависимости коэффициента демпфирования от частоты будет обратна зависимости выходного сопротивления от частоты. Данная зависимость представлена на графике далее.

Начиная с низких частот (на которых коэффициент демпфирования приближённо равен 1.6), КД в целом увеличивается по мере роста частоты вплоть до 12-16 кГц, где достигает своего максимума примерно равного 10.2, после чего снова начинает убывать вплоть до верхней границы полосы пропускания усилителя. Коэффициент демпфирования на верхней границе полосы пропускания примерно равен 1.8.

Таким образом, по приведённому графику можно сделать вывод о том, что усилитель обладает недостаточным коэффициентом демпфирования, особенно в области низких частот (он там крайне низок).

Это приводит к описанным выше негативным явлением в области НЧ, что, собственно, отражается на звуке при прослушивании в виде потери чёткости и детальности воспроизведения (НЧ становится гулким за счёт локального подъёма АЧХ в области механического резонанса НЧ динамика, но при этом теряется детальность и чёткость на сложных композициях) [14, 17].

По этой причине необходимо стараться обеспечить достаточный коэффициент демпфирования во всей полосе воспроизводимых частот – этим мы увеличим предсказуемость результата работы в связке усилитель-акустическая система (особенно в области механических резонансов динамиков).

Разбиение АС на несколько независимых каналов с отдельными усилителями мы не рассматриваем в данной статье т.к. такой цели не стоит.

Стоит только отметить тот факт, что при таком подходе канал НЧ делается с высоким КД т.е. питается от источника напряжения, а канал СЧ/ВЧ с низким КД (т.е. питается от источника тока) по описанным выше причинам (но там возникает проблема пространственного согласования каналов между собой).

На этом мы закончим наше знакомство с коэффициентом демпфирования.

Таким образом, мы понемногу приближаемся к завершению цикла статей, посвященного измерительному комплексу на базе ПК Visual analyser [18].

На этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. ГОСТ 18421-93. Аналоговая и аналогово-цифровая вычислительная техника. Термины и определения.

2. ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.

4. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – 9-е изд., перераб. и доп. – М.: «Высшая школа», 1996. – 638 с.

5. Петрищев А.А. Измерение выходного сопротивление источников сигнала// РАДІОЕЛЕКТРОНІКА ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЇ.- 2010.- №1.- С. 32-34

6. И. Алдошина. Основы психоакустики – подборка статей.

7. Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Учебник. — СПб.: Композитор, 2006. — 720 с.

8. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. — Москва: Связь, 1978. — 272 с.

9. Белявский А.Г. Теория звука в приложении к музыке. Основы физической и музыкальной акустики. Москва, Ленинград: Госиздат, 1925. — 248 с.

10. Кузнецов Л.А. Акустика музыкальных инструментов. Москва, Издательство «Легпромбытиздат», 1989 — 368 с.

11. DIN45500. Аппаратура и системы высокой верности воспроизведения звука (Нi-Fi). Общие положения, минимальные требования к параметрам.

12. Сергей Сакевич. О выходном сопротивлении усилителей мощности // Шоу-мастер.- 2008.- №2.- С. 103-105

16. Агеев Д.В. Должен ли УЗМЧ иметь малое выходное сопротивление? // Радио.- 1997.- №4.

Как измерить Rвых усилителя?

Можно ли имерить сопративление программой SpeakerWorkshop, если при измерениях с усилителем, подать на измерительный вход выход того же усилителя?
Т.к. генеретора ЗЧ у меня нет. Только комп.

ЗЫ
А никаких проблем со снятием крышек нет )))). Так что можете рассказать и еще какой метод.

ЗЫЗЫЗЫ
Кстати. Вычитал из Виноградовой формулку по которой добавляют Qt, включением сопротивления последовательно в выходной тракт. Так если через искомый усилитель провести измерения головки и принять это самое добавочное сопротивление за 0, то можно вывести и Rg (ну т.е. Rвых.усилителя).

Как измерить выходное сопротивление усилителя

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Входное и выходное сопротивление.