Сильное усиление мощности – . ?

Усилители мощности (мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки RH. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных.

В качестве примера можно назвать устройства, определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности. Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса «А», а максимально возможный КПД — в режиме классов «В» или «АВ».

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса «А», а вторые — в режиме классов «В» или «АВ». Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Рн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки Рн

max

определится выражением

Рн

max

= ( Um / √2 )2 · 1 / R

н

= Um2 / ( 2 · R

н

) = E2 / ( 8 · R

н

)

Откуда

Um

=

E

/ 2

E

= 2 · √ ( Рн

max

·

R

н

· 2 )

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с помощью трансформатора (рис. 2.39).

Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых — соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.40.

В ней через R′н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

R′н = Rн /

n

2

где n — коэффициент трансформации (n = W2 / W1 ).

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых = R′н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

n

опт

= √

(

Rн

/

Rвых

)

pue8.ru

Усилители мощности

Лекция 10

  1. Усилители мощности. Выбор транзисторов

Усилитель мощности является оконечным каскадом, с выхода которого колебание поступает в нагрузку усилителя. Он обеспечивает необходимую интенсивность выходного колебания усилителя и включается в конце его. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными. Именно он определяет КПД всего усилителя, а также требуемые напряжение и мощность источника питания, т.е. в значительной степени определяет стоимость всего устройства и его эксплуатации. Для снижения стоимости, т. е. уменьшения требуемых напряжения и мощности питания усилителя, стараются повысить степень их использования. С этой целью в оконечных каскадах максимальные амплитуды токов и напряжений транзисторов делают близкими к их значениям в исходной РТ или даже больше их. Эти особенности частично присущи и предоконечным каскадам. Назначение последних – обеспечить уровень сигнала, достаточный для управления оконечными каскадами или, как говорят, для их раскачки. Если от оконечного каскада требуется получить заданную выходную мощность, то главным показателем его энергетической эффективности является КПД.

Вследствие большой степени использования напряжения и тока питания в оконечных каскадах сильно проявляется кривизна входных и передаточных характеристик транзисторов, что вызывает значительные нелинейные искажения. Поэтому в процессе проектирования оконечного каскада определяют и его коэффициент гармоник, а расчет ведут графическим методом по характеристикам транзисторов.

Транзисторы любых каскадов выбирают исходя из того, чтобы максимальные токи, напряжения и мощности потерь не превышали допустимых для данного типа транзистора. Одновременно желательно, чтобы частота в оконечных биполярных транзисторов была не ниже верхней граничной частоты усилителя.

Оконечные каскады усиления могут быть однотактными или двухтактными. Простейшими из них являются однотактные.

  1. Однотактные каскады усиления мощности

В однотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором. Если в его выходную цепь нагрузка включается через трансформатор (рис. 1,а), называемый выходным, то каскад называется трансформаторным.

Рис. 1

В трансформаторном каскаде наклон нагрузочной прямой ВС(рис. 1,б) для переменного тока определяется сопротивлением нагрузки транзистора, равным входно­му сопротивлению трансформатора, нагруженного на сопротивление

,

где – коэффициент трансформации выходного трансформатора, равный отношечшю чисел витков обмоток;

– КПД трансформатора. ПрямаяВСпроходит через исходную рабочую точкуА, которая выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока. Последняя проходит вертикально, если сопротивление провода первичной обмотки= 0. В этом случае постоянное напряжение на коллекторе в рабочей точке. Ток коллектора в нейназывается током покоя.

На рис. 1 нанесены также диаграммы мгновенных значений напряжения и тока коллектора при усилении гармонического колебания максимальной амплитуды. Они содержат постоянную и переменную составляющие. Транзистор работает в режиме А. Точки ВиС определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. ТочкаВлежит на границе с состоянием насыщения, а точка

С– на границе с запертым состоянием транзистора.

Напряжение в точке Ви ток в точкеСявляются минимальными и называются остаточными (). Так как при уменьшенииЭДС самоиндукции первичной обмотки складывается с напряжением питания, в некоторые отрезки времени оказывается.

Важным показателем каскада является КПД выходной цепи транзистора . Здесь мощность переменного тока, отдаваемая в нагрузку транзистора #„.т, пропорциональна квадрату амплитуды колебания, а мощность питания его выходной цепине зависит от нее. Поэтому для любого каскада в режиме А

, (1)

где относительная амплитуда колебания .

Найдем . Мощность, причем при отсутствии искажений средний за период ток питания, а если= 0, то. Поэтому. При максимальной амплитуде мощность. Тогда

, (2)

где – максимальные коэффициенты использования напряжения и тока питания транзистора. Оба они меньше единицы из-за остаточных напряжения и тока, а поэтому < 0,5. Обычно и дополнительно уменьшают, принимая пониженную максимальную амплитуду, так как вблизи точек

ВиСработа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями.

На практике амплитуда усиливаемого колебания редко бывает максимальной. Например, для сигналов звукового вещания в среднем и . Если уровень сигнала уменьшен, например регулятором громкости, тои КПД будут еще ниже. Быстрое падение КПД (8.1) при уменьшении амплитуды обусловлено неизменным средним током питания и присуще всем каскадам в режиме А.

Мощность пропорциональна квадрату амплитуды. Поэтому . Зависимости отмощностейи потерь на коллектореприведены на рис. 2,а. При идеальных транзисторах,и кривые

иприсходятся в одной точке. Мощностьдостигается при, т.е. в режиме покоя, когда вся мощность питания транзистора рассеивается на коллекторе

. (3)

По этому максимально возможному значению рассчитывается радиатор транзистора.

Рис. 2

В маломощных усилителях иногда применяют однотактный оконечный каскад с так называемой динамической нагрузкой в виде токостабилизирующего двухполюсника, выполненного на транзисторе (VT2 на рис. 2,б). Для него в пределе при идеальных транзисторах (не имеющих остаточных напряжений)25 %, т.е. вдвое меньше, чем для трансформаторного каскада.

studfiles.net

Какой должна быть мощность усилителя / лучшие обзоры Hi-Fi-техники

Краткие выводы: При прослушивании музыки в небольшой комнате достаточно усилителя мощностью от 6 до 40 Вт в зависимости от чувствительности акустики. Для ламповых усилителей использование моделей с большей номинальной мощностью может улучшить качество звука. Для транзисторных усилителей это правило не работает.

 

Если взять в расчет количество тщательных исследований, выдвинутых теорий и безумных предположений по поводу требуемой мощности усилителей, то в 1962 году мы должны быть намного ближе к решению этого вопроса, чем пять лет назад. На практике же все обстоит совсем иначе.


В нашем распоряжении имеются устройства для измерения звукового давления, электрической мощности и уровня гармонических искажений вплоть до третьего знака после запятой. В тоже время издано огромное количество научных статей по структуре музыке, ее звучанию в концертных залах и домашних условиях и о взаимодействии между строением уха и окружающими звуками. И на фоне всего этого аудио эксперты не могут прийти к единому мнению по вопросу необходимой мощности усилителя – для одного избыточны 0,5 Вт, другому еле хватает 50 Вт. Так кто же прав?

Как это бывает в подобных случаях, оба мнения частично правильны. Причины же расхождения кроются в отсутствии единых критериях оценки требований к запасу мощности. Именно поэтому мнение одного эксперта основано на задаче обеспечения определенного уровня громкости для воспроизведения музыкального крещендо, а у другого – определить уровень мощности, при котором ее дальнейшее увеличение уже не приведет к улучшению в звуке. Еще один эксперт – их количество кажется безграничным – делает заключение при использовании энергоэффективных колонок типа Klipschorn, а другой решил для себя, что для прослушивания годятся только низкоэффективные колонки типа AR-1, поэтому вывод надо делать на основе мощности, которая требуется для нее.

Все эти подходы имеют право на существование, но очевидно, что при этом невозможно получить универсальный ответ.

Какой мощностью неплохо было бы располагать? Упрощенным вариантом ответа будет следующий – столько, сколько будет достаточно для воспроизведения звука на требуемом уровне при непревышении определенного уровня гармонических искажений. Данный ответ может слишком уклончиво, но на самом деле это шаг в нужном направлении, и ни один эксперт не сможет поспорить с этим.

Но что это за «требуемый» уровень? Уровень фоновой музыки, целенаправленного прослушивания или уровень ушераздирающего звучания?

Те владельцы Hi-Fi систем, которые не планируют использовать свои установки ни для чего, кроме как для фоновой музыки, могут сразу забыть обо всех разговорах про требуемую мощность. На низких уровнях звука возможности распознавания человеческого уха настолько скудны, что сойдет любой усилитель, продаваемый с логотипом Hi-Fi. Сойдет и дешевый 5-ваттник, и его относительно высокий уровень искажений не будет играть никакой роли, т.к. они будут трудно различимы.

Использование Hi-Fi приобретает смысл только тогда, когда мы начинаем вслушиваться в звучание. При громком воспроизведении наши уши наиболее чувствительны к высоким частотам, и именно при громком звучании искажения наиболее чувствительны для нас. При обрезании усилителем пиковых частей звукового сигнала (при клиппинге) на высокой громкости слышимость вносимых искажений намного выше, чем при аналогичном поведении усилителях на низкой громкости. Другими словами, для комфортного звучания с увеличением громкости вносимые усилителем искажения должны падать. А ведь мы все знаем, что с ростом нагрузки на усилитель искажения наоборот увеличиваются. Парадокс )).

В целях настоящей статьи будет предполагать, что свою аудиосистему вы будете использовать как минимум для вдумчивого прослушивания на соответствующих громкостях.

Давайте поговорим про уровень звука для воссоздания звука оркестра в обычной комнате. Несмотря на популярные рекламные лозунги, сама эта идея абсурдна. Говоря другими словами, комнаты в обычных домах не такие огромные, чтобы в нее поместился симфонический оркестр. И если бы даже было возможно воссоздать громкость на том уровне, на котором слышен оркестр дирижеру, то эффект не был бы реалистичным. И это было бы совсем не по-соседски. Сольные исполнители или камерные группы возможно поместить в ваших комнатах, и они даже могут звучать очень убедительно при воспроизведении. Но звукозаписывающие инженеры давно осознали, что зрители слушают выступления оркестров со своих мест, а не с дирижерской позиции, поэтому они стараются передать эффект прослушивания с мистического «лучшего места» в зале. Их записи звучат лучше всего до определенного уровня громкости, а при более громком прослушивании становятся увядшими и неестественными.

При отдалении акустической волны от своего источника ее акустическая энергия остается неизменной, но т.к. удаляясь волна охватывает большую область, то она «утончает» сама себя. Поэтому, фактическая сила звука на расстоянии существенно ниже, чем около источника. Именно поэтому мы измеряем силу звука в концертных залах через давление воздуха (или звуковое давление), а не через Ватты. При желании, исходная мощность на источнике звука может быть вычислена через простую формулу, основанной на квадратичной зависимости убывания мощности по отношению к расстоянию.

Замеры звукового давления производятся при помощи специального микрофона и стрелочного индикатора, похожего на прибор, используемый в магнитофоне для контроля уровня записи — волюмтера, но имеющего шкалу в дин/см2 или в децибелах, которые показываю во сколько раз звук громче уровня чувствительности уха. У этого измерителя имеются недостатки, аналогичные волюметру, а именно – его стрелка обладает инертностью и не может отразить резкие скачки; показания отображают только некоторое среднее значение (точнее – среднеквадратичное, RMS).

Среднеквадратичный уровень звука во время крещендо, воспринимаемый с ближайших к оркестровой яме мест (например, третий ряд), имеет значение около 100 дБ по звуковой шкале. Для воссоздания данного уровня на расстоянии 4,5 метров от колонок в комнате размером 3х4,5х6 метров потребуется акустическая мощность (прошу заметить, речь именно про акустическую, а не электрическую мощность) порядка 0,4 акустических ватт.

Если бы мы использовали колонки со 100% КПД (что маловероятно, т.к. таких просто не существует), то для создания уровня звука такого уровня нам бы потребовалось 0,4 Вт электрической мощности. Что касается «реальных» колонок и требуемой мощности усилителя, то нам достаточно разделить 1 на их КПД (в процентах) и умножить полученное значение на 40. Например, для колонок с 10% КПД получится 40*1/10 Вт, или 4 Вт. Для среднестатистических колонок с 1% КПД для получения такого же уровня звука потребуется усилитель на 40 Вт.

Таким образом, мы получили минимальное значение RMS-мощности, необходимой для воспроизведения крещендо на уровне, аналогичном оригинальному уровню звукового давления. Данный расчет подойдет для двухканальной стерео системы, но не сработает для моно систем, т.к. монофонический звук не воспринимается также громко, как при воспроизведении на стерео. А это значит, что для воспроизведения моно записей потребуется большая мощность.

А вот насколько больше – тут уже можно поспорить, т.к. многое зависит от исходного материала, способа звукозаписи и параметров помещения, в котором планируется воспроизведение. Обычно разница составляет 1–2 дБ, что может показаться незначительным, пока не вспомнишь, что для увеличения уровня звука на 3 дБ требуется практически удвоить мощность. Для изменений на 2 дБ требуется ввести поправочный коэффициент 1,6. Поэтому, для динамиков с 10% КПД к полученным нами ранее 4 ваттам требуется применить коэффициент 1,6 и получится 6,4 Вт.

Описанная нами формула предполагает, что динамик излучает звук на 360 градусов вокруг себя. Но ведь не все динамики ведут себя подобным образом. Лучшие колонки для использования в небольших помещениях имеют в своем составе динамики прямого излучения. А вот рупорные излучатели, которые показывают себя лучше всего в больших помещениях, как правило, направляют звук строго вперед – так до слушателя доходит больше звука. И для таких систем требуемый уровень мощности усилителя стоило бы снова уменьшить, но в купе с высокой эффективность таких излучателей требуемая мощность становится абсурдно малой – два ватта могут покрыть все возможные нужды.

Оркестровое крещендо и хоровые пассажи включают в себя переходы, чья громкость на 10 дБ больше, чем средний уровень звука, показываемый волюметром. Увеличение уровня на 10 дБ означает десятикратный рост требуемой мощности, как же вообще можно справиться с подобными вещами? К счастью, нам это и не требуется делать. Звукозаписывающие студии и передающие станции используют амплитудные ограничители для фильтрации этих всплесков из общего сигнала. В результате пиковые значения подрезаются, и если перегрузки не длятся слишком долго, то при использовании хорошего амплитудного ограничителя невозможно различить в звуке каких либо искажений.

Таким образом, мы достаточно точно определили требуемый нам для воспроизведения оркестровых записей запас мощности на колонках с известным коэффициентом эффективности. Но это еще не все, ведь от техники Hi-Fi требуется не только воспроизвести звук на требуемой громкости, но и сделать это с минимальными искажениями.

Каждый, кто видел кривую характеристики мощности, замечал, что искажения возрастают линейно до некоторой критической точки, после искажения начинают резко расти. Это является одной из причин, почему мощный усилитель является более качественным, чем маломощный, даже на низких уровнях громкости. Возможно, что оба эти усилителя будут качественно работать до точки перегрузки, но факт заключается в том, что мощный усилитель будет работать на 1/10 от номинальной мощности, а маломощный – на 8/10. Это значит, что первый усилитель будет вносить меньше искажений (Рис. 1), что будет восприниматься нами как более чистый, «комфортный» звук


Рис. 1 Кривые искажений для типовых усилителей номинальной мощностью 25 и 44 ватт.


Есть и еще одна причина, по которой мощные усилители должны выдавать лучший результат, чем маломощные. Речь пойдет о ламповых усилителях. Обычно принято снабжать усилители выходным трансформатором такой мощности, чтобы она не превышала величину, необходимую для нормального функционирования в среднем диапазоне. Британцы все еще изготавливают маломощные усилители с трансформаторами, имеющими существенный запас. А вот производители в США делают маломощные усилители по принципу временного устройства, необходимого покупателю до тех пор, пока он не будет способен купить что-то стоящее. Я едва могу назвать хоть одну попытку изготовить хороший маломощный усилитель. В результате типичный 10-ваттный усилитель, который теоретически может полностью работать на своей номинальной мощности на 1 кГц, имеет серьезные ограничения при работе на обоих концах спектра. Наиболее существенны потери мощности в начале диапазона, где передаваемая сигналом энергия имеет наибольшее значение. Усилитель способен передать только половину или даже меньше номинальной мощности до того, как начнется перегрузка.(Рис .2).


Рис. 2 Стенд для наблюдения за перегрузкой усилителя


Даже для самых больших и дорогих усилителей характерны потери мощности на высоких частотах, но к счастью они находятся уже за пределами слышимого диапазона.

Давайте теперь предположим, что у нас есть доступ к кривой характеристики мощности усилителя, и мы можем наблюдать, как он отдает мощность на 20 Гц. Есть ли какая либо гарантия, что звук будет точно таким же, как на низкой, так и на высокой громкости? Нет, не можем.

Кривая выходной мощности показывает уровень, при котором на различных частотах образуются искажения в 2% (Рис. 3). Но что данные графики не показывают, так это уровень искажений при меньших, чем максимальная мощность, значениях. Усилитель, работающий на номинальной мощности при 2% искажениях, может иметь 0,2% искажений при использовании половины мощности. А может и не снижать искажения ниже 1%, как бы сильно мы не занижали мощность. В большинстве случаев мы слушаем музыку на уровнях, далеких от перегрузки, поэтому истинный интерес для нас представляет минимальный, или «остаточный» уровень вносимых искажений. И это опять тот случай, при котором типовые маломощные усилители сильно уступают своим более мощным собратьям.


Рис. 3 Характеристика мощности недорогого 12-ваттного усилителя.


Компактные выходные трансформаторы в большинстве маломощных усилителях подвержены насыщению сердечника на низких частотах. И хотя данный эффект можно снизить так, чтобы избежать насыщения до, скажем, 20 Гц, он все равно накладывает серьезные ограничения по остаточным искажениям. И при уменьшении частоты будет наблюдаться увеличение вносимых искажений. При мощности в 1 Вт и искажениях на среднем диапазоне в 0,3%, на 30 Гц искажения могут достигать значений 1%.

На самом деле, редко какой маломощный усилитель сможет удержать уровень искажений в 0,3% не то чтобы на низких частотах, а даже на среднем диапазоне. Большинство из них спроектировано так небрежно, что их уровень остаточных искажений, вносимый входными трактами, не ниже 0,75%, и это уже не компенсировать никакими схемами выходных трактов. Поэтому они никогда не будут звучать также хорошо, как качественно спроектированные мощные усилители. Исключения в данном правиле стоят столько, что сразу заставляют задуматься о покупке более мощного усилители.

Хотя, есть и смягчающие обстоятельства. Динамики и усилители, специально разработанные для совместной работы, следует использовать независимо от величины номинальной мощности усилителя. Некоторые колонки настолько хрупки, что могут выгореть от сильного сигнала мощного усилителя. Использование предохранителей может помочь, но дополнительное сопротивление на линии снижает электрическое демпфирование. Напомним читателям, что электрическое демпфирование позволяет снизить паразитные колебания магнитной катушки динамика. Поэтому, используя подобные колонки, рекомендуется выполнить подключение, минуя их предохранитель, подключив их напрямую к усилителю, который гарантированно не повредит им.

Сторонники мощных усилителей всегда заявляли, что причина, по которой данные усилители звучат лучше, чем самые «топовые» маломощные усилители, в том, что из-за наличия дополнительной мощности повышается управляемость над катушкой в динамике. Было разумно предполагать, что при большом запасе мощности и хорошей системе отрицательной обратной связи проще подавлять ложные вибрации излучателя. В теории звучало хорошо, до тех пор, пока не появился первый полностью выполненный на транзисторах усилитель и не усложнил все.

Поведение транзисторов отличается от лампового. Даже те транзисторные усилители, у которых уровень искажений выше, чем у самых дешевых hi-fi-моделей звучат намного лучше, чем они должны бы. А отсутствие выходного трансформатора в большинстве транзисторных усилителях (транзисторы с низким импедансом подключаются напрямую к колонкам) устраняет раздражающий эффект при пиковых перегрузках. В результате, транзисторные усилители воспринимаются, как передающие мощность более чисто, чем ламповые.

Что еще более важно, это «транзисторный звук» на низких уровнях. Самый слабый из использованных нами транзисторных усилителей (всего 3 ватта) звучит подобно мощному усилителю при работе на низкой громкости. Звук прозрачен, живой и басы обладают той же солидностью, которой, как утверждали сторонники мощных усилителей, могут иметь только системы с сильным запасом мощности. Отсюда делаем вывод, что превосходство мощных ламповых усилителей связано не только с располагаемым запасом мощности.

В чем же истинная причина – это все еще открытый вопрос, но возможно у нас появится шанс ответить на него, когда мы получим возможность сравнить мощный транзисторный усилитель со своим ламповым соперником. Ламповые усилители дурили нас в вопросах требуемой мощности годами, т.к. маломощные усилители имели недостатки, никак не связанные с тем фактом, что они располагали только 10-12 или 15-ю ваттами мощности. Транзисторы имеют шансы перевернуть наше представление в этом вопросе.

Так какой точки зрения мы будет придерживаться? Пока будем считать, что приведенный выше расчет справедлив для транзисторных усилителей или мощных ламповых усилителей. Маломощные ламповые усилители в большинстве своем не в состоянии обеспечить звук на том уровне, который способны воспроизвести даже среднестатистические колонки. Эти усилители могут иметь многочисленных поклонников, но они всегда будут далеки от совершенства. Конечно даже среди них можно встреть удачные, но достаточно дорогие модели. Стоят ли они того, чтобы вкладывать в них деньги – решать вам.

 

По материалам издания Stereophile
Автор Gordon Holt

www.all-hi-fi.ru

повышение мощности / Аудиотехника / Сообщество EasyElectronics.ru

Поговорим теперь о выходной мощности усилителя низкой частоты.
Для усилителя мощности основной квалификационной характеристикой является величина этой мощности. Она измеряется в Ваттах и определяется как мощность, выделяющаяся на нагрузке сопротивлением Rн при амплитуде напряжения на ней Uн.
При синусоидальном испытательном сигнале эта мощность составляет
Pн = Uн2 / (2 х Rн).
Любой усилитель можно охарактеризовать максимальной выходной мощностью.
Это долговременная мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя при максимально – возможной амплитуде синусоидального сигнала на его выходе. При измерении этой мощности искажения не важны – главное, чтобы форма сигнала была похожа на синусоиду. То есть при этой мощности нелинейные искажения 10% — это нормально.
Так как удвоенная амплитуда (размах) сигнала на выходе усилителя не может превысить его напряжения питания и, скорее всего меньше его на dU = 2 – 5 В, то максимальная мощность, в любом случае, не может быть больше некоего значения, определяемого по формуле:
Pmax = (Eпит – dU)2 / (8 x Rн).
То есть при питании усилителя мощности от источника напряжением 20 В и нагрузке 4 Ом максимальная выходная мощность, в любом случае, не превысит 20 x 20 / (8 х 4 ) = 12,5 Вт. На самом деле, из-за dU максимальная выходная мощность будет, скорее всего, около 8 — 10 Вт.
Редко, но бывает, когда максимальная выходная мощность указывается при прямоугольном выходном сигнала – тогда это та долговременная мощность, больше которой из усилителя не выжать. Но к качеству звучания усилителя этот параметр уже никакого отношения не имеет.
Отмечу, что мощность усилителя при 10% нелинейных искажений имеет международное обозначение RMS.

Номинальная выходная мощность — это максимальная долговременная мощность сигнала, которую может отдать усилитель в нагрузку при определенном, наперед заданном коэффициенте нелинейных искажений – чаще всего 1%, хотя может быть и любое другое значение, например 0,5% или те же 10%. Эта мощность зависит от схемы построения усилителя и примененных в ней элементов но она всегда меньше максимальной мощности, иногда значительно. Хочу сказать, что значение нелинейных искажений, при которых измеряется номинальная мощность никак не стандартизировано и устанавливается изготовителем усилителя так, как ему хочется.
Так, например, в Datasheet на усилитель TDA2030 указано, что при напряжении питания 38 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом выходная мощность составляет не менее 18 Вт при нелинейных искажениях 0,5%.
А из его характеристик следует, что при искажениях в 10% его выходная мощность может составить 30 Вт и более.
Номинальная выходная мощность – это собственно говоря, та самая «Советская» мощность, о которой кто-то как-то спрашивал в комментариях к одному из постов.

Еще один параметр – максимальная музыкальная мощность усилителя. Это максимальная мощность синусоидального сигнала, которую усилитель может отдать в нагрузку за очень короткое время – допустим, 0,1 секунды. Эта величина в большой степени зависит от схемы построения как усилителя мощности, так и его блока питания. Если блок питания стабилизирован, то есть выдает одинаковое напряжение и при малой нагрузке (при малой громкости), и при максимальной мощности, то максимальная музыкальная мощность и максимальная мощность усилителя совпадают.
Если же блок питания нестабилизирован, то его выходное напряжение зависит от мощности сигнала – при малой мощности оно выше, чем при большой. Например, блок питания с выходным напряжением 20 В при нагрузке 3 А может иметь выходное напряжение 24 В при нагрузке 100 мА. А у блоков питания дешевых усилителей эта разница еще больше. Поэтому, в первый момент после подачи на усилитель испытательного сигнала, отдаваемая усилителем мощность будет значительно больше, чем через несколько секунд после этого, когда конденсаторы блока питания разрядятся и его напряжение упадет. Разница может достигать 2-х раз (при разнице напряжений в 1,4 раза). Этот параметр имеет право на жизнь, так как музыка или речь – это не стабильный синусоидальный сигнал, а чередование тихих и громких звуков.

Еще большее значение имеет PMPO – пиковая музыкальная выходная мощность. Это мощность сигнала на пике — то есть в максимальной точке. Так как это импульс, то его мощность не усредняется по всему периоду сигнала, и его значение, в принципе, в 2 раза больше максимальной музыкальной мощности. Таким образом, значение мощности PMPO может быть в 5 и более раз больше номинальной мощности, особенно при источнике питания усилителя плохого качества. То есть, при «Советской» мощности усилителя 20 Вт, значение его PMPO может составить 100 Вт и более.

Еще больше можно увеличить мощность усилителя мощности, просуммировав мощности всех его каналов (стерео – 2 канала и т.д.) и умножив результат на поправочный коэффициент, значение которого каждый производитель определяет самостоятельно. После этого можно делать наклейку 1000 Watt PMPO для малогабаритного приемника.

Теперь о повышении выходной мощности усилителя.
Для начала рассмотрим выходные каскады.

На левом рисунке нарисован выходной каскад, верхнее и нижнее плечи которого построены на комплементарных составных транзисторах. При этом, если на базе первого верхнего транзистора будет напряжение, равное напряжению источника питания Eп, то на эмиттере верхнего выходного транзистора напряжение станет равным Eп – Uбэ – Uбэ.
Для маломощных транзисторов можно принять Uбэ = 0,65 В, но у мощных транзисторов, при больших токах базы, это напряжение больше и может достигать 1 В и более. Поэтому напряжение в средней точке будет примерно на 2 В меньше напряжения питания (в реальной жизни до 2,5 В). Так же при нулевом напряжении на базе первого нижнего транзистора, напряжение в средней точке будет равно 2 – 2,5 В. То есть амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 4 – 5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада. (предполагаем его размах равным напряжению источника питания)
В схеме на среднем рисунке выходное напряжение уменьшается только одним эмиттерным переходом в каждом плече. Но дополнительное уменьшение вносит напряжение насыщения Uкэ первого транзистора, которое редко бывает меньше 0,5 В. Поэтому в этой схеме амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3 – 4 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.
Схема на правом рисунке состоит из частей левой и средней схемы. В ней амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3,5 – 4,5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.

В идеальном случае размах сигнала на базах первых транзисторов выходных каскадов равен напряжению источника питания.
Однако в реальной схеме это далеко не так.

При полностью закрытом транзисторе VT1 через резистор R3 будет течь ток базы VT2.
Из примера расчета видно, что при использовании в качестве VT2 составного транзистора с коэффициентом усиления по току 1000, максимальный ток его базы составит 1,58 мА. При этом на резисторе R3 сопротивлением 1,5 кОм падение напряжения составит 2,37 В.
Обратите внимание – на базе VT2 будет не Eп = 30,4 В, а Eп – 2,37 В = 28 В!!!
При полностью открытом транзисторе VT1 напряжение на базе VT3 будет равно напряжению насыщения VT1, то есть, не менее 0,5 В.
Итого, амплитуда напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3 будет примерно на 3 В меньше напряжения питания усилителя, соответственно выходное напряжение усилителя мощности будет меньше напряжения его питания примерно на 8 В!!!
При использовании других схем выходного каскада эта разница будет меньше, но незначительно.
Для исправления ситуации можно использовать, по крайней мере, три способа:
1.Разделить выходной и предвыходной каскады и питать их от разных источников питания. При этом источник питания предвыходного каскада должен иметь напряжение не менее, чем на 8 вольт больше, чем источник выходного каскада и может быть относительно маломощным (десятки миллиампер).

2.Применить схему с вольтодобавкой (с виртуальным источником питания).

В этой схеме резистор R3 разделен на два резистора — R31 и R32 таким образом, что их суммарное сопротивление равно сопротивлению резистора R3, и R32 в 3 – 4 раза меньше R31. Между точками соединения этих резисторов и выходом усилителя включен конденсатор вольтодобавки C4 с такой емкостью, чтобы он не успевал существенно разряжаться за период действия сигнала минимальной частоты. После включения усилителя этот конденсатор заряжается до напряжения, близкого к половине напряжения питания (точнее, до напряжения на R31) и, далее, работает как батарейка, подпитывающая каскад на транзисторе VT1.
Предположим, что напряжение питания усилителя 20 В а соотношение сопротивлений резисторов R31 и R32. равно 4 к 1. Тогда на нижней обкладке конденсатора C4 будет 10 В а на верхней 18В и напряжение на нем составит 8 В.
Предположим, что во время усиления входного сигнала напряжение в средней точке стало равно 15 В. Так, как конденсатор C4 разряжается медленно, напряжение между его обкладками все равно будет равно 8 В и напряжение на его верхней обкладке, а значит и в точке соединения резисторов R31 и R32 составит 23 В – больше, чем напряжение питания!!! Это позволяет увеличить амплитуду сигнала предвыходного каскада и увеличить выходную мощность усилителя.
Кстати, такая схема применяется и в драйверах ключей на полевых транзисторах IR2101, IR2113, IR2153 и аналогичных.

3.Применить вместо резистора R3 транзистор, комплементарный к VT1 и
работающий в противофазе с ним. Схему пока рисовать не буду, только отмечу, что в этом случае потери напряжения составят по 0,5 В на каждый транзистор, то есть 1В. И потери на выходных транзисторах скомпенсированы не будут.

4. Применить в качестве выходного каскада схему с усилением сигнала.

Она очень похожа на среднюю схему выходного каскада за исключением того, что эмиттеры предвыходных транзисторов подключены к средней точке через делитель напряжения на резисторах R4 и R3. Коэффициент усиления такого каскада определяется соотношение их сопротивлений и определяется по формуле
K = (R4 + R3) / R3
Мощный усилитель с таким выходным каскадом склонен к самовозбуждению и усиление выходного каскада нельзя выбирать большим — лучше ограничиться величиной 1,2 — 2 раза. Номинал резистора R3 можно принять равным 220 — 470 Ом, сопротивление резистора R4 расчитывается исходя из требуемого усиления.

В такой схеме выходное напряжение ограничено только напряжением насыщения выходных транзисторов и выходная мощность может быть максимальной.

we.easyelectronics.ru

Мощность усилителя. Какую выбрать?

Усилитель какой мощности купить?
Какая мощность усилителя мне необходима и достаточна?

 

Чем грозит покупка слишком слабого или слишком мощного усилителя? Отчего зависит мощность усилителя и на что она влияет?

Раньше мощность усилителя являлась основным критерием выбора и показателем качества усилителя, от мощности зависела и цена. Но техника развивалась и мощность уже перестала быть основным критерием, теперь им стало качество воспроизведения. Взгляните на цены High-End усилителей и сравните их у ламповых однотактных High-End усилителей класса «А» мощностью всего в 3 Ватта и у транзисторных двухтактных монстров класса «АВ» мощностью в 2000 Ватт на канал, зачастую они почти не отличаются.

Посмотрели? Ну, раз посмотрели, значит уже поняли, что на мощности сэкономить не получится и следует выбирать именно ту мощность, которая Вам необходима. А как это правльно сделать я сейчас объясню.

 

Мощность усилителя, что она даёт?

Я думаю, что прямо сейчас многие из Вас как минимум подумали о громкости и это не является ошибкой. Да, действительно от мощности зависит громкость воспроизведения, но не только она. Ну раз уж мы заговорили о громкости, давайте выясним только ли от мощности усилителя зависит громкость звука.

 

 

Правильный ответ на этот вопрос — «нет, не только от мощности». Громкость воспроизведения зависит от «взаимоотношения» акустических систем и усилителя, а если быть точнее, то от соотношения их технических параметров. Я думаю, все Вы знаете такой параметр акустических систем как «чувствительность», измеряемая в децибелах (чувствительность акустики колеблется от 83 до 105 децибел). Чувствительность говорит о том какое звуковое давление (в децибелах) может развить акустическая система на расстоянии одного метра от неё при подаче на неё сигнала мощностью в 1 Вт.

Для справки: человеческий шёпот — это 60 децибел, громкий рок концерт — примерно 105-110 децибел, болевой порог и потеря слуха — 120 и более децибел.

 

Именно соотношение чувствительности акустики и мощности усилителя определяет громкость воспроизведения.

 

Чем ниже чувствительность акустики, тем мощнее нужен усилитель. Соотношение при этом следующее: «прибавление» каждых 3-х децибел к звуковому давлению, создаваемому акустикой стоит усилителю удвоения мощности.

Например, имеем акустическую систему с чувствительностью 85 децибел (она создаёт звуковое давление в 85 децибел при подаче на неё сигнала в 1 Ватт), чтобы создать звуковое давление в 88 децибел (85+3 децибела), необходимо подать сигнал мощностью 2 ватта (в 2 раза больше), для 91 дБ понадобится 4 ватта (ещё в 2 раза больше), для 94 дБ надо уже 8 ватт и так далее, но помните, что эти замеры производятся на расстоянии 1 метр от акустики. Отойдите подальше и вы ничего толком не услышите, отсюда следует, что нужно «добавить» ещё немного мощности и так далее. Хочу заметить, что идеального соотношения между чувствительностью акустических систем и мощностью усилителя не существует, но сам принцип зависимости этого соотношения Вам теперь известен и его следует учитывать. Для закрепления понимания приведу наглядную таблицу

 

Звуковое давление

3 разных варианта (колонки) отличающиеся только начальной мощностью в 1, 2 и 3 ватта (обратите внимание к какому результату это незначительное отличие вначале приведёт в конце каждой колонки) и заодно отмечу что громкость звука в каждой комбинации чувствительности и мощности одной и той же колонке будет одинаковая

105 дБ

1 Вт

2 Вт

3 Вт

102 дБ

2 Вт

4 Вт

6 Вт

99 дБ

4 Вт

8 Вт

12 Вт

96 дБ

8 Вт

16 Вт

24 Вт

93 дБ

16 Вт

32 Вт

48 Вт

90 дБ

32 Вт

64 Вт

96 Вт

87 дБ

64 Вт

128 Вт

192 Вт

84 дБ

128 Вт

256 Вт

384 Вт

 

Этой таблицей я хочу подчеркнуть значимость параметра чувствительности, проще говоря 3-х ваттный усилитель в паре с акустикой чувствительностью 105 дБ будет играть абсолютно так же громко как и 384-ваттный усилитель с акустикой чувствительностью 84 дБ.

 

 

Есть ещё несколько немаловажных нюансов выбора мощности. Первый из них гласит, что усилитель должен иметь запас по мощности, такой чтобы установка комфортного уровня громкости не требовала от вас выкручивать ручку громкости на полную, так как на пределах свой рабочей мощности у усилителя могут появиться довольно большие искажения. Оптимальный вариант, когда комфортный уровень громкости достигается поворотом ручки громкости на «10-11 часов», а максимальный, на который Вы согласны, на «12-13 часов».

 

«Нюанс» номер два. Я думаю, Вы знаете, что практически все акустические системы можно разделить на две большие группы в зависимости от их сопротивления (импеданса) на 4-х омные и 8-ми омные. Чем меньше импеданс акустической системы, тем более сложной нагрузкой для усилителя она является, так как при прочих равных, 4-х омная акустика требует в 2 раза большую отдачу по току от усилителя, чем 8-ми омная акустика.

Если вы обратите внимание на технические параметры High-End усилителей, указанные в паспорте, то сможете увидеть, что там приводятся данные о мощности усилителя для 8-ми и 4-х омных акустических систем. Если Вы обладаете 8-ми омными акустическими системами, то для Вас соотношение этих параметров будет не особо важно, и в этом случае следует сконцентрировать всё внимание на звучиании усилителей.

Если же Вы обладатель 4-х омной модели, то лучше основное внимание обратить на усилители, удваивающие мощность при падении импеданса акустики с 8-ми до 4-х ом (например на 8 Ом усилитель выдаёт 100 Вт, а на 4 Ома 200 Вт), но главным критерием выбора всё равно должно оставаться звучание усилителя. Почему, в случае 4-х омной акустики, я предлагаю Вам начать прослушивание с усилителей, способных удваивать выходную мощность, потому что с вероятностью 60-70% Вы остановите свой выбор именно на них (в том случае если любите басовитую и ритмичную музыку). Дело в том, что пики потребления тока от усилителя возникают при воспроизведении низких частот (басов), а если усилитель не способен удовлетворить потребность акустики в токе, то басы будут казаться немного расплывчатыми, нечёткими, а способность удваивать выходную мощность говорит о способности без проблем наращивать выходной ток.

И все же, вышесказанное ещё не повод упускать из виду усилители, не удваивающие мощность, так как среди них не меньше, а иногда и больше достойных аппаратов, я лишь привёл технические факты, но решать должны не мои факты, а Ваши уши и возможно именно Вы можете оказаться тем самым исключением из правил.

 

И, пожалуй, последний из основных нюансов, но не последний по значимости. Все акустические системы можно разделить на простые и сложные для усилителя. Это зависит от многих факторов (размер акустики, конструкция, масса подвижных систем динамиков и т.д.), осложняющих усилителю процесс управления динамиком акустической системы. Усилитель должен не только мгновенно приводить диффузор динамика в движение, но и мгновенно останавливать его когда сигнал прекращается. Параметр, отвечающий за способность усилителя управлять диффузорами динамиков акустических систем называется коэффицент демпфирования. Как правило, этот коэффицент лучше у более мощных усилителей, с хорошей отдачей по току. Хочу отметить, что если Ваши акустические системы являются лёгкой нагрузкой, то даже самый маломощный усилитель сможет без каких-либо проблем управлять ими и при этом звук будет просто фантастическим. В High-End аппаратуре каждый случай, каждая стереосистема, каждое сочетание компонентов индивидуально, поэтому не спешите делать поспешных выводов.

 

И напоследок обратимся к крайностям. Купив слишком маломощный усилитель для низкочувствительных акустических систем, Вы не сможете установить достаточную громкость, даже если выкрутите ручку громкости до самого упора. И, наоборот, купив очень мощный усилитель для очень чувствительных колонок, Вы просто не сможете управлять громкостью, так как уже при повороте ручки всего на один градус, Вы будете оглушены чрезмерно завышенной громкостью. Я думаю, что после прочтения всего вышесказанного, Вы уже догадались, что выбор усилителя это почти искусство. Цените своё время и деньги, доверьте решение своих аудио и видео задач профессионалам из HIFI PROFI и Вам останется только наслаждаться любимой музыкой и фильмами в самом лучшем качестве.

 

Усилители в каталоге HIFI PROFI

hifi-profi.ru

Усилитель — повышение мощности | soundbass

Поговорим теперь о выходной мощности усилителя низкой частоты.
Для усилителя мощности основной квалификационной характеристикой является величина этой мощности. Она измеряется в Ваттах и определяется как мощность, выделяющаяся на нагрузке сопротивлением Rн при амплитуде напряжения на ней Uн.
При синусоидальном испытательном сигнале эта мощность составляет
Pн = Uн2 / (2 х Rн).
Любой усилитель можно охарактеризовать максимальной выходной мощностью.
Это долговременная мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя при максимально – возможной амплитуде синусоидального сигнала на его выходе. При измерении этой мощности искажения не важны – главное, чтобы форма сигнала была похожа на синусоиду. То есть при этой мощности нелинейные искажения 10% — это нормально.
Так как удвоенная амплитуда (размах) сигнала на выходе усилителя не может превысить его напряжения питания и, скорее всего меньше его на dU = 2 – 5 В, то максимальная мощность, в любом случае, не может быть больше некоего значения, определяемого по формуле:
Pmax = (Eпит – dU)2 / (8 x Rн).
То есть при питании усилителя мощности от источника напряжением 20 В и нагрузке 4 Ом максимальная выходная мощность, в любом случае, не превысит 20 x 20 / (8 х 4 ) = 12,5 Вт. На самом деле, из-за dU максимальная выходная мощность будет, скорее всего, около 8 — 10 Вт.
Редко, но бывает, когда максимальная выходная мощность указывается при прямоугольном выходном сигнала – тогда это та долговременная мощность, больше которой из усилителя не выжать. Но к качеству звучания усилителя этот параметр уже никакого отношения не имеет.
Отмечу, что мощность усилителя при 10% нелинейных искажений имеет международное обозначение RMS.

Номинальная выходная мощность — это максимальная долговременная мощность сигнала, которую может отдать усилитель в нагрузку при определенном, наперед заданном коэффициенте нелинейных искажений – чаще всего 1%, хотя может быть и любое другое значение, например 0,5% или те же 10%. Эта мощность зависит от схемы построения усилителя и примененных в ней элементов но она всегда меньше максимальной мощности, иногда значительно. Хочу сказать, что значение нелинейных искажений, при которых измеряется номинальная мощность никак не стандартизировано и устанавливается изготовителем усилителя так, как ему хочется.
Так, например, в Datasheet на усилитель TDA2030 указано, что при напряжении питания 38 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом выходная мощность составляет не менее 18 Вт при нелинейных искажениях 0,5%.
А из его характеристик следует, что при искажениях в 10% его выходная мощность может составить 30 Вт и более.
Номинальная выходная мощность – это собственно говоря, та самая «Советская» мощность, о которой кто-то как-то спрашивал в комментариях к одному из постов.

Еще один параметр – максимальная музыкальная мощность усилителя. Это максимальная мощность синусоидального сигнала, которую усилитель может отдать в нагрузку за очень короткое время – допустим, 0,1 секунды. Эта величина в большой степени зависит от схемы построения как усилителя мощности, так и его блока питания. Если блок питания стабилизирован, то есть выдает одинаковое напряжение и при малой нагрузке (при малой громкости), и при максимальной мощности, то максимальная музыкальная мощность и максимальная мощность усилителя совпадают.
Если же блок питания нестабилизирован, то его выходное напряжение зависит от мощности сигнала – при малой мощности оно выше, чем при большой. Например, блок питания с выходным напряжением 20 В при нагрузке 3 А может иметь выходное напряжение 24 В при нагрузке 100 мА. А у блоков питания дешевых усилителей эта разница еще больше. Поэтому, в первый момент после подачи на усилитель испытательного сигнала, отдаваемая усилителем мощность будет значительно больше, чем через несколько секунд после этого, когда конденсаторы блока питания разрядятся и его напряжение упадет. Разница может достигать 2-х раз (при разнице напряжений в 1,4 раза). Этот параметр имеет право на жизнь, так как музыка или речь – это не стабильный синусоидальный сигнал, а чередование тихих и громких звуков.

Еще большее значение имеет PMPO – пиковая музыкальная выходная мощность. Это мощность сигнала на пике — то есть в максимальной точке. Так как это импульс, то его мощность не усредняется по всему периоду сигнала, и его значение, в принципе, в 2 раза больше максимальной музыкальной мощности. Таким образом, значение мощности PMPO может быть в 5 и более раз больше номинальной мощности, особенно при источнике питания усилителя плохого качества. То есть, при «Советской» мощности усилителя 20 Вт, значение его PMPO может составить 100 Вт и более.

Еще больше можно увеличить мощность усилителя мощности, просуммировав мощности всех его каналов (стерео – 2 канала и т.д.) и умножив результат на поправочный коэффициент, значение которого каждый производитель определяет самостоятельно. После этого можно делать наклейку 1000 Watt PMPO для малогабаритного приемника.

Теперь о повышении выходной мощности усилителя.
Для начала рассмотрим выходные каскады.

На левом рисунке нарисован выходной каскад, верхнее и нижнее плечи которого построены на комплементарных составных транзисторах. При этом, если на базе первого верхнего транзистора будет напряжение, равное напряжению источника питания Eп, то на эмиттере верхнего выходного транзистора напряжение станет равным Eп – Uбэ – Uбэ.
Для маломощных транзисторов можно принять Uбэ = 0,65 В, но у мощных транзисторов, при больших токах базы, это напряжение больше и может достигать 1 В и более. Поэтому напряжение в средней точке будет примерно на 2 В меньше напряжения питания (в реальной жизни до 2,5 В). Так же при нулевом напряжении на базе первого нижнего транзистора, напряжение в средней точке будет равно 2 – 2,5 В. То есть амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 4 – 5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада. (предполагаем его размах равным напряжению источника питания)
В схеме на среднем рисунке выходное напряжение уменьшается только одним эмиттерным переходом в каждом плече. Но дополнительное уменьшение вносит напряжение насыщения Uкэ первого транзистора, которое редко бывает меньше 0,5 В. Поэтому в этой схеме амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3 – 4 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.
Схема на правом рисунке состоит из частей левой и средней схемы. В ней амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3,5 – 4,5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.

В идеальном случае размах сигнала на базах первых транзисторов выходных каскадов равен напряжению источника питания.
Однако в реальной схеме это далеко не так.

При полностью закрытом транзисторе VT1 через резистор R3 будет течь ток базы VT2.
Из примера расчета видно, что при использовании в качестве VT2 составного транзистора с коэффициентом усиления по току 1000, максимальный ток его базы составит 1,58 мА. При этом на резисторе R3 сопротивлением 1,5 кОм падение напряжения составит 2,37 В.
Обратите внимание – на базе VT2 будет не Eп = 30,4 В, а Eп – 2,37 В = 28 В!!!
При полностью открытом транзисторе VT1 напряжение на базе VT3 будет равно напряжению насыщения VT1, то есть, не менее 0,5 В.
Итого, амплитуда напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3 будет примерно на 3 В меньше напряжения питания усилителя, соответственно выходное напряжение усилителя мощности будет меньше напряжения его питания примерно на 8 В!!!
При использовании других схем выходного каскада эта разница будет меньше, но незначительно.
Для исправления ситуации можно использовать, по крайней мере, три способа:
1.Разделить выходной и предвыходной каскады и питать их от разных источников питания. При этом источник питания предвыходного каскада должен иметь напряжение не менее, чем на 8 вольт больше, чем источник выходного каскада и может быть относительно маломощным (десятки миллиампер).

2.Применить схему с вольтодобавкой (с виртуальным источником питания).

В этой схеме резистор R3 разделен на два резистора — R31 и R32 таким образом, что их суммарное сопротивление равно сопротивлению резистора R3, и R32 в 3 – 4 раза меньше R31. Между точками соединения этих резисторов и выходом усилителя включен конденсатор вольтодобавки C4 с такой емкостью, чтобы он не успевал существенно разряжаться за период действия сигнала минимальной частоты. После включения усилителя этот конденсатор заряжается до напряжения, близкого к половине напряжения питания (точнее, до напряжения на R31) и, далее, работает как батарейка, подпитывающая каскад на транзисторе VT1.
Предположим, что напряжение питания усилителя 20 В а соотношение сопротивлений резисторов R31 и R32. равно 4 к 1. Тогда на нижней обкладке конденсатора C4 будет 10 В а на верхней 18В и напряжение на нем составит 8 В.
Предположим, что во время усиления входного сигнала напряжение в средней точке стало равно 15 В. Так, как конденсатор C4 разряжается медленно, напряжение между его обкладками все равно будет равно 8 В и напряжение на его верхней обкладке, а значит и в точке соединения резисторов R31 и R32 составит 23 В – больше, чем напряжение питания!!! Это позволяет увеличить амплитуду сигнала предвыходного каскада и увеличить выходную мощность усилителя.
Кстати, такая схема применяется и в драйверах ключей на полевых транзисторах IR2101, IR2113, IR2153 и аналогичных.

3.Применить вместо резистора R3 транзистор, комплементарный к VT1 и
работающий в противофазе с ним. Схему пока рисовать не буду, только отмечу, что в этом случае потери напряжения составят по 0,5 В на каждый транзистор, то есть 1В. И потери на выходных транзисторах скомпенсированы не будут.

4. Применить в качестве выходного каскада схему с усилением сигнала.

Она очень похожа на среднюю схему выходного каскада за исключением того, что эмиттеры предвыходных транзисторов подключены к средней точке через делитель напряжения на резисторах R4 и R3. Коэффициент усиления такого каскада определяется соотношение их сопротивлений и определяется по формуле
K = (R4 + R3) / R3
Мощный усилитель с таким выходным каскадом склонен к самовозбуждению и усиление выходного каскада нельзя выбирать большим — лучше ограничиться величиной 1,2 — 2 раза. Номинал резистора R3 можно принять равным 220 — 470 Ом, сопротивление резистора R4 расчитывается исходя из требуемого усиления.

В такой схеме выходное напряжение ограничено только напряжением насыщения выходных транзисторов и выходная мощность может быть максимальной.

Источник: we.easyelectronics.ru

soundbass.org.ua

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

0 comments on “Сильное усиление мощности – . ?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.