Усилители мощности. начало

Усилители мощности: определение, схемы, 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.

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.

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 = Um 2 / ( 2 · R н ) = E 2 / ( 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:

Как работает усилитель на транзисторе

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.


А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Читайте также  Сабвуфер для дома, для семьи. часть 3 - некоторые хитрости

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

  • не закрывается;
  • не переходит в режим насыщения;
  • не искажает сигнал;
  • и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Классы усилителей. Устройство и принципы работы

Содержание

Содержание

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

Читайте также  Multidec 8.0 tv-хак

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Все об усилителях мощности — от бытовых до профессиональных

Все об усилителях мощности — от бытовых до профессиональных

Усилители мощности делятся на бытовые и профессиональные. Исходя из того, что в наше время вместо огромного количества элементов применяются микросхемы, благодаря чему удалось уменьшить размеры блоков в разы, то автономные усилители мощности звука в отдельных корпусах сегодня можно увидеть нечасто. Каждое звуковое оборудование — домашний кинотеатр, музыкальный центр и прочие устройства оснащены усилителями мощности, так как большинство людей не нуждаются в их отдельном приобретении. Эта статья посвящена видам усилителей мощности и областям их применения.

Основным предназначением бытовых усилителей мощности можно отметить небольшое усиление звучания с минимальными искажениями в составе домашних музыкальных систем. Это связано с тем, что при прослушивании в домашних условиях важным является не громкость звука, а его качество. Однако, бытовой ламповый усилитель должен иметь достаточный запас мощности, ведь 80% мощности уходит на усиление НЧ (низких частот), а перегрузка усилителя по НЧ может привести не только к искажениям звучания, но и к выведению из строя динамиков акустических систем, что крайне нежелательно. Для того, чтобы обеспечить такие запасы мощности необходимо, чтобы обеспечить оптимальный запас мощности, максимальная мощность бытовых усилителей должна быть не менее 2 х 50Вт. Также нельзя забывать о том, что при увеличении уровня громкости происходит возрастание нелинейных искажений, исходя из чего будет невозможным ощутить всю прозрачность и глубину звучания. Специалисты советуют использовать бытовые усилители максимум на 30% от их максимальной мощности, т.е. уровень громкости не должен превышать 30%.

Главным отличием усилителей мощности звука является наличие специального тембрблока, с помощью которого можно провести коррекцию в виде ослабления или усиления низких и высоких частот. В домашних же условиях нет потребности использовать эквалайзеры и микшерные пульты, вследствие чего коррекцию проводят на панели усилителя мощности.

К профессиональным усилителям мощности звука относятся инструментальные, студийные, концертные, усилители звука для гитар и многие другие. Используются такие усилители на концертах, в студиях звукозаписи, а также в иных сферах профессиональной деятельности.

В связи с этим, существует ряд правил для профессиональных усилителей звука, такие как рэковое изготовление корпуса с определенной широтой и высотой, а также с наличием панели и отверстий на ней для крепления на рэковые стойки.

Студийные усилители мощности используют в студиях для небольшого и качественного усиления звучания, как и бытовые. Однако, существует несколько принципиально важных отличий между двумя данными усилителями.

— большой диапазон воспроизведения частот: в студийных усилителях 10Гц — 100кГц, в домашних — 20Гц — 20кГц;
— отсутствие темброблока, что связано с возможностью управлять такими усилителями при помощи микшерных пультов, которые есть во всех студиях;
— раздельная регулировка каналов;
— более качественное изготовление отдельных частей усилителей мощности, таких как схемы защиты устройства от перегрузок и коротких замыканий, а также разъемы;

Инструментальными называют усилители мощности, которые используются для усиления звучания синтезаторов и других музыкальных инструментов, в том числе существуют гитарные усилители для электро- и бас-гитар. Выполнены такие усилители могут быть в двух видах: в виде комбика — комбинированного блока «акустическая система+усилитель» в одном корпусе, либо в виде отдельного блока — «головы» и 1-2х кабинетов. Назвать инструментальный усилитель звука отдельным устройством тяжело, так как в их корпусе находятся темброблоки, предварительные усилители, динамики, блоки эффектов и прочее.

Концертные усилители изначально предназначены для значительного усиления звучания на различных музыкальных мероприятиях. Рассчитаны такие усилители на длительную работу в мощности, близкой к максимальной, исходя из чего основным жестким требованием является надежность концертного усилителя. Также в концертных усилителях более серьезно выполнена защита от перегревов, перегрузок, коротких замыканий и других. Это преимущество является крайне важным, так как бытовые усилители могут выйти из строя, проработав несколько минут на максимальной мощности.

Выбирая усилители мощности звука, следует определиться, когда и для каких целей Вы будете их использовать. Студийные и бытовые усилители не предназначены для озвучивания музыкальных концертов. Для таких целей подойдут исключительно концертные усилители мощности звука с необходимой для этого мощностью.

В таблице, расположенной внизу, приводятся отличительные особенности видов усилителей, которые смогут помочь Вам сделать правильный выбор при приобретении.

Как Вы могли заметить, в таблице показаны основные отличия профессиональных мощных усилителей от бытовых, которые заключаются в рэковых исполнениях корпусов, раздельных регуляторах громкости каналов и отсутствии тембрблоков в профессиональных усилителях мощности. Благодаря раздельной регулировке каналов, есть возможность получить комбинированное использование усилителей мощности, например, один из каналов использовать с основной акустической системой, а второй — с мониторами.

Основные характеристики усилителей мощности звука

  • Мощность

Это параметр, характеризующий возможности усиления звучания усилителей мощности при использовании их в различных ситуациях.

  • Чувствительность

Чувствительность акустической системы показывает, какое звуковое давление в дБ на расстоянии одного метра будет создавать эта акустическая система, если подвести к ней мощность в 1Вт. В том случае, если у акустической системы более высокий уровень звукового давления, то при меньшей мощности сигнала, подводимого от усилителя, он позволит получить больший уровень громкости по сравнению с акустической системой, которая имеет меньший уровень чувствительности. Для того, чтобы проиллюстрировать этот пункт, можно провести следующий эксперимент. Для начала можно подключить к усилителю мощности звука обычную акустическую систему от музыкального центра, которая имеет чувствительность 70-80дБ, а затем — пассивную акустику с мощностью 200-300 Ватт и чувствительностью 90-100Дб. В этом случае, последняя будет иметь более высокий уровень громкости при одинаковом положении регуляторов громкости на усилителе. Из этого следует, что громкость звучания зависит не столько от мощностей акустических систем и усилителя, а от того, насколько грамотно и правильно подобран комплект этой аппаратуры. Это предоставляет возможность использовать большую громкость звука при меньшей мощности.

Читайте также  Автоматическое включение источников бесперебойного питания

Также немаловажную роль играет класс усилителя мощности звука. Существуют следующие классы:

● Класс «А» — низкий коэффициент полезного действия (до 30%) и имеет невысокий уровень искажений. Благодаря тому, что 30% подаваемой энергии уходят на усиление звуковых сигналов, а остальное количество энергии выделяется в виде «тепла», звучание получается приятным и теплым;

● Класс «В» — высокий коэффициент полезного действия (до 70%). При этом, качество звука невысокое, так как само звучание кажется «сухим»;

● Класс «АВ» — является комбинированным решением и большинство усилителей относятся именно к этому классу. Основное отличие этого класса от остальных в том, что при близком к самому максимальному сигналу, усилитель работает в режиме В, и, соответственно, при малом сигнале усилитель работает в режиме А. Это компромиссное решение, позволяющее при высоком КПД (до 60%) получать превосходное качество звука и часто используется в усилителях для колонок и масштабных акустических системах;

● Класс «D» — крайне высокий КПД (до 85%). Основная особенность в том, что при использовании импульсных блоков питания, усилитель имеет достаточно маленький вес, что делает его мобильным и удобным для транспортировок.

— Вес
Концертные усилители имеют достаточно массивные блоки питания и большие теплоотводящие радиаторы, которые являются достаточно тяжелыми, исходя из чего, весят такие усилители не меньше 10 кг.

Выбор усилителя мощности звука

Для того, чтобы не ошибиться с выбором усилителя, следует тщательно изучить следующие параметры:

— тип и наличие выходных и входных разъемов;
— цена;
— класс усилителя. В различных ситуациях один класс усилителя может быть уместней, чем другой. К примеру, усилители класса «D» более интересны для туровых комплектов, так как они имеют более высокий КПД и являются более легкими по весу, по сравнению с классом «АВ»;
— назначение. Основное назначение усилителя — будет он использоваться в музыкальной студии, на концертах или дома;
— совместимость по сопротивлению и мощности с выбранной в комплект акустической системой.

Это основные параметры, которые Вы можете проверить при выборе усилителя мощности звука. Однако, существуют и такие, которые проверить не получится. К таким параметрам относятся АЧХ, коэффициент нелинейных искажений, качество и наличие систем защиты и прочие. Связано это с тем, что такая проверка требует эксплуатации в течении нескольких часов без сбоев и на 80% от допустимой максимальной мощности.

На сегодняшний день бытовые усилители мощности практически нигде не используются, студийные усилители используют только в помещениях с исключительно хорошей акустикой и студиях звукозаписи, в которых также часто можно встретить усилитель для сабвуфера. Инструментальные усилители являются комбинированными устройствами и применяются в различных сферах деятельности.

Однако, отдельно рассмотрим концертные усилители, так как на сегодняшний день это наиболее актуальный вопрос.
Концертный усилитель следует выбирать либо вместе, либо после выбора акустической системы, так как мощность последних должна иметь оптимальный запас, и, чтобы она не была выведена из строя, быть на порядок выше мощности усилителя. Например, если Вы выбрали акустическую систему мощностью 250 Ватт, то купить усилитель следует мощностью 200 Ватт с таким же выходным сопротивлением, что и у акустической системы. Усилитель лучше выбирать с запасом мощности, чтобы в итоге получить минимальный уровень искажений звучания, ведь чем больше усиление, тем выше уровень нелинейных искажений. Не стоит забывать, что перегрузка усилителя по низким частотам может привести к преждевременному выходу из строя динамики акустической системы.

Усилители мощности.

Тема «Усилители мощности» выделена в программе для самостоятельного обучения, но особенности этого типа усилителей мы проработаем вместе.

Усилители мощности ─ это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра ─ КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

КПДоценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагруке) к затраченной (потребляемой от источника).

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) ─ это корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности первой гармоники. Если сопротивление нагрузки одинаково для всех гармоник, то мощности пропорциональны квадратам токов или напряжений. В этом случае коэффициент нелинейных искажений можно выразить таким образом

где m ─ номер гармоники, начиная со второй.

Допустимое значение КНИ определяется конкретными требованиями к определённой электронной аппаратуре. КНИ можно оценить по известной передаточной характеристике (графически), или же экспериментально с помощью специального измерительного прибора.

Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителей мощности, ─ обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку. Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности ─ это пример силовой электроники. Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, ─ это устройство информативной электроники: в таких устройствах основная задача ─ снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема. И лишь во вторую ─ устройство, которое содержит элементы и силовой электроники: в таких устройствах такую задачу ставить нельзя. При проектировании схем усилителей мощности следует помнить об этом различии.

К величине коэффициента усиления по напряжению особых требований нет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходит за счёт усиления по току.

Рис.8.1. Рис.8.2

В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должны быть только по напряжению. По этой причине схемы усилителей мощности строятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и по мощности. На рис.8.1 дана схема двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, работающего в режиме кл.«В», а на рис.8.2 усилитель, поставленный в режим кл.«АВ».

Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблема габаритов и веса устройства в целом. Поэтому мы будем рассматривать только бестрансформаторный усилитель мощности (рис.8.1 и рис.8.2). Эти схемы можно назвать комплементарными эмиттерными повторителями. В схемах усилителей используются комплементарные пары: транзисторы VT1 и VT2 имеют разную структуру.

Транзисторы в схеме на рис.8.1 поставлены в режим кл. «В» (смещение не задано). Рассмотри работу усилителя мощности по схеме на рис.8.1. в этом режиме

Когда на входе действует положительная полуволна синусоидального сигнала, то в режим усиления вступает транзистор VT1, а транзистор VT2 ─ в режим отсечки. При действии отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Входные ВАХ транзистора носят нелинейный характер (лекция №3, рис.3.2а), поэтому выходной сигнал будет с искажениями. В идеальном случае максимально возможная амплитуда напряжения на выходе Uвых = Ек, а потому максимально возможная мощность, выделенная в нагрузке в идеальном случае

При такой максимальной мощности в нагрузке усилитель потребляет мощность от источника питания

Определим КПД усилителя мощности

В режиме кл. «В» в схеме не задана РТ (угол отсечки тока коллектора в этом режиме равен 90 0 ). В этом режиме хороший КПД, но большой уровень нелинейных искажений. Чтобы уменьшить нелинейные искажения в выходном сигнале, изначально задают небольшое напряжение смещения и, таким образом, переводят усилитель в режим кл. «АВ» (рис.8.2). В режиме кл. «АВ» нелинейные искажения уменьшаются, но несколько уменьшается и КПД усилителя.

В схеме усилителя (рис.8.2) применяются цепи смещения ─ резисторы Rсм1, Rсм2 совместно с диодами VD1 и VD2 образуют нелинейные делители напряжения. Диоды в данном случае обеспечивают дополнительную стабилизацию параметров усилителя в режиме покоя.

Транзисторы VT1 и VT2 в усилителе включены по схеме эмиттерного повторителя, тем самым, обеспечивая усилителю малое выходное сопротивление.

КПД усилителя определяется по формуле

где

Uвых.макс и Iвых.макс ─ амплитуды напряжения и тока в нагрузке;

Iср─ среднее значение тока каждого транзистора.

. Рис.8.3.

При проектировании усилителей мощности нередко в качестве выходных используют схемы составных транзисторов как одинаковой, так и разной проводимости. Это позволяет существенно уменьшить мощность предвыходного усилителя, а это положительно сказывается на параметрах всего электронного устройства.

Эти принципы используются и при проектировании усилителей мощности на полевых транзисторах (рис.8.3). От усилителей мощности на биполярных транзисторах такие схемы отличаются меньшим уровнем нелинейных искажений и большой температурной устойчивостью.

Дата добавления: 2015-07-18 ; просмотров: 3291 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ