Усилители мощности. окончание начала

Усилители мощности. Окончание начала

Итак, в прошлый раз мы с вами остановились на том, что получили дырку величиной в 1,4 вольта, вылили 20 % пива в унитаз и отправились с горя кормить Кота, разболтавшего все секреты. Продолжаем.
На очереди класс АВ. Собственно, уже из названия видно, что эта схема построения выходного каскада получается путем скрещивания осьминога с вешалкой. То есть класса А и класса В. От первого мы берем ненулевой ток покоя I0>0. Таким образом, напряжение смещения на базах транзисторов присутствует. Считается оно так:

Для тех, кто только что свалился с луны, хочу напомнить, что RL — это сопротивление нагрузки, а I0 — это требуемый ток покоя. Ну а от класса В берем все остальное — поскольку ток покоя по сравнению с выходным током очень мал (I0 Пробежимся быстренько по блокам, обезображенным на рисунке. Генератор ПИ — генератор прямоугольных импульсов выдает прямоугольные импульсы с фиксированной частотой Fs (график а ), которые поступают на интегратор , где преобразуются в треугольные или пилообразные импульсы (график б ), после чего поступают на один из входов компаратора .

На другой вход компаратора поступает входной аудио сигнал от источника. Вот тут то и начинается главная мясорубка под названием ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или PWM (pulse-width modulation) если по-буржуйски. Остановимся подробнее на работе компаратора, для чего посмотрим на картинку.

Итак, как уже говорилось — на один вход компаратора поступают треугольные импульсы от генератора ( синенькие на картинке ), а на другой вход аудиосигнал, который необходимо усилить ( на картинке что-то красное, похожее на синусоиду ).

Дальше компаратор делает следующее: если текущее (мгновенное) значение уровня «пилы» превышает значение уровня входного сигнала, компаратор переключается в низкий логический уровень, если же наоборот — уровень сигнала «пилы» меньше, чем аудио сигнал, то компаратор переключается в логическую единицу.
Разумеется, это все происходит за один такт работы генератора (того, прямоугольного).
Таким образом, на выходе компаратора мы получаем прямоугольный сигнал, ширина импульсов которого зависит от амплитуды входного сигнала, а частота его равна частоте задающего генератора Fs — это и есть ШИ модулированный сигнал.
На самом деле, пилообразные импульсы нарисованы на картинке так редко исключительно для наглядности. В действительности, частота этих импульсов в 10-20 раз выше, чем максимальная частота звукового сигнала. Обычно она выбирается в пределах 200-500кГц.
Далее, промодулированный сигнал поступает на усилитель мощности на полевых транзисторах, которые работают в ключевом (switch-mode) режиме. После усилителя впендюривается фильтр НЧ, который отфильтровывает высокочастотную составляющую сигнала и восстанавливает аналоговый сигнала, который и воспроизводится затем нагрузкой.
Теперь давайте посмотрим к чему все эти пляски.
Прежде всего к КПД. Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. Но тем не менее, в зависимости от сопротивления нагрузки, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать чертовски маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного ФНЧ фильтра можно довести до 0,01%, что очень и очень достойно. Усилители этого класса выпускаются, как и АВ, в интегральном исполнении.
Ну вот, пока это все, что хотелось рассказать об оконечных каскадах, дальше у нас в планах каскады предварительного усиления — что это, с чем их едят и.

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:

Усилители напряжения, тока и мощности. Расчет параметров усилителей.

Часть I. Усилитель напряжения. Схема усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является одним из наиболее распространенных асимметричных усилителей. Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рисунке ниже.

В этой схеме резистор , включенный в главную цепь транзистора, служит для ограничения коллекторного тока, а также для обеспечения необходимого коэффициента усиления. При помощи делителя напряжения R1R2 задается начальное напряжение смещения на базе транзистора VT, необходимое для режима усиления класса А.

Цепь RэСэ выполняет функцию эмиттерной термостабилизации точки покоя; конденсаторы С1 и С2 являются разделительными для постоянной и переменной составляющих тока. Конденсатор Сэ шунтирует резистор по переменному току, так как емкость Сэ значительна.

При подаче на вход усилителя напряжения сигнала неизменной амплитуды при различных частотах выходное напряжение в зависимости от частоты сигнала будет изменяться, так как сопротивление конденсаторов C1, C2 на разных частотах различно.

Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала получило название амплитудно-частотной характеристики усилителя (АЧХ).

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ).

Читайте также  Usb тестер. версия 2.0

Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство.

Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Анализ работы каскада усилителя производят с помощью эквивалентной схемы (на рис. ниже), в которой транзистор заменен Т-образной схемой замещения.

В этой эквивалентной схеме все физические процессы, происходящие в транзисторе, учитываются при помощи малосигнальных Н-параметров транзистора, которые приведены ниже.

Для питания усилителей используются источники напряжения с малым внутренним сопротивлением, поэтому можно считать, что по отношению к входному сигналу резисторы R1 и R2 включены параллельно и их можно заменить одним эквивалентным Rб = R1R2/(R1+R2).

Важным критерием для выбора номиналов резисторов Rэ, R1 и R2 является обеспечение температурной стабильности статического режима работы транзистора. Значительная зависимость параметров транзистора от температуры приводит к неуправляемому изменению коллекторного тока , вследствие чего могут возникнуть нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Для достижения наилучшей температурной стабилизации режима надо увеличивать сопротивление . Однако это приводит к необходимости повышать напряжение питания Е и увеличивает потребляемую от него мощность. При уменьшении сопротивлений резисторов R1 и R2 также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы и уменьшается входное сопротивление усилительного каскада.

Часть II. Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

  • коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;
  • входное сопротивление стремится к бесконечности;
  • выходное сопротивление стремится к нулю;
  • если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;
  • бесконечная полоса усиливаемых частот.

Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэо. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс. Абсолютным дрейфом нуля Uвых, называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя:

едр=Uвых / Ku

Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и эквивалентен ложному входному сигналу.

Способы уменьшения дрейфа нуля:

  • Термостатирование. Схема помещается в термостат, где поддерживается постоянная температура.
  • Температурная компенсация. Применяются все способы температурной компенсации нестабильности рабочего режима.
  • Использование ООС.
  • Применение специальных параллельно-балансных каскадов, имеющих малый дрейф нуля.

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рисунке слева. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал «шума» на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

Часть III. Усилители мощности .

  • Входной каскад
  • Промежуточный каскад
  • Выходной каскад (усилитель мощности)

1. Трансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим однотактный трансформаторный УМ, в кото­ром транзистор включен по схеме с ОЭ (рис. слева).

Трансформаторы ТР1, и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, т.к. имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение получили бестрансформаторные усилители мощности.

2. Бестрансформаторные усилители мощности.

Рассмотрим двухтактный УМ на биполярных транзисторах с различным типом проводимости. Как уже отмечалось выше, необходимо увеличить мощность выходного сигнала без изменения его формы. Для этого берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала, как показано на рисунке ниже:

Если транзисторы обладают достаточно высоким значением крутизны, то возможно построение схем, работающих на нагрузку величиной единицы Ом без использования трансформаторов. Питается такой усилитель от двухполярного источника питания с заземленной средней точкой, хотя возможно построение схем и для однополярного питания.

Принципиальная схема комплементарного эмиттерного повторителя — усилителя с дополнительной симметрией — приведена на рисунке слева. При одинаковом входном сигнале через транзистор n-p-n-типа протекает ток во время положительных полупериодов. Когда же входное напряжение отрицательно, ток будет течь через транзистор p-n- p -типа. Объединяя эмиттеры обоих транзисторов, нагружая их общей нагрузкой и подавая один и тот же сигнал на объединенные базы, получаем двухтактный каскад усиления мощности.

Рассмотрим более подробно включение и работу транзисторов. Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. В данной схеме транзисторы должны быть абсолютно одинаковы по своим параметрам, но противоположны по планарной структуре. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения Uвх транзистор Т1, работает в режиме усиления, а транзис­тор Т2 — в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение Uвых близко к напря­жению Uвх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Проблема нелинейных искажений решается подачей начального смещения на базовые цепи, переводящей каскад в режим АВ.

Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке Um равна E . Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Исходя из вышесказанного, получаем максимально возможный коэффици­ент полезного действия УМ: nmax = P н.max / P потр.max = 0,78.

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.

Читайте также  Блок управления вентиляторами компьютера

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:

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.

Усилитель — повышение мощности

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 = Uн 2 / (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.

Читайте также  Обзор паяльника ts-100

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.