Усилители мощности
Усилители мощности
Учитывая различное назначение предварительных и оконечных усилителей, целесообразно раздельно обсудить их параметры и характеристики. Начнем с оконечных усилителей мощности. Их основными параметрами являются:
-
номинальная мощность при заданном коэффициенте нелинейных искажений;
- максимальная мощность, которую усилитель способен отдавать в импульсе;
- входное напряжение;
- входное сопротивление;
- коэффициент нелинейных искажений;
- коэффициент демпфирования;
- рабочий диапазон усиливаемых частот при заданной неравномерности;
- динамический диапазон;
- максимальная скорость нарастания сигнала на выходе;
- коэффициент полезного действия (КПД);
- потребляемая мощность;
- габаритные размеры и вес;
- специальные характеристики (дизайн, температурный диапазон, конструктивные особенности и т. д.).
Обычно нелинейные искажения возрастают по мере роста напряжения на выходе и, соответственно, входного напряжения. Номинальная выходная мощность обычно определяется как значение мощности Р при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала с частотой 1 кГц, при котором коэффициент гармоник дорастает до заданного значения — чаще всего 1%. Нередко указывается и диапазон частот, в пределах которого усилитель отдает номинальную мощность (иногда ее именуют музыкальной). Эту мощность усилитель должен отдавать в течение длительного времени.
Максимальная мощность усилителя - это мощность при возрастании коэффициента гармоник до 5 или 10 Поскольку о качественном звуковоспроизведении в данном случае речь уже идти не может, то эта мощность характеризует как бы предельную энергетику усилителя. На нее должна быть ориентирована и максимальная мощность звуковых колонок, ибо если она заметно ниже, то при случайной перегрузке усилителя колонки могут выйти из строя. Некоторые типы усилителей допускают мостовое подключение нагрузки - она включается между потенциальными (их иногда называют горячими) выходными зажимами. Напомним, что при обычном включении нагрузка каждого канала имеет один горячий и один холодный, т. е. заземленный, зажим. При мостовом включении усилитель способен отдавать в 4 раза большую мощность, но только для монофонического сигнала.
Иногда коэффициент нелинейных искажений (гармоник) задается как самостоятельный параметр. Но его бесполезно указывать без указания мощности, при которой он измеряется. Часто задают эту мощность, равную половине от номинальной. Строго говоря, Кн зависит и от частоты входного сигнала, поэтому его нередко задают на определенной частоте (обычно 1000 Гц) или в определенном частотном диапазоне.
Входное напряжение и входное сопротивление - параметры достаточно очевидные. О входном напряжении усилителей мощности уже говорилось. А входное сопротивление их обычно невелико - сотни Ом или единицы килоом. Это облегчает получение малых искажений на высоких частотах и делает усилитель некритичным к кабелю, соединяющему его вход с выходом предварительного усилителя. Следует, однако, отметить, что сейчас в усилителях высокого класса иногда стали применять два типа входа -обычный (небалансный) и балансный. Балансный вход имеет три провода: два из них сигнальные, а третий - земля. При балансном входе усилитель усиливает разность входных сигналов (т. е. балансный вход - это то же, что и дифференциальный). Поэтому одинаковые наводки на сигнальные провода не создают сигнала шума. Это усложняет схемы устройств, но ради повышения качества усилителей на это идут. В наиболее высококачественных усилителях применяют и оптические входы
Для электромеханического демпфирования акустических систем желательно иметь низкое выходное сопротивление усилителя RBbIx. Однако вместо его задания обычно задается коэффициент демпфирования RH/RBbIX, где RH- сопротивление нагрузки. Коэффициент демпфирования иногда задается в децибелах. Практически бесполезны значения коэффициента демпфирования выше 40, поскольку общее сопротивление выходной цепи равно сумме RBbIXи RHи получение очень малых RBblxне способно существенно уменьшить общее сопротивление. Разумеется, важнейшим параметром является рабочий диапазон частот, определяемый видом АЧХ усилителя. Обычно этот диапазон указывают при заданной (в децибелах) неравномерности АЧХ. Оконечные усилители часто строятся по схеме усилителя мощности постоянного тока. Такие усилители не имеют завала на низких частотах - считается, что нижняя граничная частота у них равна 0. Для улучшения воспроизведения низких частот это хорошо. Однако при этом требуется построение схемы оконечного каскада с повышенной стабильностью, что удорожает усилители. Есть и опасность выхода из строя дорогих колонок при выходе из строя усилителя мощности или при нарушении его балансировки, ведущей к появлению на выходе усилителя постоянного напряжения.
Динамический диапазон усилителя (или просто отношение сигнал/шум) — это отношение напряжения на выходе при его номинальной мощности UHк напряжению всех шумов и помех Um:
D= 20 log (UH/Um). Он достигает 90-120 дБ у высококачественных усилителей и 70-80 дБ у усилителей Hi-Fiумеренного качества. Не следует путать его с динамическим диапазоном громкостей - отношением максимальной громкости к минимальной. Минимальная громкость характеризуется уровнем около 30-35 дБ шумов в комнате. Расчеты показывают, что для обеспечения динамического диапазона звуковоспроизводящих устройств до 90-95 дБ необходимо использовать усилители с номинальной мощностью от 40 до 80 Вт.
До сих пор мы лишь слегка затрагивали искажения довольно специфического вида - динамические. Они характеризуют нарушение правильности воспроизведения быстро изменяющихся сигналов, подобных импульсам. Установлено, что с этими искажениями прямо связана максимальная скорость нарастания напряжения на выходе усилителя (измеряется в вольтах на микросекунду). У современных усилителей она лежит в широких пределах - от нескольких единиц до сотен. Здесь явным преимуществом обладают усилители на мощных полевых транзисторах. Чем выше максимальная скорость нарастания усилителя, тем вернее он воспроизводит сигналы с резким во времени нарастанием и спадом и тем меньше вероятность возникновения в усилителе динамических искажений.
Габаритные размеры усилителей в настоящее время унифицированы с тем, чтобы усилители могли встраиваться в типовые стойки, содержащие как оконечные и предварительные усилители, так и проигрыватели различного типа, эквалайзеры, сигнальные процессоры, магнитофоны и т. д.
Нетрудно заметить, что в усилителе наряду с микросхемами малой и средней степени интеграции широко применяются дискретные компоненты. Хорошо виден слева крупногабаритный силовой трансформатор на замкнутом тороидальном (круглом) сердечнике. Такой трансформатор отличается ничтожными полями рассеивания, что позволяет устанавливать рядом с усилителем проигрыватели грампластинок и магнитофоны, весьма чувствительные к магнитным полям. В источнике питания применяются электролитические конденсаторы большой емкости. Это обеспечивает приемлемый запас энергии источника питания при пиковых мощностях, отдаваемых в нагрузку.
Конструкция усилителя, кажется, очень простой. Но это плод тщательной оптимизации расположения компонентов на печатной плате и применения самых высококачественных деталей. В усилителе на выходе используются мощные полевые транзисторы. На заднюю стенку выведены гнезда для подключения различных источников входных сигналов и мощные клеммы для подключения двух пар звуковых колонок.