Выбор блока питания для усилителя
Многие радиолюбители при сборке УМЗЧ обходятся без лишних забот — просто покупают готовые комплекты для сборки усилителей. При этом сам набор обычно не представляет проблем (все детали и плата в комплекте, есть и инструкция), но вот блок питания…
Если это маломощный усилитель и к тому же питающийся от несимметричного (одинарного) напряжения, то можно подобрать уже имеющийся блок питания – будь то адаптер, или БП от ноутбука, или большой и мощный трансформатор. Многие инструкции к схемам усилителей уже содержат информацию о блоке питания, но чаще всего ограничиваются только рекомендуемыми диапазонами напряжения.
Так что перед запуском УНЧ нужно решить два вопроса:
- Напряжение питания которое нужно получить от БП.
- Подбор мощности БП в зависимости от мощности усилителя.
По многим причинам не импульсный БП, а именно сетевой трансформатор более выгоден и удобен в аудиоконструкциях, особенно в конструкциях начинающих радиолюбителей. Ведь инверторы чаще всего генерируют много ВЧ составляющих, которые накладываясь на усилитель D класса (имеющий и свои преобразователи) создают такую кашу гармоник, что её не просто расхлебать даже опытному специалисту. Ну и надёжность ИБП хромает в сравнении со старым добрым железом.
Расчет вторичных напряжений трансформатора
Допустим усилителю требуется симметричный источник питания со значением от +/- 15 до +/- 25 В. Что такое “симметричный блок питания” и где его взять? Ответ заключается в применении трансформатора с двумя вторичными обмотками одинакового напряжения и допустимой нагрузки (или обмотки с вдвое большим напряжением и током выше, но с отводом от середины вторичной обмотки).
Схема такого блока питания выглядит так:
Слева — трансформатор с двумя вторичными обмотками, справа — трансформатор с отводом. Как видно, конечный результат одинаков в обоих случаях; получение двух напряжений с одинаковым значением напряжения, но с разной полярностью. Для двух вторичных обмоток нужно соединить конец одной обмотки с началом другой. Подключение другого – например, начала с началом, приведет к отсутствию напряжения. Это сообщает о необходимости замены концов одной обмотки наоборот.
Какое напряжение трансформатор должен выдавать? Напряжение после выпрямления увеличивается на произведение квадратного корня из 2. Таким образом, если источник питания УНЧ должен давать нам 2 по 20 В постоянного напряжения, то переменное напряжение трансформатора должно быть: 20: v 2 = 14 В. Проще говоря, можем заменить v 2 приблизительным значением = 1,4. Разумеется, это напряжение одной половины блока питания.
Едем дальше. Поскольку трансформатор имеет указанное вторичное напряжение для обмотки, нагруженной номинальным током (есть в спецификации), то чем меньше ток (нагрузка обмотки), тем выше напряжение. Приходится проверять это значение самим, так как эта разница зависит от мощности и типа трансформатора, от сопротивления провода из которого сделана обмотка, и собственных потерь трансформатора.
Расчет мощности трансформатора
С напряжением более-менее разобрались, далее как рассчитать мощность. Здесь надо полагаться на заданную мощность усилителя (информацию можно найти в документации от его микросхемы) и наши требования к использованию УМЗЧ.
Как известно, усилитель потребляет больше мощности, чем сама выходная мощность на динамиках. Но постоянно ли эта мощность присутствует на выходе усилителя? Конечно нет. Величина выходного напряжения сильно меняется за какой-то короткий промежуток времени. Например, если в один момент оно достигает 10 В, то может быть только 0,1 В в другой момент, а в следующий 25 В. Так что значение средней мощности (помним из физики P = U2/R) ниже максимальной.
Переходим к подбору мощности трансформатора. В 1960-х годах и позже, когда большинство транзисторных усилителей работали в классе АВ применялся принцип, что мощность трансформатора должна быть не менее половины мощности усилителя. Проблема в том, что такой подход сейчас не учитывает работу в новых классах и цены на трансформаторы, которые в последнее время резко выросли. Поэтому стоит рассчитать мощность трансформатора таким образом, чтобы могли достичь предполагаемой максимальной мощности при разумной цене трансформатора.
Конечно усилитель, а точнее его конструкция, также является важным фактором определяющим мощность блока питания. Усилители класса АВ имеют средний аппетит по мощности (КПД усилителя) – он примерно на 50% больше мощности на выходе усилителя – иными словами, чтобы получить 100 Вт на динамике, нужно предоставить усилителю 150 Вт – за счет КПД усилителя.
Ещё раз напоминаем, что средняя потребляемая мощность УМЗЧ не равна максимальной среднеквадратичной мощности, указанной в руководстве или полученной в результате расчетов.
Таким образом можем примерно установить, что для 100 Вт мощности, подаваемой на громкоговорители, не обязательно сразу ставить трансформатор на 150 ВА. А что достаточно? Зависит от наиболее часто устанавливаемого уровня громкости и от типа музыки. С другой стороны, если усилитель будет располагаться в спальне как источник звука перед сном или околомониторные колоночки – нет смысла закладывать такой запас. Чаще всего достаточно, когда мощность трансформатора либо равна выходной мощности усилителя (сумме выходных мощностей всех каналов), либо несколько выше – процентов на 10-20.
Расчет элементов выпрямителя
С трансформатором определились. Но блок питания состоит из ещё нескольких дополнительных элементов: диодов/выпрямительного моста и фильтрующих конденсаторов. Что насчет них?
Как и выше – не переборщить. В то время как большой ток моста может быть оправдан, подбор параметров может вызвать проблемы, а использование слишком большого тока моста является, кроме расточительности и лишних потерь в напряжении разъемов, опасностью пожара (в крайне неблагоприятных случаях при долгом нагреве его без перегорания). Так что если расчеты показывают, что будет течь максимум 2 А, то диодный мост на 5 А еще будет нормален, а уже на 25 А ставить не обязательно.
Сходным образом конденсаторы. Предполагается, что для 1 А тока, протекающего от блока питания, должен быть поставлен конденсатор емкостью не менее 1000 мкФ. На практике ничего не мешает впаять 2200 мкФ или даже 3300 мкФ – но не более! Ведь эти конденсаторы будут использоваться не полностью, к тому же будут увеличивать зарядные токи – то есть излишне нагружать диоды моста.
Тепловые проблемы УНЧ
Контролируя температуру радиатора, воспроизводите музыку на полной громкости (без ограничения пиков и любого жанра). На втором этапе воспроизведение сигнала 1 кГц без обрезки пиков (здесь нужно быть очень осторожным с температурой).
Тот же принцип применим и к трансформатору. В базовой конструкции (не для тороидов) трансформатор передает тепло от обмотки к сердечнику. В результате на стабилизацию теплового режима в трансформаторе мощностью около 250 Вт, нагруженном до номинального значения, уходит около 1 часа.
Конечно, двукратная перегрузка приведет к тому, что он достигнет максимальной температуры через 15 минут, но с другой стороны, это до 15 минут работы с перегрузкой.
Разница между современным и старым трансформатором в основном заключается в сердечнике. Современные трансформаторные листы позволяют работать с более высокой магнитной индукцией, чем это было в старых версиях. Это проявляется в уменьшении количества витков, чтобы обмотки можно было наматывать более толстым проводом.
Более толстый провод означает меньшие потери в сопротивлении, а меньшее число витков означает лучшее распределение обмотки и меньшую индуктивность рассеяния, а значит эффективность передачи энергии во вторичную сторону и уменьшение собственных потерь, что проявляется в меньшем падении выходного напряжения, чем на нагрузке. В более старых это соотношение было большим и конденсаторы в фильтре выпрямителя были большими.
Есть еще одна проблема в случае с конденсаторами и блоком питания. В ситуации когда имеем значительный запас напряжения по отношению к выходному напряжению, позволяющем получить максимальную выходную мощность усилителя, можем допустить более высокие пульсации в источнике питания, что может соответственно уменьшить эту мощность.
Но наиболее важным является образование перекрестных помех в источнике питания. К сожалению, здесь помогают только жесткий трансформатор и достаточно низкое сопротивление фильтра выпрямителя. Соединять параллельно несколько меньших емкостей будет ошибкой, так как несмотря на выигрыш в емкости и снижение сопротивления такой батареи, еще и понижаем резонанс. В некоторых случаях это может быть даже несколько кГц, то есть в середине акустического диапазона. Увеличение сопротивления в результате резонанса не будет достаточно подавлять межканальные перекрестные помехи на линии питания, что нарушит стереофоническое пространство.
Аудиоусилитель также может иметь пиковую мощность (при которой он будет работать в течение нескольких секунд, может быть, несколько минут) и непрерывную мощность (при которой он может работать в течение любого промежутка времени).
Должно ли ориентироваться на пиковую мощность или постоянную мощность здесь? Возьмем в качестве примера аудиоусилитель с непрерывной мощностью 100 Вт и пиковой мощностью 200 Вт. Другими словами, он имеет среднеквадратичную мощность 100 Вт и мощность музыки 200 Вт. Кажется достаточным использовать трансформатор на 150-180 Вт, потому что сам трансформатор кратковременно без проблем выдержит 200 Вт, а усилитель не рассчитан на то чтобы постоянно выдавать 200 Вт.
В случае воспроизведения музыки техно/транс/хаус в момент бита она тоже может быть 200 Вт, но RMS для 3-секундного фрагмента однозначно ниже, может даже ниже 100 Вт, так что можно сказать, что это усилитель на 200 Вт.
Воспроизведение музыки с мощностью 200 Вт через усилитель с музыкальной мощностью 200 Вт не должно вызвать больших проблем, но он будет греться и есть риск, что рано или поздно сработает термовыключатель (если он есть) или сгорят транзисторы. Другими словами: Игра с музыкальной мощностью на 95% записей не вызовет никаких проблем, но в особых случаях есть риск.
И о теплоотводе. Радиатор только облегчает отвод тепла в окружающую среду, не более того. Установка радиатора совершенно не меняет количество тепловой энергии, вырабатываемой во время работы.
Это правда, что менее эффективный компонент (или весь усилитель) с радиатором может быть дешевле, чем более эффективный компонент без радиатора. Тут более разумным ходом является подбор элементов с запасом мощности, которые нагреваются меньше, чем присоединение все больших и больших теплоотводов, хотя последний способ значительно дешевле.
Вот ещё пример, усилитель на автомобильной микросхеме, например TDA1555. Их часто используют новички радиолюбители, и такая схема имеет ограниченное применение напряжения – до 18 В, которое ни в коем случае нельзя превышать, то есть также следует учитывать падение напряжения на выпрямительных диодах и мощность 25 – 40 ВА. Тогда УНЧ на холостом ходу будет выше 17 В постоянного тока, вероятно, около 18 В.
С другой стороны, новичок захочет подстраховаться и снизить питание, и тогда при большой нагрузке и при номинальном напряжении 220 В переменного тока в сети, вторичное напряжение трансформатора будет падать примерно до 12-13 В после выпрямителя.
Всё это следствие того, что автомобильный усилитель предназначен для питания от бортовой сети автомобиля 12 В (14,4 В). Дома или использовать стабилизированный блок питания 15-16 В (типа от ноутбука) – но для аудио это нежелательно. Или поискать трансформатор такой мощности (25-40 ВА) но жесткий, с малым внутренним сопротивлением (малые перепады напряжения). Хорошим направлением будет использование габаритного трансформатора мощностью 60 Вт и более – положительно по эффекту, но не имеет смысла с точки зрения экономии, так как противоречит основному тезису статьи.
Итого имеем несколько важных моментов:
- Трансформатор должен быть нагружен дважды. Средняя мощность, полученная в результате времени тепловой стабилизации трансформатора, должна быть ниже максимальной мощности.
- Максимальная мощность усилителя – это только мгновенная мощность которую он должен выдерживать. Поскольку усилитель не является синусоидальным источником питания, потребляемая мощность намного ниже. Средняя мощность для музыки обычно составляет 1/4 от максимальной.
- Радиаторы выбираем на среднюю, а не на максимальную мощность.
- Конденсатор в блоке питания следует выбирать таким образом, чтобы напряжение не падало ниже минимально необходимого значения между последовательными циклами перезарядки.
- «Мягкий» трансформатор плохой, потому что у него большие потери и плохо согласованные сопротивления обмоток. Для аудио используются «жесткие» трансформаторы в диапазоне заявленной мощности.
- Усилитель не является источником питания и не поддерживает непрерывную амплитуду синусоидальной волны в течение длительного времени. Выбираем трансформатор и радиатор исходя из теплоемкости.
Придерживаясь вышесказанного получается, что для стерео-усилителя мощностью 100 Вт требуется трансформатор мощностью 150 Вт, конденсаторы емкостью 6800 мкФ и радиатор, способный непрерывно рассеивать около 60 Вт тепла. Данные значения являются ориентировочными, но отражают порядок значений и суть расчётов.
Как работает усилитель звуковой частоты
Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.
Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.
Резистор
Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:
Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.
Конденсатор
Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно. 
Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик
Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так: 
Транзистор
В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком: 
Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор. 
Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок): 
На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.
Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.
Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:
УНЧ
Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:
А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.
Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.
Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.
Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:
Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:
Это есть так называемое искажение типа ступенька.
Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.
А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:
Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:
Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.
Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:
Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.
И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:
Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.
Исходные данные:
- U = 12 В — напряжение питания;
- U бэ ~ 1 В — Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;
Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn-транзистор 2N2712
- P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
- I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
- U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
- U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
- h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;
P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;
I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:
U кэ = U / 2;
I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;
R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;
Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:
R1 = R4*10;
Рассчитаем сопротивление нагрузки:
R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;
Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.
U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;
I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;
I к = (U / R н);
I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,7 mA;
R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом
U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В
Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.
U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В
Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:
R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;
Ближайший номинал резистора 250 Ом;
R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;
Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.
Заключение
На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.
Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.
- усилитель звуковой частоты
- транзистор
- каскад.
Основные параметры усилителя
Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.
Входное и выходное сопротивление
Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме Rвх и Rвых
Входное сопротивление усилителя находится по формуле Rвх =Uвх / Iвх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).
Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания Iкз
Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что Rвых = Eвых / Iкз . Но как же найти Евых ? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет Eвых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, Iкз будет бесконечно малое.
В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то и падение напряжения на Rвых также будет равняться нулю или формулой: URвых = IRвых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять Eвых .
Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.
Как найти выходное сопротивление на практике
Что нужно для этого? Номинальная мощность усилителя и допустимое напряжение на выходе. Не важно — усилитель это постоянного или переменного тока (напряжения). Тестирование усилителя любого типа желательно выполнять на уровне 70% допустимой выходной мощности. Это общая практика.
Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС Eвых , т. е. в данном случае Eвых = Uвых . (Что такое ЭДС).
Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.
Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U 2 /P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: PR = U 2 /R = 10000/1000 = 10 Вт
Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов, у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, Rвых и Rн , образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:
I — сила тока в цепи, А
R — сопротивление нагрузки, Ом
r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом
Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:
Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.
Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении Rвых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки Rн ! Чем она меньше, тем больше сила Iвых в цепи, тем больше будет падение напряжения на Rвых , а значит, падение напряжения на URн будет меньше.
Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление Rвых .
Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке URн. Вспоминаем формулу выше:
Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.
Коэффициент усиления
Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.
Рабочий диапазон частот
Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.
Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:
Собственные шумы усилителя.
Что же такое шум?
В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.
Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.
Помехи и наводки
Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.
Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я про себя тихо материл соседа.
Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.
К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.
Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.
Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.
Отношение сигнал/шум
Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:
Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось
Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого
В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).
На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму уже будет намного меньше, чем на первой картинке.
Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.
Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.
В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.
Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.
Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:
Ucигнал — среднеквадратичное значение полезного сигнала, В
Uшум — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В
Pсигнал — мощность сигнала
То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.
Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:
А вот тот же самый синус с SNR=3
Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.
SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше. Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.
На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.
Амплитудная характеристика
Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.
Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:
Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.
Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:
Здесь мы видим, что если даже входное напряжение Uвх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума Uш .
Динамический диапазон усилителя
Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:
Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:
Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем Uвых мин за Uшум?
Конечно же нет! В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле
получим, что SNR=0 дБ.
Непорядок. Значит, надо взять такое значение Uвых , при котором бы соблюдалось равенство
Допустим, что Uшум =1 мкВ, подставляем в формулу
Из этого уравнения находим Uвых . Это будет как раз являться Uвых. мин. для формулы:
при SNR=90. В нашем случае это будет точка А.
Uвых макс берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).
Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.
Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.
Коэффициент полезного действия (КПД)
КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания
Pвых — это мощность на нагрузке, Вт
Pи.п. — мощность, потребляемая источником питания, Вт
Искажения, вносимые усилителем
Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.
В основном искажения делятся на 4 группы:
- Частотные
- Фазовые
- Переходные
- Нелинейные
Частотные искажения
Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.
В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.
Фазовые искажения
Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.
Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.
Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала
То есть в нашем случае t1 ≠ t2 . Хорошо это или плохо? Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.
Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.
Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:
ну и еще один, мне не жалко)
Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.
А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:
В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.
Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:
Если их сложить, получим сложный сигнал:
Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?
Смотрим теперь сумму этих сигналов:
Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.
То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:
а получили такой:
В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.
Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:
φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала
f — частота сигнала
Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей фазовые искажения не принимают во внимание.
Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений обусловлены линейными элементами схемы. Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.
Переходные искажения
Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.
Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.
На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.
Для оценки переходных искажений используют такие параметры:
Um — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В
ΔUв — это выброс фронта импульса, В
Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1Um и до 0,9Um :
tф — длительность фронта импульса
tc — длительность спада импульса
А длительность самого импульса tи измеряется на уровне 0,5Um .
Нелинейные искажения
Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.
Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.
Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.
Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:
Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.
или на английский манер
Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:
на английский манер
Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.