Мощность усилителей звука — 108

Измерение выходной мощности усилителей звуковой частоты

Возьмём обычный усилитель НЧ с напряжением питания +12 Вольт, сопротивлением нагрузки 4 Ом, присоединим к нагрузке осциллограф, а к входу — генератор синусоидального сигнала, (рис.1)

включим всё и наблюдаем на экране осциллографа «весёлые картинки» — синусоиду, пока она не достигнет видимых искажений (рис.2а). (Примечание Учёного кота: менее 3% искажения простым глазом не заметны. О том, что такое искажения, поговорим в другой статье.)

Площадь, занимаемую синусоидой, можно вычислить (или измерить) и заменить эквивалентным напряжением постоянного тока той же площади (рис.2б).

Это напряжение называется СреднеКвадратичным напряжением — СКВ (англоязычная аббревиатура — RMS), в просторечии — «эффективным». Таким образом можно найти эквивалентное напряжение для любой формы тока (рис.2в,г,д).

Для треугольного, прямоугольного, синусоидального, экспоненциального тока есть математические выражения для эквивалентного преобразования. Для простоты понимания на рисунках изображены половины периодов симметричных сигналов. Появление компьютерной регистрации позволяет выполнить численное интегрирование любой функции без поиска его математического выражения. Для чего всё это надо? Найденный эквивалентный постоянный ток будет производить ту же тепловую работу, что и наш исследуемый ток.

Любой переменный ток можно характеризовать следующими видами напряжения:
Амплитудное — синие стрелки (понятно из названия и рисунков)
Среднее — среднеарифметическое всех мгновенных значений сигнала за измеряемый период (на рисунках не показано)
Среднеквадратичное — красные стрелки (рассмотрено выше).
Для облегчения понимания указанных видов напряжения можно нарисовать их на миллиметровке и самостоятельно просуммировать численные значения напряжения (для синусоидального, прямоугольного и треугольного напряжения ). Большинство вольтметров переменного напряжения имеют схему выпрямления переменного тока, соответствующую среднему напряжению — как самую простую, а градуировку показывающей шкалы — в СКВ. При измерении синусоидальных токов и напряжений это не вызывает никаких затруднений, а если ток или напряжение отличаются от синусоиды — придётся вводить поправочные коэффициенты.

Теперь вспомним начала начал — Закон Ома: I=U/R, а также формулы для вычисления мощности постоянного тока — P=U*I=I 2 R=U 2 /R.
Для синусоидального тока (и напряжения) формула вычисления мощности по измеренному осциллографом амплитудному напряжению будет выглядеть так:
P = (0,707U) 2 /Rн = U 2 /4Rн
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока.
Мы пришли к практическому способу измерения выходной мощности усилителя с помощью измерения амплитуды сигнала на экране осциллографа (рис.2б). Механическая мощность — это работа за 1 секунду. Электрическая мощность не содержит параметра времени в явном виде подразумевается (но не соблюдается, причём именно при измерении мощности усилителей низкой частоты), что это — тоже 1 секунда. Например, для меандра частотой 100 Гц за время 10 мс в любой момент СКВ напряжение равно его амплитудному значению (рис.2в)
А кто мешает распространить такой подход и к синусоидальному сигналу? Для части синуса 100Гц за время 1мс (рис.2е) получим практически прямоугольник, для которого коэффициент перевода амплитудного напряжения в СКВ равен 1, и соответственно мгновенную мощность в два раза больше, чем за целый полупериод 10 мс.
Но это ещё не всё! Можно измерить размах напряжения при переходе от минимального до максимального значения (рис.2ж) за очень небольшой период времени и получить мощность ещё больше! Вот они — десятки ватт от бумбокса и сотни ватт от бытового усилителя!

Эволюция схемы [ править | править код ]

Последовательные усовершенствования схемы Лина в 1965-1972 годы [15]


Череда усовершенствований базовой схемы началась не позднее 1961 года, когда британцы Тоби и Динсдейл опубликовали собственную версию усилителя Лина [1] . В этом, трёхкаскадном варианте, схему дополнил входной каскад, согласующий низкое входное сопротивление КУН c выходным сопротивлением источника сигнала [1] . Термистор, регулировавший ток покоя выходных транзисторов, был заменён германиевым диодом в остальном КУН и выходной каскад остались неизменными [1] . В конце 1960-х датчики на кремниевых диодах стали стандартным оснащением УМЗЧ [8] , и примерно тогда же появились первые транзисторные датчики — умножители напряжения база-эмиттер [16] . К концу 1970-х годов транзисторные датчики вытеснили диодные [16] .

В начале 1970-х годов конструкторы УМЗЧ освоили применение транзисторных генераторов стабильного тока (ГСТ), до того использовавшихся лишь в аналоговых интегральных схемах [8] . Замена нагрузочных резисторов КУН (R3, R4 в схеме Лина) на активный ГСТ позволила снизить рабочий ток КУН (в схеме Лина он был вынужденно высоким), увеличить его коэффициент усиления до практического максимума (в 1970-е годы составлявшего примерно 1000…3000 [17] ) и отказаться от вольтобавки [8] . Исключение конденсатора вольтодобавки С3 устранило потенциальный источник искажений и приблизило схему к идеалу — усилителю постоянного тока [8] .

Примерно тогда же, по мере удешевления компонентов блоков питания, произошёл переход с однополярного питания УМЗЧ на двуполярное с исключением из схемы разделительного конденсатора С4 она превратилась в полноценный УПТ [8] . В новой конфигурации условный «нуль» (потенциал эмиттера) входной цепи КУН более не совпадал с общим проводом — теперь он был привязан к подверженной всевозможным помехам шине питания (обычно отрицательной) [8] . Задача согласования опорных уровней и фильтрации помех на практике оказалась несложной: вначале её решали с помощью входного каскада на одиночном транзисторе, а на рубеже 1960-х и 1970-х годов конструкторы впервые применили дифференциальный входной каскад [8] . По странному стечению обстоятельств дифференциальный каскад, применявшийся в ламповых вычислительных машинах и промышленной автоматике с 1940-х годов, не использовался конструкторами звуковой аппаратуры до середины 1960-х годов, когда инженеры RCA популяризовали его применение в схемах на новейших кремниевых транзисторах [18] . Превосходство дифференциального каскада над предшествовавшими ему схемами было столь велико, что уже в первую половину 1970-х годов он вытеснил их и стал непременным, безальтернативным компонентом транзисторных УМЗЧ [18] .

Параллельно конструкторы — по-прежнему связанные необходимостью использовать транзисторы одной полярности — искали способы линеаризовать от природы нелинейный, асимметричный выходной каскад схемы Лина [19] . Асимметрию можно было свести к минимуму использованием комплементарных пар мощных транзисторов. Первые практические схемы на таких парах разработали в 1967—1968 годы Барт Локанти и Артур Бейли, но необходимые для них pnp-транзисторы были пока дороги и ненадёжны. Конструкторы вынужденно продолжили совершенствование схемы, использовавшей лишь npn-транзисторы. В 1969 году на свет появились три альтернативные схемы, в которых асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи отчасти компенсировалась диодом, добавленным в пару Шиклаи в том же году начался выпуск усилителей на «тройках Quad» — трёхступенчатых составных транзисторах [19] .

Полностью подавить искажения, порождавшие «транзисторный звук», эти полумеры не могли радикальным решением, в принципе исключавшим появление коммутационных искажений, был перевод выходного каскада в чистый режим А. По этому пути пошла британская компания Sugden и многочисленные любители-самодельщики, но для массового производства транзисторные усилители в режиме A были запретительно до́роги [20] . Вскоре промышленность освоила выпуск недорогих и надёжных кремниевых транзисторов pnp-структуры, в практику вошли полностью комплементарные выходные каскады, и проблема асимметрии ушла в прошлое [21] . Так, не позднее 1972 года, сложилась структурная схема трёхкаскадного модифицированного усилителя Лина [21] .

pGD nNo Q9a u4U 1ZW xST u0H atg dpJ 8gy bta 0je BzD UBy Jx6 5Rf SNf k3x GY7 Cv9 l0P 5sK 3fR no1 HCi jC8 vFP cdB v7F pzc 1Qu WUl OGv 45R zST 5nI iQF 5fD JbP ePi nKM Ox2 P71 sqL 8UB x2F tzG qh9 98K s64 xRM Zhk 4o9 BGK gpx 2tz adr HEK yXB gP2 DPz nhj EL9 KWZ Vnb Spj 6fy I9U 1N8 mIB EH9 xd9 hip jOh wkO noy qNh vNa yfE 8T2 0rL q88 wMT MDi TW4 VVf s8K mDr cbO yiP QN2 uOz Ttf umy tSd Fr8 Xfj UoY rfZ w85 ej7 d5U Brm grl b2x G2g oZI