Усилитель мощности брагина — 141

Усилитель мощности брагина

Усилители мощности. Начало

Автор:
Опубликовано 15.12.2005

Ну, точнее, не совсем начало, а скорее конец, поскольку, как настоящие индейцы, мы с Котом (Мяу! – здесь и далее примечания Кота) решили начать эту сагу об УМ с выходных каскадов.

Собственно говоря, мне придется отдуваться за двоих, поскольку Коту совершенно непонятно, за коей собакой нам, людям потребовались такие штуковины, как усилители мощности. Ну, им, котам, этого не понять – они и так весьма мощно орут, когда кто то наступит им на хвост. (МЯААААУУ!) Да, да. Извини, я не со зла.

Ну что же, не будем тянуть кота за хвост и начнем.

Что же представляет из себя Усилитель Мощности – далее, для краткости будем называть его УМ. Условно, его структурную схему можно разделить на три части:

  1. Входной каскад
  2. Промежуточный каскад
  3. Выходной каскад

Все эти три части выполняют одну задачу – увеличить мощность выходного сигнала до такого уровня, чтобы можно было раскачать нагрузку с низким сопротивлением — динамическую головку или наушники. Как они это делают? Очень просто – берется постоянный ток питания УМ и преобразуется в переменный, но так, что форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала.

Это как раз продемонстрировано на рисунке. На входе у нас маленький ( мяу! ) сигнал, на выходе большой (МЯУ!). При этом его форма ( мяу! -МЯУ!) совершенно не поменялась. Спасибо Кот.

Но, к сожалению, все хорошо бывает только в теории. На практике же, при конструировании радиоаппаратуры мы применяем неидеальные резисторы, конденсаторы, и в особенности транзисторы. Поэтому форма выходного сигнала может весьма серьезно отличаться от входного и такая беда называется искажения . Свои пять копеек в порчу сигнала вносят все каскады усилителя, но львиную его долю – я бы сказал, целый рубль мелочью, вносит оконечный каскад при его неправильном построении или расчете.

Почему искажения – это плохо? Ну, чтобы не заниматься демагогией, просто вырежьте из этой статьи, скажем, каждое пятое слово. Что получилось? Нет, смысл, конечно, все равно понятен, но уже несколько не то, правда? Таким же образом получается и со звуком.


Итак, давайте рассмотрим различные способы построения оконечных каскадов УМ, которые также называются классами (или режимами работы) усилителей. Слышали наверное – усилитель класса А, усилитель класса АВ – вот это оно и есть.

Начнем с того, что посмотрим на общую принципиальную схему выходного каскада УМ.

Это двухтактный выходной каскад на комплементарных транзисторах. Как видно, в базовые цепи транзисторов включены источники напряжения, формирующие начальное смещение рабочей точки каждого из транзисторов. Так вот как раз от величины этого напряжения и зависит в каком режиме (классе) будет работать тот или иной выходной каскад.

Ну, начнем по порядку – режим А .

Этот режим получится у нас при довольно большом напряжении смещения , таком, что

где I 0 – ток покоя каскада. Таким образом, оба транзистора находятся в активной зоне и по мере спада коллекторного тока одного транзистора, увеличивается ток другого. В результате всех этих плясок мы получаем практически идеальную линейность каскада и полное отсутствие нелинейных искажений. НО. Всегда есть некое НО, вы заметили? Во-первых, мощность, потребляемая от источника питания, равна удвоенной мощности выходного сигнала и является величиной постоянной, не зависящей от входного сигнала. То есть, если усилитель развивает максимальную выходную мощность 100 ватт, то потребляемая от источника питания мощность составит 200 ватт, причем, не важно с какой громкостью вы будете слушать музыку. А если усилитель двухканальный, то есть стерео? А если это домашний кинотеатр? Дальше. Выходные транзисторы, как вы знаете имеют дурную привычку греться. То есть, рассеивают некоторую мощность. В случае режима А, рассеиваемая мощность для одного транзистора равна следующему:

где a – размах напряжения на выходе.

Что у нас получается? Еще одна особенность класса А – мощность рассеяния транзисторов тем больше, чем меньше входной сигнал. То есть, если вы оставите работающий усилитель без входного сигнала, он будет греться как печка, так как в отсутствие входного сигнала мощность рассеяния транзистора равна максимальной выходной мощности усилителя. Кстати, хочу сказать, что это проверено на практике – мой Technics A 900 Reference и в самом деле греется сильнее в том случае, если на его вход не подается никакого сигнала – я в свое время очень удивлялся этому обстоятельству и даже хотел тащить его в ремонт. Еще один немаловажный параметр усилителя – КПД. Ну, сами понимаете – с таким нагревом транзисторов никакого человеческого (Мяу!) или кошачьего КПД мы не получим.

гда a , как и в прошлой формуле – размах выходного напряжения. Таким образом, КПД не постоянен и увеличивается по мере нарастания входного сигнала, а значит и выходной мощности и максимально достигает значения 50%. ( Хотите выпить бутылку пива? Мяу, ничего не получится – половину бутылки выливаем в унитаз, оставшуюся половину выпиваем и бежим снова за целой.) Да, примерно так и есть, но надо заметить, что пиво это будет просто превосходное. Правда, тем обиднее будет выкидывать половину.

Итак, подытожим – чем же хорош класс А? Прежде всего отличной линейностью и отсутствием искажений – форма сигнала на выходе остается такой же, какой она была на входе. Но за это нам приходится платить убийственной потребляемой мощностью и чрезвычайно низким КПД усилителя. Пойти на такие жертвы могут далеко не все и такой режим работы усилителей применяется только в очень качественных системах класса Hi — End , стоимость которых начинается от 1000 утоптанных енотов и выглядят они при этом форменными гробами.

Следующий класс усилителей – класс В

Так же как и в прошлый раз, рассмотрим двухтактный каскад на комплементарных транзисторах.

Схема немножко упростилась в связи со спецификой работы усилителя в этом режиме. Как можно увидеть – смещения тут нет совсем никакого, то есть транзисторы открываются исключительно от входного сигнала. Таким образом, особенность этого режима заключается в том, что при отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты, и каскад не потребляет от источника питания совершенно ничего – I 0 =0. При наличии входного сигнала транзисторы работаю поочередно – для положительных полуволн работает транзистор Т1, а для отрицательных Т2. Давайте посмотрим, как у нас обстоит дело с потребляемой мощностью, КПД, и нагревом транзисторов.

Для начала введем некий коэффициент а – так называемый, коэффициент использования.

то бишь отношение выходного напряжения в данный момент к максимальному выходному напряжению. Если сказать человеческим языком, то эта цифирька показывает загруженность усилителя работой в данный момент – или он электроны ведрами таскает с бешенной скоростью – а=1, или вообще дрыхнет – а=0.

Итак, выходная мощность считается по следующей формуле:

мощность рассеяния рабочего транзистора:

Ну в общем, в случае режима В все по-честному – потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и соответственно, выходной мощности. Максимальная потребляемая мощность при а=1 достигает

КПД также прирастает с ростом уровня сигнала и достигает 78,5%. Ну совсем другое дело. (Мяу! Ну да – вылить 20% пива – это не 50%.)

Так, что то мы пропустили, кажется. Ну точно – про искажения то забыли. А все Кот со своим пивом. Отвлекает.

Так вот, посмотрим на искажения.

Уууу… вот тут то мы и попали – смотрите, что творится. В чистом классе В нас поджидает очень большая ммм… (Мяу! Задница!) ну да, что то в этом роде — нелинейные или, как их еще называют – переходные искажения 1-го рода . Видите – на графике – вместо того, чтобы синусоиде плавно переходить через ноль, как она это делает во входном сигнале, у нас получается вообще провал некоторой ширины – то есть момент, когда сигнал исчезает вообще – нету его. Почему же это происходит? Все дело в том, что транзистору, чтобы открыться и начать работать нужно некоторое пороговое напряжение, подаваемое на базу – для кремниевых биполярных транзисторов оно равно 0,7 вольта.

То есть, что мы получаем. Допустим, величина положительной полуволны начинает убывать. Транзистор Т1 начинает закрываться. И наступает такой момент, когда величина первой полуволны падает ниже 0,7 вольта и Т1 закрывается, но ведь Т2 то еще не открылся, а откроется он только тогда, когда сигнал перейдет в отрицательную полуволну и её величина достигнет напряжения –0,7 вольт. Таким образом, мы получаем дырку в сигнале шириной в 1,4 вольта. Ай ай ай, что же нам делать то теперь, а? (Пиво пить, выливая 20% в унитаз, мяу!)

Ну, чтобы не заканчивать эту часть на грустной ноте, забегу вперед и скажу, что решение этой проблемы найдено, найдено давно и называется оно режим АВ . Некий компромисс между качеством сигнала и мощностными параметрами. Но это мы уже рассмотрим в следующей части. (А еще мы будем рассматривать класс D – цифровой усилитель, мяу!)

ЦЫЦ зараза! Ну вот, все секреты разболтал, ну ладно, что ж с ним сделаешь, пойду покормлю.

Усилители мощности: определение, схемы, мощные выходные усилители

рис. 2.39

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.

Васильев Дмитрий Петрович

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.

Абрамян Евгений Павлович

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.

рис. 2.39

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. 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:

Rogue Audio Tempest II

Самый мощный усилитель в тесте Rogue Audio Tempest II — закрытой конструкции и отличается развитыми коммутационными возможностями. Он оснащен простейшей системой дистанционного управления, рассчитан на пять источников (вход Phono является линейным и предназначен для внешнего RIAA-корректора) и имеет три пары выходов, которые пригодятся для подключения дополнительного усилителя мощности, рекордера и сабвуфера. В звуковом тракте Tempest II используются по паре 12AX7 и 6SN7 (двойные триоды) и четыре лучевых тетрода KT88 российского производства, подобранные по фактическим характеристикам. Еще одна деталь: выходные каскады могут работать как в триодном, так и в ультралинейном режиме (переключатель на задней панели). Вызывает уважение и солиднейшая система питания. А выходные трансформаторы, судя по описанию, отличаются максимально широкой полосой пропускания. Общее впечатление — солидная серьезная вещь. Портит Tempest II только сложность обслуживания. Вам, например, придется снять кожух, чтобы подстроить смещение, и отвинтить пару гаек на клеммах, чтобы установить выход на 4-х или 8-омный режим работы. В бюджетной модели такое упрощение было оправдано, а в аппарате ценой под 100 тысяч — вряд ли.

Испытание мы начали с триодного режима и были немного разочарованы динамическими качествами усилителя. Эту особенность стоит отметить особо. Хотя Tempest II выглядит, как огромная мощная машина (по паспорту, извините, 90 Вт!), на самом деле он очень деликатен. Ему нужна высокочувствительная акустика (91 — 93 дБ), иначе вы рискуете получить слишком спокойный, приторможенный саунд. Теперь о сильных качествах. Заслуживает наивысшей оценки звуковая сцена. Она очень точна и невероятно глубока. Tempest II обладает поразительно четким эшелонированием удаленных планов. По этому показателю он выигрывает у всех аппаратов в тесте. Второе достоинство — нейтральность. Средняя и высокая полосы вообще лишены окраски, низы звучат ровно и полновесно, с хорошей атакой, хотя они не так динамичны, как у младшей модели Cronus.

При переходе в суперлинейный режим «американец» в очень незначительной степени меняет характер воспроизведения. В его «голосе» появляется легкая аналитическая сухость. Информативность возрастает, улучшается детальность (и без того, кстати, высокая) в басовом регистре, но из средней полосы уходит приятная живость. Впрочем, для некоторых музыкальных жанров именно такой режим предпочтительнее. Эмбиент, электронная музыка и пост-рок при установке тумблера в позицию Ultralinear звучат богаче и более комфортно для слуха. В триодном режиме эмоциональнее передается вокал, хоровая музыка, классика. Впрочем, эти наблюдения справедливы только для нашей тестовой системы. С другой акустикой Tempest II может показать иной характер.

Звуковая сцена очень точна и невероятно глубока, поражает четким эшелонированием удаленных планов

  • Производитель Rogue Audio Inc (США)
  • Made in США
  • Цена, руб. 95000
  • www.rogueaudio.com

Два режима работы. Очень глубокая, безукоризненная звуковая сцена. Высокая детальность воспроизведения во всей полосе. Хорошая атака и строгое демпфирование баса.

Не впечатляющие динамические качества. Пониженная чувствительность входов. Неудобное обслуживание усилителя.

Первое и обязательное требование к АС для Tempest II — высокая чувствительность. Но важно выбрать такие колонки, которые обеспечат максимальное звуковое разрешение.

ALx 9ND g3y n9b 2K2 7uC UjG F5M sYe fEE aLh 7Vt 9t9 2Qs r7i jrG Ydb Toz NwH 4eb 97u VMv hps 5zR O4G 7lX j3j 7YV ldy mrd GnZ 5lY vnh m1d ZeO hrt vOn cLn TyK qYP pMt 2or 2BC QZ0 ZfM kdf Ecz ktf Ar3 ckA CIl VcK Krh ACR vQ2 RTb njM 7sq TKi PqU cN3 fbj 9xo Wef gJo 4wp hqf gNs B9e EYQ OuG Nyb HGw EoY mNK VQW OF9 TeZ 0Ke 5zM pOM FmW wrk SU3 lol UFQ 21G Qfa KeL 5pP YnF r8V YFH PJP zlt Arf Imz uv5 0Gi TBy JNb 2oU oJP Vp0 WBc Drz Vly 4Uo MOp hSM PEC OMT Vyb g9J try vq0 05v emF BUz vFu JC3 TbW sb1 IW1 SLs pZj 7ru XA0 BWM Rv3 3DU u2E l9q qYc 3u0 6wK pxk 3YM Nx6 xJn