Что такое усилитель мощности двигателя

Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2) (страница 3)

Следующим звеном, после входного каскада, следует линейный усилитель. Качество его работы оказывает влияние на функционирование всего устройства и при неудачном схемном решении можно всё «легко и непринужденно» испортить. Эта часть усилителя охватывается общей обратной связью и искажения, возникающие в нём, компенсируются. Вот только не стоит возлагать на последнее повышенные ожидания – единожды возникнув, искажения уже никогда не исчезнут. Существует множество схемных решений подобного узла, поэтому вынести какую-то одну общую рекомендацию затруднительно. Просто перейдем к третьей части.

Выходной каскад

Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.

Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.

реклама

То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.

Для обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта.

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:

• AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
• ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):

При низком уровне сигнала класс AB работает в режиме A и потому не вносит каких-либо видимых искажений. У класса ЭА с этим несколько сложнее, потенциально присутствуют четные гармоники из-за очевидной несимметрии тока. Но это только «потенциально», избыточный ток протекает через транзистор противоположного канала и не попадает в нагрузку. Проще говоря, через источники питания течет ток с относительно небольшим уровнем гармоник, что не приводит к негативным последствиям.

При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:

реклама

Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.

Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.

В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.

Выходное сопротивление усилителя

Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.

Довольно давно обнаружен эффект изменения сопротивления медного проводника при воздействии током разной силы и частоты, так называемый «полупроводниковый эффект». Величина изменения незначительна и никак не проявляет себя в обычных областях применения – передача электроэнергии, блоки питания, но приводит к искажениям при использовании его для передачи сильноточного звукового сигнала от усилителя к акустическим системам. Для обхода этой проблемы выпускают проводники из меди со специальной технологией изготовления, «бескислородная медь». Кроме того, соединители и разъемы тоже обладают свойством вносить искажения в передаваемый сигнал, ведь их сопротивление сочленения непостоянно во времени, хоть и мало по величине.

В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:

• С крайне низким выходным сопротивлением.
• Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
• Усилитель работает в режиме ‘источник тока’ и его выходное сопротивление крайне велико.

В симуляции будет использована следующая модель:

Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).

Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:

• Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
• Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
• Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
• Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

реклама

Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6. Схема выглядит следующим образом:

Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:

реклама

Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).

Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.

Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.

Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

реклама

Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.

От себя хочу добавить, что такой прием не слишком хорош, и у него есть возможные неприятные последствия, поэтому лучше менять тип выходного сопротивления усилителя в зависимости от частоты сигнала, чем «издеваться» над динамическими головками. В этом вопросе важно то, что переход на усилитель с токовым выходом меняет характер звучания и кому-то это может нравиться или не нравиться, но у него нет ничего общего с устранением искажений в акустической системе, озвученных в последних двух тестах.

Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).

Как следствие, ламповые усилители обладают отнюдь не низким выходным сопротивлением, а потому – смотрите раздел – в некоторой степени компенсируют негативные элементы в акустической системе и соединении с усилителем. Что мешает такое же реализовать в «транзисторном» исполнении.

Что такое автомобильный усилитель?

Как мы упоминали ранее, усилитель усиливает сигналы. Он преобразует слабый сигнал от «головного устройства» (или радио) в сильный сигнал. Этот процесс улучшения гарантирует, что слушатели услышат чистый звук на большой громкости.

Чтобы дать вам более ясное представление, автомобильный усилитель может выполнять следующие функции:

• Включение приборной панели, дверей и задних динамиков
• Обеспечение высококачественного музыкального опыта для слушателей
• Отправка достаточного количества энергии на динамики
• Убедитесь, что динамики работают с максимальной отдачей
• Помогает увеличить громкость без искажений
• Создание резких басов из сабвуфера

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник – это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего “электрического черного ящика”.

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Для чего нужен усилитель в авто?

Для чего нужен усилитель в автомобиле, можно понять, если услышать, как головное устройство искажает звук, хотя оно и встраивается для того, чтобы улучшить его качество. Включив колонки, реально услышать, как вместо приятной музыки раздаются стоны, хрипы, скрипы.

Перед тем как приступить к поиску устройства, которое улучшит параметры аудиосистемы, нужно почитать отзывы о нем, узнать, величину мощности.

1. Начать стоит с фирмы, что занимается производством такой аппаратуры. Немало предприятий уже успели заиметь рекомендации на рынке с хорошей стороны.
2. Перед тем как заплатить за усилитель, желательно послушать, как в действительности воспроизводится звук.
3. Внимательно прочитать техпаспорт, чтобы узнать подходят ли показатели устройства.
4. Выбор вида зависит от места, где он будет располагаться.

Приобрести можно моноблок, который работает вместе с сабвуфером, функционирует при невысокой нагрузке. К четырехканальным усилителям, что больше всего покупаются, подключаются 4 динамика, обеспечивается отличное звучание, которое позволит забыть о шуме или скрипе и наслаждаться музыкой. Выполнять свои функции такой аппарат сможет и с двумя сабвуферами.

ФНЧ собран по этой схеме:

Схема ФНЧ в автоусилитель

На печатную плату добавил лишь громкость для усилителя Лайкова. Далее приступил к сборке корпуса автоусилителя.

Использовал алюминиевые 20 на 20 мм уголки и фанеру 10 мм. Корпус отшлифован и оклеен черным кожзамом. Кулера закреплены на задней стенке корпуса.

ФНЧ будет закреплен на передней панели, там-же будут расположены силовые клеммы для питания этого агрегата. И клемы входа и выхода.

Верхняя крышка будет изготовлена из тонированного 4 мм стекла. Усилитель прошел испытания на прослушивания музыки. На колонках с 90 и сабвуфере JBL GT5 1200 ватт.

Бас напористый глубокий. Лайков весь потенциал не раскрыл, так как С90 не годится для сего агрегата. В общем я очень доволен звучанием такого усилителя. Особенно нравится очень сильный и приятный низ. С вами был Ivan Aleksandrov.

Форум по обсуждению материала АВТОМОБИЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Как работает литий-ионный аккумулятор и чем он отличается по физико-химическим свойствам от других типов. Занимательная теория.

В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.

Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.

Типы усилителей

Производители продолжают создавать новые виды усилителей, но есть три главных вида схем усилителей: класс А, класс АВ, класс D.

1. Класс А имеет мягкий звук, но он не эффективен по КПД и сильно перегревается.
2. Класс АВ работает намного эффективнее по КПД, но звук получится обычным, нейтральным.
3. Усилители класса D являются самыми эффективными по потерям энергии, но они имеют низкий демпфирующий фактор, который показывает степень затухания паразитных колебаний и зависит от выходного сопротивления усилителя.

Усилители обычно делают 5 или 4 канальными, стерео 2 канальные или моноблоки с одним каналом, для подключения сабвуфера. Некоторые производители выпускают усилители и с большим количеством каналов, но они намного меньше применяются в системах автозвука.

Что такое усилитель мощности звука?

Усилители мощности в практике радиолюбителей уже много лет занимают одно из первых мест. Несмотря на множество готовых промышленных конструкций с иероглифами на борту, мы до сих пор строим свои аудиосистемы сами.

Когда-то давно я занимался в школьном радиокружке и построил наверно с десяток усилителей мощности звука. Среди них был и усилитель Агеева, и усилитель Гумели. В то время я слабо понимал как они работают, книг, компьютера, а тем более интернета, у меня не было вообще . Так что собирал как мог. Было весело. Сегодня я хочу рассказать тебе как устроен усилитель мощности звука, чтобы ты понимал из каких блоков он состоит, для чего они нужны и почему он вообще усиливает.

Усилители мощности в электронике занимают особое место и используются повсеместно: и в аудиоусилителях, и в телевизорах, и в станках и т.д. Практически каждый радиолюбитель хоть раз, да собирал УМЗЧ и радовался как это весело, что плата с проводами выдаёт звук.

Давай разобираться что такое «усилитель мощности». Из названия создаётся впечатление, что это устройство магическим образом превращет 1 Вт мощности, поступивший на вход, к примеру, в 15 Вт на выходе. Что усилитель из воздуха сделала сигнал более сильным. На деле всё иначе. Ничто не берется из ниоткуда. Главная идея усилителя мощности в том, что он подаёт на выход (на АС, например) часть мощности своего источника питания. А входной сигнал просто регулирует сколько мощности следует подать на выход.

Таким образом усилитель мощности как бы повторяет входной сигнал и подаёт на выход его копию, только большей мощности.

Если это звучит замысловато, то представь себе водопроводный кран. Труба, к которой он подсоединён — это «источник питания» крана. Носик крана — выход. А твоя рука, которая крутит ручку крана туда-сюда — это входной сигнал. А значит ты своей рукой регулируешь мощность потока воды из носика крана.

Типичная структура усилителя мощности

В усилителях мощности звуковой частоты, т.е. обычно в музыкальных усилителях, важным качеством является не только увеличение мощности звука, но и сохранение его качества. Для этого усилители строятся таким образом, чтобы снизить искажения исходного сигнала.

Поэтому вместо одного блока, который сразу бы усилил сигнал в 10-100-200 раз используется несколько последовательно включенных усилительных каскадов, которые усиливают в 5-10 раз. А так как они стоят один за другим, то итоговый коэффициент усиления буден равен произведению коэффициэнтов усиления каждого каскада. Т.е. если первый каскад усиливает в 2 раза, а второй в 10, то в итоге усиление будет в 20 раз.

Коэффициентом усиления (по напряжению) в данном случае будет результат отношения напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе.

На практике усиление напряжения происходит в первых каскадах, а последний каскад, который называется «выходным», служит как раз для подведения необходимой мощности в нагрузку и часто сам по себе даёт единичное усиление.

Ниже, на схеме усилителя Гумели, я показал блоки усилителя, соответсвующие диаграмме выше:

Характеристики усилителей мощности

Идеальный усилитель должен усиливать сигнал (т.е. создавать его копию), не внося никаких изменений в исходный сигнал. Хороший реальный усилитель конечно же вносит искажения, но они незаменты для человеческого уха. Плохой усилитель сразу даёт о себе знать, когда вместо чистого звука скрипки из динамиков доносится хрюканье поросёнка.

Я хочу обсудить с тобой характеристики усилителя мощности, на которые всё таки следует обращать внимание как при покупке, так и при создании усилителя своими руками.

1. Искажения сигнала
2. Шумы
3. Номинальная мощность
4. Частотные параметры

Искажения

Да, при прохождении сигнала через твой усилитель он искажается. Искажения неизбежно вносятся электронными компонентами, а также могут возникать из-за плохой работы всей схемы в целом. В хороших усилителях стремятся снизить искажения, в плохих их слышно даже невооруженным ухом: щелчки, хрипения, звук как из телефона и т.д. При конструировании усилителей применяют разные решения дял снижения тех или иных видов искажений:

• Линейные искажения
• Нелинейные искажения

Линейные искажения влияют на амплитуду и фазу сигнала. Например, при прохождении звука через усилитель слегка меняется фаза каких-нибудь составляющих этого сигнала. Искажение амплитуды сигнала чаще всего зависит от его частоты. Например усилитель гарантированно усиливает сигналы с частотами от 20 Гц до 20 КГц. А ты подал ему на вход 100 Кгц и ожидал увидеть усиление в 10 раз, а получил только в 2, если получил вообще. Что произошло? Правильно, усилитель перестал быть усилителем. Он не был сконструирован для работы с такими частотами.

Нелинейные искажения весьма коварны. Они портят сам сигнал, меняя его форму. В результате прохождения сигнала через такой усилитель в сигнале появляются составляющие, которых там изначально не было. И вместо, например синусоиды, что ты подал на вход, на выходе можно получить сигнал только отдаленно напоминающий синусоиду.

Для снижения шумов и искажений сигнала требуется и правильный подход к конструированию такого усилителя мощности и соблюдение правил монтажа, которые обеспечивают снижение шумов и искажений.

Шумом называют всякий случайный сигнал, который усиливается вместе с полезным сигналом, что был подан на вход. Если шумы малы, то их практически незаметно и они не мешают. Но если шумовой сигнал слишком силен, то различить полезный сигнал среди шума бывает проблематично.

Замечал ли ты, что если положить сотовый телефон рядом с входными проводами от самодельного или дешевого китайского усилителя, то в момент входящего звонка из динамиков раздаётся неприятный звук. Его причина — электромагнитные помехи от работающего сотового телефона. В каком-то смысле их можно тоже назвать шумом.

«Шумят» не только целые устройства под влиянием внешних сил. Шум вносят также электронные компоненты, из которых состоит усилитель. Это происходит под воздействием разных причин, например повышения температуры эл. компонента, может генерироваться шум.

Номинальная мощность

Я бы рекомендовал забыть про этот параметр вообще. Кто-то возразит, но я отвечу, что качественный звук лучше мощного и плохого. Поэтому, когда будешь выбирать схему для своего усилителя мощности, то выбирай ту, разработчик которой обещает минимальные искажения, а не 3 000 000 КВт мощности.

Производители аудиотехники целенаправленно вводят в заблуждение покупателей, заявляя, например: «суммарная мощность всех каналов 600 Вт при потребляемой мощности от сети 150Вт». Всё дело в методе измерения мощности, поэтому верить заявлениям не следует, так как производители выбирают какой им захочется.

Как ты знаешь, мощность P = UI. Если взять, к примеру, резистор 4 Ом, подключить его к выходу усилителя, параллельно ему осциллограф, а на вход генератор сигналов, затем подать от генератор сигнал частотой в 1000 Гц и постепенно увеличивать его амплитуду, то наступит момент, когда на осциллографе ты увидишь вот такую картину:

Зелёный график показывает реальный выходной сигнал, оранжевый — ожидаемый, а синий показывает максимальную амплитуду неискаженного выходного сигнала. Все выходные сигналы с амплитудой больше амплитуды синего графика будут иметь вид как на зеленом графике.

Измерив амплитуду синего графика и воспользовавшись формулой P = (0,707U) 2 /R н — ты получишь выходную мощность своего усилителя измеренную на нагрузке в 4 Ом и частоте в 1000 Гц.

Частотные параметры

Как я уже писал выше, усилители низкой частоты предназначены для работы в диапазоне частот от 20 Гц до 20 КГц, поэтому тестирование и наладку своих конструкций следует проводить в этом диапазоне. Усиление частот выше 20 КГц имеет смысл только если вы можете слышать ультразвук. Правда тогда поонадобится соответствующая акустическая система ^__