Усилители звука используются как во многих бытовых приборах, автомобилях, так и профессиональной работе звукорежиссеров. Каждое устройство усиливающее звуковые колебания, передаваемые в нагрузку (в акустическую систему) имеет свою расчётную мощность, которая зависит от мощности радиодеталей используемых в ней.
Перед тем как узнать мощность усилителя звука нужно понимать от чего она зависит. В первую очередь, это сопротивление нагрузки, которой служит акустическая система или звуковоспроизводящие динамики. Сопротивление их бывает 2, 4, или 8 Ом. Чем меньше эта величина тем выше ток проходящий по цепи катушки динамика, а значит выше и мощность. Перед тем как подключать акустическую систему к усилителю звука, необходимо знать её параметры, для того чтобы продолжительность эксплуатации была максимальной.
Особенно важно знать максимальные параметры, так как при несоответствии мощности акустики и максимально выдаваемой мощности усилителя, выход из строя звуковоспроизводящего оборудования неизбежен.
Самые интересные ролики на Youtube
Измерение выходной мощности усилителя с использованием осциллографа.
Для проведения измерения нужно подключить один из каналов усилителя, либо к колонке, если её расчётная мощность заведомо больше, либо к эквиваленту нагрузки сопротивлением равным сопротивлению колонки.
В качестве эквивалента нагрузки можно использовать резистор типа ПЭВ, мощностью 10 – 100 Ватт. (Ограниченное время резисторы марки ПЭВ могут рассеивать мощность в несколько раз больше расчётной).
Пример использования резистора ОПЭВ-50 (8Ω, 50 Ватт).
В зависимости от схемы соединения можно получить нагрузку в 2, 4 или 8 Ом.
На вход усилителя нужно подать синусоидальный сигнал частотой 100 – 200 Герц (можно обойтись и обычным музыкальным сигналом) и, постепенно увеличивая громкость, посмотреть по экрану осциллографа, при каком напряжении на выходе усилителя начнётся ограничение выходного сигнала по амплитуде.
При измерении максимальной выходной мощности, нельзя подавать на вход усилителя, подключенного к многополосным АС, сигнал высокой частоты от генератора, так как это может привести к перегрузке высокочастотного или среднечастотного динамика.
На картинке осциллограммы синусоидального «1» и музыкального «2» сигналов. Стрелкой отмечен уровень сигнала, который нужно использовать при расчёте мощности.
Затем можно подставить результат в формулу:
P = (U x U) : (2 x R)
P– выходная мощность усилителя в Ваттах,
U – выходное напряжение усилителя в Вольтах,
R – сопротивление нагрузки (колонки) в Омах.
Пример:
[28 (Вольт) x 28 (Вольт)] : [2 x 4 (Ома)]= 98 Ватт
Измерение выходной мощности усилителя с использованием вольтметра.
В отсутствие осциллографа, для измерения выходной мощности усилителя, можно обойтись и любым вольтметром, например, стрелочным тестером или мультиметром.
Для этого достаточно собрать простую схему, которая превратит любой вольтметр, в измеритель пикового напряжения.
Правда, тогда в качестве источника сигнала придётся использовать задающий генератор низкой частоты, так как при музыкальном сигнале на входе, нельзя будет получить достоверные результаты.
Схема подключения.
R1 — 4 или 8 Ω (в зависимости от сопротивления колонок);
VD1 — любой диод на напряжение 50 Вольт и выше;
С1 — 0,47 — 1,0 µF любой «сухой» конденсатор на напряжение 50 Вольт и выше;
PV1 — любой вольтметр постоянного тока на напряжение 50 – 100 Вольт.
Синусоидальный сигнал звуковой частоты можно получить при использовании программного генератора низкой частоты.
На картинке показано, как выглядит один из таких генераторов и каково положение органов его управления при измерении мощности.
Как подключить линейный выход звуковой карты компьютера ко входу звукового усилителя мощности описано здесь
Программу «Генератор низкой частоты», не требующую инсталляции, можно скачать отсюда (в архиве 352КБ).
Как рассчитать мощность усилителя
Так сложилось, что заявленные цифры на упаковках и рекламах усилителей не всегда совпадают с реальными. Как правило они намного выше, чем усилитель может выдать в действительности. Все это маркетинговые ходы в погоне за яркой и броской вывеской. Указанные параметры получают не совсем добросовестно с большими ухищрениями, а иногда и просто лгут. Чтобы не попасться на уловки рекламодателей можно рассчитать мощность усилителя самостоятельно.
Встречается в мире автозвука и другая ситуация, когда мощность усилителя больше, чем указана в документах. Но это редкие случаи, когда усилитель ориентирован на использования в соревнованиях, в которых существуют ограничения или градации по мощности систем.
На самом деле рассчитать мощность усилителя достаточно просто. Сделать это можно отталкиваясь от номинала установленных предохранителей. Так как на коробке можно написать все что угодно, а вот предохранитель больше максимального номинала ставить никто не будет, так как он не защитит усилитель. Но и слишком малый номинал ставить нецелесообразно, так как это «задушит» усилок. Расчет имеет некоторую степень погрешности, но для простого пользователя он объективно оценивает номинальную мощность и на него можно ориентироваться в выборе усилителя, а так же для подбора сабвуфера и акустических динамиков к нему.
Для начала нужно определить класс вашего усилка, для того чтобы узнать его КПД. В автозвуке обычно используются АВ и D классы.
Класс АВ. Выдает качественный сигнал при КПД около 50%. Так же усилители AB-класса стоят в головных устройствах (ГУ) — магнитолах.
Класс D. Современный класс усилителей с цифровой обработкой сигнала. В основном применяется для сабвуферов (моноблоки). D класс имеет КПД 70-80%.
Смотрите информацию о классе в даташите (документации) усилка.
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:
Активный детектор
Детектор (однополупериодный выпрямитель) предназначен для передачи на выход сигналов только одной полярности. При подаче на вход детектора сигнала другой полярности, на выходе детектора устанавливается уровень 0 В.
Классическая схема активного детектора на ОУ приведена на рисунке ниже:
Схема при подаче на выход положительных значений входного сигнала (Uвх > 0) ведёт себя как повторитель. Нелинейность вольтамперной характеристики диода и величина прямого падения напряжения Uпр компенсируются ООС. При Uвх < 0, Uвых = 0 В.
Существенным недостатком схемы является переход DA1 в режим насыщения при подаче на вход отрицательного напряжения: это приводит к искажениям выходного сигнала при переходах нуля входным сигналом.
Усовершенствованная схема активного детектора на ОУ при отрицательных значениях входного сигнала ведёт себя как инвертирующий повторитель. При положительных значениях входного сигнала за счёт обратной связи через диод VD2 на выходе левого по схеме ОУ устанавливается напряжение, равное 2Uпр.
Компаратор на ОУ. Триггер Шмитта
Компаратор позволяет сравнить напряжение входного сигнала с опорным напряжением. Схема компаратора представляет собой ОУ без ООС. Опорное напряжение на приведённой ниже схеме подаётся на неинвертирующий вход:
Если напряжение на инвертирующем входе больше опорного, на выходе появляется отрицательное напряжение насыщения. Если меньше, то – положительное.
Недостатком этой схемы является эффект «дробления фронтов»: шум, который появляется в момент переключения.
От «дробления фронтов» избавляются введением в схему компаратора небольшой положительной обратной связи (ПОС). Номинал резистора R1 – порядка 100 кОм. Схема обладает гистерезисом и называется «триггером Шмитта»:
Для формирования сигналов цифровых логических уровней на выход компаратора или триггера Шмитта подключают транзисторный ключ с открытым коллектором (стоком).
Компараторы и триггеры Шмитта, в том числе с однополярным питанием и с преобразованием уровней, выпускаются промышленностью в большом ассортименте. В современной разработке целесообразно применять серийные образцы этих устройств.
Нахождение абсолютного значения напряжения сигнала
Абсолютное значение (модуль) напряжения входного сигнала находят с помощью активного двухполупериодного выпрямителя на двух ОУ:
При отрицательном значении входного напряжения диод VD1 открыт и положительное напряжение с выхода DA1 поступает на неинвертирующий вход DA2:
| (16) |
При положительном значении входного напряжения открыт диод VD2 и отрицательное напряжение с выхода DA1 поступает на инвертирующий вход DA2:
| (17) |
При равенстве сопротивлений всех резисторов в схеме получаем:
| (18) |
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.
Расчет мощности
Мощность считается следующим образом:
,
где U — напряжение в сети автомобиля с заведенным двигателем — 14.4 В,
I — номинал предохранителя или сумма номиналов, если их несколько А,
КПД — коэффициент полезного действия — АВ класс — 0.5 (50%); D класс — 0,75 (75%),
n — количество каналов усилителя.
Другими словами мы находим общую мощность с учетом КПД и делим ее на количество каналов, получая тем самым число Ватт на один канал.
Источник тока
На схеме ниже изображён стабилизированный источник тока:
На регулирующий вход интегрального стабилизатора напряжения LM317 подаётся напряжение с выхода ОУ, обратно пропорциональное падению напряжения на резисторе R1. Поскольку напряжение на регулирующем входе микросхемы LM317 должно быть равно 1,25 В, то значение выходного тока считается по формуле:
| (19) |
