Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры

Замер выходной мощности усилителя НЧ

В этой статье я попытаюсь рассказать, как объективно произвести замер выходной мощности усилителя НЧ. Для измерения нам понадобится осциллограф и низкочастотный генератор сигналов. К моему сожалению, без этих приборов невозможно объективно произвести измерение. Звуковой генератор может быть заменен компьютером или ноутбуком, с установленным на него программным обеспечением.

В разделе «Генераторы» представлено несколько бесплатных программ, которые позволят сделать из вашего ноутбука или ПК генератор сигналов.

Итак, нам понадобиться осциллограф, генератор синусоидального сигнала, резистор (эквивалент) сопротивлением 4Ома, сам усилитель и по возможности (необязательно) мультиметр.

В качестве «ослика» я использую свой любимый, одноканальный прибор С1-94. Генератором у меня служит китайский функциональный генератор, способный генерировать различные формы сигналов с регулировкой частоты, амплитуды и смещения.

Нагрузкой будет служить резистор сопротивлением 4Ома и мощностью 100Вт. Для надежности я установил его на радиатор с применением теплопроводной пасты.

Теперь про мультиметр. Сгодится не каждый. Он должен правильно измерять переменное напряжение на частоте 1000Гц-2000Гц. Если его нет, то можно обойтись и без него. Я использую UNI-T UT39C.

Я буду производить замер мощности на усилителе радиолы Элегия-102-стерео.

Перед измерением выходной мощности необходимо произвести прогон усилителя на умеренной мощности в течении минут 10-20.

На вход подключения магнитофона я подал сигнал с генератора. У вас может быть это вход «Универсальный», «Тюнер» или другой линейный вход. Сигнал должен быть синусоидальной формы, иметь частоту 1000Гц. Амплитуду на генераторе необходимо сделать нулевой.

Далее нужно ручки регулировки громкости вывернуть на максимум, а регуляторы тембра и баланса на середину.

К выходу усилителя, в гнездо подключения акустической системы, подключаем нагрузку в виде резистора, сопротивлением 4Ома. Резистор необходимо опустить в воду или установить на радиатор.

Параллельно резистору нужно установить щупы осциллографа и мультиметра. На осциллографе выбираем необходимую развертку. В моем случае это 0.2мс на клетку и 5В на клетку.

Включаем питание усилителя. Включаем генератор и осциллограф.

Плавно увеличиваем амплитуду сигнала на генераторе и смотрим его форму на экране осциллографа.

Форма должна быть чистой, синусоидальной. По мере увеличения амплитуды (на генераторе) необходимо ловить момент, когда верхушка синусоиды начнет обрезаться. Такое явление называют клиппингом.

После появления клиппинга, необходимо чуть уменьшить амплитуду, до появления чистой синусоиды.

Сейчас усилитель НЧ работает на максимальной (чистой) мощности.

Теперь необходимо измерить напряжение на нагрузочном резисторе и как говориться: «Дело в шляпе!».

Измерять напряжение можно мультиметром, который не «врет» при измерении на частоте 1кГц, либо с помощью осциллографа. Я буду измерять и тем, и этим.

На дисплее мультиметра у меня напряжение переменного тока составило 7.5В.

По экрану осциллографа я вижу размах синусоиды (или двойную амплитуду) 4.2 клетки. Одна клетка 5В. Итого, двойная амплитуда равна 21В. Как нам известно, размах больше действующего значения напряжения в 2?2 раз. Поэтому, 21В делим на 2?2.

21В/2.83=7.4В. Сходится? Сходится!

Расчет выходной мощности

Мощность считается по формуле P=U*I, где P – мощность, U – напряжение на резисторе, I — ток, протекающий через резистор.

Измерять ток не обязательно так, как из закона Ома известно, что I=U/R,

тогда P=U2/R.

Измеренное нами напряжение на нагрузочном резисторе возводим в квадрат и делим на 4Ома.

P=7.5*7.5/4= 56.25/4 = 14Вт.

Согласно инструкции по эксплуатации на Элегию-102-стерео, выходная номинальная мощность на каждый канал составляет 6Вт, а максимальная мощность 16Вт (на каждый канал).

Спасибо за внимание!

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

• усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
• широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
• избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
• усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

• усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:

КU = Uвх / Uвых

КI= Iвх/ Iвых

КP= Pвх / Pвых

где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

Uвых , Iвых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Рвх, Рвых— мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

КU (дБ) = 20LgKu

КI(дБ) = 20LgKi

КР (дБ) = 10LgKp

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К (дБ) = К1 (дБ) + К2 (дБ) +… + Кn(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

ЌU = КU · ejφ

КU = Uвых / Uвх

где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = Pвых / Pист

где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:

Rвх = Uвх / Iвх

Rвых = |∆ Uвых | / |∆ Iвых |

где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

КГ = √( U22m + U23m + … + U2nm) / Ulm

где Ulm, U2m, U3m, Unm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = Uвх max / Uвх minхарактеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3).

При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы uбэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора iб = f(uбэ) входной ток транзистора iб (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Известия

Разговор, случайно подслушанный на парковке:— У тебя усилок есть?

-Ну.

-Чё ну. А какой?

-Четыре штуки. Ватт по пятьдесят. — Слабоват… У меня вон четыре штуки! И все по семьдесят пять!

-Круто, однако!

-А то!

Если честно, то толкнула меня к написанию данной статьи всеобщая неграмотность тех, кто продаёт аудиотехнику и она иногда переходит все границы. Бывает так, что люди, советующие вам выбрать тот или иной товар, прекрасно ориентируются в функциональных возможностях аппаратов, могут выучить наизусть все показатели, которые есть в инструкциях, но, к большому сожалению, лишь немногие хорошо представляют себе, что эти цифры обозначают. Не стоит говорить даже о том, что они могут грамотно разъяснить их суть клиенту (с другой стороны дать совет насчёт покупки самого крутого девайса, это всегда можно). Естественно, клеймить всех под одну гребёнку было бы несправедливо, но исключения, к большому сожалению, встречаются всё реже.

Хотя, это эмоции (накипело, уж извините). Конечно, я не призываю вас всех сию же минуту сесть за специализированную литературу и сдать экзамен по предмету: «Теории электроцепей». Но зная даже самые не сложные вещи, можно хорошо обезопасить себя от плохих или неквалифицированных советов при покупке аппаратуры.

Для начала надо решить, что же такое вообще мощность усилителя, и в чём вообще происходит её измерение. Откуда берутся эти Ватты, и может ли усилитель, на котором начертано, к примеру, „75 Вт», быть намного мощнее усилителя, на котором красуются цифра „100 Вт». Если заглянуть немного вперёд, то можно сказать, что может. Но не будем торопиться и расскажем обо всем по порядку.

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕС

Вспомнив школьные уроки по физике, мы знаем, что электрическая мощность, это есть такая работа по переносу за единицу времени электрического заряда. Это определение мало что нам даёт, несмотря на свою точность, поэтому попробуем развить его дальше. Давайте вспомним, что работа есть мера, с которой изменяется энергия. В нашем с вами варианте мощность, это мера того, сколько усилитель отдаст электрической энергии в нагрузку, за единицу времени.

Вроде с этим всё понятно. Теперь давайте определимся, отчего она всё-таки зависит. В общих случаях мгновенная мощность (мощность, которую выдаёт усилитель за отдельный момент времени) зависит от двух показателей: какое усилитель создаст напряжение при нагрузке в этот момент, и какой течёт через неё при этом ток:

Ещё к усилителю, возможно, подключать самые разнообразные акустические системы. И они будут для неё сложной комплексной нагрузкой. В таком случае ток и напряжение будут не совпадать по фазе (именно так, и не говорите, что вас этому не учили в школе). Наглядно показано на рисунке1.

Интересно, а что означает этот кусок графика, где мощность отрицательная? В такие моменты времени АС (акустическая система) возвращает обратно усилителю часть энергии, словно электродвигатель, в режиме торможения становившийся генератором.

Но ведь ещё существует много разных АС, и все они, в своём распоряжении, имеют различные параметры — мало того, что между током и напряжением сдвиг фаз будет у них различный, к тому же еще свой на каждой частоте. Отсюда получается, что на каждую АС усилитель будет выдавать свою, определённую, мощность? Вроде так. А как всё-таки определить её однозначно?

Во-первых — понятие мгновенной мощности несколько неудобно, ведь это величина переменная. Обычно применяют среднее значение мощности (Рсредн). Во-вторых, для измерения вместо АС можно взять обычный резистор. У него нет ни ёмкости, ни индуктивности, поэтому напряжение и ток будут в нём всегда совпадать по фазе (рисунок 2). Он так и называется: резистивный эквивалент нагрузки.

В таком случае без ненужных поправок на сдвиги фаз мы можем определить среднюю мощность по приведённой ниже формуле:

P = I x U,

где I и U — среднеквадратические значение напряжения и тока. Для синусоидального сигнала (при измерениях используют именно его), они будут равными:

Ещё их называют эффективными или действующими значениями, что, в принципе, может быть одним и тем же. Физический смысл среднеквадратического (эффективного, действующего) силового значения переменного тока выглядит так: это значение силы для переменного тока, которое произведет тот же самый электродинамический или тепловой эффект, что и такое же значение постоянного тока. Также и для напряжения.

Само понятие „среднеквадратическое», можно применить только к току или напряжению, но часто можно услышать и о среднеквадратической мощности, хотя это, если честно, некорректно. Для мощности RMS сокращённое будет иметь совсем иное значение, а его часто связывают с уровнями искажений, но об этом мы поговорим чуть позже.

Вспомнив закон Ома, можно преобразовать формулу мощности в наиболее удобную для нас формулу:

P = U2/R,

R — сопротивление нагрузки (сопротивление именно того резистора, который был подключён к усилителю вместо АС). Таким образом, на выходе, мощность сигнала будет зависеть, в основном, от двух факторов: напряжения сигнала выхода, а также сопротивления подключенной к нему нагрузки.

КСТАТИ ГОВОРЯ:

В прошлом году, для журнала CarMusic, был тестирован монструозный усилитель, который был способен развить огромную мощность. Он был предназначен, главным образом, для бойцов по SPL (соревнований по звуковому давлению). Вдумайтесь: для того чтобы усилитель смог развить такую ураганную мощность, для него пришлось специально сконструировать блок питания. В нём есть восемь тороидальных (имевших вид бубликов) трансформаторов, вокруг них, в два ряда, расположены входные сглаживающие конденсаторы, другая группа конденсаторов это сглаживающие выходные. Повышенное напряжение, после них, с блока питания подается прямо на схему, где усиливается сигнал. 12 Вольт подводятся тоже соответствующе: нет не нужных клемм, а силовые кабели идут сразу на шины питания. Обратите внимание, что часть схемы, где сигнал усиливается, занимает всего лишь только треть длинного, едва ли не метрового корпуса. А всё остальное это блок питания, который преобразует 12 Вольт в более высокое напряжение.

МОЩНОСТЬ МАКСИМАЛЬНАЯ

Давайте вернемся немного назад, к нашим усилителям.

„Остановитесь! — воскликнет внимательный читатель. — Как же мы сможем получить сигнал с такими огромными сотнями Ватт на выходе усилителя, который питается всего от 12 Вольт, если эта мощность будет развиваться, к примеру, на нагрузке в 4 Ом? Надо учитывать еще и неидеальный КПД усилителя. Не может она быть такой!»

Тут ошибки нет. Любой усилитель автомобильный будет содержать в себе блок питания. Его задача простая: надо перевести 12 Вольт в 30, 50 Вольт. Так что схема усилителя будет питается не от 12 Вольт, а от 30, 50 или сколько там нам надо Вольт. Выходит и мощность сигнала на выходе будет соответствующей.

Измеряют максимальная мощность следующим образом. Увеличивая уровень сигнала ждут, пока не начнется его ограничение по амплитуде на входе. Это будет означать, что усилитель, наконец, дошел до нужного предела своих возможностей. Мощность, которая будет на выходе, и принимают как максимальную.

Тут необходимо упомянуть ещё про одно: понятие максимальной мощности, часто, можно трактовать по-разному. Одни из производителей под этим понимают среднюю или нормальную мощность, выдаваемую усилителем, другие понимают пиковое значение мощности. Пример этого: головные устройства. Там отсутствуют блоки питания, которые повышают напряжение, но на них, однако, часто имеются надписи о максимальной мощности на выходе. К примеру: 40, 50 Вт на канал.

Давайте попробуем разобраться с этими цифрами. Амплитуда напряжения на выходе сигнала усилителя с 12-вольтовым питанием максимально может быть только 6 Вольт (у сигнала, ведь тоже, две полуволны). Тогда среднеквадратическое значение напряжения синусоидального сигнала при такой амплитуде будет равным

0,707 x 6 = 4,242 В

Это значит, максимальная мощность составит:

4,2422/4 = 4,5 Вт

Выходит, надпись в 50 Ватт не правда? Конечно же нет, но без небольшого лукавства со стороны изготовителей тут не обошлось. Во-первых, для головных устройств усилители изготовляют мостовыми. Это значит, что на один динамик сразу работают два усилителя (чтобы организовать на динамики 4 выхода, в магнитоле делают 8-канальный усилитель). Так мощность на нагрузке делается больше в 4 раза. Максимальная мощность синусоидального сигнала может составлять примерно 18 Вт (кстати, наиболее правдивые производители, как правило, все же указывают её в инструкции). Это уже кое что. Во-вторых, встроенные в головные устройства усилители, обычно, выполняют по схемам с вольтдобавкой (или класс „Н»). Другими словами — в них имеется конденсатор, и он заряжается именно в те моменты, когда сигнал ещё не очень мощный, а затем, когда наступает пик сигнала, отдает накопленную энергию. В такие короткие моменты времени, когда конденсатор и бывает заряжен, усилитель способен выдать в нагрузку 40 или 50 Вт. Другими словами речь идёт не о синусоидальном сигнале, а о музыкальном или реальном. Естественно запасной энергии будет маловато, чтобы усилитель без искажений воспроизводил пик сигнала и нужная цифра получилась. Правда, при этом, умалчивается про то, каким именно образом. Важно другое: указанные 45 или 50 Вт совсем не та максимальная мощность, выдаваемая усилителем головного устройства за продолжительное время, а лишь максимум, выдаваемый усилителем в короткие моменты времени, на пиках сигнала.

Большую роль при измерении будет играть и напряжение в питании самой бортовой сети, когда происходили замеры. Допустим, блок питания у самого усилителя окажется стабилизированным, что встречается не во всех моделях, то будет подводиться 12,5 или, например, 14 Вольт, большой роли это не сыграет. Но у большинства усилителей нестабилизированные блоки питания и их показатели мощности напрямую будут зависеть оттого, чем они на самом деле питаются. Другими словами при большом напряжении в бортовой сети, усилители могут обеспечивать и больший размах в напряжении выходного сигнала, отсюда и мощность будет выше. Потому нормальные изготовители, как правило, указывают то напряжение питания, когда происходили измерения.

МИНИМАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Допустим, размах сигналов на выходе усилителя уже достиг своего предела, а мощности хочется еще и ещё, то нам останется только одно – снизить сопротивление нагрузки. К примеру, можно вместо 4-омной подключить 2-омную. При этом напряжение питания будет сопротивляться вдвое меньше, а значит, через нее пойдёт вдвое больший ток. Следовательно, мощность удвоится.

Но так звучит в теории. На практике все может упираться в возможности схемы: будут потери в блоке питания, а также самого усилителя. Такие элементы имеют далеко не огромные возможности, и они рассчитаны на строго определенные токи, и при большом переборе могут запросто сгореть. Поэтому часто в инструкциях указывают сопротивление нагрузки минимальное: если указано, что, к примеру, оно 4 Ом, то если подключить 2-омные акустические системы, усилитель может выйти из строя. Современные усилители, чаще всего предназначены для 2-омной нагрузки. Не плохим показателем будет увеличение мощности, выдаваемой при переходе с 4 Ом на 2 Ом, на 60-80%. Если понизить сопротивление, увеличение мощности будет составлять всего 20-30%, то это означает, что усилитель будет работать на пределе возможностей по току и не обеспечит, тем самым, необходимый запас.

МОЩНОСТЬ НОМИНАЛЬНАЯ

Одним словом, максимальная мощность хорошо характеризует мощностные возможности самого усилителя, но ничего не говорит нам о самом качестве воспроизведения. Если усилитель достигнет предела возможностей, то сигнал начнёт искажаться (это называется клиппирование). То есть, усилитель будет хорошо работать, только тогда, когда мощность сигнала на выходе будет относительно невелика, а когда она увеличится, то резко возрастёт и коэффициент нелинейных искажений. Смотрите рисунок № 3

Потому, кроме максимальной мощности, надо знать и мощность, где искажения еще не достигли допустимых величин. Именно так можно определить номинальную мощность усилителя. Что значит „допустимая величина искажений», каждый изготовитель может понимать по-своему. К примеру, на одном прилавке лежат две модели. На обоих написано, что у них мощность по 50 Вт на канал. Но на первом указано, что развивается она при искажениях, например, 0,01%, а на втором 1%. Понятно, что первый усилитель иметь будет больший потенциал, чем второй, хотя, обоих усилителях указана одна и та же цифра.

Чтобы сравнить величину мощностей усилителей друг с другом, стало все-таки возможно, периодически вводятся общие стандарты ее измерений. К этому немало приложили руку и МЭК и ГОСТ, и немецкий DIN. Самый последний, СЕА-2006, опубликовали в 2003 г. Согласно данному стандарту номинальная мощность должна измеряться в Ваттах RMS и определяться с использованием источника питания 14,4 В.

Если на упаковке с усилителем красуется логотип СЕА-2006, то будьте уверены — выходная мощность измерялась именно по этим параметрам, даже если это и не было особо отмечено в описании.

Но надо иметь в виду, что это лишь один из последних стандартов, которые приняли. Поэтому, необходимо обратить внимание не только на эти самые цифры мощности, а также на условия, при которых она была измерена.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн − fв) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K0 / Kf где Kf — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений МН = K0 / KН и МВ = K0 / KВ называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f).

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие
f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.