Меню

Как увеличить мощность усилителя для колонок

Усилитель — повышение мощности

Поговорим теперь о выходной мощности усилителя низкой частоты.
Для усилителя мощности основной квалификационной характеристикой является величина этой мощности. Она измеряется в Ваттах и определяется как мощность, выделяющаяся на нагрузке сопротивлением Rн при амплитуде напряжения на ней Uн.
При синусоидальном испытательном сигнале эта мощность составляет
Pн = Uн 2 / (2 х Rн).
Любой усилитель можно охарактеризовать максимальной выходной мощностью.
Это долговременная мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя при максимально – возможной амплитуде синусоидального сигнала на его выходе. При измерении этой мощности искажения не важны – главное, чтобы форма сигнала была похожа на синусоиду. То есть при этой мощности нелинейные искажения 10% — это нормально.
Так как удвоенная амплитуда (размах) сигнала на выходе усилителя не может превысить его напряжения питания и, скорее всего меньше его на dU = 2 – 5 В, то максимальная мощность, в любом случае, не может быть больше некоего значения, определяемого по формуле:
Pmax = (Eпит – dU) 2 / (8 x Rн).
То есть при питании усилителя мощности от источника напряжением 20 В и нагрузке 4 Ом максимальная выходная мощность, в любом случае, не превысит 20 x 20 / (8 х 4 ) = 12,5 Вт. На самом деле, из-за dU максимальная выходная мощность будет, скорее всего, около 8 — 10 Вт.
Редко, но бывает, когда максимальная выходная мощность указывается при прямоугольном выходном сигнала – тогда это та долговременная мощность, больше которой из усилителя не выжать. Но к качеству звучания усилителя этот параметр уже никакого отношения не имеет.
Отмечу, что мощность усилителя при 10% нелинейных искажений имеет международное обозначение RMS.

Номинальная выходная мощность — это максимальная долговременная мощность сигнала, которую может отдать усилитель в нагрузку при определенном, наперед заданном коэффициенте нелинейных искажений – чаще всего 1%, хотя может быть и любое другое значение, например 0,5% или те же 10%. Эта мощность зависит от схемы построения усилителя и примененных в ней элементов но она всегда меньше максимальной мощности, иногда значительно. Хочу сказать, что значение нелинейных искажений, при которых измеряется номинальная мощность никак не стандартизировано и устанавливается изготовителем усилителя так, как ему хочется.
Так, например, в Datasheet на усилитель TDA2030 указано, что при напряжении питания 38 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом выходная мощность составляет не менее 18 Вт при нелинейных искажениях 0,5%.
А из его характеристик следует, что при искажениях в 10% его выходная мощность может составить 30 Вт и более.
Номинальная выходная мощность – это собственно говоря, та самая «Советская» мощность, о которой кто-то как-то спрашивал в комментариях к одному из постов.

Еще один параметр – максимальная музыкальная мощность усилителя. Это максимальная мощность синусоидального сигнала, которую усилитель может отдать в нагрузку за очень короткое время – допустим, 0,1 секунды. Эта величина в большой степени зависит от схемы построения как усилителя мощности, так и его блока питания. Если блок питания стабилизирован, то есть выдает одинаковое напряжение и при малой нагрузке (при малой громкости), и при максимальной мощности, то максимальная музыкальная мощность и максимальная мощность усилителя совпадают.
Если же блок питания нестабилизирован, то его выходное напряжение зависит от мощности сигнала – при малой мощности оно выше, чем при большой. Например, блок питания с выходным напряжением 20 В при нагрузке 3 А может иметь выходное напряжение 24 В при нагрузке 100 мА. А у блоков питания дешевых усилителей эта разница еще больше. Поэтому, в первый момент после подачи на усилитель испытательного сигнала, отдаваемая усилителем мощность будет значительно больше, чем через несколько секунд после этого, когда конденсаторы блока питания разрядятся и его напряжение упадет. Разница может достигать 2-х раз (при разнице напряжений в 1,4 раза). Этот параметр имеет право на жизнь, так как музыка или речь – это не стабильный синусоидальный сигнал, а чередование тихих и громких звуков.

Еще большее значение имеет PMPO – пиковая музыкальная выходная мощность. Это мощность сигнала на пике — то есть в максимальной точке. Так как это импульс, то его мощность не усредняется по всему периоду сигнала, и его значение, в принципе, в 2 раза больше максимальной музыкальной мощности. Таким образом, значение мощности PMPO может быть в 5 и более раз больше номинальной мощности, особенно при источнике питания усилителя плохого качества. То есть, при «Советской» мощности усилителя 20 Вт, значение его PMPO может составить 100 Вт и более.

Еще больше можно увеличить мощность усилителя мощности, просуммировав мощности всех его каналов (стерео – 2 канала и т.д.) и умножив результат на поправочный коэффициент, значение которого каждый производитель определяет самостоятельно. После этого можно делать наклейку 1000 Watt PMPO для малогабаритного приемника.

Теперь о повышении выходной мощности усилителя.
Для начала рассмотрим выходные каскады.

На левом рисунке нарисован выходной каскад, верхнее и нижнее плечи которого построены на комплементарных составных транзисторах. При этом, если на базе первого верхнего транзистора будет напряжение, равное напряжению источника питания Eп, то на эмиттере верхнего выходного транзистора напряжение станет равным Eп – Uбэ – Uбэ.
Для маломощных транзисторов можно принять Uбэ = 0,65 В, но у мощных транзисторов, при больших токах базы, это напряжение больше и может достигать 1 В и более. Поэтому напряжение в средней точке будет примерно на 2 В меньше напряжения питания (в реальной жизни до 2,5 В). Так же при нулевом напряжении на базе первого нижнего транзистора, напряжение в средней точке будет равно 2 – 2,5 В. То есть амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 4 – 5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада. (предполагаем его размах равным напряжению источника питания)
В схеме на среднем рисунке выходное напряжение уменьшается только одним эмиттерным переходом в каждом плече. Но дополнительное уменьшение вносит напряжение насыщения Uкэ первого транзистора, которое редко бывает меньше 0,5 В. Поэтому в этой схеме амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3 – 4 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.
Схема на правом рисунке состоит из частей левой и средней схемы. В ней амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3,5 – 4,5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.

Читайте также:  Варочной поверхности высокой мощности

В идеальном случае размах сигнала на базах первых транзисторов выходных каскадов равен напряжению источника питания.
Однако в реальной схеме это далеко не так.

При полностью закрытом транзисторе VT1 через резистор R3 будет течь ток базы VT2.
Из примера расчета видно, что при использовании в качестве VT2 составного транзистора с коэффициентом усиления по току 1000, максимальный ток его базы составит 1,58 мА. При этом на резисторе R3 сопротивлением 1,5 кОм падение напряжения составит 2,37 В.
Обратите внимание – на базе VT2 будет не Eп = 30,4 В, а Eп – 2,37 В = 28 В.
При полностью открытом транзисторе VT1 напряжение на базе VT3 будет равно напряжению насыщения VT1, то есть, не менее 0,5 В.
Итого, амплитуда напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3 будет примерно на 3 В меньше напряжения питания усилителя, соответственно выходное напряжение усилителя мощности будет меньше напряжения его питания примерно на 8 В.
При использовании других схем выходного каскада эта разница будет меньше, но незначительно.
Для исправления ситуации можно использовать, по крайней мере, три способа:
1.Разделить выходной и предвыходной каскады и питать их от разных источников питания. При этом источник питания предвыходного каскада должен иметь напряжение не менее, чем на 8 вольт больше, чем источник выходного каскада и может быть относительно маломощным (десятки миллиампер).

2.Применить схему с вольтодобавкой (с виртуальным источником питания).

В этой схеме резистор R3 разделен на два резистора — R31 и R32 таким образом, что их суммарное сопротивление равно сопротивлению резистора R3, и R32 в 3 – 4 раза меньше R31. Между точками соединения этих резисторов и выходом усилителя включен конденсатор вольтодобавки C4 с такой емкостью, чтобы он не успевал существенно разряжаться за период действия сигнала минимальной частоты. После включения усилителя этот конденсатор заряжается до напряжения, близкого к половине напряжения питания (точнее, до напряжения на R31) и, далее, работает как батарейка, подпитывающая каскад на транзисторе VT1.
Предположим, что напряжение питания усилителя 20 В а соотношение сопротивлений резисторов R31 и R32. равно 4 к 1. Тогда на нижней обкладке конденсатора C4 будет 10 В а на верхней 18В и напряжение на нем составит 8 В.
Предположим, что во время усиления входного сигнала напряжение в средней точке стало равно 15 В. Так, как конденсатор C4 разряжается медленно, напряжение между его обкладками все равно будет равно 8 В и напряжение на его верхней обкладке, а значит и в точке соединения резисторов R31 и R32 составит 23 В – больше, чем напряжение питания. Это позволяет увеличить амплитуду сигнала предвыходного каскада и увеличить выходную мощность усилителя.
Кстати, такая схема применяется и в драйверах ключей на полевых транзисторах IR2101, IR2113, IR2153 и аналогичных.

3.Применить вместо резистора R3 транзистор, комплементарный к VT1 и
работающий в противофазе с ним. Схему пока рисовать не буду, только отмечу, что в этом случае потери напряжения составят по 0,5 В на каждый транзистор, то есть 1В. И потери на выходных транзисторах скомпенсированы не будут.

4. Применить в качестве выходного каскада схему с усилением сигнала.

Она очень похожа на среднюю схему выходного каскада за исключением того, что эмиттеры предвыходных транзисторов подключены к средней точке через делитель напряжения на резисторах R4 и R3. Коэффициент усиления такого каскада определяется соотношение их сопротивлений и определяется по формуле
K = (R4 + R3) / R3
Мощный усилитель с таким выходным каскадом склонен к самовозбуждению и усиление выходного каскада нельзя выбирать большим — лучше ограничиться величиной 1,2 — 2 раза. Номинал резистора R3 можно принять равным 220 — 470 Ом, сопротивление резистора R4 расчитывается исходя из требуемого усиления.

В такой схеме выходное напряжение ограничено только напряжением насыщения выходных транзисторов и выходная мощность может быть максимальной.

Читайте также:  Что такое максимальная полная мощность ква

Источник



Как мощность влияет на громкость колонок

Мощность акустических систем — раздолье для спекуляции цифрами. Разнообразие подходов производителей акустики к измерению этого параметра и документирования результатов заставляет подчас задуматься даже опытного аудиофила. Рассмотрим несколько популярных заблуждений на эту тему.

Миф первый. Колонки «выдают» ватты

Первым делом нужно разобраться с несколькими понятиями. Колонки бывают активные и пассивные.

Первые имеют встроенный усилитель, а для вторых он необходим в виде отдельного устройства.

Именно усилитель в обоих вариантах преобразует ток от блока питания и передаёт сигнал определённой мощности на динамики, которые в свою очередь преобразуют его в звук. Причём делают это с низким КПД, рассеивая большую часть получаемой энергии в тепло. Поэтому говорить, что колонки выдают столько-то ватт, корректно только если они активные.

В любом случае, усилитель служит поставщиком мощности (электрической), а динамик — потребителем. За редкими исключениями (их рассмотрим позже) для активной акустики указывается выходная мощность встроенного усилителя.

Например, внутри двухкомпонентной системы SVEN MC-30 установлены TAS5342R. Его номинал 100 Вт, и производитель колонок честно указывает такую выходную мощность.

При этом динамики рассчитаны на такую мощность, иначе долго такая колонка не проживёт.

С пассивной акустикой всё немного сложнее. Согласование параметров нужно обеспечивать самостоятельно. Здесь уже у каждого компонента будет “своя” мощность: у усилителя — выходная, а у колонок — потребляемая.

Дотошный акустик может заметить, что есть такая величина как звуковая мощность, но она не измеряемая, а расчётная. А вычисляется эта величина из уровня звукового давления, который и отвечает за способности колонки. Он будет подробно рассмотрен далее.

Миф второй. Громкость определяется мощностью

Начнём с того, что громкость — параметр субъективный. Если вам в разгар вечеринки захочется прибавить звука, вряд ли это понравится соседу. То есть зависит громкость от нашего основного приёмника — уха. Правильнее говорить об уровне звукового давления. Именно этот параметр часто встречается в документации на аудиоаппаратуру под именем SPL. Измеряется он в децибелах (дБ) в отличие от мощности, единица измерения которой — ватт. Децибел — величина относительная и индицирует насколько текущий уровень SPL превышает порог слышимости (0 дБ).

Мощность приходится SPL очень «дальним родственником». Как правило, это параметр, указывающий какую максимальную электрическую энергию можно направить в динамики колонки, чтобы они при этом не вышли из строя. За то, насколько эффективно эта энергия будет использоваться, отвечает другой параметр — чувствительность. Она характеризует уже динамик, а не усилитель. Измеряется как SPL на расстоянии метра от динамика, при подаче на него сигнала частотой 1 кГц и мощностью 1 Вт. Отсюда единица измерения — дБ/Вт/м.

Например, чувствительность 84 дБ/Вт/м позволит вам на одном ватте получить SPL в 84 дБ. Каждое удвоение мощности прибавит к SPL 3 дБ. Таким образом, чтобы получить внушительные для небольшого помещения 90 дБ, в такой динамик нужно «влить» 4 ватта. Если же взять более чувствительный динамик (90 дБ/Вт/м), то достаточно будет 1 Вт. Почувствуйте разницу.

Интересно, что у некоторых производителей этот параметр значится как «эффективность». Проведём следующую аналогию. Как далеко вы проедете на автомобиле на 10 литрах бензина? Зависит от расхода топлива. Также и с динамиком, который «заправляют» 10 ваттами мощности — насколько громко он заиграет? Зависит от чувствительности. В случае с 10 Вт прибавьте к её значению 10 дБ и ответ готов.

Миф третий. Существует универсальный показатель мощности

В этой области больше решает репутация производителя, который старается придерживаться стандартов измерения характеристик, а не гонится за баснословными цифрами. Вспомните магнитолы производства известных мастеров доступной бытовой электроники, на которых гордо красовались наклейки с киловаттами. Это как раз те исключения, оговоренные в мифе №1. Казалось бы, магнитола — активная акустическая система, да ещё и портативная, откуда такие цифры?

А это не мощность усилителя, а максимально возможная пиковая нагрузка на динамики, которая может длиться миллисекунды. Да, недорогой динамик возможно выдержит такой всплеск, но это ничего не имеет общего со штатным режимом работы.

Измерять мощность можно разными способами, по-разному учитывая качество звука. Ниже приведены несколько стандартизированных показателей мощности:

  • Номинальная и синусоидальная — параметры, появившиеся ещё в советские времена. В импортной технике разумеется их не используют;
  • DIN — разработан Немецким институтом стандартизации. Измеряется максимальная мощность при подаче сигнала частотой 1 кГц в течении 10 минут. При этом уровень нелинейных искажений (или THD), не должен превышать 1%;
  • RMS — наиболее часто встречающийся показатель. Отражает максимальный уровень мощности синусоидального сигнала на протяжении длительного времени, при котором нет физических повреждений тестируемого устройства;
  • PMPO — музыкальная мощность, позволившая упомянутым производителям магнитол вешать на них ярлычки с киловаттами мощности. Смысла в этом параметре немного, больше маркетинга. Может превышать RMS в 20 раз.

Представляется ассоциация с водонепроницаемостью смартфона. Поместили на пару метров в воду на несколько минут — всё работает. А если утопить метров на пять на то же время, то бесследно это для аппарата не пройдёт. Сначала могут появиться проблемы с тачскрином, при следующем погружении перезагрузится и т.д. После серии таких погружений вода постепенно выведет из строя плату. Аналогично с тестированием динамика. Кратковременно он выдержит высокую нагрузку, но при увеличении времени воздействия начнётся перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Читайте также:  Мощность технологических машин это

Стоит обратить внимание на такой простой параметр как потребляемая мощность.

Вечный двигатель ещё не придумали, поэтому выходная мощность не может быть выше входной. Кратковременно оно может быть превышено. Усилитель может накопить энергию и в какой-то пик, например, сильный удар по тарелкам в музыкальном треке, выдать мощность больше потребляемой, но это несколько мгновений. По величине входной мощности можно сразу понять реальный предел устройства, и если производитель указал в брошюре заведомо большие цифры, то задумайтесь, а стоит ли вообще приобретать его продукцию.

Миф четвёртый. RMS — «честная» мощность

Это могло быть так, если бы не маркетинг и подчас повышенный оптимизм производителей акустики. RMS — это наиболее часто встречающийся показатель мощности акустической системы. Он говорит о максимальной мощности, при подведении которой динамики могут работать определённое время и не получат повреждений. То есть при следующем тесте будут функциональны. В идеале если ещё при этом не будет превышен заданный уровень нелинейных искажений. Но это для многих производителей совсем не точно. THD свыше 10% в зависимости от частоты вызывают призвуки, хрипы, скрипы и т.п., что делает прослушивание музыки некомфортным. Зато заявленная мощность будет обеспечена.

Безусловно RMS — более значимый параметр, чем любая пиковая мощность. Но лучше если производитель указывает какие уровни THD соблюдались при проведении испытаний. В идеале, если указан также и максимальный SPL.

Миф пятый. Мощность — главный параметр при выборе акустики

Чтобы дать возможность звуку полностью раскрыться, нужна громкость, равно как и обеспечивающая её мощность. Но упомянутые искажения могут сильно испортить картину. За чистоту звука на всём диапазоне SPL отвечают другие важные параметры: АЧХ, согласованность импедансов, акустическое оформление и др. Каждый из них по-своему влияет на восприятие. Не забывайте, что и помещение, в котором расположена акустическая система, тоже играет немаловажную роль. Да и особенности музыкальных композиций тоже нужно учитывать, не зря же существуют эквалайзеры. Всё эти детали в совокупности и формируют сочный насыщенный звук.

Источник

Как увеличить мощность усилителя

Выходная мощность усилителя – это та, которая выделяется на нагрузке (динамике). Аудио-системы имеют достаточно низкое сопротивление нагрузки, поэтому для нормальной выходной мощности нужно оперировать большими значениями силы тока. Чем больше выходная мощность усилителя, тем большим должен быть коллекторный ток транзисторов выходных каскадов. Попробуем самостоятельно увеличить мощность усилителя.

Как увеличить мощность усилителя

Что понадобится

1. Навыки пайки;
2. Комплементарная пара мощных транзисторов;
3. Двуполярный источник питания соответствующей мощности и напряжения;
4. Пассивные радиокомпоненты.

Инструкция

Если Вы достаточно хорошо разбираетесь в электронике, можете попробовать переделать свой усилитель путем добавления дополнительного блока питания соответствующей мощности, который будет питать исключительно выходной каскад. Так, напряжение на предыдущих каскадах будет равным напряжению без нагрузки. Это позволит повысить коэффициент усиления почти в два раза.

Если ваши познания в электронике ограничиваться только школьным курсом физики, настоятельно рекомендуем не пробовать модифицировать усилитель столь грубым вмешательством в его тонкий и очень ранимый внутренний мир. В вашем случае есть боле безопасный и простой метод — добавление еще одного, внешнего выходного каскада усиления, расположенного между выходом вашего усилителя и колонками.

1. Для увеличения выходной мощности будем использовать самый простой двухтактный усилитель мощности на комплементарной паре транзисторов.

Что такое комплементарная пара, можно узнать здесь.

После кодификации все функции вашего усилителя останутся такими, как были прежде, увеличится только значение нагрузки, которую можно подключить на выход. Параметры выходной мощности будут определяться мощностью транзисторов комплементарной пары. Для примера будем использовать транзисторы 2SA1943 и 2SC5200, по техническим характеристикам они могут корректно работать на мощности 100 Вт.

Сначала убедитесь, что они одной серии выпуска, это очень важно для качества звука.

2. Ищем datasheet для данного элемента и определяем эмиттер, базу и коллектор.

3. Пробуем собрать схему. Ее можно паять навесным монтажом, но для надежности лучше развести и протравить плату.

Диоды VD1, VD2 – любые кремниевые.

4. После сборки каждый транзистор нужно прикрутить к отдельному радиатору, и поскольку мы планируем нагрузить этот механизм на 100 Вт, лучше к радиатору прикрепить кулер.

Советы

1. Никогда не ставьте транзисторы комплементарной пары на один радиатор, таким образом вы сделаете короткое замыкание в цепи питания;
2. Если у вас есть тестер, измерьте параметр hFE для каждого транзистора, они должны быть равными;
3. Организуйте как можно лучшее охлаждение для силовых транзисторов;
4. На каждый канал нужно будет сделать отдельный усилитель;
5. Если будет слышно искажения, то стоит изменить номинал смещающих резисторов R1 и R2.

Источник