АудиоПортал - D.I.Y. — Do It Yourself — Сделай Сам



О вопросах согласования усилителя и акустики. Реактивный усилитель.




Рубрики: Ламповые Усилители


 



О проблемах УМЗЧ: реальном КПД<25% и способности управлять нагрузкой (непостоянстве выходного сопротивления).

Усилители мощности звуковых частот (УМЗЧ) не позволяют получить заявленные их производителями выходные характеристики при работе на реальные акустические системы (АС), являющиеся комплексной нагрузкой. Данная проблема отражена в [1]. Причина этого кроется в недостатках системы (стандартов) оценки качества и методик определения параметров усилителей. Заявленные производителями УМЗЧ основные параметры, достигнуты и гарантированы при работе усилителей на активное сопротивлении нагрузки при испытаниях тональным сигналом в рабочем диапазоне частот, либо только на одной какой-либо частоте. Производителям так удобнее и дешевле.

Хороший усилитель обязан выдерживать заявленные параметры на любую исправную акустическую систему, паспортное сопротивление которой соответствует номинальному значению сопротивления нагрузки усилителя, если иное специально не оговорено. Жаль, что этого не происходит в действительности. Насколько энергетические возможности каждого УМЗЧ позволят удержать заявленные параметры при работе на конкретные АС — не известно. При этом, психологически, судя по затраченным средствам, каждый из владельцев комплекта УМЗЧ+АС полагает, что имеет хороший усилитель.

Точно такая же ситуация сложилась в области акустики. Выраженное в Омах паспортное значение сопротивления АС мало говорит о его реальной величине. Это делает практически невозможной процедуру грамотного подбора УМЗЧ к АС (или наоборот) без проведения дополнительных измерений. В результате, при эксплуатации вроде бы хороших по параметрам УМЗЧ и АС у владельца возникает ощущение о некой ущербности выбранных моделей, о перерасходе средств на их приобретение и о необходимости поиска причин ухудшения общего качества звучания в чем угодно, только не в усилителе.

Как только владелец заикнется об этом и попытается решить проблему через «советчиков со стороны» – тут же появляются продавцы «от аудио», которые, не решая проблему кардинально, убеждают приобрести у них дополнительные примочки: «…без которых ну никак не раскрыть возможности ни конкретного усилителя, ни конкретных АС…». Следствие – «шнурковая», «конусная» и др. эпидемии поражают массы владельцев аппаратуры совершенно неадекватными ценами от нечистоплотных «коммерсансов», фантазирующих о скорости света в проводах и о сорте древесины лицевой панели сетевого фильтра.

Что же можно предпринять, чтобы решить проблему согласования усилителя с акустическими системами без вмешательства в конструкцию того и другого? Чтобы найти ответ на этот вопрос нужно представлять причины появления этой проблемы.





Нередко при «вытягивании» параметров УМЗЧ производители используют допустимость уменьшения выходной мощности на крайних частотах рабочего диапазона (или – самый страшный случай: «в соответствии с кривыми спектрального распределения усредненной мощности музыкального сигнала»). Вводится термин «полоса мощности», причем она, обычно, уже рабочего диапазона частот. На самом деле, делать этого нельзя т.к. усилитель — это всего лишь устройство распределения мощности его блока питания в нагрузку в соответствии с входным сигналом.  Для усилителя все частотные составляющие входного сигнала и по напряжению и по току выстроены «паровозиком» в высоту. УМЗЧ в рабочем диапазоне частот либо обеспечивает выходное напряжение/ток в нагрузке (в рамках заявленного допустимого интервала значений), либо ограничивает их по амплитуде. Частота сигнала здесь, по большому счету, ни при чем. И если при грамотной схемотехнике блока усилителя мощности наблюдаются частотно-зависимые вариации его максимальной выходной мощности, то вся вина в этом лежит только на блоке питания. Если же наоборот, блок питания не вызывает нареканий, то причину искать нужно в схемотехнике самого усилителя или качестве комплектующих, монтаже.

Для тех, кому сложно представить данную ситуацию в своем воображении  – можно привести пример работы УМЗЧ, даже при его питании от идеального блока питания:

УМЗЧ с выходной мощностью 15 Вт на  сопротивлении нагрузки 6 Ом  должен штатно обеспечить амплитуду выходного напряжения 13,4В и тока 2,23А.
На вход усилителя подается сигнал двух частот:  80Гц и 5 кГц. Соотношение сигналов таково, что амплитудное значение сигнала первой частотной компоненты на выходе усилителя равно 10В, второй – 3,4В. Примерный вид сигнала изображен на рис.1. На этой же нагрузке мощность отдельно взятых частотных компонент выходного сигнала  составит: для 80Гц – 8,33Вт, для 5 кГц – 0,96Вт.

Рис.1 Двухтональный сигнал с частотами 80Гц и 5кГц и соотношением амплитуд 3:1

Если предположить, что нагрузкой усилителя  является идеальная двухполосная АС (имеющая активное сопротивление на указанных частотах и разделительные фильтры без потерь),  то суммарная мощность, подведенная к ее НЧ и ВЧ головкам составит всего 9,3 Вт. Амплитуда  выходного напряжения  усилителя при этом составит 13,4 В, тока — 2,23 А, что является для него максимальным .

Представим, что на любой одной из указанных частот сопротивление нагрузки снизится на 20% — до 4,8 Ом, что допускается стандартами IEC. Но усилитель может выдать максимальный ток всего 2,23А, что равноценно ограничению амплитуды выходного напряжения на новом сопротивлении нагрузки на уровне 10,7В , рис.2. В результате этого, искажения сигнала на выходе усилителя для компоненты частотой 5кГц будут значительными:  часть сигнала будет попросту срезана  в виде полочки на одной из полуволн до уровня 0,7 В (при номинале 3,4В), причем ограничение ВЧ сигнала будет происходить периодически  в моменты времени, соответствующие абсолютным максимумам амплитуды низкочастотного сигнала, рис.3.  В то же время, при нижней граничной частоте УМЗЧ →0, искажения компоненты частотой 80Гц могут отсутствовать.

Рис.2 Ограничение двухтонального сигнала по амплитуде

Рис.3 Искажения сигнала частотой 5 кГц (масштаб по вертикали увеличен)

Конечно, данный пример несколько преувеличен, но показывает,  как  незначительное уменьшение сопротивления нагрузки может вызвать рост в УМЗЧ уровня искажений малых высокочастотных сигналов до десятков процентов. Причем все это происходит при меньшей мощности в нагрузке, чем заявленная выходная мощность усилителя. В случае использования АС — реактивной нагрузки (фаза тока не совпадает с фазой напряжения), роль малого сигнала «с успехом выполняет» противо-ЭДС динамических головок.

Тем, кому этот пример показался простым и неинтересным, предлагаю следующие вопросы:

1. Куда «потерялась» заявленная номинальная мощность усилителя при усилении двух синусоидальных сигналов (15 Вт — 9,3 Вт = 5,7 Вт или 38%) при работе на идеальную нагрузку?2. Почему при уменьшении разности между частотами двух синусоидальных сигналов до определенного (какого) предела «потеря» мощности снижается?
3. Почему при уменьшении сопротивления нагрузки не исказится меандр, представляющий собой композицию множества убывающих с ростом частоты (но связанных фазовыми соотношениями) синусоидальных колебаний?
4. Сколько и где «потеряется» заявленной мощности усилителя при работе на музыкальном сигнале и при работе на реальную акустическую систему, не являющуюся активным сопротивлением?

Ответившие на них, не будут против следующего: Реальный КПД усилителей классов «B», «D», «TD» др. при работе с музыкальным сигналом на реальные акустические системы может снижаться до уровня менее 25%, т.е. величины, характерной для усилителей класса «А». Но если для усилителей класса «А», эти менее 25% потребляемой мощности справедливо могут быть представлены «максимальной выходной мощностью», то  для усилителей класса «B» «реальная» максимальная выходная мощность, соответствующая способности усилителей «В» класса управлять нагрузкой не хуже усилителя класса «A» с такими же параметрами — составит < 33% от заявленной. Для ШИМ усилителей «реальная» выходная мощность составит < 26% заявленной.

Другими словами: при попытке УМЗЧ «не А» класса обеспечить заявленную выходную мощность на реальной комплексной нагрузке и реальном музыкальном сигнале, их выходные каскады и блоки питания оказываются вне рамок допустимых режимов работы, а значит — не смогут обеспечить заявленные параметры УМЗЧ.

О недостатках энерговооруженности УМЗЧ, скрытых потерях в конденсаторах и «медвежьей услуге» отрицательной обратной связи.

УМЗЧ, в выходном каскаде которого используется ООС, наряду с недостатками, описанными в [2], имеет неоспоримое, на первый взгляд, преимущество — блок питания УМЗЧ также охвачен ООС. Да, ООС снижает требования к пульсациям питающего напряжения УМЗЧ в определенном диапазоне выходных напряжений усиливаемого сигнала. Но ООС УМЗЧ не добавляет блоку питания усилителя ни стабильности выходных напряжений во времени, ни недостающей мощности (читать — энергии), если это не предусмотрено схемотехнически. В моменты подпитки накопительных конденсаторов блока питания через открытые выпрямительные вентили, в цепь ООС через шины питания и общий провод оказываются включенными не только элементы выпрямителя и сетевой трансформатор, но и выключатель питания, сетевой шнур, контакты вилка-розетка, все те сетевые фильтры и кондиционеры, которые владелец использует, электропроводка, электросчетчик и далее…

Можно предположить, что при низком качестве последних в цепь ООС оказываются включены холодильник, лампы освещения, компьютер, пылесос соседа и масса других интересных и «нужных» усилителю внешних электроустройств… Если учесть, что исходный (без ООС) коэффициент усиления УМЗЧ составляет сотни и тысячи, а выпрямительные вентили открыты до 20% всего времени, то эти предположения становятся суровой действительностью. Создатели ламповых усилителей используют в цепях питания CLC фильтры, но неграмотное их исполнение еще больше увеличивает время открытия выпрямительных вентилей, а межвитковые емкости обмотки дросселей становятся причиной повышенных помех на высоких частотах.

В настоящее время транзисторные усилители 50-100 Вт на канал и выше имеют далеко не лучшее конструктивное исполнение блоков питания. Теоретически, чем больше заявленная выходная мощность усилителей, тем больше должны быть емкости накопительных конденсаторов блока питания, что конструкторы и предусматривают. Маленький нюанс: из-за паразитной распределенной индуктивности обкладок конденсатора реактивность его импеданса меняет свой знак «-» на «+» (характер внутреннего сопротивления конденсатора меняется с емкостного на индуктивный) на определенной частоте. Выше этой частоты внутреннее сопротивление конденсатора растет.

Частота, с которой  импеданс электролитических конденсаторов массового применения растет, лежит в пределах звукового диапазона и составляет 1…3 кГц для конденсаторов емкостью 500-2000 мкФ, и (всего!!!) 50…300 Гц — для конденсаторов емкостью выше 5000 мкФ. Появление в усиливаемом сигнале компонент значительных уровней с частотами выше указанных, приведет к мгновенному неконтролируемому снижению напряжения питания УМЗЧ. Последствия аналогичны приведенному выше примеру. Ограничение пиков сигнала приводит к мгновенной потере общей ООС УМЗЧ, росту выходного сопротивления усилителя и деградации всех его параметров.

В ламповых усилителях борьба с «энергетическим голодом» по питанию в области высоких частот может быть осуществлена путем шунтирования электролитических конденсаторов более высокочастотными бумажными или пленочными конденсаторами достаточной емкости. Для бестрансформаторных транзисторных УМЗЧ этот подход малоэффективен в силу массогабаритных и финансовых ограничений.

О согласовании трансформаторного лампового УМЗЧ с широкополосной динамической головкой. Правило 4:8:16.

Некоторые радиолюбители связывают простоту разделительных фильтров АС с большей натуральностью  звучания. В связке с плохим УМЗЧ — это, безусловно, так. Простые фильтры 1-го порядка включаются последовательно с динамическими головками и разгружают усилитель в своих полосах задержания. С другой стороны, если недостатки конструкции динамических головок, примененных в АС, требуют ювелирной настройки АЧХ/ФЧХ передачи фильтров (в том числе и включением параллельно/последовательно динамическим головкам RLC цепочками), то это необходимо делать, даже если приводит к некоторому  снижению модуля и увеличению реактивности импеданса АС в целом. Без комментариев оставим поведение импеданса НЧ головок вблизи частот их механических/акустических резонансов.

С учетом этих факторов, импеданс реальных АС в рабочем диапазоне частот в большинстве случаев далек от заявленного, динамически меняется в зависимости от формы (спектрального состава и фазовых соотношений), величины и продолжительности воспроизводимого сигнала. На Рис.4 представлен график импеданса типовой широкополосной динамической головки, номинальным сопротивлением 4 Ом. На графике указаны точки пересечения кривой импеданса с линией, соответствующей сопротивлению 8 Ом (см. далее).

Рис. 4 График импеданса широкополосной динамической головки

Главной проблемой, с которой сталкиваются разработчики АС, является значение, частотная и фазовая  флуктуация выходного сопротивления УМЗЧ, с которым их изделиям предстоит работать. Непредсказуемость поведения данного параметра в усилителях наблюдается довольно часто. В этом случае вообще сложно говорить не только о каком-либо соответствии тонального баланса звучания акустических систем, прогнозируемому (рекламируемого) их изготовителем, но и о более прозаических вещах, например о коэффициенте искажений. В качестве наглядного примера на рис.5 показан график выходного сопротивления лампового УМЗЧ класса «А» без ООС с номинальной выходной мощностью 5 Вт на сопротивлении нагрузки 8 Ом при КНИ=5%, выходные лампы которого работают в пентодном режиме. На рис.6 – транзисторного неинвертирующего УМЗЧ класса «В» выходной мощностью 50 Вт с ООС.

Выходное сопротивление обоих усилителей измерено «разностным методом» путем подачи на выход (при закороченном входе) сигнала белого шума от мощного генератора через резистор, равный номинальному сопротивлению нагрузки.

Рис.5 График выходного импеданса лампового УМЗЧ (пентодный режим).

Рис.6 График выходного импеданса транзисторного УМЗЧ класса «В»

Из графиков видно, что в НЧ области оба УМЗЧ имеют индуктивный характер выходного сопротивления. В области ВЧ выходное сопротивление лампового УМЗЧ является емкостным, а транзисторного – индуктивным, с высоким уровнем флуктуаций. Флуктуации вызваны переключательными искажениями выходных транзисторов т.к. амплитуда тока подаваемого при измерении сигнала белого шума превышала ток покоя выходных транзисторов, а глубина общей ООС усилителя на этих частотах — снижена.

Выходное сопротивления лампового усилителя на средних частотах можно признать аномальным, но, тем не менее, объяснимым и часто встречающимся на практике. Почему АС, предназначенные для работы с ламповыми усилителями, рассчитываются на выходное сопротивление УМЗЧ — 2 Ом?

Рассмотрим энергетические возможности лампового УМЗЧ при работе на номинальную нагрузку 8 Ом. Для этого проведем испытания усилителя при  двух нагрузках: в качестве первой (активной) используем проволочный резистор ПЭВ сопротивлением 8 Ом; в качестве второй (реактивной) – широкополосную динамическую головку в акустическом оформлении открытый ящик, график импеданса которой изображен на рис.4.

На частотах 45, 77 и 8000 Гц сопротивление динамической головки — 8 Ом, но его характер на разных частотах разный: на частотах 45 и 8000 Гц – индуктивный (фаза тока -45 градусов), а на частоте 77 Гц – емкостной (фаза тока +45 градусов). Испытаем  ламповый УМЗЧ при работе на различную нагрузку. В качестве критерия оценки используем выходную мощность усилителя на чистом тоне для заданного коэффициента нелинейных искажений, например 1, 2, 3, 5 и 10%.

Результаты измерений приведены в таблице и на графике, рис.7. При отображении значений выходной мощности в колонках 3, 5 и 8 таблицы учитывается, что ток в нагрузке Iн и напряжение усилителя Uн сдвинуты по фазе на ±45 градусов, т.е. при расчете выходной мощности Pвых = Uн*Iн для значений этих колонок применен поправочный множитель cos(Φ)=0,707.

Выходная мощность лампового УМЗЧ (Вт) при заданном КНИ и работе на различную нагрузку сопротивлением 8 Ом.

КНИ,%
45 Гц
ПЭВ  8Ом
45 Гц
Iн45град
77 Гц
ПЭВ  8Ом
77 Гц
Iн +45град
1 кГц
ПЭВ  8Ом
8 кГц
ПЭВ  8 Ом
8 кГц
Iн -45град
1 2 3 4 5 6 7 8
1 0,1 0,1 0,2 1,0 1,1 0,3 0,2
2 0,4 0,3 0,6 2,6 2,2 0,8 1,0
3 0,7 0,5 1,1 3,8 3,3 1,4 3,8
5
1,4
0,9
2,2
4,8
4,8
2,9
4,7
10 3,6 2,0 5,0 5,9 6,9 6,3 6,1

 

Рис.7 График зависимости выходной мощности лампового УМЗЧ при заданном КНИ при работе на различную нагрузку сопротивлением 8 Ом

Результаты испытаний достаточно интересны:

— На активной нагрузке при КНИ=5% выходная мощность усилителя составляет 1,4 Вт на частоте 45 Гц; 2,2 Вт – на частоте 77 Гц; 4,8 Вт – на частоте 1 кГц и 2,9 Вт — на частоте 8 кГц

— При емкостном характере нагрузки, выходная мощность усилителя при том же КНИ на частоте 77 Гц возрастает с 2,2 до 4,8 Вт, т.е. более чем в 2 раза.

— При индуктивной нагрузке, выходная мощность усилителя при том же КНИ на частоте 8 кГц возрастает с 2,9 до 4,7 Вт, а на частоте 45 Гц – снижается с 1,4 до 0,9 Вт.

По результатам эксперимента видно, что наиболее полно энергетические возможности лампового УМЗЧ используются при работе на нагрузку, которая на низких частотах является емкостной, на средних частотах – активной, а на высоких частотах – индуктивной. Такой идеальной нагрузкой для лампового УМЗЧ является широкополосная динамическая головка в простом акустическом оформлении (в диапазоне частот выше частоты механического резонанса подвижной системы). Создание многополосной АС с таким же характером импеданса как у широкополосной головки является трудным делом даже для опытных конструкторов акустических систем. Это во многом объясняет то, что радиолюбители сначала удивляются хорошему качеству звучания самодельного лампового УМЗЧ при его работе на «лежащую на табурете» широкополосную динамическую головку. Потом, когда динамик установлен в корпус, да еще и вместе с пищалкой (соответственно, появляются разделительные фильтры)  – качество звука «куда-то» теряется.

Несколько слов о том, что мы в свое время имели и не ценили. Это — отечественная промышленная акустика. Оставим вопросы качества используемых технологии изготовления и сборки «в дереве, бумаге, пластмассе и металле» — избыточных нареканий на это было очень много, если бы не большое «Но!». Обладая ламповым или транзисторным среднестатистическим УМЗЧ тогда, от смены акустических систем на «объективно лучшие» владелец получал значительно больший прирост качества звучания, чем сейчас, обладая  «эксклюзивными» современными АС, получает от замены одного «хорошего» усилителя на другой «объективно лучший». Не по тому ли результат в приросте качества по субъективным (наиболее верным) ощущениям 20% (при росте цены на 200%) заставляет верить в эзотерику?

Вспомним соотношение сопротивлений динамических  головок, применяемых в отечественных акустических системах. Разработчики следовали правилу НЧ — 4 Ом, СЧ — 8 Ом, ВЧ — 16 Ом. Кто придумал такое соотношение сопротивлений динамических головок? Вызвано ли это было технологическими/экономическими соображениями в выборе номиналов элементов разделительных фильтров (на НЧ получались меньше индуктивности, на ВЧ – емкости) или чем-то иным – не известно. Положительным моментом всего этого являлось то, что характеристика импеданса производимых АС более-менее соотносилась с энергетическими возможностями блоков питания транзисторных УМЗЧ, а также обеспечивала допустимость использования этих АС совместно с ламповыми (трансформаторными) усилителями.

Сопротивление современных акустических систем, обычно, растет в области раздела частотных полос и снижается в рабочих полосах динамических головок, причем абсолютный его минимум вполне может оказаться как на средних, так и на высоких частотах. Из-за этого фазовые сдвиги токов и напряжений в выходных каскадах, а также величина общей ООС усилителей меняются в соответствии с реактивностью импеданса АС в области СЧ-ВЧ значительно сильнее.

График импеданса современной двухполосной АС с паспортным значением сопротивления 8 Ом приведен на рис.8. При всех своих «возможных достоинствах», данная АС не подойдет для работы совместно с ламповым УМЗЧ, характеристики которого обсуждались выше. Никакой подбор «акустических кабелей» не поможет решению этой проблемы, несмотря на абсолютную совместимость стандартных электрических параметров УМЗЧ и АС. Усилитель, работая на эту АС, на частотах ниже 90Гц (в том числе на реальном музыкальном сигнале) не способен обеспечить более 2 Вт выходной мощности при заявленном КНИ.

Рис.8 График импеданса типовой современной двухполосной АС

Что можно сказать об обсуждаемом ламповом усилителе: плохой он или хороший? Усилитель не универсален, очень капризен к нагрузке и требует для раскрытия своих возможностей правильного подбора акустических систем. В случае успешного решения этой задачи, усилитель обеспечит неплохое качество звука, особенно на средних частотах, где его выходное сопротивление максимально [2]. Можно ли было сделать подобный вывод, основываясь только на паспортных характеристиках УМЗЧ? Однозначно – нет.

Можно ли обеспечить согласование этого усилителя при работе с типовой АС путем использования дополнительных, пассивных электрических цепей? Теоретически в ограниченном частотном диапазоне – да. Практически (без потерь выходной мощности и без внесения искажений в АЧХ-ФЧХ тракта в целом) – нет.

Для раскрытия потенциала транзисторных УМЗЧ (с ООС), их нагрузка должна быть только  активной, а ее сопротивление должно быть максимально стабильным во всем рабочем диапазоне частот и не меняться ни во времени, ни в зависимости от уровня выходного сигнала.

О способах снижения реактивности импеданса акустических систем. Требования к согласующему устройству.

В УМЗЧ [3] применено активное «устройство компенсации сопротивления проводов» включенное в цепь ООС УМЗЧ. Однако, применить устройство компенсации сопротивления проводов в промышленных УМЗЧ не всегда реально (в основном по соображениям владельцев о невмешательстве в аппараты). К тому же, практика показала, что эффективность работы компенсатора напрямую связана с качеством самого УМЗЧ. Применение компенсатора с ламповыми УМЗЧ без ООС проблематично технологически и не всегда актуально, ввиду их высокого выходного сопротивления.

Реактивность сопротивления соединительных проводов (линейные искажения) гораздо ниже непостоянства величины (нелинейности) и реактивности сопротивления АС. Поэтому устранение влияния соединительных проводов [3] — не решает проблемы непредсказуемой деградации качества звучания УМЗЧ+АС в целом. Помимо выполнения основной своей задачи – усиливать сигнал, УМЗЧ вынужден принимать на себя работу по «успокоению» флуктуаций импеданса АС. На это в усилителе затрачивается определенная энергия (часть выходной мощности).

Разработчикам усилителей давно пора перестать делать вид, что малое выходное сопротивление УМЗЧ, полученное с помощью ООС на малом сигнале остается неизменным во всем диапазоне выходных напряжений/токов, на любой частоте и на любой нагрузке, и что все заявленные параметры усилителей стабильны. Для усилителей классов «не А» — это, в принципе, недостижимо. В радиолюбительской практике приходилось не раз наблюдать срыв ООС в транзисторных УМЗЧ при работе на реальные АС, уже на половине максимальной выходной мощности, в то время как при работе «на резистор» — никаких проблем с устойчивостью усилителя не отмечалось.

Становится понятно, что грамотно «состыковать» типовые УМЗЧ и АС можно только с помощью некоего согласующего устройства, включаемого между ними. Причем это устройство может быть активным или пассивным, но оно не должно быть связано с УМЗЧ ни энергетически, ни с применением какой-либо общей обратной связи. К сожалению, соединительный провод таким устройством — не является.

Согласующее устройство должно выполнять следующие функции:

1. для нагрузки (АС) — обеспечивать видимость низкого активного, частотнонезависимого выходного сопротивления УМЗЧ;
2. для УМЗЧ — обеспечивать видимость оптимального, постоянного во времени импеданса АС;
3. при включении устройства в тракт идеальных (☺) УМЗЧ и АС, устройство не должно влиять на работу (не ухудшать параметры) ни того, ни другого;
4. конструктивно быть выполнено независимым от УМЗЧ и АС, быть легко подключаемым (Plug-and-Play);

Для усилителей с ООС по напряжению, рассчитанных на работу с активной нагрузкой, могут быть применены следующие пассивные согласующие «устройства»:

Первое — применение на выходе УМЗЧ мощного резистивного делителя напряжения, скажем 3:1 (для 8-омных АС: верхнее плечо 6,2 Ом, нижнее – 3,3 Ом). АС подключается к нижнему плечу делителя. В этом случае развиваемое АС звуковое давление упадет примерно в 10 раз, но одновременно с этим будут практически выполнены условия №2 и №4. Снижением сопротивления нижнего плеча делителя можно выполнить и условие №1, но при этом уменьшение КПД тракта в целом станет неприемлемым.

Вторым, в свое время примененным А.М.Лихницким [4], является шунтирование резистором выхода УМЗЧ и, соответственно, АС. Результат почти аналогичный – снижение непостоянства  выходного сопротивления УМЗЧ / снижение реактивности АС достигается путем значительного увеличения  рассеиваемой мощности на выходных транзисторах (и в блоке питания) усилителя непропорционально получаемому результату. Аналогичная ситуация складывается в ламповых УМЗЧ класса «А» при переводе выходных пентодов на работу в триодный режим.

Очевидно, что и первый и второй способы конструктивно должны быть выполнены на клеммах АС, нежели УМЗЧ – это снизит влияние реактивности импеданса АС на соединительные провода. Для ламповых усилителей с трансформаторным выходом, применение подобных пассивных согласующих устройств неэффективно и может привести к еще большему ухудшению звучания.

Активное согласующее устройство — «реактивный усилитель».

Блок схема одного из вариантов активного согласующего устройства для транзисторных УМЗЧ с ООС по напряжению представлен на рис 9. Основной узел схемы — это резистивный мост R1R2R3Rн, одна из диагоналей которого подключена к выходу УМЗЧ, а с другой снимается сигнал ошибки, пропорциональный разнице мгновенного напряжения/тока на клеммах АС и мгновенного напряжения на выходе основного УМЗЧ. Сигнал ошибки поступает на вход мощного дифференциального усилителя A1 с коэффициентом усиления КА1 > Rн/R3, выход которого через токоограничительный резистор R4 соединен с «горячей» клеммой АС.  Условие баланса моста R1*Rн = R2*R3.

1
^Нажмите для увеличения^

Рис.9 Схема активного устройства стабилизации импеданса восьмиомной АС

Принцип работы согласующего устройства следующий:

— Любая мгновенная разбалансировка резистивного моста из-за изменения импеданса АС приводит к появлению на выходе усилителя А1 напряжения (тока через резистор R4), стремящегося вернуть напряжение на клеммах АС в точности равным напряжению в точке соединения R1 и R2. Со стороны выходных клемм основного УМЗЧ устройство будет представлять собой активное сопротивление Rн’ = R3*R2/R1 (при условии R1+R2 >> R3+Rн) независимо от того подключена ли АС к выходу устройства или нет. Следовательно, любая составляющая тока через АС, отличающаяся от условия при котором мост сбалансирован, будет компенсирована противофазным выходным током усилителя А1, протекающим через R4.

— Любое изменение тока, протекающего через R3, вызванное реактивностью импеданса (противо-ЭДС) акустической системы также приведет к появлению напряжения разбалансировки моста и будет скомпенсировано противофазным током с выхода усилителя A1. Выходное сопротивление устройства Rвых’ со стороны подключения АС составит Rвых’ = Rвых(1+R3/Rвых)2/КА1, где Rвых – выходное сопротивление основного УМЗЧ.

При идентичности параметров основного УМЗЧ и усилителя A1, а также равенстве сопротивлений R3 и R4, устройство обеспечивает поддержание заданного резистивным мостом сопротивления Rн’ при изменении активной составляющей импеданса АС в диапазоне ½Rн’…∞ (ограничение по амплитуде выходного напряжения усилителя A1),  либо компенсирует реактивную составляющую импеданса АС до ± 60 градусов. При изменении импеданса АС комплексно, включая ситуацию с увеличением сопротивления динамических головок АС с ростом подводимой к ним мощности – возможности схемы несколько меняются.

Усилитель A1 выполняет работу по компенсации реактивной компоненты и флуктуаций импеданса АС, в том числе в зависимости от воспроизводимого сигнала, что полностью устраняет деградацию качественных характеристик основного УМЗЧ при работе на реальные АС.

Характеристики усилителя А1 должны быть следующими:

— максимальная выходная мощность может быть меньше, чем у основного УМЗЧ ровно настолько, насколько основной УМЗЧ «недогружен» в эксплуатации (если выбран с запасом выходной мощности). В любом случае, если в некоторые «жизненные» моменты необходима большая громкость звучания без претензий к качеству – согласующее устройство можно всегда отключить.

— коэффициент нелинейных и интермодуляционных искажений усилителя А1 может быть на порядок  больше, чем у основного УМЗЧ, но характер зависимости искажений от выходной мощности и частоты сигнала должен быть близким.

— неравномерность АЧХ и ФЧХ усилителя А1 должны быть меньше относительных (АЧХ) и абсолютных (ФЧХ) флуктуаций импеданса используемых АС (в рабочей полосе частот).

— максимальное допустимое синфазное напряжение на входах А1 должно быть не ниже амплитудного значения выходного напряжения основного УМЗЧ. В противном случае подключение инвертирующего и неинвертирующих входов А1 к соответствующим точкам схемы следует производить через резистивные делители, понижающими уровень максимального входного сигнала до допустимых значений (для ОУ — обычно ±10 Вольт).

— коэффициент усиления А1 по напряжению теоретически (с позиции сохранения значения фактора демпфирования основного УМЗЧ) не может быть меньше четырех, а практически, с учетом реального отношения Rн/R3 и предыдущих двух пунктов – должен быть выше 30…50. Неплохим вариантом схемной реализации А1 является параллельный усилитель А.Агеева [5] (каскад на первом операционнике можно исключить), в котором применена цепь вольтдобавки по питанию ОУ.

Выбор номинала резистора R4 зависит от нескольких условий. Отправной точкой может служить номинальное сопротивление нагрузки Rн.А1 усилителя А1. Увеличение сопротивления R4 выше этого значения снижает реактивность нагрузки для самого А1, что хорошо. Но, с другой стороны – ограничивает амплитудные возможности А1 по току. Выбор сопротивления R4 менее ½Rн.А1 приводит к повышению тепловой (токовой) нагрузки на выходной каскад и блок питания усилителя А1, что может привести к снижению его собственных характеристик и нарушению устойчивости  работы.

О вариантах конструктивного исполнения согласующего устройства:

Вариант 1: Устройство может быть выполнено в корпусе и с использованием блоков любого имеющегося промышленного усилителя, подходящего по параметрам. Идеальным вариантом с минимальными доработками может оказаться устаревший оконечный усилитель, например, УМ «Эстония-010». В этом случае устройство размещается в непосредственной близости основного УМЗЧ. Качество соединительных проводов между выходом согласующего устройства и АС должно быть высоким. Оптимальным сопротивлением резистора R3 в данном случае следует считать его равенство выходному сопротивлению основного УМЗЧ.

Вариант 2, лучший: Согласующее устройство встраивается в корпус АС или выполняется в виде моноблоков с дистанционным включением питания, размещаемых в непосредственной близости от клемм акустических систем. В таком случае решается проблема минимизации влияния соединительных проводов между выходом основного УМЗЧ и входом согласующего устройства. Оптимальное сопротивление резистора R3 в данном случае равно сумме выходного сопротивления основного УМЗЧ и сопротивления соединительных проводов.

Требование к блоку питания усилителя согласующего устройства: обеспечить требуемые для работы А1 напряжения и токи.

При любом конструктивном исполнении согласующего устройства необходимо предусмотреть переключение сигнала от выхода УМЗЧ к «горячей» клемме АС в обход цепи резистора R3  при отключении питания. Наиболее оптимально это реализовать на основе устройства защиты АС усилителя «Бриг-001» или аналогичного.

Применение активного согласующего устройства создает основному УМЗЧ условия для работы, в которых были определены его паспортные параметры. Это позволяет при выборе УМЗЧ звуковоспроизводящего комплекса снизить требования к запасу его выходной мощности и сосредоточиться на качественных параметрах, функциональных возможностях и дизайне.

При  выборе акустических систем, применение данного устройства также выгодно т.к. позволяет использовать с имеющимся усилителем более «тяжелые» по импедансу АС без риска снижения  характеристик УМЗЧ и, как следствие, снижения качества звуковоспроизведения.

И.Алексеев
[email protected]

Читайте обсуждение этой статьи на нашем форуме >>>

1 693, 1


 


Метки:, , , , , , ,   Рубрики: Ламповые Усилители



Комментарии:


Смотрите также:




  • Прямонакальный, трансформаторный 4П1Л+ГУ15Прямонакальный, трансформаторный 4П1Л+ГУ15
      Лампочки лежали около 6 лет, пробовал в триоде(увлечение, стремительно проходящее), но так и не заценил их . Идея крутилось около пентода , но лень, которая родилась ранее меня, не давала движения. Года два вспять смутные представления о реализации начали давать ростки, в виде того, что достану из коробки, посмотрю…и вспять . Так протекало время, […]
  • О вопросах согласования усилителя и акустики. Реактивный усилитель.О вопросах согласования усилителя и акустики. Реактивный усилитель.
    О проблемах УМЗЧ: реальном КПД<25% и способности управлять нагрузкой (непостоянстве выходного сопротивления). Усилители мощности звуковых частот (УМЗЧ) не позволяют получить заявленные их производителями выходные характеристики при работе на реальные акустические системы (АС), являющиеся комплексной нагрузкой. Данная проблема отражена в [1]. Причина этого кроется в недостатках системы (стандартов) оценки качества и методик определения параметров усилителей. Заявленные […]
  • Усилитель в стиле РЕТРОУсилитель в стиле РЕТРО
    Усилитель в стиле «РЕТРО» Усилитель выполнен по традиционной схеме с автосмещением на лампах: Выходные — AL5, драйверы — 6Г7, кенотрон — AZ1.   ^Нажмите для увеличения^ С регулятора громкости сигнал приходит на сетку 6Г7, усиливается, и с анода этой лампы через разделительный конденсатор поступает на управляющую сетку AL5, усиливается этой лампой и через выходной трансформатор […]
  • Проект *Мои милашки*Проект *Мои милашки*
    Много копий сломано, еще более высказано досадных фраз в сторону одной либо другой концепции, а скольких нервных клеток лишился любой из убежденных фанатов той либо другой стороны медали и не сосчитать. Охото сказать словами кота Леопольда «Ребята, давайте жить дружно!». И не для того, чтоб сохранять млрд и млрд убиенных нервных служащих нашей психики, а […]
  • Усилитель на 6с33с и 6ж52пУсилитель на 6с33с и 6ж52п
        ^Нажмите для увеличения^     ^Нажмите для увеличения^ Усилитель собран по традиции в корпусе Прибоя. Применено комбинированное смещение, так как 6с33с не рекомендуют использовать с фиксированным из-за возможности уйти «вразнос». В качестве драйвера использовал 6ж52п. Их нужно отобрать с минимальным микрофонным эффектом. Коэффициент усиления драйвера 48. Накал 6С33С переменным током 12.6вольт. На накал […]

Поиск только по статьям

Смотрите также:

  • RIAA- корректор с индуктивной коррекциейRIAA- корректор с индуктивной коррекцией
    RIAA- корректор с индуктивной коррекцией. В этом аппарате применена LC- коррекция на основе дросселей Tango EQ- 2L (к сожалению, больше не выпускаются), межкаскадный трансформатор Tango NP- 206. Аппарат выполнен на …

.

.