Выходная мощность усилителей: особенности, расчет и влияющие факторы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое выходная мощность усилителя. Как рассчитывается номинальная и максимальная выходная мощность. Какие факторы влияют на выходную мощность усилителя. Почему важен КПД усилителя.

Содержание

Что такое выходная мощность усилителя и как она определяется

Выходная мощность усилителя — это полезная мощность, которую усилитель способен передать в нагрузку. Она определяется как произведение действующих значений выходного напряжения и тока:

P = U * I

где P — выходная мощность, U — действующее значение выходного напряжения, I — действующее значение выходного тока.

При активной нагрузке выходная мощность также может быть рассчитана как:

P = U^2 / R

где R — сопротивление нагрузки.

Номинальная и максимальная выходная мощность усилителя

Различают номинальную и максимальную выходную мощность усилителя:

Номинальная мощность — это мощность, которую усилитель способен отдавать в нагрузку длительное время с допустимым уровнем искажений.
Максимальная мощность — это пиковая мощность, которую усилитель может выдать кратковременно.

Номинальная мощность обычно составляет 50-70% от максимальной. Длительная работа на максимальной мощности может привести к перегреву и выходу усилителя из строя.

Факторы, влияющие на выходную мощность усилителя

На выходную мощность усилителя влияют следующие основные факторы:

Напряжение питания — чем оно выше, тем большую мощность способен отдать усилитель
Сопротивление нагрузки — оптимальная нагрузка обеспечивает максимальную передачу мощности
Схемотехника выходного каскада — разные типы каскадов имеют разную эффективность

Охлаждение — хороший теплоотвод позволяет получить большую выходную мощность
Качество компонентов — более надежные детали позволяют работать на повышенной мощности

Почему важен КПД усилителя мощности

КПД (коэффициент полезного действия) усилителя показывает, какая часть потребляемой мощности превращается в полезную выходную мощность. Он рассчитывается как:

КПД = Pвых / Pпот * 100%

где Pвых — выходная мощность, Pпот — потребляемая мощность.

Высокий КПД важен по следующим причинам:

Меньшее энергопотребление
Меньший нагрев усилителя
Возможность получить большую выходную мощность
Увеличение срока службы компонентов

Современные усилители класса D могут иметь КПД до 90% и выше, что позволяет создавать мощные и компактные устройства.

Как измеряется выходная мощность усилителя

Для измерения выходной мощности усилителя используются следующие методы:

Измерение напряжения на эквиваленте нагрузки известного сопротивления
Использование специальных измерителей мощности
Измерение тока и напряжения с последующим расчетом мощности
Тепловой метод — по нагреву калиброванной нагрузки

При измерениях важно учитывать следующие факторы:

Частота и форма тестового сигнала
Длительность измерения
Температурный режим усилителя
Напряжение питания
Уровень искажений

Выходная мощность и качество звучания усилителя

Выходная мощность усилителя напрямую влияет на качество звучания аудиосистемы. Основные аспекты этого влияния:

Динамический диапазон — более мощный усилитель способен воспроизводить более широкий диапазон громкости
Четкость звучания — запас по мощности позволяет избежать искажений на пиках сигнала
Контроль низких частот — мощный усилитель лучше управляет динамиками на басах

Детальность — высокая мощность позволяет лучше передавать мелкие нюансы звучания

При этом важно помнить, что чрезмерная мощность может привести к повреждению акустических систем. Необходимо правильно согласовывать мощность усилителя и акустики.

Особенности выходной мощности в разных классах усилителей

Разные классы усилителей имеют свои особенности в плане выходной мощности:

Класс A — низкий КПД, но высокое качество звука
Класс AB — компромисс между качеством и эффективностью
Класс D — высокий КПД, возможность получить большую мощность
Класс G/H — адаптивное питание для повышения эффективности

Выбор класса усилителя зависит от требований к качеству звука, эффективности и максимальной мощности в конкретном применении.

Влияние импеданса нагрузки на выходную мощность

Сопротивление (импеданс) нагрузки оказывает существенное влияние на выходную мощность усилителя. Основные закономерности:

При уменьшении сопротивления нагрузки выходная мощность обычно возрастает
Существует оптимальное сопротивление нагрузки для каждого усилителя
Слишком низкое сопротивление может привести к перегрузке и выходу усилителя из строя

Большинство бытовых усилителей рассчитаны на работу с нагрузкой 4-8 Ом. При подключении акустических систем важно учитывать их импеданс для обеспечения оптимальной работы усилителя.

Выходная мощность

При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна

где Uвых — действующее, а Um вых – амплитудное значение выходного напряжения.

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счет нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения не превышают заданной (допустимой) величины.

Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя.

Коэффициент полезного действия

Этот показатель особенно важно учитывать для усилителей средней и большой мощности, так как он позволяет оценить их экономичность. Численно к.п.д. равен

где Ро – мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Номинальное входное напряжение (чувствительность)

Номинальным входным напряжением называется напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Входное напряжение зависит от типа источника усиливаемых колебаний. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя. Подача на вход усилителя напряжения, превышающего номинальное, приводит к значительным искажениям сигнала и называется перегрузкой со стороны входа.

Если усилитель предназначен для работы от нескольких источников, то его вход рассчитывается обычно на наименьшее напряжение, которое дает один из источников, а другие источники сигнала включаются через делители напряжения.

Диапазон усиливаемых частот

Диапазоном усиливаемых частот, или полосой пропускания, называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям.

Допустимые изменения коэффициентов усиления в пределах полосы пропускания зависят от назначения и условий работы усилителя.

Уровень собственных помех усилителя

Причины возникновения помех на выходе усилителя можно разделить на три основные группы:

1) тепловые шумы, 2) шумы усилительных элементов, 3) помехи из-за пульсаций напряжения питания и наводок со стороны внешних электромагнитных полей.

Известно, что в проводниках и полупроводниках при нормальной комнатной температуре (порядка С) электроны движутся хаотически, причем в каждый данный момент количество электронов, движущихся в каком либо одном направлении, превышает количество электронов, движущихся в других направлениях. Преимущественное движение электронов в любом направлении является электрическим током и, следовательно, при этом на проводнике или полупроводнике создается напряжение, не подчиняющееся какому либо определенному закону.

Так как впервые с этим напряжением столкнулись при создании радиовещательных приемников, в которых оно после усиления попадало к громкоговорителю и создавало шум, то его назвали напряжением шумов.

Шумовые напряжения, в силу своей случайности, имеют самые различные частоты и фазы и поэтому практически охватывают всю полосу частот усилителя. Следовательно, с увеличением полосы пропускания усилителя уровень шума возрастает. Кроме того, шум тем больше, чем выше температура и больше величина сопротивления цепи, которая создает напряжение тепловых шумов.

При температуре 20 — 25°С шумовое напряжение можно найти по формуле

Uт.ш ,

где Uт.ш – напряжение тепловых шумов, мкВ;

fв и fн — высшая и низшая частоты, пропускаемые цепью, кГц;

R – активная составляющая сопротивления цепи в полосе частот от fв до fн, кОм.

Все цепи усилителя создают напряжение тепловых шумов, однако особенно большое влияние оказывают собственные шумы первых усилительных каскадов, так как эти шумы в дальнейшем усиливаются всеми последующими каскадами. Если, например, высшая и низшая рабочие частоты усилителя равны 10000 и 100 Гц, а активное сопротивление входной цепи составляет 500 Ом, то напряжение тепловых шумов будет равно

Uт.ш ≈ 0,27 мкВ.

Приведенные вычисления показывают, что величина напряжения тепловых шумов очень мала. Поэтому помехи от тепловых шумов в усилителях сказываются лишь при больших коэффициентах усиления.

Напряжения шумов может возникнуть также из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилительный элемент. Это явление называют дробовым эффектом. Уровень шумов транзисторов обычно оценивают коэффициентом шума, выраженным в децибелах и показывающим, на сколько децибел, включенный в цепь транзистор повышает уровень шумов по сравнению с тепловыми шумами цепи.

Большое влияние на общий уровень помех усилителя оказывают пульсации напряжений источников питания, а также наводки со стороны внешних электрических и магнитных полей. Уменьшение этих помех может быть достигнуто применением дополнительных сглаживающих фильтров на выходе источников питания и тщательной экранировкой наиболее ответственных цепей усилителя (главным образом входных).

Величина общих помех на выходе усилителя должна быть значительно меньше напряжения усиленного сигнала; в противном случае из хаотически изменяющегося напряжения помех нельзя будет выделить полезный сигнал. Обычно считают, что полезный сигнал должен превышать уровень помех не менее чем

в 2 – 3 раза (на 6 – 10 дБ).

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд D. Динамический диапазон обычно выражают в децибелах

Выходная мощность магнитолы

При приобретении в машину музыки появляется множество вопросов. Один из самых задаваемых – это, каким образом по мощности к автомагнитоле подобрать автоакустику. Из школьной программы по физике всем известно, что мощность является работой, произведенной за единицу времени. К нашему случаю под работой применительно количество энергии, которую получает усилитель от АКБ автомобиля в виде постоянного тока и преобразовании ее в электрическую в виде переменного тока. Мощность, написанная на коробке с усилителем магнитолы, отличается от мощности акустики тем, что динамик принимает мощность, а усилитель ее отдает. Теперь стоит остановиться на двух основных вопросах, сколько динамик максимально может принять и сколько может отдать усилитель.

Максимальная мощность усилителя определяется как величина на выходе максимального напряжения, возведенная в квадрат и разделенная на сопротивление нагрузки. Другими словами если сопротивление большей части автомобильных динамиков 4 Ома на выходе усилителя 6Ва получается: 6 квадрат/4= 9ВтВозникает вопрос, почему 6В, если подходит к усилителю 12. Все потому что на выходе сигнал переменный, то есть амплитуда, она и будет считаться равной 6В. Полученные цифры – это пиковая мощность. Здесь следует отметить, что величины переменного напряжения можно измерять по-разному, и соответственно выходная расчетная мощность зависит напрямую от способа измерения. Большинство уважающих себя фирм используют шкалу среднеквадратичных значений. Это сокращение и будет использоваться в дальнейшем.

Смысл в том, что значение напряжения для синусоиды менее амплитудного почти в 1,41 раза. 6/1.41 квадрат/4=4,5Вт.Таким образом, получается, что усилитель большей части магнитол не способен выдать более 4,5 Вт при питании 12В, но это не совсем верно. Ведь есть мостовое включение, а на нем работают два усилителя на одну нагрузку, включенные таким образом, что на выходе размах синусоиды удваивается. Теперь выходная мощность становится больше чем 4,5Вт в четыре раза, поэтому возводится в квадрат напряжение, и, стало быть, получается – 18. (12/1,41 квадрат/ 4=18Вт). Это максимальная мощность, которую возможно выжать из усилителя во время питания в 12В. Откуда же тогда берутся 4х50Вт.

Дело все в том, что в более современных автомагнитолах в усилителе имеется специальная цепь, которая способна дать выходным каскадам на короткое время увеличенное напряжение. Цепь только на долю секунды способна поднять мощность до 55Вт. Это и дает возможность производителям указывать на коробке те самые 55Вт. Но если внимательно посмотреть паспорт своей магнитолы, то в конце паспорта где-нибудь мелким шрифтом указано что мощность магнитолы 20-22Вт при КНИ 12%. Что это значит. КНИ является коэффициентом нелинейных искажений. Загвоздка в том, что более комфортное прослушивание достигается при КНИ не более чем 0,5 %. А указываемая в большинстве случаев производителями автомагнитол выходная мощность при КНИ 12% при прослушивании не может не вредить здоровью. На динамиках в основном пишется значение мощности, которое способно вывести динамик из строя. То есть если на коробке указано 180Вт — это не мощность, при которой он работает, а мощность, при которой он, скорее всего, сгорит.

Здесь следует отметить, что динамика КПД 0,5% означает 99% проводимой мощности к нему, рассеивается в тепло и можно понять, почему спалить его так просто. Но тут тоже не все так ясно, загвоздка в том, что проблема заключается во времени подведения мощности к динамику, другими словами, если подвести к динамику на несколько миллисекунд сигнал с мощностью, которая превышает те 180Вт, он его спокойно переварит и продолжит игру. В тоже время, подведя к динамику сигнал с мощностью менее заявленных 180Вт, только в высоким КНИ, крикнет он в последний раз.

Демистификация концепций максимальной выходной мощности

Ключевые выводы

Выходная мощность в любой электрической системе является произведением выходного напряжения, выходного тока и коэффициента мощности (пф), как указано в уравнении Электрическая мощность в ваттах = напряжение * ток * пф.
Теорема о передаче максимальной мощности утверждает, что максимальная мощность передается от источника к нагрузке, когда импеданс нагрузки равен импедансу источника.
Когда схема рассчитана на максимальную выходную мощность, только 50 % входной мощности используется для полезной работы, что делает энергоэффективность схемы равной 50 %.

Рисунок 1: Высокая энергоэффективность является требованием любой инженерной системы.

При анализе характеристик машины или цепи обычно строится кривая энергоэффективности. Энергетическая эффективность системы представляет собой отношение выходной мощности к входной мощности, выраженное в процентах, а кривая эффективности представляет собой график, построенный между выходной мощностью и процентной эффективностью по оси абсцисс и ординате соответственно. Кривая эффективности достигает максимального значения при некоторой выходной мощности, которая может не совпадать с максимальной выходной мощностью. Максимальная энергоэффективность и максимальная выходная мощность не совпадают. Вы не можете сопоставить условия максимальной эффективности с условиями максимальной выходной мощности в системе. В этой статье мы развеем это заблуждение и рассмотрим, как взаимосвязаны максимальная выходная мощность и максимальная эффективность.

Максимальная выходная мощность и тепловые потери

При проектировании любой системы, будь то трансформатор или полный выпрямительно-инверторный блок в системе возобновляемой энергии, инженер разрабатывает максимальную эффективность. Максимальная выходная мощность не является серьезной проблемой в этих схемах, но мы разрабатываем номинальную выходную мощность, которая не обязательно является максимальной. Методология проектирования электрических систем заключается в том, чтобы зафиксировать входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток, а также спроектировать компоненты системы таким образом, чтобы она работала с максимальной эффективностью.

Максимальная эффективность может быть обеспечена за счет снижения потерь. Когда целью является снижение потерь, потеря тепла является серьезной проблемой почти во всех электрических и электронных системах. Потери тепла, также называемые потерями I2R, происходят из-за сопротивления цепи, оказываемого току, протекающему в цепи. Тепловые потери и выходной ток в цепи прямо пропорциональны, а выходной ток также влияет на выходную мощность системы. Выходная мощность в любой электрической системе является произведением выходного напряжения, выходного тока и коэффициента мощности (pf), как показано в уравнении 1 (ниже).

Где pf=cos, угол между кривыми напряжения и тока.

В качестве примера возьмем цепь постоянного тока: максимальная выходная мощность в цепи постоянного тока соответствует pf равно единице. Поскольку ток максимален, потери I2R и общие потери в цепи максимальны, что приводит к низкой эффективности. Здесь схема работает на максимальной выходной мощности, но КПД низкий. В случае цепи переменного тока значение pf также имеет значение, наряду с выходным напряжением и выходным током. Максимальное значение коэффициента мощности равно единице, и это происходит, когда цепь является резистивной, что делает ее похожей на цепь постоянного тока в приведенном выше примере. Когда цепь реактивная, коэффициент мощности меньше единицы, что еще больше снижает выходную мощность.

Теперь давайте сопоставим максимальную выходную мощность и терморегулирование в цепях. Когда схема предназначена для обеспечения максимальной выходной мощности, схема оказывается «горячей коробкой». Для охлаждения нагретого контура требуются значительные инвестиции и затраты на решения по управлению температурным режимом. По мере того, как мы движемся к компактным электрическим и электронным системам, максимальная выходная мощность разрушит концепцию миниатюризации.

Максимальная выходная мощность в сравнении с максимальной эффективностью

Противоречие между максимальной выходной мощностью и максимальной эффективностью можно легко понять из «теоремы о максимальной передаче мощности». Теорема о передаче максимальной мощности утверждает, что максимальная мощность передается от источника к нагрузке, когда импеданс нагрузки равен импедансу источника.

Давайте посмотрим, какова эффективность схемы, когда она обеспечивает максимальную мощность нагрузки. Рассмотрим простую цепь постоянного тока с входным напряжением V и сопротивлением источника Rs. Сопротивление нагрузки RL выбирают таким образом, чтобы схема работала в режиме максимальной выходной мощности. Согласно теореме о передаче максимальной мощности, схема дает максимальную выходную мощность, когда RL=Rs. Пусть I будет током в цепи.

где RL=Rs

Когда схема рассчитана на максимальную выходную мощность, только 50 % входной мощности используется для полезной работы, что делает КПД схемы равным 50 %. Другая половина входной мощности теряется в виде тепла в цепи. Мы разрабатываем схемы для максимальной эффективности при заданных входных и выходных условиях. Если все схемы, используемые сегодня, рассчитаны на максимальную выходную мощность, то глобальное энергопотребление и управление температурой электрических и электронных устройств рухнет.

Требования к максимальной выходной мощности в системах связи

Когда цепь передает максимальную мощность, основным побочным продуктом является тепло, влияющее на эффективность и создающее проблемы с тепловыми решениями. Однако в некоторых системах нам требуется максимальная производительность, а не максимальная эффективность. В системах связи основное внимание уделяется силе сигнала, а не общей эффективности. Согласование импеданса в цепях связи в основном направлено на достижение максимальной амплитуды на приемном или выходном концах. Возьмем в качестве примера систему громкой связи: мы используем усилители и громкоговорители, чтобы сделать громкое обращение достаточно громким, чтобы его мог услышать каждый в большой толпе. Смысл этого в том, чтобы максимизировать выходную мощность, чтобы импеданс динамика (нагрузки) соответствовал импедансу усилителя (источника).

Теперь рассмотрим схему многокаскадного усилителя. В многокаскадных усилителях выход одного усилителя подается как вход следующего непосредственного усилителя, и эта цепочка продолжается до тех пор, пока мы не получим желаемое усиление. В n-каскадных усилителях импеданс каждого каскада согласуется с предыдущим для достижения максимальной выходной мощности.

Разработчик схемы должен изучить приложение, прежде чем переходить к максимальной выходной мощности или максимальной эффективности. Если вы проектируете систему аудиоусилителя, вы должны заботиться о максимальной мощности. Для конструкции трансформатора операция передачи максимальной мощности будет подобна медленному разжиганию огня. В следующий раз, когда будете проектировать схему, проверьте КПД и потери для максимальной выходной мощности, чтобы иметь практическое представление об их пагубных последствиях.

Если вы хотите быть в курсе наших материалов по системному анализу, подпишитесь на нашу рассылку , в которой собраны ресурсы о текущих тенденциях и инновациях. Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов.

Решение задач электромагнитного, электронного, теплового и электромеханического моделирования, чтобы ваша система работала в широком диапазоне условий эксплуатации.

Посетите вебсайт Больше контента от Cadence System Analysis

Доступ к электронной книге

E36313A Блок питания 160 Вт с тремя выходами, 6 В/10 А, 25 В/2 А, 25 В/2 А

E36313A Блок питания 160 Вт с тремя выходами, 6 В/10 А, 25 В/2 А, 25 В/2 А | Keysight

Вот страница, которая, как мы думаем, вам нужна. Вместо этого смотрите результаты поиска:

Что Вы ищете?

Поиск

Совпадающие продукты не найдены — системное исключение

—> {{#ifEquals DOC_TYPE ‘продукт’}}

{{productTitle}} {{#if itemStatus}} [{{состояние элемента}}] {{/если}}

Предыдущая версия
{{titleLabel}}
Как купить
Опции и обновления
Техническая поддержка

Предыдущая версия
{{titleLabel}}
Как купить
Опции и обновления
Техническая поддержка

Предыдущая версия
{{titleLabel}}
Как купить
Опции и обновления
Техническая поддержка

{{/ifEquals}} {{#ifEquals isReplacementProductsFlag ‘Y’}} Этот продукт будет снят с производства и будет заменен на {{#каждый список товаров}} {{название_продукта}} , {{/каждый}} {{/ifEquals}} {{еще}} {{#ifEquals hasProductList «Y»}}

Продукция этой серии будет снята с производства. Разверните, чтобы узнать больше.

Техническая спецификация

Keysight E36313A — это программируемый блок питания постоянного тока мощностью 160 Вт с тремя выходами, интерфейсами USB и LAN. Интерфейс GPIB доступен как опция

Особенности

Выходная мощность — 160 Вт

Выход 1: 0–6 В, 0–10 А
Выход 2: 0–25 В, 0–2 А
Выход 3: 0–25 В, 0–2 А

Точность программирования ±(% выходного сигнала + смещение)

Напряжение: 0,03 % + 3 мВ, 0,03 % + 5 мВ, 0,03 % + 5 мВ
Ток: 0,05 % + 4 мА, 0,04 % + 3 мА, 0,04 % + 3 мА

Пульсации и шум (от 20 Гц до 20 МГц)

Напряжение в нормальном режиме: <350 мкВэфф/ 2 мВ пик-пик, < 1 мВэфф/ 5 мВпик-пик, < 1 мВэфф/ 5 мВпик-пик
Ток в нормальном режиме: <4 мА действ. , <2 мА действ., <1 мА действ.

Точность обратного считывания ±(% выходного сигнала + смещение)

Напряжение: 0,04 % + 3 мВ, 0,03 % + 5 мВ, 0,03 % + 5 мВ
Ток: + 0,05 % + 5 мА, 0,04 % + 3 мА, 0,04 % + 3 мА
Ток нижнего диапазона, 20 мА: 0,25% + 80 мкА

Блок питания с тремя выходами серии E36313A готов к работе в настольном режиме. Благодаря низким выходным пульсациям/шуму и точным измерениям напряжения/тока вы можете уверенно проводить испытания. У вас есть доступ к расширенным функциям, таким как регистрация данных, последовательность вывода, режим списка и объединение вывода. E36312A (80 Вт) предлагает тот же набор функций, но с уменьшенным энергопотреблением, а E36311A (80 Вт) является наиболее экономичной моделью с уменьшенным набором функций.

Загрузите бесплатное приложение BenchVue Basic для управления своими приборами.

Логотип не отображается, так как продукт не поддерживает KeysightCare

Расширьте возможности своего продукта

Программное обеспечение

См.