Как посчитать мощность усилителя звука. Как рассчитать реальную мощность усилителя звука: полное руководство

alexxlabУсилител
Какие виды мощности усилителя существуют. Как измерить реальную мощность усилителя. Что влияет на мощность усилителя на практике. Как выбрать усилитель с оптимальной мощностью для ваших задач.

Что такое мощность усилителя звука и как она измеряется

Мощность усилителя звука — это ключевая характеристика, определяющая его способность качественно воспроизводить звук на заданной громкости. Однако понятие мощности усилителя не так однозначно, как может показаться на первый взгляд.

С технической точки зрения, мощность усилителя — это скорость преобразования электрической энергии в акустическую. Она измеряется в ваттах и рассчитывается по формуле:

P = U * I

где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока.

Для усилителей звука чаще используется другая формула:

P = U^2 / R

где R — сопротивление нагрузки (акустической системы).

Основные виды мощности усилителя

На практике существует несколько видов мощности усилителя звука:


  • Расчетная мощность — определяется на стадии проектирования
  • Реальная измеренная мощность — отличается от расчетной из-за ряда факторов
  • Максимальная мощность выходного каскада
  • Мощность при определенном уровне искажений
  • Мощность блока питания

Какую же из них считать «настоящей» мощностью усилителя? С инженерной точки зрения, это должна быть измеренная мощность на реальном продолжительном сигнале при допустимом уровне искажений. При этом блок питания усилителя должен быть способен обеспечивать такую мощность длительное время с учетом всех потерь.

Особенности измерения мощности на музыкальном сигнале

Музыкальный сигнал имеет непостоянный уровень с периодическими всплесками. Это позволяет производителям использовать некоторые упрощения при проектировании усилителей:

  • Блок питания рассчитывается на выдачу максимальной мощности лишь в течение короткого времени
  • На пиках допускается превышение уровня искажений
  • Длительная мощность блока питания соответствует среднему уровню сигнала

Такой подход позволяет заявлять более высокую пиковую мощность усилителя. Однако реальная длительная мощность оказывается значительно ниже.


Как измеряется мощность современных усилителей

Большинство производителей сегодня указывают пиковую мощность, измеренную на коротком импульсе. Это соответствует принятым стандартам, но не отражает реальную длительную мощность усилителя.

Основные особенности такого подхода:

  • Блок питания способен выдавать повышенную мощность короткое время за счет конденсаторов
  • После этого напряжение питания «проседает», снижая выходную мощность
  • Для предотвращения искажений используется лимитер на входе

Главный недостаток — неизвестна реальная длительная мощность и максимальная длительность импульса на полной мощности.

Соотношение пиковой и длительной мощности

Важно понимать разницу между пиковой и длительной мощностью усилителя:

  • Пиковая мощность может быть в 2-4 раза выше длительной
  • Длительная мощность определяет возможности усилителя на постоянном сигнале
  • Для большинства музыкальных жанров достаточно длительной мощности в 1/3 — 1/4 от пиковой

При выборе усилителя стоит ориентироваться прежде всего на длительную мощность, а не на пиковую.


Факторы, влияющие на реальную мощность усилителя

На практике реальная мощность усилителя может значительно отличаться от заявленной. Основные факторы, влияющие на это:

  • Качество и мощность блока питания
  • Эффективность схемотехники выходного каскада
  • Температурный режим работы
  • Сопротивление нагрузки (акустической системы)
  • Уровень искажений

Для оценки реальных возможностей усилителя рекомендуется проводить измерения при длительной работе на номинальной мощности.

Выходное сопротивление усилителя и его влияние на звук

Еще одна важная характеристика, связанная с мощностью — выходное сопротивление усилителя. Оно показывает, насколько изменяется выходное напряжение при увеличении тока нагрузки.

Основные особенности:

  • Низкое выходное сопротивление (сотые доли Ом) обеспечивает лучший контроль динамиков
  • Высокое сопротивление (более 1 Ом) приводит к «вялому» и «замыленному» звуку
  • На выходное сопротивление влияют мощность и конструкция блока питания
  • Профессиональные усилители должны иметь низкое выходное сопротивление

При выборе усилителя стоит обращать внимание на этот параметр, особенно для работы с низкоомной акустикой.


Как выбрать усилитель с оптимальной мощностью

При выборе усилителя стоит учитывать следующие рекомендации:

  • Ориентируйтесь на реальную длительную мощность, а не пиковую
  • Учитывайте чувствительность и мощность акустических систем
  • Для большинства применений достаточно запаса по мощности в 20-30%
  • Обращайте внимание на качество блока питания и выходное сопротивление
  • Проводите тестирование усилителя на реальной нагрузке

Правильно подобранный по мощности усилитель обеспечит качественное звучание и надежную работу всей аудиосистемы.


Как выбрать трансляционный усилитель

Рассмотрим основные вопросы при выборе трансляционных усилителей. Мы не будем рассматривать сложные, многокомпонентные системы, а остановимся именно на компактных настольных системах – моноблоках (микшерах-усилителях). Вопросы, которых мы кратко коснемся в статье, могут помочь при выборе усилителя не только марки ROXTON, но и усилителя любого другого производителя.

  1. Мощность трансляционного усилителя.

При выборе усилителя, мы должны, в первую очередь правильно подобрать мощность. Сделать это не трудно. Если мы знаем, сколько громкоговорителей и какой мощности будут подключены к усилителю, то просто суммируем мощность всех громкоговорителей и берем усилитель мощнее. Причем неограниченно мощнее.

Например. Нам необходимо подключить к усилителю 10 громкоговорителей по 10 Вт, плюс 5 громкоговорителей по 6 Вт и пару мощных уличных динамиков по 50 Вт каждый. Суммируем. 10*10Вт + 5*6 Вт + 2*50 Вт =230 Вт. Таким образом, нам вполне подойдет усилитель мощностью 240 Вт и выше. Очень полезно учитывать возможность развития системы, если в будущем, мы захотим добавить еще 5 динамиков по 10 Вт, то мощности усилителя уже не хватит. Не стоит переживать, если трансляционный усилитель будет сильно мощнее подключаемой акустики. Особенность техники такова, что мы можем подключить громкоговоритель мощностью 1 Вт к усилителю 1000 Вт, включить на «полную громкость» и… ничего особенного не произойдет. Просто громкоговоритель будет работать на максимальном уровне, который он выдает, т.е. на 1 Вт. Но не допускается делать обратное (в отличии от домашней или концертной – низкоомной техники), нельзя к усилителю 120 Вт подключить акустики на 300 Вт. Усилитель сгорит. Напомню, что мы сейчас говорим о трансляционных громкоговорителях и трансляционных усилителях.

Теперь, если мы определились с мощностью усилителя, нам необходимо понять, какие источники сигнала мы хотим использовать.

2.   Источники сигнала.

Источники сигнала могут быть внешние (микрофоны, внешние проигрыватели, тюнеры, компьютер и т. д.) и внутренние (у разных моделей усилителей могут быть встроенные источники сигнала – тюнер, USB/MP3 проигрыватель, CDпроигрыватель, источник цифровых сообщений).

Предположим, что нам достаточно подключить к усилителю настольный микрофон и компьютер. У любого настольного усилителя (не случайно в начале мы дали обозначение «микшер-усилитель») есть 2-3 микрофонных входа (MIC) и несколько линейных (LINE) или универсальных входов (AUX). Подключаем микрофон к линейному входу и компьютер (или тюнер, CDпроигрыватель) к линейному или универсальному входу.

Схема подключения будет выглядеть так:

Эта схема универсальна для всех трансляционных настольных микшеров — усилителей, вне зависимости, имеют ли они встроенные источники сигнала или нет, есть ли селектор зон или другие особенности. У ВСЕХ микшеров – усилителей имеются различные входы для нескольких источников сигнала. Уровень сигнала от каждого отдельного источника мы можем отрегулировать на передней панели устройства.

Например, микрофон сделать погромче относительно подключенного к тому же усилителю источника музыкальной трансляции. Ну и наконец, если мы знаем мощность усилителя и знаем, что источники сигнала внешние, мы выбираем усилитель из линейки усилителей ROXTONсерии AA. Цифры в обозначении усилителей АА обозначают мощность усилителя. Выбираем AA-35, AA-60, AA-120, AA-240, AA-360 или AA-480.

Если нам предпочтительней иметь уже встроенный в усилитель источник музыкальной трансляции, например для организации фонового музыкального сопровождения, рекламного вещания, то нам подойдут несколько моделей. При необходимости иметь встроенный тюнер и USB/MP3 проигрыватель, идеальным решением будут усилители MA-60, MA-120, MA-240 или MA-360 (мощность усилителей в цифровых индексах). Кроме источника сигнала, эти усилители поставляются в комплекте с пультом дистанционного управления. Ниже изображение встроенного модуля FM тюнера и USB проигрывателя.

К этим усилителям также можно подключать любые сторонние источники сигнала (микрофоны, ПК, CD и т.

д.).

Отдельно стоит упомянуть две модели усилителей небольшой мощности (35 и 60 Вт) – AA-35M и AA-60M. Эти модели не имеют тюнера, но USB проигрыватель есть (правда, он не воспроизводит запись с USBносителя по циклу, после окончания воспроизведения всех треков, надо перезапускать). Эти модели усилителей очень удобны для небольших предприятий (кафе, торговых точек) и имеют небольшую стоимость.

3.   Третья вещь, которую стоит учитывать при выборе усилителя, это наличие встроенного селектора зон трансляции. Кратко поясним, что это такое. Мы хотим установить группу динамиков в торговом зале, еще одну группу на улице, при входе, еще одну группу громкоговорителей на складе. В торговый зал постоянно идет трансляция фоновой музыки или рекламы. Усилитель без селектора зон не даст нам возможность отключить рекламу в служебных помещениях или на улице. Равно как и при объявлении с микрофона (вызов сотрудника, объявление для покупателей и проч.) нет необходимости транслировать речевое сообщение вовсе уголки предприятия.

Объявление должно «пройти» только в торговый зал, или только на склад, или на какую-либо другую зону или зоны. Для этого в некоторых усилителях предусмотрен селектор зон трансляции. Селектор позволяет разбить все динамики на несколько групп и вести трансляцию на любую группу по отдельности или в их комбинации. Такие группы динамиков принято обозначать как «зоны» или «зоны трансляции. В нескольких моделях усилителей ROXTONпредусмотрены встроенные селекторы на 6 зон трансляции. Надо отметить, что при использовании многозонового усилителя, необходимо будет провести отдельный шлейф громкоговорителей в каждую зону трансляции. При этом правило о не превышении мощности громкоговорителей мощности усилителя остается в силе. Например мы можем к усилителю 120Вт со встроенным селектором на 6 зон (AZ-120) к выходам первой зоны подключить акустики на 60 Вт, ко второй, третьей, четвертой и пятой по 10 Вт, шестую зону не использовать. Суммарная мощность динамиков во всех зонах получилась 100 Вт. Усилитель на 120 Вт.
Все будет работать нормально.

Усилители с селектором зон (6 зон) трансляции, но без встроенных источников сигнала – AZ-120, AZ-240, AZ-360, AZ-480, AZ-560 и AZ-650. Подбираем по мощности.

Усилители с селектором зон трансляции и со встроенными источниками сигнала (тюнер и USBпроигрыватель) – MZ-120, MZ-240, MZ-360. Также подбираем по мощности.

4.   Четвертое, на что можно обратить внимание при подборе усилителя, это питание. В некоторых случаях, например, когда усилитель используется в составе систем оповещения о пожаре, необходимо обеспечить резервное питание усилителя при чрезвычайных ситуациях. Питание усилителей как правило всегда 220В АС, но у некоторых моделей есть дополнительный вход 24В. Все трансляционные усилители ROXTON имеют питание только 220В АС. Поэтому для резервирования питания этих усилителей необходимо ставить бесперебойники, которые обеспечивают питание 220В АС синусоиду (импульсные блоки питания не подойдут), например JPX-1000 или JPX-3000. Усилители, у которых предусмотрено питание 24В DC, резервируются по 24 В и в случае обеспечения резервом усилителей большой мощности или длительного по времени резервирования, затраты на обеспечение резерва меньше, чем по 220В АС.

5.   Использование микрофонных консолей со встроенным селектором зон. Иногда на предприятии необходимо установить несколько микрофонов (на охране, у руководителя, у менеджера, у других ответственных сотрудников). При этом должна иметься возможность подачи речевых объявлений со всех микрофонов в разные зоны трансляции или группы зон. В этом случае используются настольные микрофоны со встроенной селекторной панелью. Как правило, такие микрофонные панели работают только с определенными моделями усилителей. Например, микрофонная консоль SX-R31 работает только с усилителями ROXTON SX-240 или SX-480. К этим усилителям можно подключать до 4-х микрофонных панелей одним кабелем «витая пара» на значительном расстоянии от усилителя. Но об этой системе (SX) мы более подробно поговорим в другой статье. Подобные системы (связка усилитель – многозоновая микрофонная панель) есть у многих производителей.

6.   Есть еще несколько параметров, которые можно учитывать при выборе трансляционного усилителя, это и наличие входа для подключения АТС, и встроенные генераторы сигналов «Гонг» или «Сирена», приоритетные входы, возможность многоканального вещания (когда в разные зоны трансляции одновременно подаются различные музыкальные или речевые программы), контроль линий трансляции на обрыв, КЗ и ряд других… но по этим вопросам лучше связаться с нашими специалистами.

Главная / Информация / Как выбрать трансляционный усилитель

Подключение трансляционных усилителей и громкоговорителей
Как выбрать трансляционный усилитель
Комбинированная система оповещения SX-240/SX-480, SX-240N/SX-480N
Система оповещения ROXTON 8000

Лаборатория звуковой техники: Про мощность усилителей

В этой статье я хотел бы поднять ещё одну важную, фундаментальную тему, которая, вдобавок, для многих является ещё и «больной». Это – тема мощности усилителя. Я собираюсь рассказать, как эта, казалось бы, простая и очевидная величина может быть очень неоднозначной, и на что стоит обращать внимание при выборе и эксплуатации усилителя. Так же вы узнаете, что такое выходное сопротивление и коэффициент демпфирования, а так же взаимосвязь между потребляемой и выходной мощностью.

Что же такое мощность, в частности электрическая? Справочники по физике называют мощность величиной, характеризующей скорость преобразования энергии, в частности — электрической. Пытаясь получить более точное определение, попадаем словесную формулировку формулы мгновенной мощности, которая есть произведение мгновенного значения силы тока на мгновенное значение напряжения. Для технического специалиста здесь, кажется, нет ничего непонятного. Но как всё же более доступно объяснить смысл этой величины для людей, далёких от физики и электроники? Лично я для этого воспользовался бы двумя другими формулами: и , и опираясь на них уже определил бы мощность как величину, характеризующую работу, которую совершает источник напряжением U в нагрузке с сопротивлением R в заданный период времени.

Пусть это определение и отличается от тех, которые предлагают нам авторитетные источники, но, на мой взгляд, оно более уместно при рассмотрении вопроса мощности усилителя, поскольку чётко иллюстрирует взаимодействие усилителя (который выступает в роли источника напряжения U) и динамика (который выступает в качестве нагрузки сопротивлением R).

Теперь вспомним про ещё один факт: сопротивления динамиков и акустических систем , используемых в профессиональной технике, строго стандартизованы. Чаще всего – 8 или 4 Ома. А значит, рассуждая о мощности усилителя, сопротивление нагрузки можно принять за величину постоянную. Тогда она должна определяться максимальной амплитудой напряжения, которая способна развиться на его выходе. Иными словами, чем больше амплитуда напряжения на выходе при стандартном сопротивлении нагрузки, тем мощнее должен считаться усилитель. Действительно, в радиотехнических расчётах действующая мощность усилителя определяется как , где Uамп – размах напряжения на выходе, Rнагр – сопротивление нагрузки (динамика или акустической системы). Это – начальный теоретический минимум, который известен многим, но полностью не объясняет принцип вычисления мощности и не показывает множества очень важных аспектов, являющихся показателями ещё и качества усилителя. И, прежде чем рассказать о них, обратимся к практике.

На современном рынке профессиональной звуковой аппаратуры мы можем наблюдать огромное количество самых разнообразных моделей усилителей, что обусловлено как большим количеством производителей, так и разнообразием линеек продукции у каждого из них. При этом, в большинстве своём характеристики их, в том числе мощности, очень близки. Однако большинство читателей подтвердит личным опытом: усилители разных производителей и серий, при одинаковой или близкой заявленной мощности «звучат» по-разному – как по громкости, так и по определённым аспектам качества.

Прежде, чем вдаваться в эту проблему, хочу сразу отметить, что я не буду рассматривать случаев с «китайскими ваттами» и некачественными подделками, где всё, вроде бы, понятно. А поговорим о «солидных» производителях, проходящих сертификацию и, в общем, зарекомендовавших свою продукцию как качественную. В чём же дело? Неужели они обманывают, когда пишут мощность?

И да, и нет. Как же так? Дело в том, что на самом деле у усилителя много мощностей. Прекрасно представляю, какое недоумение у читателя вызывает это заявление, поэтому по порядку расскажу обо всех, и поясню, для чего это было нужно, ведь есть стандарт, которые рекомендует указывать в характеристиках лишь одну определённую.

  1. Расчётная мощность – та, которая требуется от разрабатываемого усилителя. Определяется на стадии проектирования

  2. Реальная мощность – измеренная в условиях, близких к условиям реальной работы усилителя. По ряду объективных причин всегда отличается от расчётной и никогда не фигурирует в документации (можете ли представить себе усилитель с надписью, например, 926W или 1152W?)

  3. Мощность выходного каскада усилителя, или, точнее, максимальная мощность, которую может выдержать без пробоя выходной каскад усилителя при имеющемся напряжении питания и системе охлаждения

  4. Мощность, развиваемая при определённом коэффициенте искажений. Как известно, до определённого порога КНИ транзисторного усилителя остаётся сравнительно небольшим – десятые и сотые доли процента, а после этого порога стремительно растёт. Это очень важный аспект, поскольку при увеличении уровня сигнала, начиная с этого самого порога мощность усилителя ещё может расти (правда, тоже – до определённого придела), но качество звука после его достижения станет неприемлемым.

  5. Мощность блока питания. На самом деле именно блок питания является последней инстанцией в определении мощности всего усилителя – его мощность и конструкция определяют эффективность конструкции. Но об этом – позже.

Итак, что из вышеперечисленного можно считать настоящей мощностью усилителя? По чисто инженерным принципам это должна быть измеренная мощность на реальном продолжительном сигнале (2) при допустимом уровне нелинейных искажений (4) и при обязательном условии, что блок питания усилителя способен обеспечить такую мощность (5) в течение продолжительного периода времени с учётом всех потерь (1*). Однако это — идеализированные условия, который выполняются у очень редких производителей, и то — эта практика уходит в небытие. Дело в том, что принцип использование усилителя низкой частоты для воспроизведения музыкального сигнала даёт производителям возможность на некоторые послабления. И, чтобы обосновать их, рассмотрим, чем на самом деле является музыкальный сигнал.

По-сути вся музыка представляет собой колебания не одного постоянного уровня, который можно установить максимальным, а сигнал сравнительно невысокой амплитуды с периодическими или непериодическими “всплесками”. При чём выражено это как в классической, например, музыке — резкими фортиссимо, оркестровыми акцентами, так и в современной — ритм-секцией, в частности, ударами бас-бочки. Кто-то из вас сейчас резонно напомнит про “мастерингованную”, подготовленную для эфира фонограмму с глубокой компрессией, но о ей в дальнейшем мы вспомним отдельно.

По мере увеличения требований потребителя к соотношению эффективность/компактность разработчики пришли к выводу, что эксплуатировать усилитель в режиме, когда реальный, “честный” максимум (1*) приходится на короткие “пики” — т.е. со скважностью гораздо большей, чем длительность, неэффективно. Получается, что за время прохождения через него полезного сигнала большую часть времени он почти что “простаивает” — мощность, достаточная для вопроизведение “основного” — “тихого” сигнала в разы меньше, чем мощность, выдаваемая на пиках.

Давайте теперь посмотрим, в каком режиме ещё может работать усилитель, и может ли он выдать мощность выше, чем максимальная “идеализированная”, обозначенная в (1*). Как решается задача наращивания мощности? Начнём с выходного каскада усилителя. Увеличить его мощность на современной элементной базе проще всего и дешевле всего, относительно других элементов конструкции усилителя. Изменения в схемотехнике можно и вовсе считать “символическими”, если мы, конечно, не говорим о переходе усилителя в другие классы. Сложнее всего обстоит дело с блоком питания: для того, чтобы усилитель мог сколь угодно долго выдавать максимальную мощность, его блок питания должен иметь восьмикратный (!) запас мощности (определяется несложной формулой). Вот здесь и можно упростить конструкцию, учитывая поправку на представление о музыкальном сигнале. Тогда блок питания проектируется так, что может выдавать максимальную мощность в течение лишь короткого промежутка времени (соизмеримого, например, с длительностью удара бас-бочки). Так же, нередко на “пиках” КНИ усилителя выходит за пределы нормы, что уже считается тоже приемлемым: всё равно звуке с короткой длительностью услышать неглубокие искажения — почти невозможно. Максимальная же длительная мощность блока питания, а следовательно и всего усилителя соответствует “тихому” сигналу. К слову, разница между “тихим”, а точнее средним за длительные промежуток времени уровнем сигнала и максимальным — “пиковым” называется пик-фактором и имеет некоторое среднее значение, которое должно учитываться при разработке, но, при этом, всегда разное для каждого источника сигнала.

Именно мощность, развиваемую усилителем на коротком импульсе, как правило, указывают на современных усилителях. Более того, такой способ измерения уже есть в стандартах, признанных и принятых многими “авторитетными” производителями. Конечно, такой способ исчисления мощности таит множество подводных камней и непонимание его сути может создать определённые трудности. Если вернуться к технической реализации “избыточной мощности” в усилителях, основывается она, как было уже сказано, на конструкции блока питания, способного, как правило, за счёт конденсаторов, какое-то время удерживать более высокий ток в нагрузке, чем его номинальный, после чего напряжение на его выходе падает — “просаживается”. Это, само собой, ведёт к снижению выходной мощности усилителя в момент “просадки”, и, одновременно, резкому скачку искажений. Чтобы этого не происходило, на входе усилителя ставится лимитер с определённым временем срабатывания, через который “успевают проскочить” атаки резких звуков большой амплитуды, после же срабатывания его сигнал мягко ограничивается.

Главный минус такого усилителя в том, что, если максимальную мощность, которую он может выдать в коротком импульсе мы знаем, то “нормальную”, которую он способен выдавать и рассеивать длительно, а так же насколько длинный всплеск (импульс) он может выдержать мы можем узнать только экспериментально. Да, существует рекомендуемое стандартом EIA соотношение кратковременной максимальной мощности к действующей, приблизительно равняющееся трём, но, всё равно, опираясь на неё мы не получим реального значения полезной мощности. Иными словами, такой усилитель способен “качнуть” систему на ударе барабана, с мощностью, предположим, 1 киловатт, но при этом остальной, нормализованный музыкальный сигнал будет выдаваться с мощностью 200-300Вт. Если же мы имеем дело с жёстко компрессированным сигналом, то его максимум не поднимется выше той же отметки. По субъективному мнению некоторых специалистов способность выдавать столь высокую мощность сколь угодно долго — излишне, т.к. это резко увеличит риск выхода из строя подключенных к такому усилителю АС от перегрева. Вместе с этим, однако, существует мнение, что пиковая мощность вообще не должна фигурировать, по крайней мере, на лицевых панелях приборов, а вместо неё должна быть указана только та, которую усилитель способен выдавать в течение длительного промежутка времени. Однако судить об этом в этой статье я, пожалуй, не буду.

К разговору о «реальных» мощностях. На к первой картинке — обычный современный усилитель, заявленная мощность — 350 ватт на канал при сопротивлении нагрузки 8 ом.
На второй картинке — старый польский усилитель Unitra времён СССР. Заявленная мощность при тех же 8 омах — всего лишь 150 ватт. «А чего он такой огромный?», — скажете вы. Не спешите строить предположения о том, что он старый и нетехнологичный. Мы сравнили оба усилителя на работу с одной и той же аккустической системой. Если первый едва справляется с ней — по-сути звука почти нет. Второй же «раскачивает» систему наура — мощный, плотный бас. Трёхсотваттные 18″ НЧ динамики работают на полную при уровне на пудльте -4db. «Разгонять» на полную не рискнули, чтоб не лишиться динамиков.
Обратите так же внимание на потребляемую им мощность от сети. 600 Ватт! Вот на этом усилителе обозначена мощность, наиоблее близкая к его реальной «синусоидальной» , «долговременной» мощности. У современных усилителей, как правило, потребляемая мощность ниже заявленной выходной.

В дополнение к описанному выше считаю нужным упомянуть ещё одну характеристику усилителя, связанную с мощностью, но более влияющую на качество звучания. Характеристика эта называется выходное сопротивление. Для людей, далёких от электроники определение и смысл этой величины может казаться непонятным: если с сопротивлением, нагрузки всё понятно, то какое сопротивление и, главное, чему может оказывать устройство, которое само является источником напряжения? Как его измерить или определить? Явно не тестером, подключённым к выходу. В учебниках говорится, что выходное сопротивление усилителя определяется разностью напряжения на его выходе без нагрузки и напряжения на выходе с нагрузкой, делённое на ток, протекающий через нагрузку. Иными словами, внутреннее сопротивление показывает, насколько будет “проседать” выходное напряжение при увеличении тока в нагрузке. Особого смысла знать численного значения этой величины нет, однако важен её порядок: сотые и десятые доли ом — низкое выходное сопротивление, больше ома — высокое. Как же эта величина проявляется на практике?

То и дело от музыкантов приходится слышать отзывы о работе некоторых усилителей: звук “замыленый”, “вялый”, “не качает”. Именно этими эпитетами и описываются последствия высокого выходного сопротивления! Происходит это, как правило, в результате того, что при увеличении амплитуды выходного сигнала вместе с ней возрастает сила потребляемого нагрузкой тока. По ряду причин, которые мы рассмотрим ниже, при повышении тока в нагрузке нарастание выходного напряжения становится непропорциональным нарастанию входного. А это приводит к искажению сигналов с большой амплитудой, приводящему, например, к сглаживанию атак.

Самая распространённая причина такого эффекта — недостаточная мощность или особенность конструкции блока питания. Как было описано выше, на мощности блока питания часто экономят, при чём не только в пользу его стоимости, но и в пользу размера. Если в блоке питания применены фильтрующие конденсаторы достаточно большой суммарной ёмкости, то усилитель сможет выдавать свою максимальную мощность хотя бы на пиках, как это описано выше. Однако, если ёмкость конденсаторов недостаточна, напряжение питания будет падать уже при нагрузке, близкой к номинальной. При чём справедливо это как для линейных, так и для импульсных блоков питания. В последних есть ещё один распространённый конструктивный недостаток, приводящий к описанной проблеме: “медленная” обратная связь — ШИМ-контроллер не успевает среагировать на увеличение потребляемого тока.

Причиной высокого выходного сопротивления могут быть и схемотехнические особенности непосредственно усилителя мощности, но это — в редких случаях. С некоторой уверенностью можно сказать, что профессиональный усилитель высокой мощности должен обладать низким выходным сопротивлением. Однако, некоторые инженеры придерживаются строго противоположного мнения, и в их аргументах тоже есть смысл. Ранее даже велись разработки, в которых для обеспечения высокого выходного сопротивления вводилась отключаемая обратная связь по току. Так, пока единственный аргумент в пользу высокого выходного сопротивления — электрическое демпфирование, которое в теории позволяет снизить призвуки и резонансы акустической системы, но применимость их на практике пока возможно только в бытовой и студийной аппаратуре и, в основном, в среднечастотном и высокочастотном звене.

Усилитель с линейным блоком питания.

Усилитель с импульсным блоком питания

На этом можно завершить рассмотрение проблемы мощности усилителей и, по традиции, необходимо подвести итоги и сделать вывода. Но в этом то и проблема. Единственный вывод, который напрашивается из описанного выше, весьма печален: сделать однозначно верное заключение о том, насколько громко и качественно будет играть ваша акустическая система с тем или иным усилителям, руководствуясь заявленной мощностью, почти невозможно. Не подумайте, что этим я хочу сказать, что все производители таким образом обманывают покупателей. Скорее это политика современного рынка, вынуждающая производителей профессиональной техники перенимать некоторые традиции у производителей бытовой. Так, что полагаться на одни цифры, ровно как и на бренд уже не стоит, и пора это осознать. Единственный совет, который я хотел бы дать потенциальным покупателям звукоусилительной техники, не совсем научный, но основан на практике. Обращайте внимание на потребляемую от сети мощность. Точной формулы, связывающей её с выходной для всех классов усилителей не существует, однако некоторые выводы сделать по ней можно. Если потребляемая от сети мощность значительно меньше заявленной выходной — значит, с большой вероятностью, вы столкнётесь с проблемой, которой посвящена статья. Это и очевидно: закон сохранения энергии никто не отменял, а избыточная мощность, отдаваемая за счёт заряда конденсаторов, всё равно сравнительно невелика. У качественных и мощных усилителей с линейным блоком питания, как правило, большой трансформатор, а значит усилитель будет увесист. Потребляемая мощность будет близка или даже больше выходной. Толстые провода, массивные радиаторы, n-ное количество конденсаторов ёмокстью в несколько тысяч микрофарад после выпрямителя — признак мощного усилителя, построенного по классической схеме. Если же мы имеем дело с современными усилителями с импульсными блоками питания, или же работающими в классе D, то массивность здесь, само собой, тут не показатель. Однако косвенным признаком качества такого устройства будет сложная схема со множеством активных и пассивных элементов, чаще всего с несколькими трансформаторами, где используется многоступенчатое преобразование, индуктивные фильтры помех, экранирование, опять же — достаточной ёмкости конденсаторы, как правило, включённые по несколько штук в параллель. Такие конструкции имеют высокую плотность монтажа и занимают практически весь корпус. Но окончательно оценить качество усилителя, как и любого изделия, можно только в работе, и, конечно же, при наличии собственного опыта и достаточной квалификации. А поэтому хотелось бы посоветовать не гоняться за высокими количественными показателями. Усилители, способные выдавать длительную мощность в несколько киловатт использовать для воспроизведения звука нецелесообразно.

Панов В.Г.

Статья подготовлена по заказу издательства 625 и опубликована в блоге по соглашению с редакцией спустя 6 месяцев после выхода в печатном издании. Все права защищены.

Как рассчитать эффективность ВЧ-усилителя мощности

5G обеспечивает более высокие скорости передачи данных и потребность в более эффективных усилителях мощности. Понять и рассчитать эффективность PA.

Системы радиосвязи постоянно повышают скорость передачи данных и общую производительность системы. С этой более высокой производительностью увеличивается давление на энергопотребление. В недавнем отраслевом отчете [ссылка 1] сделан вывод о том, что мощность, потребляемая типичной базовой станцией 5G, будет составлять 12 кВт по сравнению с 7 кВт для базовой станции LTE. Это примерно 5 дополнительных тостеров. (Типичный тостер на 2 ломтика потребляет около 1000 Вт.)

Разработчики систем часто беспокоятся о энергопотреблении. В мобильных устройствах с батарейным питанием время разговора от одного заряда зависит от емкости аккумулятора и мощности, потребляемой устройством. Меньшая мощность означает более длительное время работы. На базовой станции мощность батареи может не быть проблемой, но стоимость энергии в сети может возрасти. И, конечно же, растраченная мощность в любом устройстве генерирует тепло, которое необходимо рассеивать.

Усилители мощности
Усилители мощности (УМ) являются одним из основных потребителей энергии в беспроводной системе, поэтому эффективность усилителя имеет большое значение. На рис. 1 показан УМ, производящий выходную мощность (P из ) на основе входной мощности (P в ) и подаваемой мощности постоянного тока (P dc ).

Рис. 1. Базовый усилитель мощности вырабатывает выходную мощность из входной мощности и источника питания постоянного тока.

Инженеры обычно выражают прирост мощности усилителя в децибелах:
Power-Added Efficiency (PAE) выражает общий КПД усилителя мощности, включая влияние входной мощности.

PAE обычно выражается в процентах. Например, усилитель мощности с выходной мощностью 10 Вт, входной мощностью 0,5 Вт и мощностью постоянного тока 30 Вт будет иметь PAE = (10-0,5)/30 = 32%. Коэффициент усиления по мощности этого усилителя G дБ = 10 log (10/0,5) = 13 дБ.

Эффективность мощности (PE) — еще один параметр, используемый для описания эффективности усилителя без учета влияния входной мощности. В этом случае эффективность определяется просто с точки зрения выходной мощности и подводимой мощности постоянного тока.

Когда энергоэффективность сосредоточена на одном транзисторе, ее иногда называют эффективностью стока (устройство на полевых транзисторах) или эффективностью коллектора (биполярный транзистор). Это использование отражает тот факт, что мощность постоянного тока в значительной степени определяется путем измерения тока через сток или коллектор, умноженного на напряжение источника питания постоянного тока.

Обратите внимание, что когда коэффициент усиления усилителя достаточно высок, значение входной мощности снижается, в результате чего PAE становится примерно таким же, как PE.

Отношение пиковой мощности к средней
Изменение входного сигнала может повлиять на практическую эффективность усилителя мощности при его использовании. Современные методы цифровой модуляции часто приводят к сигналам, которые значительно различаются по мгновенной мощности. (См. Основы цифровой модуляции, часть 1). На рис. 2 показан мгновенный уровень мощности сигнала с высокой пиковой мощностью (P пик ) по сравнению со средней мощностью (P avg ). Одним из способов описания этой «пиковости» сигнала является отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), выраженное в децибелах.

Рис. 2. Пакетный сигнал имеет высокую пиковую мощность по сравнению со средней мощностью.

Разработчики усилителей любят постоянные уровни мощности, поэтому они могут настроить усилитель так, чтобы он работал лучше всего на этом конкретном уровне. На рис. 3 показана зависимость PE от выходной мощности типичного усилителя мощности. Эффективность усилителя имеет тенденцию падать при низких уровнях мощности. Для наших целей форма кривой важнее конкретных значений. УМ должен обрабатывать пиковую мощность, но средняя мощность сигнала в основном определяет его практическую энергоэффективность. На рис. 3 также показана рабочая точка с наибольшей эффективностью, в которой мы хотели бы, чтобы усилитель работал. К сожалению, PAPR сигнала заставляет вас смещать рабочую точку влево, чтобы пиковая мощность не перегружала усилитель.

Рис. 3. КПД усилителя мощности зависит от выходной мощности.

Варианты конструкции
Снижение рабочей точки (и выходной мощности) усилителя является очевидным решением проблемы высокого PAPR. Однако эффективность усилителя будет страдать. К счастью, инженеры по радиочастотам разработали два метода, которые могут регулировать режим работы усилителя в режиме реального времени и повышать эффективность.

Оба метода были впервые предложены в 1930-х годов, но в настоящее время являются широко используемыми подходами к дизайну в 21 веке. Вот эти методы проектирования усилителей:

  • Усилитель слежения за огибающей : Входной сигнал динамически управляет напряжением питания усилителя.
  • Усилитель Доэрти : Двухканальный усилитель, который при необходимости реагирует на пики входного сигнала.

Мы подробнее рассмотрим эти два метода в следующих статьях.

Каталожные номера
1. «Мощность 5G: создание зеленой сети, которая сокращает расходы, выбросы и потребление энергии», Huawei, Чен Дунсюй, 29 июля 2020 г., https://www.huawei.com/us/publications/communicate/89/5g. -power-green-grid-slashs-costs-remissions-energy-use.
2. «Как спроектировать ВЧ-усилитель мощности: основы», Keysight Technologies, видео на YouTube,
https://youtu.be/WAingaHfBMs.

Боб Витте — президент Signal Blue LLC, консалтинговой компании в области технологий. Боб занимал различные должности в области исследований и разработок, планирования технологий, стратегического планирования и производства в компаниях Keysight Technologies, Agilent Technologies и Hewlett-Packard Company. Внутри он просто инженер, которому нравится видеть, как инновационные продукты решают реальные проблемы клиентов. Боб является автором двух книг по контрольно-измерительному оборудованию: Electronic Test Instruments (2-е издание) и Spectrum and Network Measurements (2-е издание).

Статьи по теме

  • Саммит IMS 5G: проблемы проектирования остаются (часть 1)
  • Саммит IMS 5G: проблемы проектирования остаются (часть 2)
  • 5G — это жарко, держите свои компоненты и системы в прохладе
  • ВЧ-усилитель мощности, часть 1: функции
  • ВЧ-усилитель мощности, часть 2: соображения
  • Основы цифровой модуляции, часть 1
  • Основы цифровой модуляции, часть 2

Как измерить фактическую выходную мощность усилителя?

#6