Как работает усилитель звука: Как работает усилитель звуковой частоты / Хабр

Содержание

Как работает усилитель в системе автозвука

Автомобильные усилители берут сигнал от головного устройства, усиливают его, и передают на громкоговорители. Это позволяет получить от динамиков звук мощнее и чище чем, если сигнал подавался бы непосредственно с источника сигнала на громкоговорители. Идеально, если усилитель передает сигнал линейно – сигнал на выходе по форме такой, как и на входе, только с большей амплитудой, которая определяет мощность звука. Такая передача формы сигнала называется АЧХ – амплитудно-частотной характеристикой, которая показывает, как усилитель передает сигнал на разных частотах. Чем ровнее АЧХ, тем лучше для качества сигнала.

Типы усилителей

Производители продолжают создавать новые виды усилителей, но есть три главных вида схем усилителей: класс А, класс АВ, класс D.

  1. Класс А имеет мягкий звук, но он не эффективен по КПД и сильно перегревается.
  2. Класс АВ работает намного эффективнее по КПД, но звук получится обычным, нейтральным.
  3. Усилители класса D являются самыми эффективными по потерям энергии, но они имеют низкий демпфирующий фактор, который показывает степень затухания паразитных колебаний и зависит от выходного сопротивления усилителя.

Усилители обычно делают 5 или 4 канальными, стерео 2 канальные или моноблоки с одним каналом, для подключения сабвуфера. Некоторые производители выпускают усилители и с большим количеством каналов, но они намного меньше применяются в системах автозвука.

Как работает усилитель

Нет ничего важного в принципе работы усилителя, что может пригодиться пользователю. Эта информация больше подойдет для энтузиастов, которые задают себе вопросы, как усилитель работает и как он управляет сигналом. Мы не будем углубляться в работу электрической схемы, в историю транзисторов или в принципы работы трансформаторов, скорее мы рассмотрим, что усилитель делает с сигналом, который он получает от головного устройства и проводит этот сигнал по своим путям.

Обычно считают, что усилитель берет исходный маленький сигнал и увеличивает его до определенной величины. Это верно только от части, фактически усилитель создает новый сигнал, который должен быть точной копией входного сигнала.

Сравним звуковой усилитель и копировальный аппарат. Вы, вероятно, спросите, как можно сравнивать эти две различные технологии. Но если вы делали копию на копировальном аппарате, то вы заметили, что можно с его помощью увеличить исходный документ на определенную величину. Если иметь исходное изображение и увеличить его до других размеров, то вы будете иметь два одинаковых изображения разных размеров, но на разных листах бумаги. Новое изображение – большая копия старой картинки, то есть это новый лист со своим изображением. Теперь перенесем эти принципы работы в усилитель. Он берет сигнал с входа и выдает на выход уже увеличенный сигнал. Однако сигнал на выходе, подобно копировальщику, не тот же что и на входе. Увеличение сигнала происходит только по амплитуде, но не в длине звуковой волны иначе это будут уже помехи и искажения сигнала и копии точной не получиться. Эта аналогия должна вам дать общее представление о работе усилителя.

Усилитель берет слабый сигнал от источника, например, CD проигрывателя и увеличивает его для нормальной работы динамиков. И хотя это не один и тот же сигнал отличие между ними заключается только в их мощности.

Сигналы

Первый шаг к пониманию работы усилителя – это понятие о сигналах. Сигналы используются, чтобы передать данные из одного места в другое. Есть два вида сигнала – аналоговые и цифровые. В нашем примере используется аналоговый сигнал, который передается по аудио кабелям и представляет собой аналогию звуковой волны в электрической форме с помощью изменяющегося уровня напряжения. Головное устройство по кабелям передает в усилитель электрический сигнал, соответствующий звуку (музыке).

Большинство усилителей обрабатывают входной сигнал с помощью трех узлов

1 Входная схема усилителя

Источники звука отличаются по выходному напряжению. Первое головное устройство может подать на усилитель сигнал в 1 вольт, когда другое может подать тот же сигнал уже с напряжением в 3 вольта.
Усилители должны быть способны обрабатывать сигналы разного уровня. Некоторые усилители, особенно штатные, способны обрабатывать только один уровень сигнала, но большинство усилителей обрабатывает два уровня сигналов от источника звука. Один высокий уровень позволяет к головному устройству подключать сразу динамики, а второй низкий уровень сигнала должен пройти через усилитель.

Обязательно чувствительность входной схемы усилителя должна соответствовать уровню сигнала выхода головного устройства. Входная чувствительность регулируется в усилителе и определяет коэффициент усиления, но большая входная чувствительность может привести к большим искажениям сигнала. Поэтому нужно контролировать уровень громкости по регулятору громкости источника сигнала. Ведь регулировка чувствительности используется только что бы устранить несоответствие в уровнях выходного сигнала различных элементов в системе автозвука. Другими словами, если регулятор громкости устанавливается в максимум и на усилитель идет максимальный по уровню сигнал, и нет искажений в динамиках, то в усилителе входная чувствительность отрегулирована правильно.

2 Блок питания

Блок питания отвечает за преобразование напряжения питания автомобиля (напряжение от аккумулятора) в более высокое напряжение. Обычно напряжение с аккумулятора подается постоянное на уровне 13,8 вольт. Это маленькое напряжение и его не достаточно что бы запустить динамики на звуковую мощность требуемую пользователем.
Все автомобильные динамики имеют постоянное сопротивление, в среднем это сопротивление равно 4 Ом.

Если мы будем подавать на наш усилитель питание 13,8 вольт и подключим на выход динамики сопротивлением 4 Ом, то максимальная возможная мощность, которую мы сможем получить, составит не больше 49 Вт. Ведь по формуле мощность (Р) равняется напряжению (V), взятому в квадрате, деленному на сопротивление (R). Если взять питание аккумулятора в 13,8 вольт и возвести в квадрат, то получим 190. Громкоговорители имеют сопротивление 4 Ом, это значение и подставим в формулу. Поделив 190 на 4, получаем максимально возможную мощность нашего усилителя равную 47,5 Ватт, и это с условием, что КПД усилителя 100%.

Если подключить к усилителю динамики на 2 Ом (что плохо может сказаться на качестве звука), и подставим это значение в формулу мощности, то получим максимальную мощность в 95 Ватт. Но и этого может не хватить для большого 15 дюймового низкочастотного динамика.

Так как можно увеличить мощность на выходе усилителя? Ответ один – повысить питающее напряжение. Очевидно, что повысить напряжение питающей сети автомобиля мы не можем, значит, эту задачу будет выполнять усилитель. Фактически, повышение и контроль напряжения — это работа усилителя.

Повышение напряжения осуществляется блоком питания усилителя. Большой и мощный блок питания означает, что выходной каскад усилителя сможет лучше выполнить свою работу и подать на динамики большую мощность. Что бы повысить напряжение сети автомобиля блок питания усилителя использует трансформатор.

Трансформатор – устройство, которое берет напряжение одного уровня и изменяет его на напряжение другого уровня. Трансформаторы бывают повышающие или понижающие. Это означает, что они берут напряжение определенного уровня и на выходе выдают или повышенное или пониженное напряжение. Типичный понижающий трансформатор используется в системах промышленных электропередающих линий, когда нужно понизить напряжение с передающих линий в несколько киловольт до 220 вольт, используемых в наших домах. В автомобильных усилителях используется повышающий трансформатор, который берет напряжение автомобиля и повышает его до уровня, необходимого усилителю для нормальной работы.

Поскольку аудио сигнал – это сигнал АС (переменный ток), то нам понадобиться и положительное и отрицательное напряжение для работы динамиков. Что бы реализовать это с трансформатора снимается два постоянных напряжения, которые противоположны друг другу. Одно из этих напряжений управляет положительными колебаниями сигнала, а другое – отрицательными колебаниями. При комбинации этих колебаний получиться сигнал АС.

Если у нас блок питания, который выдает +25 вольт, то он должен выдавать и -25 вольт. Это положительное и отрицательное напряжение питания усилителя. В этом примере разница напряжения будет 50 вольт. Если подставить это значение в формулу мощности, рассмотренную выше, то получиться максимально возможная мощность усилителя 625 Ватт. Если сказать другими словами, то усилитель имеет пиковую мощность 625 Ватт.

Большая разница напряжения блока питания дает возможность усилителю выдать больше мощности на динамики. Считается, что при питании с большим напряжением усилитель будет иметь больший «headroom» (это зона на шкале уровня сигнала в dB, где кратковременные пики аудио сигнала не приводят к искажениям звука, другими словами – больший уровень сигнала без искажений), чем усилитель с меньшим уровнем питания.

3 Выходной каскад

Выходной каскад усилителя выдает сигнал, который напрямую подается на громкоговорители. Главными элементами выходного каскада являются мощные транзисторы. Наиболее популярными выходными транзисторами являются MOSFET. Транзисторы служат ключами для подачи повышенного напряжения с блока питания на выход усилителя. Что бы сделать это они преобразуют напряжение от блока питания в нужную форму сигнала.

Помните определение сигнала из этой статьи выше? Вот этот сигнал и служит для управления открыванием и закрыванием транзисторов выходного каскада. Так фактически входной сигнал управляет транзисторами, что бы напряжение с блока питания приняло форму аудио сигнала. То есть он переводит транзисторы во включенное и отключенное состояние в соответствии с входным сигналом, когда они воспроизводят входной сигнал в более мощной форме, который подается на выход усилителя и затем на динамики.

Усилитель звука – что это такое, устройство, принцип работы, зачем нужен, основные характеристики
Усилитель звука – что это такое, устройство, принцип работы, зачем нужен, основные характеристики

Во многих аудиосистемах бытового и профессионального назначения используется специальный компонент – усилитель звука. Он необходим для качественного, громкого воспроизведения аудиоинформации без помех и искажений. Устройства отличаются исходными характеристиками, совместимостью с другими приборами и сферой применения.

Что такое усилитель звука?

Качественный аудиоприбор, будь то магнитола в автомобиле или акустическая система для домашнего кинотеатра, практически всегда снабжается усилителем звука. Это специальное электрическое устройство, преобразующее слабый электрический сигнал в более сильный с помощью увеличения мощности тока. Усилитель мощности звука может быть как отдельным прибором, входящим в аудиосистему, так и являться внутренним компонентом, например, колонок, входящим в их гибридную систему.

что такое усилитель звука

Устройство усилителя звука

Стандартный усилитель звука для колонок имеет следующие конструкционные особенности:

  1. Входная система усилителя звука. К ней подсоединяется сам источник, который может отличаться выходным напряжением.
  2. Блок питания, отвечающий за преобразование входящего тока в величину с более высоким напряжением. Основным прибором этой группы является трансформатор.
  3. Выходной каскад, главными элементами которого являются транзисторы. Они преобразуют повышенное напряжение от блока питания в нужную форму сигнала, который передается на устройство вывода звука.
  4. Блок регулировки настроек присутствует только в автономных устройствах и позволяет тонко настраивать качество получаемого звука на выходе.

Принцип работы усилителя звука

Любой простой усилитель звука вне зависимости от класса и конструктивных особенностей работает по следующей схеме:

  1. В блоке питания входящий электрический ток от стандартной сети электропитания или автомобильного аккумулятора преобразуется в постоянный ток.
  2. Усилители звука для домашней акустики через входную систему получает сигнал от подключенного устройства (CD-плеера, например) и изменяет (увеличивает) его амплитуду с помощью постоянного тока. Длина звуковой волны остается без изменений.
  3. Усиленный звуковой сигнал передается на выходное устройство (колонки), через которые и воспроизводится в новом, улучшенном качестве.

Зачем нужен усилитель звука?

Обыватели нередко полагают, что усилить звук стараются непременно для повышения его громкости. Такое утверждение верно лишь отчасти. Усилитель звука в машину или для домашнего, профессионального использования необходим для качественного преобразования слабого электрического сигнала в более мощный. Устройства воспроизведения – плееры, магнитофоны и магнитолы имеют разную величину выходного аудиосигнала, которой не всегда хватает для качественного звучания. После таких метаморфоз исходящий звук:

  1. Получается более качественным, без помех и искажений.
  2. В разы громче исходного, поэтому регулятор громкости можно не поворачивать на максимум, тем самым продлевая срок службы аудиоколонок.
зачем нужен усилитель звука

Характеристики усилителя звука

Основные характеристики, которыми обладает усилитель звука для компьютера или другого прибора:

  1. Выходная мощность. Она может быть номинальной, то есть измеряемой при заданном коэффициенте нелинейных искажений и максимальной, которая учитывается при ненормированном коэффициенте.
  2. Даже мини усилитель звука для колонок обладает такими параметрами, как коэффициент усиления и коэффициент полезного действия.
  3. Частотный диапазон, то есть разнообразие частот, с которыми прибор способен работать. Оптимальный вариант – 20-20000 Гц.
  4. Коэффициент гармонических искажений показывает слышимую часть тех самых искажений на частоте 1 кГц и составляет 0,001-0,1%.
  5. Отношение сигнал/шум показывает, на сколько собственные шумы усилителя меньше полезного музыкального сигнала.
  6. Демпинг-фактор или способность подавлять паразитарные напряжения, влияющие на качество мелодии.

В качестве дополнительных характеристик могут быть указаны:

  • коэффициент интермодуляционных искажений;
  • скорость нарастания выходного сигнала;
  • перекрестные помехи.

Виды усилителей звука

Акустическая аппаратура имеет разнообразные характеристики и области применения, поэтому и усилитель звука имеет несколько разновидностей. По мощности бывают:

  • предварительные, являющиеся промежуточным звеном;
  • оконечные, непосредственно увеличивающие мощность;
  • интегральные, объединяющие две предшествующие разновидности в единый прибор.

По элементной базе различают:

  • ламповые;
  • транзисторные;
  • интегральные устройства.

По количеству подключаемых каналов приборы делятся на:

  • одноканальные устройства;
  • двухканальный девайсы;
  • многоканальные усилители.

Важным критерием классификации является и область применения устройства:

  1. Автомобильный усилитель звука.
  2. Домашние аудио комплексы.
  3. Концертная аппаратура.
  4. Студийная аппаратура.
виды усилителей звука

Классы усилителей звука

Выбирая усилитель звука для ноутбука или другого прибора, стоит обратить внимание и на класс понравившейся модели. Он демонстрирует сумму выходного сигнала в зависимости от схемы прибора в течение одного цикла работы при возбуждении входящим синусоидальным сигналом. Все классы можно условно разделить на группы:

  1. Классическую, куда входят приборы класса А, В, АВ и С. Они считаются самыми качественными, дающими на выходе максимально «чистый» звук. В основе лежит ламповый или транзисторный способ преобразования, поэтому приборы применяются в домашней и профессиональной акустике.
  2. Новую, к которой причисляются устройства класса D, E, F, G, T, D. В них используются цифровые схемы и широтно-импульсные модуляции. Такие устройства чаще применяются в малогабаритных приборах.
  3. Отдельно стоит выделить класс H, используемый в автомобильной акустике.

Как выбрать усилитель звука?

Перед покупкой понравившуюся модель усилителя стоит внимательно изучить, а лучше протестировать в магазине в режиме реального времени. Лучшие усилители по качеству звука обладают следующими важными параметрами, указанными производителем:

  1. Совпадение по мощности и частоте с акустическим прибором. Сначала выбирается акустика, а к ней усилитель, не наоборот.
  2. Важно учитывать и площадь помещения, в котором будет работать аппаратура.
  3. Лучше брать прибор с запасом мощности от предполагаемой величины при использовании, чтобы не эксплуатировать прибор на предельно возможных характеристиках.
  4. Уровень интермодуляционных и переходных искажений в пределах 1-3%.
  5. Показатель демпфирования (подавления паразитных колебаний мембран колонок) должен быть не менее 100.
  6. Чем выше показатель сигнал/шум, тем качественнее и чище будет звук на максимальной громкости.
  7. Частотный диапазон лучше выбирать тот, который переходит за слышимые человеческим ухом границы. Тогда качество воспринимаемой мелодии будет лучше.

Рейтинг усилителей звука

При подборе оптимальной модели усилителя звуковой частоты можно ориентироваться и на отзывы профессионалов акустического дела и обычных пользователей. В рейтинг популярных приборов неизменно входят:

  1. SMSL SA-36A Plus – компактный прибор класса D с поддержкой беспроводной сети по протоколу Bluetooth. Стоимость – $70.
  2. рейтинг усилителей звука SMSL
  3. Fiio A3 – портативная модель для использования в комплекте с наушниками. Стоимость – $78.
  4. рейтинг усилителей звука Fiio A3
  5. Yamaha A-S201 – бюджетный прибор известного мультимедийного бренда с отличным качеством звучания при домашнем использовании. Стоимость – $233.
  6. рейтинг усилителей звука Yamaha A-S201
  7. Denon PMA-720AE известная интегральная модель с возможностью фонокоррекции и тонокомпенсации. Стоимость – $420.
  8. рейтинг усилителей звука Denon PMA-720AE
  9. Rotel RA-1572 – премиальная модель для домашней акустики, гарантирующая чистый и мощный звук. Стоимость – $1785.
  10. рейтинг усилителей звука Rotel RA-1572

Усилитель звука своими руками

Некоторые аудиолюбители зная, как сделать усилитель звука, собирают прибор с нужными характеристиками самостоятельно. Для этих целей потребуются навыки работы с радиотехникой и следующие элементы:

  1. Аудио штекер для моно сигнала, стерео сигнала или стерео сигнала с микрофоном. Оптимальный вариант – двухпиновый стерео штекер.
  2. Динамики с одинаковой мощностью и сопротивлением звуковой катушки.
  3. Трансформаторный блок питания нужной мощности, к примеру, 9 или 12 Вт.
  4. Микросхема.
  5. Электролитические конденсаторы нужного напряжения.
  6. Переменный резистор для регулировки уровня громкости.
  7. Разводка печатной платы.

Ход работ не представляет сложности для опытного электронщика:

  1. Все выбранные элементы располагаются на печатной плате.
  2. Соединение элементов проводится с помощью паяльника.
  3. Подключаются вводы штекера и динамиков.
  4. Устанавливается корпус.

Как пользоваться усилителем звука?

Основные правила использования усилителя звука на ПК, в автомобиле и домашней аудиосистеме стандартны:

  1. Начинать важно с качественного прибора подходящего по характеристикам к выбранным проигрывателям и колонкам. Диссонанс системных требований приведет к снижению качества звука или поломке устройств.
  2. Подключать устройство нужно, строго следуя прилагаемой к каждой модели инструкции.
  3. После подключения важно перейти к настройкам прибора, если таковые имеются. Тестирование и подстройка могут проводиться как в ручном, так и автоматическом режиме. После этого можно наслаждаться качественным звучанием любимых мелодий.

 

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все / Stereo.ru

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Звук

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Продолжение следует...

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром

Как работает усилитель класса «G» и «H», или На ступень выше

Как работает усилитель класса XD и XA, или Немного экзотики

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Слушаем музыку с компьютера правильно. Три основных способа

• Что за музыка была «зашита» в популярных ОС

• Что такое Roon? [видео]

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром / Stereo.ru

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Плюсы

Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости класс АВ обычному классу А не уступает, по крайней мере в теории. В сравнении с классом В, класс АВ куда лучше ведет себя на малых громкостях и способен отрабатывать самые тихие и деликатные моменты в музыке, но при этом сохраняет практически ту же мощь и силу на больших динамических всплесках.

Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.

Минусы

Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.

Особенности

Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.

В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.

Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.

Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.

Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.

Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки. В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.

Практика

Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.

Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.

С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Выводы

Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.

Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.

Продолжение следует...

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Выбираем звукосниматель для проигрывателя винила

• Что лучше для звука - линейные или импульсные блоки питания? [видео]

• Музыка из бумаги и картона: краткая история вариофона и «рисованного звука»

Как работают ламповые усилители, или Особенности теплого звука / Stereo.ru

История

Радиолампы, как и другие электронные компоненты, имеют богатую историю, в ходе которой произошла заметная эволюция. Началось все в нулевых годах прошлого века, а закатом ламповой эры можно считать шестидесятые годы, когда свет увидела последняя фундаментальная разработка — миниатюрные радиолампы нувисторы, а транзисторы уже начали активно завоевывать рынок. Но из всей истории нас интересуют лишь ключевые этапы, когда были созданы основные типы радиоламп и разработаны основные схемы их включения.

Первый в мире триод изобретателя Ли де Фореста, 1908 год

Первой разновидностью радиоламп, разработанной для создания усилителей, были триоды. Цифра 3 слышится в названии не случайно — именно столько активных выводов имеет триод. Принцип работы триода предельно прост. Между анодом и катодом лампы последовательно включаются источник питания и первичная обмотка выходного трансформатора (ко вторичной обмотке которого подключается акустика). Полезный сигнал подается на сетку лампы. При подаче напряжения в схему усилителя между катодом и анодом протекает поток электронов, а расположенная между ними сетка модулирует этот поток соответственно изменениям уровня входящего сигнала.

В ходе использования триодов в различных отраслях промышленности потребовалось улучшить их характеристики. Одной из таких характеристик была проходная емкость, величина которой ограничивала максимальную рабочую частоту лампы. В процессе решения этой проблемы появились тетроды — радиолампы, имеющие внутри не три, а четыре электрода. Четвертым стала экранирующая сетка, установленная между управляющей сеткой и анодом. Задачу повышения рабочей частоты это решало в полной мере, что вполне удовлетворило создателей технологии, разрабатывавших тетроды для того, чтобы радиостанции и радиоприемники работали в коротковолновом диапазоне, имеющим более высокие несущие частоты нежели средне- и длинноволновый.

Строение триода

С точки зрения качества воспроизведения звука тетрод не превзошел триод принципиально, поэтому другая группа ученых, озадаченная вопросами воспроизведения звуковых частот, усовершенствовала тетрод, используя, по сути, тот же подход — просто добавив в конструкцию лампы еще одну дополнительную сетку, располагающуюся между экранирующей сеткой и анодом. Это было необходимо для того, чтобы подавить динатронный эффект — обратную эмиссию электронов от анода к экранирующей сетке. Подключение дополнительной сетки к катоду препятствовало этому процессу, делая выходную характеристику лампы более линейной и повышая выходную мощность. Так появился новый тип ламп: пентод.

Принцип работы

Все вышеупомянутые типы ламп в том или ином виде нашли применение в аудиотехнике. При этом пытливые умы аудиоинженеров постоянно искали пути наиболее эффективного их использования. Довольно быстро они пришли к выводу, что место включения экранирующей сетки пентода в схему усилителя — это инструмент, с помощью которого можно принципиально изменить режим его работы. При подключении сетки к катоду мы имеем классический пентодный режим, если же переключить сетку на анод — пентод начинает работать в режиме триода. Это позволяет объединить два типа усилителя в одном с возможностью смены режима с помощью простого переключателя.

Так работает тетрод

Но и этим дело не ограничилось. В 1951 году американские инженеры Дэвид Хафлер и Харберт Керос предложили подключать сетку пентода совершенно иным способом: к промежуточным отводам первичной обмотки выходного трансформатора. Такое подключение является чем-то средним между чистым триодным и чистым пентодным включением, давая возможность комбинировать свойства обоих режимов.

Таким образом, с режимами ламп произошла та же история, что и с классами усиления, когда вслед за «чистыми» классами А и В появился комбинированный класс АВ, сочетающий сильные стороны двух предыдущих.

Обозначение разных типов ламп по ГОСТу

В том, что касается сочетания режимов работы ламп и классов усиления, они могут комбинироваться произвольным образом, что приводит к изрядной путанице и даже жарким спорам в рядах неофитов. Не добавляет ясности и тот факт, что разработчики ламповых усилителей в большинстве случаев указывают не класс усилителя, а принцип схемотехники: однотактный — SE (Single Ended) или двухтактный — PP (Push-Pull). В итоге, пентоды и тетроды нередко ассоциируют исключительно с классом АВ и двухтактной схемой в целом, а триод, напротив, считают синонимом класса А и сугубо однотактного включения. На самом же деле, ни что не препятствует переключить усилитель, работающий в классе А, в пентодный или ультралинейный режим, а на паре триодов можно собрать двухтактный усилитель, работающий в классе В или АВ.

Предпосылкой к неверным ассоциациям является частота использования тех или иных режимов в различных классах усиления. Триоды чаще используют в однотактных схемах и классе А. В свою очередь, пентоды и тетроды лучше подходят для работы в двухтактных схемах, хотя переключение их в триодный режим — реальная опция, встречающаяся на усилителях, работающих в классе АВ, и не имеющая ровным счетом никакого отношения к классу А.

Плюсы

Традиционный триодный режим работы лампы имеет как минимум одно значимое преимущество: способность работать без обратной связи. Пентодный режим имеет свои плюсы: большую линейность работы и возможность достигать более высокой мощности. Ультралинейный режим дает возможность отказаться от общей обратной связи и при этом сохранить мощность, близкую к пентодному включению. При этом триод при прочих равных обходит оба варианта по уровню собственного шума лампы.

Минусы

Слабые места одних режимов ламп вполне закономерно можно обнаружить там, где проявляются сильные места других. Триодный режим имеет меньший КПД и меньшую линейность, хуже переносит динамические нагрузки. Пентодный и ультралинейный режимы проигрывают по уровню шумов, к тому же на практике оказываются более зависимы от качества выходных трансформаторов. Пентодный усилитель невозможен без общей обратной связи, и она может понадобиться в некоторых вариантах ультралинейного режима.

Особенности

С точки зрения качества и характера звучания каждый тип ламп и каждый режим включения имеет свои особенности, настолько очевидные на слух, что даже ультралинейный режим, по факту, не стал золотой серединой. Триоды в чистом виде и триодное включение пентодов обеспечивают наиболее чистый и объемный звук до тех пор, пока дело не дойдет до энергичной музыки с быстрыми и значительными по амплитуде перепадами громкости. Иными словами — для спокойного джаза триоды подходят куда лучше, чем для прослушивания рока.

Пентодный и ультралинейный режимы, напротив, больше подходят для энергичной музыки, но в ряде случаев звучат недостаточно чисто, точно и детально. Особенно часто эти претензии относятся к пентодному режиму, а в целом характер звучания и пентодного, и ультралинейного режимов нередко сравнивают с транзисторными усилителями.

Практика

Ламповая схемотехника — дело тонкое, поэтому большинство производителей упражняются в совершенствовании какого-то одного сочетания режима работы ламп и класса усиления. Стремление разработчиков получать идеальный (согласно их представлениям) звук и следующий за этим отказ от любых альтернативных способов включения ламп вполне понятны, но при поиске испытуемого наша задача состояла как раз в обратном: иметь возможность сравнить один и тот же набор ламп как минимум в двух вариантах включения.

Это существенно сократило выбор кандидатов, однако, подходящий вариант был найден. Им стал Cayin CS-100A — аппарат, буквально созданный для разного рода экспериментов. Его конструкция допускает использование выходных ламп двух типов: тетродов KT88 и пентодов EL34. При этом есть возможность выбора между триодным и ультралинейным режимом с выходной мощностью 50 или 80 Вт на канал, соответственно. При этом схемотехника усилителя в обоих случаях двухтактная, и работает он в классе АВ.

Кроме прочего, Cayin CS-100A является хорошим примером современной реализации традиционного лампового усилителя. Он имеет классическую компоновку со съемной решеткой закрывающей лампы, несет на борту выходные трансформаторы солидных размеров, обеспечивающие не только достаточную мощность, но и широкий диапазон воспроизводимых частот. Комплектующие соответствуют современным требованиям качества: в усилителе применяются угольные резисторы, аудиофильские конденсаторы, тороидальный трансформатор питания и проводка серебряным кабелем. Монтаж при этом реализован навесным способом — так же, как это делали более полувека назад. Это является не столько данью истории, сколько способом сокращения путей сигнала. В целом, Cayin CS-100A — это аппарат, в полной мере попадающий под определение лампового High End.

Звук

Когда речь идет о High End-компонентах, особенно ламповых, не всегда удается четко провести грань между «усилитель не справился» и «так и было задумано». В конце концов, аудиоинженер в мире High End — это тоже в некотором роде художник и он имеет право на свое собственное представление о том, как должна звучать система. Избежать такого рода недоразумений помогло использование в процессе тестирования двух пар акустических систем, обладающих принципиально разными характеристиками. Специфические признаки недостатка мощности и роста искажений можно было заметить на тяжелой нагрузке и на громкости выше средней, что в общем соответствует заявленным характеристикам. С крупными полочниками или напольниками средних размеров со столь же среднестатистическими параметрами мощности, импеданса и чувствительности Cayin CS-100A вполне справится.

В триодном режиме усилитель выдает красивое, тембрально насыщенное звучание с богатым верхним и средним басом. Лучше всего звучала спокойная медленная музыка, вокал, аудиофильский джаз, камерная классика малых составов. Вполне можно было получить удовольствие от ранних Beatles и Led Zeppelin. При этом попытки послушать современный рок и металл не увенчались успехом. Звучание гитар было очень густое, тягучее, округлое и не особенно агрессивное. Самый злющий металл подавался так, словно его записывали в начале семидесятых.

Переключение в ультралинейный режим производится одним нажатием кнопки и меняет картину полностью: рок, металл, танцевальная электроника сбрасывают налет винтажности и начинают звучать не менее энергично, чем на транзисторных усилителях, работающих в классе АВ. В характере остается некоторая теплота и приятная округлость басовых нот, но в весьма умеренных количествах. На медленной музыке и малых составах ультралинейный режим не столь красив и выразителен, как триодный, музыка подается более спокойно и ровно.

Выводы

Каждый режим работы лампы в усилителе имеет свои плюсы и минусы, которые дают хорошо различимые на слух отличия в звучании. Учитывая, что ламповая техника — это всегда техника с характером, выбор усилителя, работающего в том или ином режиме (или переключение режимов на самом усилителе), является инструментом пользователя, позволяющим подобрать усилитель согласно индивидуальным предпочтениям.

Другие материалы цикла:

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла

Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром

Как работает усилитель класса «G» и «H», или На ступень выше

Как работает усилитель класса XD и XA, или Немного экзотики

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Как IT-компания боролась за право продавать музыку

• Как выбрать наушники для домашней Hi-Fi-системы?

• Пластинка в подарок или бесплатная музыка для любителей колы и готовых завтраков

Как работает усилитель класса «А», или Истинный High End и много тепла / Stereo.ru

Принцип работы

В далеком 1916 году шведский ученый Эрнст Александерсон, работавший в американской компании General Electric, получил патент на схему усилителя, которая известна всему миру как класс А. Принцип действия усилителя класса А предельно прост, а для создания усилителя такого типа достаточно одного транзистора или одной лампы. Для того, чтобы понять, как он работает, рассмотрим более классическое решение: лампу.

Непосредственно в процессе усиления звукового сигнала в радиолампе участвуют три конструктивных элемента: анод, катод и сетка. При подаче питания в схему между катодом и анодом возникает поток электронов, а сетка, располагающаяся между ними, выполняет роль регулирующего клапана.

При наличии на сетке электрического потенциала она препятствует свободному прохождению электронов, и, чем выше электрический потенциал на сетке, тем меньше электронов проходит от катода к аноду вплоть до полного закрытия лампы. Таким образом, включив полезную нагрузку (акустическую систему) между катодом и анодом и подав сигнал на управляющую сетку, мы получаем простейшую схему усилителя мощности.

Специфика усилителя, работающего с аудиосигналом, состоит в том, что звуковая волна имеет симметричную форму с положительной и отрицательной составляющими, равными по амплитуде.

При подаче такого сигнала на вход усилителя произойдет следующее: в момент прохождения положительной полуволны лампа будет открываться и закрываться так, что сигнал на выходе будет повторять форму звуковой волны на входе. Но в тот момент, когда на вход поступит отрицательная часть полуволны, сетка уже будет полностью заперта, и вместо воспроизведения звука на выходе усилителя мы получим тишину.

Несмотря на то, что в статье мы говорим преимущественно о ламповом классе А, транзисторы так же способны работать соответствующим образом, и на картинке выше вы видите стандартную схему

Для того, чтобы дать лампе возможность воспроизводить обе половины сигнала, Эрнст Александерсон организовал смещение нулевой точки входящего сигнала относительно нулевой точки (полностью закрытого состояния) лампы примерно на середину ее рабочего диапазона. Таким образом, среднее положение звуковой волны соответствовало полуоткрытому состоянию лампы.

В момент прохождения положительной полуволны входящего сигнала лампа открывалась еще сильнее, а при воспроизведении отрицательной полуволны закрывалась, но частично, не доходя до минимальной отметки.

Плюсы

На первый взгляд, схема довольно симпатична и имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста, лаконична и является отличным примером предельно короткого звукового тракта. Во-вторых, лампа или транзистор, работающие в классе А, постоянно находятся в рабочем состоянии и мгновенно реагируют на изменения входящего сигнала — у них нет временных задержек, возникающих в момент выхода из полностью закрытого состояния.

В-третьих, середина рабочего диапазона электронного компонента — это та зона, в которой он работает максимально эффективно и без искажений. Значит, если не увеличивать амплитуду до предельных значений (не выкручивать особенно сильно ручку громкости и не подключать к усилителю тяжелую нагрузку), усилитель будет работать исключительно в комфортном режиме, и сигнал на выходе будет иметь практически идеальный вид.

К сожалению, все эти плюсы без побочных эффектов можно реализовать только в слаботочных цепях предварительного усилителя. А когда речь заходит о работе на мощностях, необходимых для взаимодействия с акустическими системами, класс А проявляет свои не менее очевидные минусы.

Минусы

Главные минусы класса А так же, как и плюсы, вытекают из выбранного создателем принципа работы. Нулевой уровень входного сигнала приходится на середину рабочего диапазона электронного компонента, а это значит, что, когда на входе тишина — транзистор или лампа уже открыты наполовину и работают вполовину своей мощности, расходуя вхолостую много энергии. Реальный же КПД усилителей класса А оказывается существенно ниже теоретических 50%. Из 100% энергии, потребляемой усилителем, акустика получает не более 20–25%, а вся остальная энергия преобразуется в тепло.

Повышение рабочей температуры может негативно сказываться на режиме работы усиливающего элемента, поэтому транзисторные усилители класса А, выдающие хоть сколько-нибудь существенную мощность, обладают огромными радиаторами.

Если же вы хотите получить на выходе не десятки, а сотни ватт мощности, сохранив при этом режим работы усилителя в классе А, готовьте комнату побольше и вентиляцию для отвода тепла помощнее, ведь вследствие низкого КПД сам усилитель будет огромным, а его блок питания и вовсе колоссальным.

За всем этим следует целый ряд сопутствующих проблем. Прежде чем счастливый обладатель усилителя класса А получит свой первый огромный счет за электричество, ему придется потратить немало денег на сам усилитель, ведь большие блоки питания, тяжелые выходные трансформаторы ламповых и массивные радиаторы транзисторных усилителей сами по себе стоят денег.

В ходе эксплуатации вслед за увеличившимися расходами на электроэнергию аудиофил рано или поздно столкнется с еще одной проблемой усилителей класса А — повышенным износом активных элементов схемы. Особенно эта проблема касается ламп. Работая в классе А, они постоянно находятся под большой нагрузкой, что сокращает их и без того малый ресурс работы.

Особенности

Понимая как работает усилитель в классе А, мы можем рассмотреть его и с аудиофильской точки зрения. Ситуация с искажениями на малых уровнях громкости вполне понятна: пока амплитуда сигнала не высока, усилитель работает в идеальных условиях и обеспечивает на выходе если не абсолютно совершенный сигнал, то что-то к нему максимально приближенное. Но возникает вопрос: что же происходит когда мы делаем музыку погромче?

До определенного момента — ничего страшного, но, как только пики сигнала приближаются к пороговым значениям (максимально открытому и закрытому состоянию лампы или транзистора), искажения будут расти существенно, как и у любого другого усилителя, после чего произойдет компрессия с выходом искажений за все мыслимые границы нормы.

Кто-то заметит, что любой усилитель можно перегрузить и загнать в искажения. Это справедливо. Но тонкость момента состоит в том, что усилители класса А по определению маломощны, а значит довести их до предельной нагрузки не составляет труда. Именно это происходит в те моменты, когда усилитель, только что воспроизводивший тихую камерную музыку с невероятным уровнем детализации, вдруг сваливает в неразборчивую кашу более громкое звучание симфонического оркестра.

Следующая специфическая особенность схемотехники касается блока питания. Это, кстати, один из важнейших компонентов любого усилителя, ведь энергия поступающая в акустику — это энергия блока питания, модулированная входящим сигналом. Выражаясь в более понятной автомобильной терминологии, блок питания — двигатель, а схема усилителя — руль.

Так вот, низкий КПД усилителя класса А и высокий ток покоя загоняет блок питания в довольно сложные условия: он должен иметь солидный запас мощности, чтобы, выдавая постоянно высокий ток, быть готовым мгновенно отдать в разы больше. После резкого всплеска сигнала конденсаторам блока питания необходимо зарядиться, т. е. взять дополнительную энергию от трансформатора, который и без того постоянно озадачен тем, чтобы поддерживать высокий ток покоя усилителя.

Далеко не все блоки питания способны справиться с такой задачей без побочных эффектов, поэтому, если звучание мощного усилителя, работающего в классе А, кажется вам медлительным, быстрая музыка смазывается, а бас получается неизменно гулким и размазанным во времени, — не удивляйтесь и не спешите обвинять в этом акустику или ее неудачное расположение в помещении.

Практика

Несмотря на все недостатки и технические особенности, усилители класса А по-прежнему производятся разными производителями и образуют весьма заметную нишу на рынке Hi-Fi техники, а если быть точным — в сегменте High End, где габаритами, энергопотреблением, сложностью эксплуатации и даже ценой можно пренебречь в угоду его величеству звуку.

Кроме того, с 1916 года и по настоящий момент времени на свет родилось немало талантливых инженеров, которые нашли способы существенно компенсировать вышеупомянутые проблемы.

Отличным примером вышесказанному является ламповый усилитель Octave V 16 Single Ended. Слова Single Ended в названии переводятся как «однотактный», что является техническим описанием режима работы ламп и, фактически, выступает синонимом понятия «класс А».

Для того, чтобы взбодрить классическую схемотехнику и приблизить эксплуатационные характеристики усилителя к современным реалиям, разработчики Octave воплотили в жизнь сразу несколько оригинальных решений, корректирующих режим работы. Адаптивная трехступенчатая настройка режима работы усилителя управляет величиной тока смещения сообразно максимальной амплитуде входящего сигнала, чтобы не держать схему усилителя в режиме высокого энергопотребления без необходимости.

А когда сигнал на входе отсутствует более двух минут, включается режим Ecomode, который понижает энергопотребление до 35%. Таким образом, усилитель, оставленный без присмотра, не будет без толку греть помещение.

За качество звучания разработчики боролись не меньше, чем за энергоэффективность, поэтому использовали высокотехнологичные трансформаторы с компенсацией магнитного поля, усовершенствованные каскады предварительного усиления, расширяющие диапазон воспроизводимых частот, а также самые совершенные схемы стабилизации, избавляющие от шумов и гула, которые усилители класса А с удовольствием демонстрируют даже при небольшом отклонении от рабочих параметров.

В результате, усилитель можно использовать с совершенно различной нагрузкой: от низкоимпедансной акустики до высокоимпедансных наушников, — не боясь вывести их из строя или просто выйти за пределы рабочего режима. Следящие электронные схемы перенастраивают выходные каскады автоматически.

Читая это, самое время вдохновиться и решить, что абсолютно все проблемы уже решены современными инженерами. Но не спешите, ведь нужно заглянуть в паспортные данные. А там картина вырисовывается крайне специфическая. При низких показателях шумов и искажения, имея без малого два десятка килограмм живого веса и потребляя от сети до 200 Вт, Octave V16 Single Ended выдает на акустике импедансом 4 Ом не более 8 Вт на канал при использовании самых мощных ламп. Для наушников этого вполне хватит, но где искать подходящие колонки?

Звук

Поскольку данный текст является частью большого цикла публикаций, посвященного различным типам усилителей, в процессе его подготовки было проведено одно большое сравнительное прослушивание, в котором участвовали усилители различных классов. Для придания прослушиванию достаточной степени объективности было выбрано две модели напольных колонок.

Одна из них была заведомо тяжелой нагрузкой с низкой чувствительностью — крупным тугим басовиком, и требовала высокой подводимой мощности. Вторая же была призвана стать обратной стороной медали: предельно легкой нагрузкой, способной сработаться с любым, даже маломощным усилителем. И во всех случаях эта схема тестирования была вполне рабочей до того момента пока на сцене не появился Octave V16 Single Ended с его 8 Вт на канал.

На тяжелой нагрузке искажения были столь реальны, что их, казалось, можно было потрогать, а нагрузка, ранее известная как легкая, успешно справилась с ролью тяжелой. За неимением под рукой еще одной пары колонок мощностью в несколько ватт и с чувствительностью выше 100 дБ роль легкой нагрузки выполнили наушники.

С колонками, которым по паспорту требуется не менее 25 Вт, Octave V16 Single Ended сработался на удивление неплохо. Если не злоупотреблять громкостью, можно в полной мере оценить живой, открытый и чистый звук, который на спокойных аудиофильских записях просто превосходен.

Ситуация осложняется, когда дело доходит до более динамичной музыки, а на рок-композициях усилитель с удовольствием сваливает звучание гитар в кашу, давая в качестве бонуса вполне различимую на слух компрессию. Спасает лишь тот факт, что компрессия и искажения в исполнении ламп в отличие от транзисторов придает звучанию довольно приятную окрашенность.

Если же попытаться уменьшить нагрузку на усилитель, понизить громкость, а затем подсесть поближе, чтобы не потерять в звуковом давлении — картина исправляется. И грязи нет, и деталей больше, и компрессия не ощущается. Здесь я замечу, что по габаритам этот усилитель совсем небольшой, его можно поставить не только в стойку, но даже на стол, для использования с наушниками и полочными мониторами ближнего поля.

В полной мере прочувствовать принадлежность усилителя к категории High End удалось в наушниках. Совершенно сумасшедшая детальность, открытое, объемное и тембрально богатое звучание, управляемый и четкий бас — все то, о чем можно мечтать. И, что характерно, даже на быстрой тяжелой музыке усилитель начал вести себя достойно. Никакой вальяжности, никакой каши, никакой гулкости в НЧ-диапазоне. Вот что значит — обеспечить усилителю класса А оптимальный режим работы.

Выводы

Усилитель класса А имеет немало плюсов. Проще говоря — его есть, за что любить. Но в современном мире он занимает особое место. Это тот краеугольный камень, вокруг которого придется выстраивать всю остальную систему и под который, в некотором смысле, даже придется подстраивать свой образ жизни.

В первую очередь, речь идет, конечно, о правильном подборе акустики. Тут самое время вспомнить о рупорной акустике с её высокой чувствительностью, да и о винтаже задуматься не грех. Все же в прошлом у разработчиков было больше понимания, как обеспечить много звука, имея на руках маломощные усилители. Ну и при всем вышесказанном надо понимать, что система неизбежно получится жанровой. Бороться с этим фактом бессмысленно, убеждать себя в обратном глупо. Остается просто получать от этого удовольствие.

Если же мы говорим о применении схемотехники класса А в схемах предусилителя или в усилителях для наушников — ситуация в корне меняется. Там, где от усилителя не требуется выделения высокой мощности, класс А показывает исключительно свои положительные стороны, не пытается заставить пользователя жить по своим правилам и не демонстрирует каких-либо жанровых пристрастий.

Продолжение следует...

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Другие полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

• Про мощность колонок и усилителей [видео]

• Праздник, который всегда с тобой: как выбрать портативный аудиопроигрыватель

• От критиков к алгоритмам: лейблы, корпорации и музыкальная культура XX века

Что такое усилитель мощности звука?

Усилители мощности в практике радиолюбителей уже много лет занимают одно из первых мест. Несмотря на множество готовых промышленных конструкций с иероглифами на борту, мы до сих пор строим свои аудиосистемы сами. 

Когда-то давно я занимался в школьном радиокружке и построил наверно с десяток усилителей мощности звука. Среди них был и усилитель Агеева, и усилитель Гумели. В то время я слабо понимал как они работают, книг, компьютера, а тем более интернета, у меня не было вообще . Так что собирал как мог. Было весело. Сегодня я хочу рассказать тебе как устроен усилитель мощности звука, чтобы ты понимал из каких блоков он состоит, для чего они нужны и почему он вообще усиливает.

Усилители мощности в электронике занимают особое место и используются повсеместно: и в аудиоусилителях, и в телевизорах, и в станках и т.д. Практически каждый радиолюбитель хоть раз, да собирал УМЗЧ и радовался как это весело, что плата с проводами выдаёт звук.

Давай разобираться что такое "усилитель мощности". Из названия создаётся впечатление, что это устройство магическим образом превращет 1 Вт мощности, поступивший на вход, к примеру, в 15 Вт на выходе. Что усилитель из воздуха сделала сигнал более сильным. На деле всё иначе. Ничто не берется из ниоткуда. Главная идея усилителя мощности в том, что он подаёт на выход (на АС, например) часть мощности своего источника питания. А входной сигнал просто регулирует сколько мощности следует подать на выход. 

Таким образом усилитель мощности как бы повторяет входной сигнал и подаёт на выход его копию, только большей мощности. 

Если это звучит замысловато, то представь себе водопроводный кран. Труба, к которой он подсоединён -- это "источник питания" крана. Носик крана -- выход. А твоя рука, которая крутит ручку крана туда-сюда -- это входной сигнал. А значит ты своей рукой регулируешь мощность потока воды из носика крана.

Типичная структура усилителя мощности

В усилителях мощности звуковой частоты, т.е. обычно в музыкальных усилителях, важным качеством является не только увеличение мощности звука, но и сохранение его качества. Для этого усилители строятся таким образом, чтобы снизить искажения исходного сигнала. 

 

Поэтому вместо одного блока, который сразу бы усилил сигнал в 10-100-200 раз используется несколько последовательно включенных усилительных каскадов, которые усиливают в 5-10 раз. А так как они стоят один за другим, то итоговый коэффициент усиления буден равен произведению коэффициэнтов усиления каждого каскада. Т.е. если первый каскад усиливает в 2 раза, а второй в 10, то в итоге усиление будет в 20 раз.

Коэффициентом усиления (по напряжению) в данном случае будет результат отношения напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе. 

На практике усиление напряжения происходит в первых каскадах, а последний каскад, который называется "выходным", служит как раз для подведения необходимой мощности в нагрузку и часто сам по себе даёт единичное усиление.

Ниже, на схеме усилителя Гумели, я показал блоки усилителя, соответсвующие диаграмме выше:

Характеристики усилителей мощности

Идеальный усилитель должен усиливать сигнал (т.е. создавать его копию), не внося никаких изменений в исходный сигнал. Хороший реальный усилитель конечно же вносит искажения, но они незаменты для человеческого уха. Плохой усилитель сразу даёт о себе знать, когда вместо чистого звука скрипки из динамиков доносится хрюканье поросёнка.

Я хочу обсудить с тобой характеристики усилителя мощности, на которые всё таки следует обращать внимание как при покупке, так и при создании усилителя своими руками.

  1. Искажения сигнала
  2. Шумы
  3. Номинальная мощность
  4. Частотные параметры

Искажения

Да, при прохождении сигнала через твой усилитель он искажается. Искажения неизбежно вносятся электронными компонентами, а также могут возникать из-за плохой работы всей схемы в целом. В хороших усилителях стремятся снизить искажения, в плохих их слышно даже невооруженным ухом: щелчки, хрипения, звук как из телефона и т.д.  При конструировании усилителей применяют разные решения дял снижения тех или иных видов искажений:

  • Линейные искажения
  • Нелинейные искажения

Линейные искажения влияют на амплитуду и фазу сигнала. Например, при прохождении звука через усилитель слегка меняется фаза каких-нибудь составляющих этого сигнала. Искажение амплитуды сигнала чаще всего зависит от его частоты. Например усилитель гарантированно усиливает сигналы с частотами от 20 Гц до 20 КГц. А ты подал ему на вход 100 Кгц и ожидал увидеть усиление в 10 раз, а получил только в 2, если получил вообще. Что произошло? Правильно, усилитель перестал быть усилителем. Он не был сконструирован для работы с такими частотами. 

Нелинейные искажения весьма коварны. Они портят сам сигнал, меняя его форму. В результате прохождения сигнала через такой усилитель в сигнале появляются составляющие, которых там изначально не было. И вместо, например синусоиды, что ты подал на вход, на выходе можно получить сигнал только отдаленно напоминающий синусоиду. 

Для снижения шумов и искажений сигнала требуется и правильный подход к конструированию такого усилителя мощности и соблюдение правил монтажа, которые обеспечивают снижение шумов и искажений.

Шумы

Шумом называют всякий случайный сигнал, который усиливаетс

Как работают усилители | HowStuffWorks

Когда люди называют «усилители», они обычно говорят о стерео компонентах или музыкальном оборудовании. Но это только небольшое представление спектра аудиоусилителей. На самом деле вокруг нас есть усилители. Вы найдете их в телевизорах, компьютерах, портативных проигрывателях компакт-дисков и большинстве других устройств, использующих динамики для воспроизведения звука.

Звук - захватывающее явление. Когда что-то вибрирует в атмосфере, оно перемещает частицы воздуха вокруг себя.Эти частицы воздуха, в свою очередь, перемещают частицы воздуха вокруг себя, передавая импульс вибрации через воздух. Наши уши улавливают эти колебания давления воздуха и преобразуют их в электрические сигналы, которые мозг может обрабатывать.

Электронное звуковое оборудование работает таким же основным образом. Он представляет звук как переменный электрический ток. Вообще говоря, в этом типе воспроизведения звука есть три этапа:

  • Звуковые волны перемещают диафрагму микрофона вперед и назад, и микрофон преобразует это движение в электрический сигнал.Электрический сигнал колеблется, представляя сжатий и разрежений звуковой волны.
  • Регистратор кодирует этот электрический сигнал в виде шаблона в некоторой среде - например, в виде магнитных импульсов на ленте или в виде канавок в записи.
  • Игрок (например, магнитофон) повторно интерпретирует этот шаблон как электрический сигнал и использует это электричество для перемещения конуса динамика вперед и назад. Это воссоздает колебания давления воздуха, первоначально записанные микрофоном.

Как видите, все основные компоненты этой системы по сути являются трансляторами: они принимают сигнал в одной форме и помещают его в другую. В конце звуковой сигнал переводится обратно в исходную форму, физическую звуковую волну.

Чтобы регистрировать все незначительные колебания давления в звуковой волне, диафрагма микрофона должна быть чрезвычайно чувствительной. Это означает, что он очень тонкий и перемещается только на короткое расстояние. Следовательно, микрофон вырабатывает довольно маленький электрический ток.

Это хорошо для большинства этапов процесса - он достаточно силен для использования, например, в рекордере и легко передается по проводам. Но последний шаг в этом процессе - толкание конуса динамика вперед и назад - сложнее. Для этого вам нужно усилить аудиосигнал, чтобы он имел больший ток при сохранении той же схемы колебаний заряда.

Это работа усилителя. Это просто производит более мощную версию звукового сигнала.В этой статье мы увидим, что делают усилители и как они это делают. Усилители могут быть очень сложными устройствами с сотнями мелких деталей, но вы можете получить четкое представление о том, как работает усилитель, изучив самые основные компоненты. В следующем разделе мы рассмотрим основные элементы усилителей. ,Основы усилителя ESP

- как работают усилители звука

Основы усилителя ESP - как работают усилители звука
ESP Logo
Основы усилителя
Elliott Sound Products - как работают усилители (введение)

© 1999 - Род Эллиотт (ESP)
Последнее обновление 6 апреля 2005 г.


Articles Статьи Index
Index Главный индекс

Введение

Термин «усилитель» в настоящее время является общим и часто считается (в частности, многими пользователями), что означает усилитель мощности для управления громкоговорителями.Это не тот случай (ну, это - это , но это не только ), и в этой статье мы попытаемся объяснить некоторые основы усиления - что это значит и как это достигается. Эта статья не предназначена для дизайнера (хотя дизайнеры могут ее прочитать, если они того пожелают) и не предназначена для охвата всех возможностей. Это учебник, в котором даются довольно простые объяснения (хотя некоторые, несомненно, будут оспаривать это) каждого из основных пунктов.

Я объясню основные усилительные элементы, а именно клапаны (вакуумные трубки), биполярные транзисторы и полевые транзисторы, все из которых работать к одному и тому же концу, но делать это по-другому.Эта статья основана на принципах усиления звука - радиочастотные (РЧ) усилители сконструированы по-разному из-за особых требований при работе на высоких частотах.

Не исключено, что операционный усилитель также представлен, потому что, хотя он и не является в отдельном смысле «отдельным компонентом», он теперь считается самостоятельным строительным блоком.

Эта статья предназначена не для начинающих (хотя они тоже приветствуются), но для промежуточного уровня электроники или аудио-энтузиастов, которые смогут извлечь наибольшую пользу из приведенных объяснений.


Содержание
Основная терминология

Прежде чем мы продолжим, я должен объяснить некоторые из используемых терминов. Не зная об этом, вы не сможете следить за последующим обсуждением.

Электроблоки
Наименование Измерение aka Символ
Вольт электрическое напряжение В, U, E (EMF)
Ампер поток электронов ток А, I
Вт Мощность Вт, P
Ом сопротивление току Ом, R
Ом импеданс, реактивное сопротивление Ом, Z, X
Фарад емкость F, C
Генри индуктивность H, L
Гц частота Гц

Примечание: «aka» означает «также известен как».Хотя греческая буква омега (Ω) является символом для омов, я буду использовать слово «ом» или букву «R» для обозначения омов. Любое сопротивление, превышающее 1000 Ом, будет отображаться как (например) 1k5, что означает 1 500 Ом или 1 М для 1 000 000 Ом. Второй символ, показанный в таблице, обычно используется в формуле.

Когда речь идет о вольтах и ​​амперах (амперах), у нас есть переменный ток и постоянный ток (переменный и постоянный ток соответственно). Питание от настенной розетки - от сети переменного тока, а также от компакт-диска или магнитофона.Сеть от сетевой розетки находится под высоким напряжением и способна на большой ток, и используется для питания усилительных цепей. Сигнал от вашего аудиоисточника находится под низким напряжением и может подавать только небольшой ток, и его необходимо усилить, чтобы он мог управлять громкоговорителем.

Импеданс
Производная единица сопротивления, емкости и индуктивности в комбинации называется импедансом, хотя не требуется, чтобы все три были включены. Импеданс также измеряется в омах, но это сложная цифра, которая часто не дает никакой полезной информации.Импеданс динамика является показательным примером. Хотя в брошюре может быть указано, что сопротивление динамика составляет 8 Ом, в действительности оно будет варьироваться в зависимости от частоты, типа корпуса и даже от ближайших стен или обстановки.

Единицы
Во всех областях электроники есть много разных вещей, которые было бы очень неудобно писать полностью. Например, конденсатор может иметь значение 0,000001F, а резистор - 150000 Ом.Из-за этого существуют условные единицы, которые применяются для облегчения нашей жизни (ну, в любом случае, когда мы привыкли их использовать, в любом случае). Гораздо проще сказать 1uF или 150k (то же, что и выше, но с использованием стандартных единиц измерения). Эти единицы описаны ниже.

Обычные метрические единицы
Символ Имя Умножение
p pico 1 x 10 -12
n nano 1 x 10 -9
μ микро 1 x 10 -6
м милли 1 x 10 -3
к кило 1 x 10 3
M Mega 1 x 10 6
G Гига 1 x 10 9
T Tera 1 x 10 12

Хотя обычно он обозначается буквой «u», символом «micro» на самом деле является греческая буква mu (μ), как показано на рисунке.В аудио Giga и Tera обычно не встречаются (пока совсем нет - за исключением указания входного сопротивления некоторых операционных усилителей!). Есть и другие (такие как фемто - 1x10 -15 ), которые крайне редки и не были включены. Из стандартных электрических блоков только Фарад настолько велик, что стандартом дефакто является микрофарад (мкФ). Большинство других достаточно разумны в своей основной форме.

Важно понимать, что символом для микрофарад является мкФ (чаще всего мкФ), , а не мкФ - это миллифарад и 1000 мкФ.


Основы усиления

Термин «усиливать» в основном означает сделать сильнее. Сила сигнала (с точки зрения напряжения) называется амплитудой, но нет эквивалента для тока (curritude?, Нет, звучит глупо). Это само по себе сбивает с толку, потому что, хотя «амплитуда» относится к напряжению, оно содержит слово «ампер», как в ампере. Может быть, мы должны ввести «напряжение» - нет? Просто живи с этим.

Чтобы понять, как работает любой усилитель, вам необходимо понять два основных типа усиления и третий «производный» тип:

  • Усилитель напряжения - усилитель, который повышает напряжение входного сигнала
  • Current Amplifier - усилитель, который увеличивает ток сигнала
  • Усилитель мощности
  • - комбинация двух вышеуказанных усилителей
В случае усилителя напряжения небольшое входное напряжение будет увеличено, например, до 10 мВ (0.01V) входной сигнал может быть усилен, так что выходной сигнал составляет 1 вольт. Это представляет собой «усиление» 100 - выходное напряжение в 100 раз больше, чем входное напряжение. Это называется усилением напряжения усилителя.

В случае усилителя тока, входной ток 10 мА (0,01 А) может быть усилен, чтобы дать выход 1 А. Опять же, это усиление 100, и это текущее усиление усилителя.

Если мы теперь скомбинируем два усилителя, затем рассчитаем входную мощность и выходную мощность, мы измерим усиление мощности:


P = V × I (где I = текущий, обратите внимание, что символ изменяется в формуле)

Теперь можно рассчитать входную и выходную мощность:

P в = 0.01 × 0,01 (0,01 В и 0,01 А или 10 мВ и 10 мА)
P в = 100 мкВт
P из = 1 × 1 (1 В и 1A)
P из = 1 Вт

Таким образом, коэффициент усиления составляет 10 000, то есть коэффициент усиления по напряжению, умноженный на коэффициент усиления по току. Несколько удивительно, возможно, мы не заинтересованы в усилении мощности с аудио усилителями.Для этого есть веские причины, которые будут объяснены в оставшейся части этой страницы. Сказав это, в действительности все усилители являются усилителями мощности, поскольку напряжение не может существовать без мощности, если импеданс не равен бесконечности или равен нулю. Это никогда не достигается, поэтому всегда присутствует некоторая сила. Усилители удобно классифицировать как указано выше, и небольшая ошибка терминологии не причинит никакого вреда.

Обратите внимание, что усиление по напряжению или току 100 составляет 40 дБ, а усиление по мощности 10 000 также составляет 40 дБ.

Входное сопротивление Усилители
будут указаны как имеющие определенный входной импеданс. Это говорит нам только о том, какую нагрузку он будет устанавливать на предыдущее оборудование, такое как предварительный усилитель. Это не практично и не полезно согласовывать импеданс предусилителя с усилителем мощности или усилитель мощности с динамиком. Это будет обсуждаться более подробно позже в этой статье.

Нагрузка - это сопротивление или импеданс, размещенные на выходе усилителя. В случае усилителя мощности нагрузка чаще всего представляет собой громкоговоритель.Любая нагрузка потребует, чтобы источник (предшествующий усилитель) был способен обеспечить ее достаточным напряжением и током, чтобы выполнять свою задачу. В случае громкоговорителя усилитель мощности должен обеспечивать напряжение и ток, достаточные для того, чтобы конус (ы) громкоговорителя сдвигался на требуемое расстояние. Это движение преобразуется в звук динамиком.

Несмотря на то, что усилитель может обеспечить достаточно большое напряжение для возбуждения диффузора динамика, он не сможет этого сделать, если не сможет обеспечить достаточный ток.Это не имеет никакого отношения к его выходному сопротивлению. Усилитель может иметь очень низкий выходной импеданс, но может работать только на малом токе (операционный усилитель или операционный усилитель - в данном случае). Это очень важно и должно быть полностью понято, прежде чем вы сможете полностью оценить сложность процесса усиления.

Выходное сопротивление
Выходной импеданс усилителя - это мера импеданса или сопротивления, «заглядывающего» обратно в усилитель.Это не имеет никакого отношения к фактической загрузке, которая может быть размещена на выходе.

Например, усилитель имеет выходной импеданс 10 Ом. Это подтверждается размещением нагрузки 10 Ом на выходе, и видно, что напряжение уменьшается до ½, что без нагрузки. Однако, если этот усилитель не способен к значительному выходному току, нам, возможно, придется проводить это измерение при очень низком выходном напряжении, иначе усилитель не сможет управлять нагрузкой.

Другой усилитель может иметь выходное сопротивление 100 Ом, но может подавать 10 А в нагрузку.Выходной импеданс и ток полностью разделены и не должны рассматриваться как равнозначные. Обе эти возможности будут продемонстрированы позже в этой серии.

Обратная связь
Feedback - это термин, который создает больше и более кровавых битв между аудио-энтузиастами, чем почти любой другой. Без этого у нас не было бы уровней производительности, которыми мы наслаждаемся сегодня, и многие типы усилителей были бы несостоятельными без него.

Обратная связь в самом широком смысле означает, что определенное количество выходного сигнала «возвращается» на вход.Усилитель - или элемент усилительного устройства - представлен входным сигналом и сравнивает его с «мелкой копией» выходного сигнала. Если есть какая-либо разница, усилитель исправляет это и в идеале гарантирует, что выход является точной копией входа, но с большей амплитудой. Обратная связь может быть как напряжением, так и током, и в обоих случаях имеет схожий эффект.

Во многих конструкциях одна часть всей схемы усилителя (обычно входной каскад) действует как усилитель ошибки и подает точно необходимое количество сигнала на остальную часть усилителя, чтобы гарантировать отсутствие разницы между входом и выходные сигналы, кроме амплитуды.Это (конечно) идеальное состояние, и оно никогда не достигается на практике. Всегда будет какая-то разница, пусть и незначительная.

Инверсия сигнала
При использовании в качестве усилителей напряжения все стандартные активные устройства инвертируют сигнал. Это означает, что если поступает положительный сигнал, он становится более сильным, но теперь отрицательным сигналом. На самом деле это не имеет большого значения, но удобно (и обычно) пытаться сделать усилители неинвертирующими.Для этого необходимо использовать две ступени (или трансформатор), чтобы фаза усиленного сигнала совпадала с входным сигналом.

Точный механизм того, как и почему это происходит, будет объясняться по мере продвижения вперед.

Фаза проектирования
Фаза проектирования усилителя ничем не отличается, независимо от типа компонентов, используемых в самой конструкции. Существует последовательность, которая будет использоваться большую часть времени для завершения дизайна, и она будет (или должна) следовать шаблону.

  • Выходная мощность против импеданса
    Выходная мощность определяется импедансом нагрузки и доступным напряжением и током усилителя. Усилитель, который способен максимум Выходной ток 1.414A не сможет обеспечить больше только потому, что вы этого хотите. Такой усилитель будет ограничен среднеквадратичным значением 16 Вт на 8 Ом, независимо от источника питания. напряжение. Аналогичным образом, усилитель с напряжением питания +/- 16 В (среднеквадратичное значение 11,32 В) не сможет обеспечить среднеквадратичное значение более 16 Вт на 8 Ом, независимо от доступных ток.Наличие большего доступного тока позволит усилителю обеспечить (например) 32 Вт на 4 Ом (пиковый ток 4 А) или 64 Вт на 2 Ом (пиковый ток 8 А), но даст не более 8 Ом, чем напряжение питания и сопротивление нагрузки.
  • Текущий драйвер
    Особенно в случае биполярных транзисторов, ступень возбуждения должна обеспечивать достаточный ток для выходных транзисторов - с МОП-транзисторами, драйвером должен быть способен заряжать и разряжать емкость затвор-источник достаточно быстро, чтобы позволить вам получить необходимую мощность на самых высоких частотах, представляющих интерес.С участием клапаны, драйвер должен быть в состоянии подавать достаточный ток для питания только резисторов смещения, так как сетка клапана потребляет мало или вообще не потребляет ток (за исключением частный случай класса-AB2).

    Для простоты, если биполярные выходные транзисторы имеют коэффициент усиления 20 при максимальном токе в нагрузке, драйверы должны иметь возможность питания достаточно базового тока, чтобы позволить это. Если максимальный ток коллектора составляет 4А, драйверы должны иметь возможность подавать 200 мА базового тока на выходные устройства.

  • Предыдущие этапы
    Ступени, которые предшествуют драйверам, также должны обеспечивать достаточный ток для нагрузки. Драйвер биполярного или полевого МОП-транзистора класса А должен быть в состоянии подавать достаточный ток, чтобы удовлетворить потребности базового тока биполярных драйверов или емкость затвора полевых МОП-транзисторов.

    Опять же, используя приведенный выше биполярный пример, максимальный базовый ток для выходных транзисторов составлял 200 мА. Если драйверы имеют минимальный указанный коэффициент усиления 50, то их базовый ток будет...

    Index 200/50 = 4 мА.

    Поскольку драйвер класса A должен работать в классе A (что удивительно), он должен работать с током, в 1,5–5 раз превышающим ожидаемый максимальный уровень драйвера тока, чтобы он никогда не выключался. То же самое относится и к усилителю MOSFET, который будет ожидать (например) максимального заряда затвора (или разряда) ток 4 мА при самых высоких амплитудах и частотах.

    Обычно это не проблема с усилителями клапанов, так как на ранних стадиях усилителя нет значительного импеданса.Никаких дальнейших определений не требуется (кроме обычных эффектов нагрузки ступеней клапана в целом), хотя неискаженное колебание напряжения может стать ограничивающим фактором.

  • Этапы ввода
    Входные каскады всех транзисторных усилителей должны быть в состоянии обеспечивать базовый ток драйвера класса А. На этот раз запас от 2 до 5 раз Требуется максимальный базовый ток. Если драйвер класса A должен обеспечивать ток покоя, скажем, 8 мА, максимальный ток будет 12 мА (покоя + Ток базы водителя.Предполагая усиление 50 (снова), это означает, что входной каскад должен иметь возможность питания 12/50 = 240 мкА, поэтому он должен работать как минимум ток 240 мкА × 2 = 480 мкА для сохранения линейности.
  • Входной ток
    Входной ток первой ступени определяет входное сопротивление усилителя. Используя приведенные выше цифры, с током коллектора 480uA, база ток будет 4,8 мкА для входных устройств с коэффициентом усиления 100. Если максимальная мощность развивается при входном напряжении 1 В, тогда полное сопротивление составляет 208 кОм (R = V / I).

    Поскольку ступень должна быть смещена, мы применяем те же правила, что и раньше - с запасом от 2 до 5, поэтому максимальное значение резисторов смещения должно быть быть 208/2 = 104k. Предпочтительным является более низкое значение, и я полагаю, что более подходящим является коэффициент 5, что дает 208/5 = 42k (47k можно использовать без проблем).

Это только рекомендации (конечно), и есть много случаев, когда токи больше (или меньше), чем предполагалось. Конечным результатом является производительность усилителя, и подход с использованием учебников не всегда дает ожидаемый результат.Обратите внимание, что в приведенном выше описании есть некоторые существенные упрощения - это обзор, и он предназначен только для того, чтобы дать вам основную идею.


Типы Усилительных Устройств

Для целей этой статьи существует три различных типа усилительных устройств, и каждое из них будет обсуждаться по очереди. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, но у всех есть один общий недостаток - они не идеальны.

Идеальный усилитель или другое устройство (обычно называемое «идеальным») будет выполнять свою задачу в определенных заданных пределах, не прибавляя и не вычитая ничего из исходного сигнала.Идеального усилительного устройства не существует, и, как следствие, идеального усилителя не существует, так как все должно быть построено с использованием реальных (неидеальных) устройств.

В настоящее время доступны усилительные устройства:

  • Вакуумная Трубка (Клапан)
  • Биполярный транзистор
  • (BJT)
  • Полевой транзистор (FET)

Существуют также некоторые производные вышеперечисленного, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).Из них MOSFET является популярным выбором среди многих дизайнеров из-за некоторых желательных характеристик, и они будут рассмотрены в их собственном разделе.

Все эти устройства зависят от других неусиливающих («поддерживающих») компонентов, обычно известных как пассивные компоненты. Пассивные устройства - это резисторы, конденсаторы и индукторы, и без них мы бы вообще не смогли создать усилители.

Все устройства, которые мы используем для усиления, имеют выход переменного тока, и только способ их использования позволяет нам создавать усилитель напряжения.Клапаны и полевые транзисторы являются устройствами, контролируемыми напряжением. Это означает, что выходной ток определяется напряжением, а ток не поступает из источника сигнала (теоретически). Биполярные транзисторы управляются током, поэтому выходной ток определяется входным током. Это означает, что от источника сигнала не требуется напряжение, только ток. Опять же, это в теории, и это не осуществимо на практике.

Только с помощью вспомогательных компонентов мы можем преобразовать токовый выход любого из этих усилительных устройств в напряжение.Наиболее часто используемый для этой цели резистор.


Общий предельный рейтинг

Все активные устройства имеют определенные общие параметры (хотя они будут иметь разные соглашения об именах в зависимости от устройства). По сути это ...

  • Максимальное напряжение - Максимальное напряжение, которое может быть приложено между основными клеммами устройства. Это может варьироваться от 25 В (иногда еще меньше) для малых сигнальных транзисторов и полевых транзисторов и до 1200 В или более для некоторых клапанов и транзисторов высокого напряжения.Напряжения MOSFET, как правило, примерно до От 600 до 800 В для коммутационных устройств для использования в источниках питания.
  • Максимальный ток - Максимальный ток, который устройство может безопасно передать. Диапазон от нескольких мА до многих усилителей. Это никогда не будет , пока устройство также имеет максимальное напряжение на нем, так как это приведет к рассеиваемой мощности, намного превышающей ...
  • Максимальная рассеиваемая мощность - максимальная мощность, которую может рассеивать устройство (в мВт или Вт) при любых условиях напряжение и ток.(Называется пластиной диссипация для клапанов).
  • Напряжение / ток нагревателя - (клапаны). Рабочее напряжение и / или ток для нити (с прямым нагревом катодов) или нагревателя (для косвенного с подогревом катодов). Это всегда должно быть в пределах 10% от указанного значения, иначе срок службы катода будет значительно сокращен.
  • Максимальная температура перехода - (Полупроводники) Максимальная температура, которую полупроводниковая матрица выдержит без сбоев.В этот По температуре большинство полупроводников не смогут выполнять какую-либо работу, так как это повысит температуру выше максимально допустимой.
  • Понижение температуры - (Полупроводники). Выше указанной температуры допустимая мощность полупроводниковых приборов должна быть снижена до оставаться ниже максимально допустимой температуры соединения. Мощность обычно снижается выше 25 ° C.
  • Термостойкость - (Полупроводники).Тепловое сопротивление между переходом и корпусом (высокая мощность) или переходом и воздухом (низкая мощность). измеренный в градусах C / W, это позволяет определить подходящий радиатор.

Это далеко не все рейтинги, их гораздо больше, и они варьируются от устройства к устройству. Например, некоторые МОП-транзисторы будут иметь пиковые значения тока, которые во много раз превышают непрерывные, но только в течение очень ограниченного времени. Биполярные транзисторы имеют график безопасной рабочей области (SOA), который показывает, что при некоторых обстоятельствах вы не должны эксплуатировать устройство где-либо вблизи его максимального рассеивания мощности, иначе оно выйдет из строя из-за явления, называемого вторым выходом из строя (будет описано позже).

Для большинства полупроводниковых приборов во многих случаях их невозможно эксплуатировать в местах, близких к максимальному рассеиванию мощности, поскольку тепловое сопротивление таково, что тепло просто не может быть удалено из соединения и в радиатор достаточно быстро. В этих случаях может потребоваться использование нескольких устройств для достижения производительности, которую (теоретически) можно получить из одного компонента. Это очень распространено в аудиоусилителях.


Основные формулы электроники

Есть некоторые вещи, от которых вы просто не можете избавиться, и математика - одна из них.(Извините.) Я включу здесь только самое необходимое, но опишу любые другие, которые нам необходимы. Я не собираюсь давать урок по алгебре, но лучшая причина когда-либо заниматься этим предметом - научиться переносить формулы электроники! Перемещение зависит от вас (если я не буду вынужден сделать это для расчета здесь или там).

Закон Ома
Первым из них является закон Ома, который гласит, что напряжение 1 В на сопротивлении 1 Ом вызовет ток 1 А.Формула ...

R = V / I (где R = сопротивление в омах, V = напряжение в вольтах и ​​I = ток в амперах)

Как и все такие формулы, это можно перенести (упс, я сказал, что не собираюсь этого делать, не так ли),

V = R × I (× означает умноженное на), а
I = V / R

Reactance
Затем возникает сопротивление (реактивное сопротивление) конденсатора, которое изменяется обратно пропорционально частоте (при увеличении частоты реактивное сопротивление падает и наоборот).

Xc = 1 / (2 & times π × f × C)

, где Xc - емкостное реактивное сопротивление в Омах, π (pi) - 3,14159, f - частота в Гц, а C - емкость в Фарадах.

Индуктивное сопротивление, являющееся реактивным сопротивлением индуктора. Это пропорционально частоте.

X l = 2 × π × f × L

, где X l - индуктивное сопротивление в Ом, а L - индуктивность в Генри (другие, как указано выше).

Частота
Существует много разных расчетов для этого, в зависимости от комбинации компонентов.Частота -3 дБ для сопротивления и емкости (наиболее распространенная в конструкции усилителя) определяется ...

f o = 1 / (2 × π × R × C), где f o - частота -3 дБ

Когда сопротивление и индуктивность объединены, формула

f o = R / (2 × π × L)

Мощность
Мощность - это мера работы, которая может быть либо физической работой (перемещение конуса динамика), либо тепловой работой - теплом. Мощность в любой форме, в которой присутствуют напряжение, ток и сопротивление, может быть рассчитана несколькими способами:

P = V × I
P = V² / R
P = I² × R

где P - мощность в ваттах, V - напряжение в вольтах, а I - ток в амперах.

децибел (дБ)
Давно известно, что человеческие уши не могут разрешать очень маленькие различия в звуковом давлении. Первоначально было определено, что наименьшее слышимое изменение составляет 1 дБ - 1 децибел или 1/10 от 1 бел. Кажется довольно общепринятым, что фактический предел составляет около 0,5 дБ, но нередко можно услышать, что некоторые люди могут (или искренне верят, что могут) разрешать гораздо меньшие вариации. Я не буду отвлекаться на это!

дБ = 20 × log (V1 / V2)
дБ = 20 × log (I1 / I2)
дБ = 10 × log (P1 / P2)

Как можно видеть, в расчетах дБ для напряжения и тока используется 20-кратное значение log (основание 10) большей единицы, деленное на меньшую единицу.С силой, умножение 10 используется. В любом случае, падение на 3 дБ представляет половину мощности, и наоборот.

Есть много других, но пока их будет достаточно. Я не намерен, чтобы это был полный курс по электронике, поэтому я дам вам то, что необходимо, чтобы понять оставшуюся часть статьи - в остальном, есть много отличных книг по электронике, и у них будет каждая формула, которую вы когда-либо разыскивается.


Далее (Часть 1 - Клапаны)



Articles Статьи Index
Main Index Главный указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь всеми текстами и диаграммами, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 1999, 2005. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронные, механические или электромеханические, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает делать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Rod Elliott.

,
Как работают колонки: понимание воспроизведения звука [Инфографика]

Основные продукты каждой студии объяснены экспертами ORA.

Посмотри вокруг свою студию.

Скорее всего, есть вещи, которые есть в каждой другой студии. Возможно, вы думаете о ноутбуке, или, возможно, MIDI-контроллере, или, может быть, даже определенной DAW.

Но ответ более прост. Они были вокруг навсегда. Задолго до того, как мы могли мгновенно открыть аудиоклип и записать что-нибудь за считанные секунды.На самом деле, мы часто принимаем их как должное…

Это надежный громкоговоритель.

Они - самая важная составляющая любой студии и противники соседей повсюду.

Будь то наушники или мониторы, нам всем в какой-то момент они нужны, чтобы создавать и наслаждаться музыкой. Но, несмотря на их универсальную полезность, работа докладчиков не является широко известной темой.

Итак, чтобы пролить свет на то, как работают колонки, мы поговорили с ORA Sound. Это команда из Монреаля (так же, как LANDR!), Работающая над передовыми технологиями воспроизведения звука (кто лучше нас всех расскажет о динамиках?)

Их инновационный подход к воспроизведению звука и технологии колонок переопределяет все, что вы знаете - или собираетесь узнать - о колонках ... Но через минуту мы узнаем о будущем колонок.

А пока давайте узнаем, как динамики и наушники работают раз и навсегда. Так что в следующий раз, когда ваш новый мастер поразит ваши уши, , вы узнаете, как он попал туда и обратно .

Как работает звук по отношению к динамикам?

Звук движется в волнах давления. Когда частицы воздуха сжимаются и разрежаются достаточно быстро, мы слышим это как звук.

Чем быстрее изменяется давление воздуха, тем выше «частота» звука, который мы слышим.

Звук движется в волнах давления. Когда частицы воздуха сжимаются и разрежаются достаточно быстро, мы слышим это как звук.

Когда динамик движется вперед и назад, он толкает частицы воздуха, которые изменяют давление воздуха и создают звуковые волны.

Какие части динамика?

parts of a speaker

Части динамика:
  • Конус и пылезащитный колпачок (части, которые перемещают воздух и производят звук)
  • Паук и окружающая среда (также называемая подвеской, это те части, которые удерживают конус на месте, все еще позволяя им двигаться)
  • Магнит и звуковая катушка (части, которые взаимодействуют для преобразования электрической энергии в движение)
  • Корзина
  • Полюс и верхняя плита
  • И, наконец, рама, которая крепит все вместе

Как работают колонки?

Динамики

работают путем преобразования электрической энергии в механической энергии (движение).Механическая энергия сжимает воздух и преобразует движение в звуковую энергию или уровень звукового давления (SPL).

Когда электрический ток пропускается через катушку провода, он индуцирует магнитное поле.

В динамиках ток посылается через звуковую катушку, которая создает электрическое поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, прикрепленного к динамику.

Подобные заряды отталкивают друг друга и привлекают разные заряды. Когда звуковой сигнал посылается через звуковую катушку, а музыкальный сигнал перемещается вверх и вниз, звуковая катушка притягивается и отталкивается от постоянного магнита.

Это делает конус, к которому прикреплена звуковая катушка, чтобы двигаться вперед и назад. Движение назад и вперед создает в воздухе волны давления, которые мы воспринимаем как звук .

Что отличает лучший динамик от нормального?

how speaker parts work

Окончательный тест на точность звучания для динамика заключается в том, насколько похожа форма волны в воздухе (волна давления) на электронный сигнал (запись звука), который был отправлен в усилитель.

Если каждая частота точно воспроизводится для слушателя без добавления или удаления какой-либо информации , это, вероятно, превосходный динамик.

Если каждая частота точно воспроизводится для слушателя без добавления или удаления какой-либо информации, это, вероятно, превосходный динамик.

Существует несколько факторов, определяющих, насколько точным будет прослушивание, включая частотную характеристику , величину искажений и направленность (дисперсию) динамика.

Что такое АЧХ и почему это так важно?

Частотная характеристика - это уровень громкости выходного сигнала динамика на разных частотах.

Типичный тест для частотного отклика посылает размах частот от низких частот до средних, и до высоких частот, чтобы увидеть, является ли звук из динамика одинаковым во всех этих областях.

Идеальная частотная характеристика для динамика очень плоская.

Идеальная частотная характеристика для динамика очень плоская. Это означает, что динамик будет на том же уровне на низких частотах, что и на средних и высоких частотах.

Целью плоской частотной характеристики является обеспечение того, чтобы люди, слушающие вашу музыку, воспринимали ее так, как вы хотели.Если ваш трек хорошо освоен и звучит хорошо на динамиках с ровным откликом, вы можете быть уверены, что он будет звучать наилучшим образом на любой системе воспроизведения.

Плоские динамики против всего остального

Многие динамики не плоские. Некоторым не хватает высоких или низких частот, или они имеют пики или провалы в частотной характеристике, когда определенные частотные диапазоны переоценены, скрыты или замаскированы.

Если это произойдет, некоторые инструменты могут быть громче или мягче, чем вы предполагали, и микс, над которым вы так усердно работали, не будет отображаться должным образом.

Для высоких частот колонки должны двигаться очень быстро. Для низких частот колонки должны выталкивать много воздуха. Вот почему высокочастотные динамики (высокочастотные драйверы) обычно представляют собой небольшие купола, а низкочастотные динамики (низкочастотные драйверы) обычно представляют собой большие конусы.

Мы слышим 10 октав (20 Гц-20 кГц), что является очень широким диапазоном (для сравнения, мы можем видеть только одну октаву света).

Мы слышим 10 октав (20 Гц-20 кГц), что является очень широким диапазоном (для сравнения, мы можем видеть только одну октаву света).

Много просить о том, чтобы динамик точно воспроизводил такой широкий диапазон, и для этого часто требуются 2 (низкочастотный громкоговоритель + высокочастотный динамик), 4 (низкочастотный громкоговоритель + среднечастотный + высокочастотный динамик) драйвер для производить этот широкий ассортимент хорошо.

Как улучшить качество динамиков? Где большинство ораторов не хватает?

Многие используемые нами динамики имеют ограниченные частотные характеристики. Например: попробуйте услышать удар басов на динамиках вашего ноутбука! Нет стука, верно?

Большинство динамиков также имеют более низкую выходную мощность.Вы когда-нибудь пытались использовать музыку для прослушивания музыки на вечеринке? Не очень прыгающая вечеринка, я уверен.

Когда-нибудь пытались использовать свой телефон для воспроизведения музыки на вечеринке? Не очень прыгающая вечеринка, я уверен.

Многие динамики также производят искажения, то есть они добавляют частоты к музыке, которой не было в оригинальной записи.

Хотя бывают случаи, когда искажения могут звучать хорошо (например, пробирки и Эдди Ван Хален), искажения динамиков часто звучат плохо, если их не поставить по выбору.

... И после того, как вы потратите время на запись и микширование песни, вы не захотите, чтобы люди слышали в вашей музыке то, чего не было с самого начала.

Большие колонки, в среднем, намного лучше с точки зрения их частотной характеристики и искажений, но большое улучшение будет в том, чтобы иметь возможность производить более качественный и точный звук из колонок меньших размеров.

Будущее ораторов: что такое графен и почему он улучшает производительность динамиков?

Графен - это новый классный материал, который был впервые обнаружен в 2004 году.Это значительно улучшает характеристики динамика.

Графен - самый прочный и легкий материал в мире. Поскольку он легкий, он может двигаться очень быстро, что делает его великолепным для высоких частот.

Здесь, в ORA, мы разработали наш собственный материал Graphene Oxide, называемый GrapheneQ, который разработан специально для аудио приложений.

Его сила означает, что он не деформируется и не искажается при движении назад и вперед, обеспечивая более высококачественный звук из динамиков, которые могут быть меньше и эффективнее.

Традиционные колонки на самом деле менее эффективны, чем лампы накаливания, которые на данный момент в значительной степени вне закона!

Традиционные колонки на самом деле являются одной из наименее эффективных технологий, которые мы все еще используем сегодня. Менее 1% мощности, передаваемой на динамик, преобразуется в звук.

Большая часть энергии превращается в тепло. Традиционные динамики на самом деле менее эффективны, чем лампы накаливания, которые на данный момент в значительной степени вне закона!

Поскольку графен очень легкий (его толщина составляет всего один атом!), Для перемещения назад и вперед требуется гораздо меньше энергии.

Итак, если вы взяли сегодня какие-либо беспроводные наушники или громкоговоритель и заменили их мембрану материалом GrapheneQ, вы бы сразу увидели, что срок службы батареи увеличился на 70%.

Новые материалы и их применение - будущее акустических технологий. Они решат проблемы эффективности и звука, которые колонки пережили в течение десятилетий.

Go поддерживают ORA Sound и ознакомьтесь с их наушниками ORA GQ на странице Kickstarter. Посетите веб-сайт ORA, чтобы узнать все о GrapheneQ и истории ORA Sound.Отдельное спасибо Ари Пинкасу и Роберту-Эрику Гаскеллу за то, что они поделились своими знаниями.

,
Что вызывает этот вой звук в акустических системах?

Простая система громкой связи (громкой связи) состоит из микрофона, усилителя и одного или нескольких громкоговорителей. Всякий раз, когда у вас есть эти три компонента, у вас есть потенциал для обратной связи . Обратная связь возникает, когда звук из динамиков возвращается в микрофон, затем усиливается и снова отправляется через динамики, например:

Представьте, например, что вы помещаете микрофон перед динамиком, как показано на рисунке.Теперь вы нажимаете на микрофон. Звук каскада проходит через усилитель, выходит из динамика, снова входит в микрофон и т. Д. Эта петля происходит так быстро, что создает собственную частоту , которую мы слышим как воющий звук. Расстояние между микрофоном и динамиками во многом зависит от частоты вой, потому что это расстояние определяет, как быстро звук может проходить через систему.

Вы можете попробовать это на своем компьютере, если на вашем компьютере есть динамики и микрофон.В Windows необходимо включить микрофон и динамики с помощью регулятора громкости (доступ к которому можно получить, дважды щелкнув значок динамика в системном трее).

Убедитесь, что в этом диалоговом окне микрофон и динамики не отключены и имеют максимальную громкость (если элемент управления микрофоном не виден, выберите его в «Свойствах»). Если он настроен правильно, вы сможете коснуться микрофона и услышать его в динамиках. Теперь поместите микрофон рядом с динамиками и увеличивайте громкость динамика, пока не услышите обратную связь.Попробуйте изменить расстояние между микрофоном и динамиками и посмотрите, как это влияет на вещи. Не пытайтесь сделать это в 2 часа ночи, когда другие члены семьи спят, а также обязательно выведите собаку из дома ...

Если вы настраиваете звуковую систему и хотите избежать обратной связи, есть несколько общих правил, которые могут помочь вам избежать проблемы:

  • Убедитесь, что динамики находятся перед микрофоном и направлены в сторону от микрофона.Если динамики находятся за микрофоном, обратная связь почти гарантирована.
  • Используйте однонаправленный микрофон.
  • Поместите микрофон рядом с человеком, который говорит / выполняет.
  • Если у вас есть доступ к эквалайзеру, ослабьте частоты, на которых происходит обратная связь.

Эти ссылки помогут вам узнать больше:

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о