Усилители мощности

Усилители мощности звуковой частоты являются предпоследним звеном в цепи оборудования на пути от исполнителя до слушателя. Их качество работы в значительной степени определяет успех мероприятия, где используется звукоусиление. Современные требования к качеству звучания звукового материала весьма высоки, а звуковые мощности, используемые в музыкальной индустрии, - просто огромны.

Рассмотрим некоторые типы усилительных каскадов.

Класс А

Самым простым и качественным является усилитель, реализованный по схеме эмиттерного повторителя. Такие схемы называют усилителями класса А. Их особенностью является то, что ток покоя (ток при отсутствии входного сигнала) должен быть, по крайней мере, таким же большим, как максимальный выходной ток при пиковых значениях сигнала. В результате, схема в состоянии покоя рассеивает значительную мощность.

На Рис. 1 показана схема повторителя мощностью 10 Вт, который работает на нагрузку с сопротивлением 8 Ом.

Рис 1

Входной сигнал схемы может изменяться в диапазоне ± 15 В (пиковые значения) и отдавать в нагрузку мощность 10 Вт (эффективное значение 9 В на сопротивлении 8 Ом). В отсутствие сигнала выходной транзистор рассеивает мощность 55 Вт, а эмиттерный резистор - еще 110 Вт!

Несмотря на такие потери мощности, схема все же находит применение из-за низкого уровня нелинейных искажений. Однако эта схема из-за своей маломощности не используется в концертных системах.

Класс В

На Рис. 2 показана схема двухтактного повторителя.

Рис 2

Транзистор Т1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор Т2 - при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторного тока нет, и мощность не рассеивается. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт.

Переходные искажения в двухтактных каскадах

Схеме на Рис. 2 присуще следующее свойство: выходной сигнал отслеживает входной сигнал с разницей падения напряжения UБЭ; при положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, а на отрицательном интервале - больше. Для синусоидального входного сигнала выходной сигнал будет таким, как показано на Рис. 3.

Рис 3

Такое искажение называется переходным или типа "ступенька".

Для снижения переходного искажения двухтактный каскад смещают в состояние проводимости. На Рис. 4. показана самая простая схема смещения.

Рис 4

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря этому напряжение на базе Т1 превышает входное напряжение на величину падения напряжения на диоде. Аналогично и для Т2. Теперь, когда входной сигнал проходит через нуль, проводящим транзистором вместо Т1 становится Т2; один из выходных транзисторов всегда открыт.

Такие схемы называют усилителями класса В. Они имеют один серьезный недостаток - не обладают температурной стабильностью. По мере того, как выходные транзисторы нагреваются, ток коллектора возрастает. Это вызывает выделение дополнительного тепла и возникает вероятность возникновения неконтролируемой положительной тепловой обратной связи (саморазогрев), что ведет к выходу транзисторов из строя. Даже если этого не произойдет, необходимо обеспечить более надежную работу схемы.

Класс АВ

Среди разных схемотехнических решений в сфере профессионального театрально-концертного звукоусиления наибольшей популярностью пользуются усилители класса АВ, выполненные на биполярных транзисторах, из-за их экономичности, достаточно малого уровня нелинейных искажений и относительной простоты схемотехники.

В этих двухтактных усилителях смещение используется для получения достаточно большого тока покоя в момент перехода сигнала через нуль. Подразумевается, что в течение некоторого интервала времени оба транзистора находятся в состоянии проводимости. При выборе тока покоя ищется компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя. Для повышения температурной стабильности используются порой весьма изощренные схемы смещения. Почти всегда для ослабления переходного искажения используется глубокая отрицательная обратная связь.

Класс D

Их также называют ШИМ-усилителями, и это правильно, а вот называть их "цифровыми", как иногда случается, совершенно неправильно. В этих усилителях выходные транзисторы работают в ключевом режиме. Сигнал, усиливаемый выходными транзисторами, представляет собой широтно-модулируемые высокочастотные импульсы (сотни МГц). Теоретически КПД такого усилителя может приближаться к 100%, т.к. выходные транзисторы или закрыты и тока через них нет, или полностью открыты, и ток течёт в нагрузку, практически не вызывая падения напряжения на транзисторах. Потери возникают в транзисторах в моменты их переключения (кратковременный режим класса А) и, очевидно, зависят от быстродействия транзисторов и частоты следования импульсов. При этом увеличение частоты импульсов улучшает качество звучания усилителя. Это только один из компромиссов, которые возникают при разработке широтно-импульсных усилителей. Кроме того, этим усилителям свойственен большой уровень электромагнитного излучения, сложность схем и низкая ремонтопригодность - касание щупом осцилографа некоторых точек может привести к выходу из строя большей части схемы. Впрочем, ремонт этих усилителей обычно сводится к замене модулей или плат, и производители выпускают достаточный ассортимент ремкомплектов.

Зато, как сказано, эти усилители имеют невероятно высокий КПД, более 90%, т.е. почти вся потребленная энергия превращается в звуковой сигнал, в том время как у традиционных усилителей КПД находится в районе 50%. Кроме того, ШИМ-усилители часто оснащаются корректорами фактора мощности, т.е. при падении напряжения в сети они не снижают уровня выходного сигнала, что является очень важным преимуществом для наших условий.

Параметры усилителей

• Мощность. Нормируется при определенном уровне гармонических искажений. Иногда публикуется два значения мощности для двух разных уровней гармонических искажений.
• Уровень нелинейных искажений (THD). Оценивается, в первую очередь по коэффициенту гармоник - отношению среднеквадратической суммы напряжения (или тока) высших гармоник сигнала, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (или току) основной частоты.
• Уровень интермодуляционных искажений (IMD). Искажения проявляются в виде появления суммарно-разностных (комбинационных) гармоник, возникающих в результате нелинейности при подаче двух гармонических сигналов. Обладают достаточно большой заметностью на слух.
• Демпинг-фактор (коэффициент демпфирования) - отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя. Большее значение демпинг-фактора способствует лучшему воспроизведению атаки звукового сигнала и меньшему проявлению резонансных свойств акустических систем.
• Частотный диапазон - частоты, воспроизводимые усилителем при нормированном уровне спада и подъема (неравномерности), обычно при ± 0,5 дБ для диапазона 20 Гц…20 кГц, или +1/-3 дБ при диапазоне 5 Гц…100 кГц.
• Отношение сигнал/шум (дБ) - это отношение максимального уровня сигнала при допустимых искажениях к уровню внутреннего теплового шума элементов усилителя в отсутствие входного сигнала.
• Перекрестные помехи (дБ). Степень проникновения сигнала из канала в канал.

Экономичность усилителей

КПД двухтактных усилителей без учета тока покоя и прочих тепловых потерь (как правило, незначительных) составляет 0,5. Для повышения КПД в усилителях большой мощности (более 0,5 кВт) иногда применяют хитроумные схемы со ступенчатыми источниками питания. То есть, при работе на малых сигналах усилитель питается от низковольтного источника, на больших - от высоковольтного.

"Транзисторное" звучание

Несмотря на все ухищрения, такие, как введение глубокой отрицательной обратной связи, использование изощренных схем смещения двухтактных усилителей и т.д., усилители на биполярных транзисторах обладают жестким или "транзисторным" звучанием. Это отражается не столько в технических параметрах, которые у современных усилителей превосходны, сколько в результатах экспертных оценок усилителей. Обусловливается это свойствами биполярного транзистора резко входить в состояние проводимости и давать глубокое насыщение при максимальных сигналах. В результате спектр гармонических искажений усилителей на биполярных транзисторах весьма широк (вплоть до 11-й…15-й гармоник), богат "неприятными" нечетными гармониками, что и порождает характерное звучание даже при небольшом общем уровне гармонических искажений. Лучшие показатели в этом смысле имеют полевые транзисторы (MOSFET) и электронные лампы (Рис 5). Поэтому, усилители, выполненные на этих приборах, занимают свою достойную нишу в общей массе звукотехнического оборудования.

Рис 5

Устойчивость усилителей

В некоторых усилителях при определенных условиях эксплуатации возможно возникновение самовозбуждения, т.е. генерации на высокой (ультразвуковой) частоте. Этому способствует большая глубина обратной связи схемы усилителя и комплексный характер импеданса акустических систем. Естественно, больше всего при этом достается высокочастотным компонентам акустических систем. Для предотвращения самовозбуждения в схемы усилителей вводят специальные цепи и применяют более высокочастотные компоненты.

Комплектующие усилителей

Пожалуй, наиболее сильно общие показатели усилителя определяют параметры выходных транзисторов. Кроме предельно допустимых (максимальные напряжение, ток, мощность, температура) важны и такие параметры, как тепловое сопротивление корпуса, напряжение насыщения и т. д. Весьма большое значение имеют динамические (скоростные) параметры. Чем "шустрее" транзисторы, тем возможна большая глубина обратной связи без опасности возникновения самовозбуждения. В технологии производства транзисторов ряд параметров являются компромиссными. Поэтому, для достижения большой мощности включают необходимое количество транзисторов параллельно, но тогда становится важным еще один параметр - разброс параметров.

Требование сочетания параметров выходных транзисторов всегда заставляло производителей искать транзисторы, изготовленные по самым совершенным для своего времени технологиям.

Конструкция

Усилители, предназначенные для концертной работы, должны иметь прочное рэковое исполнение. Для принудительного охлаждения используются вентиляторы. В "продвинутых" моделях частоту вращения вентилятора делают зависимой от температуры выходных транзисторов. Это способствует меньшему накоплению пыли внутри корпуса усилителей. Важна также и организация потока охлаждающего воздуха. Лучше, когда основной поток проходит по специальным тоннелям, охлаждая выходные транзисторы и меньше охватывая остальные схемы. Приветствуется также и наличие воздушного фильтра, который можно легко почистить.

Схемные соединения тоже должны быть весьма надежными. Следует иметь в виду, что ненадежные контакты (как обрывы, так и замыкания) зачастую ведут к выходу из строя усилителя, а иногда и всей акустической системы.

Вообще следует заметить, что в концертных звукотехнических системах усилители - это самое ранимое место. Действительно, компоненты схем, работая при весьма больших напряжения и токах, подвергаются всевозможным, порой суровым, внешним воздействиям, таким как высокая температура, влажность, вибрация, агрессивные среды (ветер и брызги с моря, пепел от салюта и т.д.). Не говоря уже о таких повседневно встречающихся вещах, как перегрузки по мощности и нестабильность напряжения электрической сети. Поэтому, высокая надежность усилителей - одно из самых важных условий успешного проведения концертных мероприятий.

Особенности схемотехники концертных усилителей

Стандартными являются двухканальность (два усилителя в одном корпусе), наличие симметричных (балансных) входов и возможность мостового (BRIDGE) включения.

При мостовом включении входной сигнал подается на один канал усилителя непосредственно, а на второй - через инвертор. Нагрузка включается между выходами каналов. При этом напряжение на нагрузке и, соответственно, ток в два раза больше, чем при обычном включении. Поэтому импеданс нагрузки при мостовом включении должен быть в два раза больше. То есть, если для каждого канала усилителя нормирован минимальный импеданс нагрузки как 4 Ом, то для мостового включения он нормируется значением 8 Ом. (Рис 6).

Рис. 6

В качестве аксессуаров некоторые производители предлагают набор встроенных, встраиваемых или включаемых в заднюю панель модулей, в качестве которых могут выступать лимитеры, кроссоверы, балансные трансформаторы и т. д.

Защита усилителей

В музыкальной индустрии эксплуатация звукотехнического оборудования происходит порой в весьма тяжелых условиях. Поэтому, производители мощных усилителей принимают все возможные виды защиты. К ним относятся защиты:

• от превышения максимального уровня сигнала (как правило, применяется RMS-лимитер, иногда отключаемый);
• от превышения максимального выходного тока;
• от перегрева;
• от появления постоянного напряжения;
• от пропадания одного из питающих напряжений;
• от щелчка при включении акустических систем (задержка).

В отдельных моделях предусмотрена встроенная защита акустических систем. Это обычно симистор, закорачивающий выход усилителя в аварийных ситуациях и тем самым спасающий акустические системы.