Что такое усилитель мощности звука от теории к практике

Эта статья посвящена принципам работы усилителей мощности звука. Здесь вы найдете основные теоретические сведения и технические характеристики о принципах построения усилителей, а также подборку радиолюбительских схем и конструкций.

Усилители мощности звука в занимают особое место и используются повсеместно: и в аудиоусилителях, и в телевизорах и т.д. Практически каждый начинающий электронщик хоть раз, да собирал усилитель звука.

Усилителем мощности звука принято называть усилительный каскад, применяемый для передачи в нагрузку (динамик, колонка) заданной либо максимально возможного уровня мощн. при наилучшем КПД и наименьших нелинейных искажениях сигнала.

Усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) используются в роли оконечного (выходного) либо предвыходного каскадов.

В радиолюбительской практике принято называть усилителями мощности звука или УНЧ - только усилитель оконечного каскада радиоэлектронной схемы, которые непосредственно работают с максимальными уровнями напряжений и токов. Основным назначением УМ является выделение в нагрузке заданной мощности. Основными параметрами усилителя являются полезная мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент нелинейных искажений и полоса усиливаемых частот.

То есть усилитель мощности звука как бы повторяет входной сигнал и подаёт на выход схемы практически его копию, только большего уровня.

Усилители мощности звука обычно построены по однотактной или двухтактной схеме. Однотактными называют УМЗЧ работающие в линейном режиме усиления, им соответствует класс А. В этом режиме ток протекающий через усилительный элемент транзистор протекает в течение всего периода следования входного сигнала.

Внутренняя структура усилителя мощности звука

В УМЗЧ, важной технической характеристикой является не только увеличение мощности звука, но и сохранение его качества. Для этого схемы этих устройств строятся так, чтобы существенно снизить искажения входного сигнала.

структура усилителя мощности звука

Поэтому вместо одного блока, который сразу бы усилил сигнал в необходимое нам число раз используется несколько последовательно включенных усилительных каскадов, которые усиливают по чуть чуть. А так как они стоят один за другим, то итоговый коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления каждого отдельного каскада. Например если первый каскад усиливает в два раза, а второй в десять, то в итоге коэффициент будет 20.

На рисунке ниже представлена схема усилителя звука Гумели, в ней показаны блоки, соответсвующие структурной схеме выше:

Усилители мощности звука основные технические характеристики и теория

Основные термины и определения в звуковой технике:

Бел (Б) - логарифмическая единица которая при частоте 1000 Гц соответствует десятикратному изменению силы звука. 1/10 бела, называется децибелом (дБ), т.е одному дБ эквивалентно изменение силы звука в 1,12 раза.

Частота звуковых колебаний воспринимается на слух человеком как высота тона. Самый низкий акустический предел, восприятия ухом человека, 20 Гц, а самый высокий - 20 кГц.

Тембр - окраска звука, определяется количеством, интенсивностью и частотой обертонов.

Уровень звукового давления - (Сила звука)отношение данного звукового давления p к нулевому уровню p0, выраженное в дБ. Вычисляется по формуле:

N=20lg(p/p0)

Болевой порог - сила звука, оказывающее болевое ощущение на коже человека. (Около 120 дБ)

В радиолюбительском деле принято делить усилители мощности на стандартные и высокого качества (Hi-Fi класса). Максимальная выходная мощность всех усилителей мощности вычисляется по следующей формуле:

Pвых=U2/Rн

Т.е. для вычисления замеряем напряжение на выходе УНЧ (только обязательно под нагрузкой). Сопротивление нагрузки - сопротивление динамика обычно 4-8 Ом)

Коэффициентом усиления по напряжению - результат отношения напряжения на выходе усилителя мощности звука к напряжению на входе схемы. На практике усиление напряжения осуществляется в первых каскадах, а последний каскад, (выходной), необходим как раз для подведения требуемой мощн. в нагрузку и часто сам по себе выполняет единичное усиление.

Характеристики усилителя мощности звука

Идеальный УМЗЧ должен усиливать сигнал (т.е. создавать его точную копию), не внося никаких искажений в исходный сигнал. Хороший реальный усилитель конечно же вносит небольшие искажения, но они должны быть незаменты для восприятия человеком. Плохой усилитель сразу даст о себе знать, когда вместо нормального звука, пойдет черти что.

Искажения однозначно вносятся любыми составляющими схемы, а также могут возникнуть из-за плохой работы всего устройства. В хороших УМЗЧ стараются снизить искажения, в плохих они заметны: хрипения, щелчки, звук как из телефона и т.п. При конструировании УНЧ используют разные технические хитрости для снижения различных искажений.

Они бывают:

Линейные искажения влияют на фазу и амплитуду сигнала. Например, при прохождении звука через УМЗЧ немного изменяется фаза каких-нибудь составляющих этого сигнала. Искажение амплитуды обычно зависит от частоты. Например усилитель мощности отлично усиливает сигналы с частотами от 20 Гц до 20 КГц. А если ему на вход поступило 100 Кгц, то вместо усиления в 10 раз, вы увидете только в 2, и то если оно будет. Т.к УМЗЧ не расчитаны на частоты выше 20 КГц.
Нелинейные искажения весьма опасны. Они искажают сам сигнал и изменяют его форму. Поэтому при прохождение сигнала через такую схему в сигнале появляются составляющие, которых там и не было вовсе. И вместо, например синусоиды, на входе, на выходе можно получить только подобие последней.

Для снижения искажений усиливаемого сигнала требуется и правильный подход к конструированию УМЗЧ и соблюдение всех монтажных правил, которые обеспечивают снижение искажений и шумов.

Номинальная мощность

Мощность звука при среднем положении регулятора громкости УМЗЧ, при которой остальные технические параметры устройства соответствуют заявленным в описании.

Синусоидальная мощность - при ней УНЧ может работать в течение длительного времени с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно она в несколько раз выше номинальной.

Шумы УМЗЧ

Шум - случайный сигнал, который усиливается вместе с полезным. Если шумы достаточно малы, то их практически незаметно. Но если шумовой сигнал достаточно силен, то различить полезный сигнал бывает проблематично.

"Шумят" не только целые устройства под влиянием внешних сил (Например компьютерные колонки когда рядом с ними звонит мобильник). Шум вносят также радио элементы, из которых состоит УНЧ. Это происходит под воздействием разных факторов, допустим из-за повышения температуры радио деталей (особенно активных), может образовываться шум.

Частотные параметры усилителей мощности

Они предназначены для работы в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 КГц, поэтому наладку своих радиолюбительских конструкций следует делать в этом частотном интервале. Усиление частот более 20 КГц имеет смысл только если вы работаете с ультразвуком. Смотри статью по этой теме ультразвук в радиолюбительской практике.

Классификация усилителей мощности

По типу усилительного элемента (УЭ):

на полевых (униполярных) транзисторах
на биполярных транзисторах
на IGBT транзисторных модулях
электронных вакуумных лампах

По классу усиления УЭ

класс А
класс В
и АВ

Классы усилителей - Не каждый усилитель звуковой частоты совпадает по своим параметрам с другим усилителем и между ними есть четкое различие в том, как работают их выходные каскады. Основными рабочими характеристики идеального усилителя являются: усиление сигнала, линейность, мощность и эффективность, но идеальных УНЧ еще не придумали, поэтому существует определенный компромисс между этими различными условиями.

По способу подключения нагрузки к выходу усилительного каскада

трансформаторные (с трансформаторным выходом)
бестрансформаторные (с непосредственной связью в нагрузку)

По схеме включения усилительного элемента:

по схеме с общим эмиттером ОЭ или ОИ общим истоком
с общей базой -ОБ
с общим коллектором ОК или общим стоком ОС

По количеству усилительных компонентов, работающих за один период усиления входного сигнала:

однотактные (один УЭ работает в течение периода)
двухтактные (два УЭ работают поочередно в течение одного периода).
Усилители мощности звука с трансформаторным выходом

Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

В однотактных УМ используется лишь один УЭ - транзистор(биполярный, полевой) , который работает в активном режиме и осуществляет усиление как положительной, так и отрицательной полуволны сигнала на входе. Такой режим работы получил название однотактный (класс усиления А).

Двухтактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

В двухтактных УМ входной сигнал усиливается в течении двух тактов. В первом полуволна одной полярности усиливается первым УЭ (транзистором), а во втором полуволна другой полярности вторым УЭ.

Плюсы и минусы трансформаторных усилителей мощности

Плюсы

Наличие гальванической развязки между выходом усилительного каскада и нагрузкой
Разделение нагрузки и выхода усилительного каскада по постоянной составляющей Согласование сопротивления нагрузки с сопротивлением выходным каскада благодаря наличию коэффициента трансформации с целью передачи на выход с нагрузкой максимума мощности.
Возможность получения широкого диапазона значений выходного напряжения при заданном напряжении питания схемы
Появляется возможность работать на несколько гальванически развязанных нагрузок
Можно получить два противофазных сигнала.

Минусы:

Большие габариты и вес УМ из-за трансформатора
Увеличение нелинейных искажений сигнала на выходе из-за нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора
Возрастание линейных частотных искажений из-за реактивностей катушек индуктивности
Невозможность минимизации в интегральных микросхемах.

Поэтому более широкое распространение получили другие типы УМ.

Бестрансформаторные усилители мощности звука с непосредственной связью

При использование биполярных транзисторов обычно включаются по схеме с ОК либо по схеме ОЭ, при этом класс усиления задается в режимах В либо АВ.

УМ на биполярных транзисторах разного типа проводимости с однополярным питанием класса B:

Как видем из схемы выше оба транзистора отличаются друг от друга разным типом проводимости, но при этом они с очень близкими параметрами. Такая пара транзисторов в электронике называется комплементарной парой.

В классе усиления типа В смещение отсутствует, т.к базы транзисторов соединены вместе.

В подобных схемах применяется класс В, поэтому при работе подобных УНЧ присутствуют достаточно большие нелинейные искажения ступенчатого типа.

Для снижение уровня нелинейных искажений биполярные транзисторы каскада переводят в режим АВ, с помощью задания рабочей точки транзистора фиксированным током или напряжением. Кроме того можно использовать дополнительные элементы для термокомпенсации.

Усилитель мощности с двухполярным питанием на биполярных транзисторах

В этой схеме также применены комплементарные транзисторы, только используется источник двухполярного питания. В классе В нет смещения, поэтому базы обох транзисторов также соединены вместе.

Работа схемы аналогична предыдущей лишь с тем небольшим отличием, что каждая полуволна входного сигнала усиливается только своим транзистором от собственного источника питания.

Двухполярное питание позволяет отказаться от применения по выходу разделительной емкости и благодаря этому снижаются линейные частотные искажения.

Усилители мощности звука на микросхемах

Подборка радиолюбительских конструкций и схем на различных микросборках УНЧ.