Что такое усилитель мощности звука от теории к практикеЭта 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 УМЗЧ является выделение в нагрузке заданной мощи. 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.
В УМЗЧ, важной технической характеристикой является не только увеличение уровня звука, но и сохранение его качества. Для этого схемы этих устройств строятся так, чтобы существенно снизить искажения входного сигнала. 
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: 
Основные термины и определения в звуковой технике усилителей: 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 усилителя 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 усилителя 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 усилителей мощности звука Шум - случайный сигнал, который усиливается вместе с полезным. Если шумы усилителя достаточно малы, то их практически незаметно. Но если шумовой сигнал достаточно силен, то различить полезный сигнал бывает проблематично. 
"Шумят" в усилителях 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.
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 усилители
класс В усилители и АВ усилители 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).
Однотактный усилитель с трансформаторным выходом 
В однотактных усилителях 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 усилителях 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 усилителейПлюсы Наличие гальванической развязки между выходом усилительного каскада и нагрузкой
Разделение нагрузки и выхода усилительного каскада по постоянной составляющей в усилителе Согласование сопротивления нагрузки с сопротивлением выходным каскада благодаря наличию коэффициента трансформации с целью передачи на выход с нагрузкой максимума мощи. 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 в усилителе. 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.
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.
Подборка радиолюбительских конструкций и схем на различных микросборках усилителей звуковой частоты. |
    
|
