Усилитель — повышение мощности

Поговорим теперь о выходной мощности усилителя низкой частоты.
Для усилителя мощности основной квалификационной характеристикой является величина этой мощности. Она измеряется в Ваттах и определяется как мощность, выделяющаяся на нагрузке сопротивлением Rн при амплитуде напряжения на ней Uн.
При синусоидальном испытательном сигнале эта мощность составляет
Pн = Uн2 / (2 х Rн).
Любой усилитель можно охарактеризовать максимальной выходной мощностью.
Это долговременная мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя при максимально – возможной амплитуде синусоидального сигнала на его выходе. При измерении этой мощности искажения не важны – главное, чтобы форма сигнала была похожа на синусоиду. То есть при этой мощности нелинейные искажения 10% — это нормально.
Так как удвоенная амплитуда (размах) сигнала на выходе усилителя не может превысить его напряжения питания и, скорее всего меньше его на dU = 2 – 5 В, то максимальная мощность, в любом случае, не может быть больше некоего значения, определяемого по формуле:
Pmax = (Eпит – dU)2 / (8 x Rн).
То есть при питании усилителя мощности от источника напряжением 20 В и нагрузке 4 Ом максимальная выходная мощность, в любом случае, не превысит 20 x 20 / (8 х 4 ) = 12,5 Вт. На самом деле, из-за dU максимальная выходная мощность будет, скорее всего, около 8 — 10 Вт.
Редко, но бывает, когда максимальная выходная мощность указывается при прямоугольном выходном сигнала – тогда это та долговременная мощность, больше которой из усилителя не выжать. Но к качеству звучания усилителя этот параметр уже никакого отношения не имеет.
Отмечу, что мощность усилителя при 10% нелинейных искажений имеет международное обозначение RMS.

Номинальная выходная мощность — это максимальная долговременная мощность сигнала, которую может отдать усилитель в нагрузку при определенном, наперед заданном коэффициенте нелинейных искажений – чаще всего 1%, хотя может быть и любое другое значение, например 0,5% или те же 10%. Эта мощность зависит от схемы построения усилителя и примененных в ней элементов но она всегда меньше максимальной мощности, иногда значительно. Хочу сказать, что значение нелинейных искажений, при которых измеряется номинальная мощность никак не стандартизировано и устанавливается изготовителем усилителя так, как ему хочется.
Так, например, в Datasheet на усилитель TDA2030 указано, что при напряжении питания 38 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом выходная мощность составляет не менее 18 Вт при нелинейных искажениях 0,5%.
А из его характеристик следует, что при искажениях в 10% его выходная мощность может составить 30 Вт и более.
Номинальная выходная мощность – это собственно говоря, та самая «Советская» мощность, о которой кто-то как-то спрашивал в комментариях к одному из постов.

Еще один параметр – максимальная музыкальная мощность усилителя. Это максимальная мощность синусоидального сигнала, которую усилитель может отдать в нагрузку за очень короткое время – допустим, 0,1 секунды. Эта величина в большой степени зависит от схемы построения как усилителя мощности, так и его блока питания. Если блок питания стабилизирован, то есть выдает одинаковое напряжение и при малой нагрузке (при малой громкости), и при максимальной мощности, то максимальная музыкальная мощность и максимальная мощность усилителя совпадают.
Если же блок питания нестабилизирован, то его выходное напряжение зависит от мощности сигнала – при малой мощности оно выше, чем при большой. Например, блок питания с выходным напряжением 20 В при нагрузке 3 А может иметь выходное напряжение 24 В при нагрузке 100 мА. А у блоков питания дешевых усилителей эта разница еще больше. Поэтому, в первый момент после подачи на усилитель испытательного сигнала, отдаваемая усилителем мощность будет значительно больше, чем через несколько секунд после этого, когда конденсаторы блока питания разрядятся и его напряжение упадет. Разница может достигать 2-х раз (при разнице напряжений в 1,4 раза). Этот параметр имеет право на жизнь, так как музыка или речь – это не стабильный синусоидальный сигнал, а чередование тихих и громких звуков.

Еще большее значение имеет PMPO – пиковая музыкальная выходная мощность. Это мощность сигнала на пике — то есть в максимальной точке. Так как это импульс, то его мощность не усредняется по всему периоду сигнала, и его значение, в принципе, в 2 раза больше максимальной музыкальной мощности. Таким образом, значение мощности PMPO может быть в 5 и более раз больше номинальной мощности, особенно при источнике питания усилителя плохого качества. То есть, при «Советской» мощности усилителя 20 Вт, значение его PMPO может составить 100 Вт и более.

Еще больше можно увеличить мощность усилителя мощности, просуммировав мощности всех его каналов (стерео – 2 канала и т.д.) и умножив результат на поправочный коэффициент, значение которого каждый производитель определяет самостоятельно. После этого можно делать наклейку 1000 Watt PMPO для малогабаритного приемника.

Теперь о повышении выходной мощности усилителя.
Для начала рассмотрим выходные каскады.

На левом рисунке нарисован выходной каскад, верхнее и нижнее плечи которого построены на комплементарных составных транзисторах. При этом, если на базе первого верхнего транзистора будет напряжение, равное напряжению источника питания Eп, то на эмиттере верхнего выходного транзистора напряжение станет равным Eп – Uбэ – Uбэ.
Для маломощных транзисторов можно принять Uбэ = 0,65 В, но у мощных транзисторов, при больших токах базы, это напряжение больше и может достигать 1 В и более. Поэтому напряжение в средней точке будет примерно на 2 В меньше напряжения питания (в реальной жизни до 2,5 В). Так же при нулевом напряжении на базе первого нижнего транзистора, напряжение в средней точке будет равно 2 – 2,5 В. То есть амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 4 – 5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада. (предполагаем его размах равным напряжению источника питания)
В схеме на среднем рисунке выходное напряжение уменьшается только одним эмиттерным переходом в каждом плече. Но дополнительное уменьшение вносит напряжение насыщения Uкэ первого транзистора, которое редко бывает меньше 0,5 В. Поэтому в этой схеме амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3 – 4 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.
Схема на правом рисунке состоит из частей левой и средней схемы. В ней амплитуда выходного напряжения выходного каскада будет на 3,5 – 4,5 В меньше амплитуды напряжения, поступающего на базы транзисторов выходного каскада.

В идеальном случае размах сигнала на базах первых транзисторов выходных каскадов равен напряжению источника питания.
Однако в реальной схеме это далеко не так.

При полностью закрытом транзисторе VT1 через резистор R3 будет течь ток базы VT2.
Из примера расчета видно, что при использовании в качестве VT2 составного транзистора с коэффициентом усиления по току 1000, максимальный ток его базы составит 1,58 мА. При этом на резисторе R3 сопротивлением 1,5 кОм падение напряжения составит 2,37 В.
Обратите внимание – на базе VT2 будет не Eп = 30,4 В, а Eп – 2,37 В = 28 В!!!
При полностью открытом транзисторе VT1 напряжение на базе VT3 будет равно напряжению насыщения VT1, то есть, не менее 0,5 В.
Итого, амплитуда напряжения на базах транзисторов VT2 и VT3 будет примерно на 3 В меньше напряжения питания усилителя, соответственно выходное напряжение усилителя мощности будет меньше напряжения его питания примерно на 8 В!!!
При использовании других схем выходного каскада эта разница будет меньше, но незначительно.
Для исправления ситуации можно использовать, по крайней мере, три способа:
1.Разделить выходной и предвыходной каскады и питать их от разных источников питания. При этом источник питания предвыходного каскада должен иметь напряжение не менее, чем на 8 вольт больше, чем источник выходного каскада и может быть относительно маломощным (десятки миллиампер).

2.Применить схему с вольтодобавкой (с виртуальным источником питания).

В этой схеме резистор R3 разделен на два резистора — R31 и R32 таким образом, что их суммарное сопротивление равно сопротивлению резистора R3, и R32 в 3 – 4 раза меньше R31. Между точками соединения этих резисторов и выходом усилителя включен конденсатор вольтодобавки C4 с такой емкостью, чтобы он не успевал существенно разряжаться за период действия сигнала минимальной частоты. После включения усилителя этот конденсатор заряжается до напряжения, близкого к половине напряжения питания (точнее, до напряжения на R31) и, далее, работает как батарейка, подпитывающая каскад на транзисторе VT1.
Предположим, что напряжение питания усилителя 20 В а соотношение сопротивлений резисторов R31 и R32. равно 4 к 1. Тогда на нижней обкладке конденсатора C4 будет 10 В а на верхней 18В и напряжение на нем составит 8 В.
Предположим, что во время усиления входного сигнала напряжение в средней точке стало равно 15 В. Так, как конденсатор C4 разряжается медленно, напряжение между его обкладками все равно будет равно 8 В и напряжение на его верхней обкладке, а значит и в точке соединения резисторов R31 и R32 составит 23 В – больше, чем напряжение питания!!! Это позволяет увеличить амплитуду сигнала предвыходного каскада и увеличить выходную мощность усилителя.
Кстати, такая схема применяется и в драйверах ключей на полевых транзисторах IR2101, IR2113, IR2153 и аналогичных.

3.Применить вместо резистора R3 транзистор, комплементарный к VT1 и
работающий в противофазе с ним. Схему пока рисовать не буду, только отмечу, что в этом случае потери напряжения составят по 0,5 В на каждый транзистор, то есть 1В. И потери на выходных транзисторах скомпенсированы не будут.

4. Применить в качестве выходного каскада схему с усилением сигнала.

Она очень похожа на среднюю схему выходного каскада за исключением того, что эмиттеры предвыходных транзисторов подключены к средней точке через делитель напряжения на резисторах R4 и R3. Коэффициент усиления такого каскада определяется соотношение их сопротивлений и определяется по формуле
K = (R4 + R3) / R3
Мощный усилитель с таким выходным каскадом склонен к самовозбуждению и усиление выходного каскада нельзя выбирать большим — лучше ограничиться величиной 1,2 — 2 раза. Номинал резистора R3 можно принять равным 220 — 470 Ом, сопротивление резистора R4 расчитывается исходя из требуемого усиления.

В такой схеме выходное напряжение ограничено только напряжением насыщения выходных транзисторов и выходная мощность может быть максимальной.

Источник: we.easyelectronics.ru


Ответить