Меню

Усилитель мощности высоким выходным сопротивлением

УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением

Все больше убеждаюсь на собственном радиолюбительском опыте в верности положений статьи [1] о зависимости характера звучания (“ламповое” или “транзисторное”) от работы системы УМЗЧ — громкоговоритель. Особенности звучания АС связаны вовсе не с элементной базой УМЗЧ и не с наличием или отсутствием ООС, а в значительной степени с его (УМЗЧ) выходным сопротивлением, поэтому поделюсь результатами своих исследований.
После многих экспериментов с транзисторными УМЗЧ (с различной обратной связью [2] и вовсе без нее), каждый раз сравнивая звучание с “эталоном” в виде УМЗЧ ламповой радиолы “ВЭФ-Радио” (однотактный, пентодный, с ультралинейным включением лампы и неглубокой общей ООС), я пришел к следующему выводу. Общепринятое мнение о благоприятности низкого (желательно “нулевого” или даже отрицательного) выходного сопротивления УМЗЧ для воспроизведения низких частот не всегда верно. Если выходное сопротивление УМЗЧ составляет приблизительно 20…50% от сопротивления громкоговорителя (при этом говорить о глубоком демпфировании не приходится), мягкое звучание контрабаса в джазе приятнее (конечно, чисто субъективно). С другой стороны, при прослушивании рока, современной электронной музыки с “напористым” басом требуется более сильное демпфирование громкоговорителя. Складывается забавная ситуация, когда для каждого стиля музыки желательно иметь свой УМЗЧ: для джаза — лучше ламповый и без общей ООС, для рока — транзисторный с глубокой ООС по напряжению (ООСН), обеспечивающей малое выходное сопротивление.

В связи с этим предлагаю опробованное на макете устройство, которое “примиряет” это противоречие. Регулируемое выходное сопротивление УМЗЧ позволяет плавно превращать по характеру звучания транзисторный усилитель в “ламповый триодный” или в “пентодный” без ООС, но без характерно высокого для пентодов коэффициента третьей гармоники. Это превращение УМЗЧ возможно с помощью переменных резисторов, которые переводят ООС по напряжению в ООС по току через нагрузку при неизменном коэффициенте передачи устройства.

Схема макета УМЗЧ приведена на рис. 1. Регулировка выходного сопротивления происходит следующим образом: в нижнем крайнем по схеме положении движков сдвоенных переменных резисторов R4.1, R4.2 возникает только ООСН, глубина которой определяется соотношением резисторов R3, R1 и исходным коэффициентом усиления DA1 без ООС. В другом крайнем положении движков переменные резисторы создают только ООС по току (ООСТ). При этом, в зависимости от сопротивления нагрузки (4 либо 8 Ом), замыкают или размыкают переключатель SA1, изменяющий сопротивление датчика тока (R5, R6).
При перемещении движков переменных резисторов общий коэффициент усиления устройства, условно говоря, не изменяется. Условно, поскольку коэффициент передачи по напряжению в режиме с ООСТ связан с частотной зависимостью импеданса громкоговорителя. Изменяется только выходное сопротивление УМЗЧ от близкого к нулю до нескольких десятков килоом. Желаемая его величина устанавливается на слух по субъективно более приятному звучанию музыкального произведения соответствующего стиля.
Сдвоенные переменные резисторы R4 должны быть обязательно группы А (с линейной характеристикой регулирования). Вместо переменных резисторов можно применить любой переключатель на два направления и 11 положений с цепочкой резисторов по 680 Ом (2×10 шт.). Правда, в этом случае для предотвращения резких щелчков и возможного выхода из строя громкоговорителя при изменении выход-
ного сопротивления УМЗЧ нужно каждый раз предварительно выключать питание УМЗЧ, что снижает оперативность при подборе желаемого характера звучания.
При желании можно изменить коэффициент усиления УМЗЧ, но при этом необходимо выполнение следующих соотношений:
KL = R3/R1=RH/RoxR2/R1;
RH/Rfl=10; R2 = 5R4.
Здесь под RH понимается паспортное значение сопротивления громкоговорителя на частоте 1000 Гц; Rn — сопротивление датчика тока.
И еще одно: обратная связь переменной глубины — “вещь” тонкая и капризная, а сочетание разных видов ООС — тем более. Поэтому, перед тем как использовать в рассматриваемой схеме какой-либо другой УМЗЧ (аналогами MDA2020 являются TDA2020,
К174УН11 [3]), желательно путем подбора цепей коррекции добиться устойчивости (отсутствия самовозбуждения) при включении усилителя по схеме повторителя (рис. 2). Здесь А1 — УМЗЧ без цепи общей ООС.

Основным недостатком схемы рис. 1 является наличие механических контактов в цепи обратной связи (резисторы R4 или заменяющий их переключатель). Кроме того, сопротивление датчика тока (Rfl) ограничивает максимальное значение коэффициента демпфирования даже при “нулевом” выходном сопротивлении УМЗЧ.
В качестве УМЗЧ целесообразно выбрать микросхему с малым собственным коэффициентом гармоник без ООС.
Мощность и тип резисторов R5, R6, а также их сопротивление можно изменять в некоторых пределах в зависимости от выходной мощности УМЗЧ, заданных коэффициента усиления и входного сопротивления УМЗЧ.
Такой усилитель можно с успехом использовать для исследования свойств электродинамических головок во всем диапазоне рабочих частот при различном импедансе. Например, некоторые головки мало чувствительны к выходному сопротивлению усилителя, другие — более чувствительны (высокие интермодуляционные искажения на средних частотах).
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? — Радио, 1997, № 4, о. 14-16.
2. Маслов А. Комбинированная обратная связь в УМЗЧ. – Радио, 2001, № 6, с. 16, 17.
3. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1989, с. 114.
От редакции. В предлагаемой структуре регулятора обратной связи требуются сдвоенные переменные резисторы. Можно, однако, упростить эту схему, “трансформируя” обратную связь УМЗЧ одним переменным резистором, как показано на рис. 3.
Результат тот же: в левом положении движка выходное сопротивление УМЗЧ минимально, в правом — максимально. По отношению к громкоговорителю минимальное выходное сопротивление источника сигнала ограничено сопротивлением включенного в цепь нагрузки датчика тока и составляет около десятой доли сопротивления нагрузки. Для демпфирования большинства громкоговорителей такого соотношения вполне достаточно.
Для повышения устойчивости работы УМЗЧ совсем не обязательно корректировать его АЧХ под “единичное” усиление. Рекомендуем воспользоваться рекомендациями, содержащимися в статье А Сырицо “Особенности УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением”, опубликованной в “Радио”, 2002, № 2, с. 16, 17.

Источник

Высоколинейный УМЗЧ с большим выходным сопротивлением

А. ОРЛОВ, г. Иркутск

Автором предложен интересный вариант усилителя мощности с высоким выходным сопротивлением. Его особенность — в использовании комбинации цепей отрицательной обратной связи. Применение определённых типов транзисторов способствовало минимизации нелинейных искажений. Это подтверждено и многочастотным методом измерения интермодуляционных искажений, совпадающим с субъективными оценками разрешения. Ограничения в выборе АС для работы с таким усилителем неоднократно обсуждались на страницах журнала — проблемы устраняют правильным выбором кроссовера, динамических головок и их акустического оформления.

В настоящее время усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) подразделяются по выходному сопротивлению: с низким выходным сопротивлением и УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением. С точки зрения теории электрических цепей УМЗЧ первого типа — источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), а УМЗЧ второго типа — источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Преимущества и недостатки каждого из них достаточно подробно освещены как в печатных изданиях, так и в Интернете, и далее здесь рассматриваться не будут. Следует отметить, что автор предлагаемого УМЗЧ является сторонником именно «токового» способа управления динамическими головками громкоговорителя [ 1 ], и далее речь пойдёт в основном об усилителях с высоким выходным сопротивлением (УМ-ИТ).

Читайте также:  Мощность набора для маникюра

Известен УМЗЧ с «плавающим» источником питания (непосредственно не соединённым с общим проводом усилителя), в котором к выходу ОУ подключён выходной каскад на биполярных транзисторах, включённых по схеме с общим эмиттером [2]. В отличие от классического выходного каскада на транзисторах, включённых по схеме с общим коллектором, такой каскад обладает усилением по напряжению. Такая архитектура УМЗЧ и легла в основу предлагаемого усилителя, поскольку позволяет простыми средствами реализовать УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением и необходимым коэффициентом усиления по напряжению. Фактически это мощный генератор тока с транзисторами в режиме класса АВ с большим током покоя, выполненный на основе усилителя [3] и предназначенный для работы на широкополосный громкоговоритель либо акустическую систему с фильтрами, рассчитанными под высокое выходное сопротивление. Применённые в УМ-ИТ схемные решения позволили заметно снизить входную и выходную нелинейность и получить малые нелинейные искажения без применения цепи общей отрицательной обратной связи (ООС). Отличительной особенностью предлагаемого усилителя является использование в выходном каскаде каскодного включения мощных транзисторов (ОЭ—ОБ), что позволило получить высокую линейность, быстродействие и большое выходное сопротивление. Однако, как будет показано ниже, такая архитектура легко трансформируется в классический УМЗЧ с низким выходным сопротивлением. Если же говорить про субъективные оценки качества, то достигнуто весьма прозрачное звучание воспроизводимой музыки, и эта конструкция просто «отправила» предыдущие авторские проекты на разборку.

Обычно современный источник звукового сигнала имеет отличное от нуля выходное сопротивление, и если оно относительно велико, то классический «параллельный» повторитель вносит так называемые «интерфейсные» искажения. На рис. 1 показана упрощённая схема ИТУН, в котором такой вид искажений практически полностью устранён.

На транзисторах VT1—VT6 и резисторах R5, R6 выполнен параллельный повторитель (ПП), в котором входной каскад реализован по схеме Шиклаи (Sziklai) на транзисторах VT1—VT4, что позволило существенно снизить входную нелинейность в зависимости от выходного сопротивления источника сигнала [4]. Для стабилизации рабочей точки транзисторов ПП применено токовое смещение, реализованное на основе плавающего источника напряжения G1 и резисторах R5, R6.

В отличие от УМЗЧ [5], где использовано смещение напряжением (так называемая «батарейка»), смещение током позволяет повысить надёжность работы без принятия специальных мер по обеспечению термостабилизации транзисторов ПП. Мощные транзисторы VT7, VT8, как уже упоминалось, включены по схеме с общей базой, что в совокупности с плавающим источником питания (G2, G3) обеспечивает широкую полосу пропускания и высокое выходное сопротивление (десятки и сотни килоом). Поскольку напряжение на коллекторах транзисторов VT5, VT6 строго фиксировано напряжениями на эмиттерах транзисторов VT7, VT8, то такой каскад при монтаже транзисторов на общем теплоотводе не подвержен эффекту саморазогрева, даже в отсутствие эмиттерных резисторов. Реальные эксперименты с увеличением тока покоя каскада до 3. 4 А подтверждают надёжность такого способа смещения.

Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением сопротивления нагрузки RH к сопротивлению датчика тока Rc (Ку = RH/Rc) и может задаваться в широких пределах. Усилитель не критичен к качеству питающего напряжения G2, G3, и в нём снижено влияние паразитных свойств фильтрующих конденсаторов источников питания благодаря высокому выходному сопротивлению. Независимо от того, есть ли дополнительная активная или реактивная составляющая в цепи нагрузки, усилитель благодаря местной цепи ОС через резистор Rc всегда обеспечивает требуемый ток через RH, корректируя выходное напряжение.

Отдельно следует сказать про необычное включение конденсаторов С1 и С2, ведь с первого взгляда можно посчитать это классической «вольтдобав-кой», но это не так. Конденсаторы С1, С2, будучи включёнными между низко-импедансными узлами — эмиттерами VT5, VT6 и эмиттерами VT1, VT2, для сигнала исключают местную токовую ОС и одновременно обеспечивают обратную связь по вычитанию искажений (ОСВИ). Введение этих конденсаторов приводит к возрастанию выходного напряжения на 0,5. 0,7 дБ и снижению нелинейных искажений на выходе УМ-ИТ на 20. 30 дБ, причём подобного применения такой «гибридной» отрицательной ОС автору ранее встречать не доводилось. Конденсатор СЗ дополнительно стабилизирует напряжение между базами транзисторов VT5, VT6 в динамическом режиме.

К недостаткам архитектуры УМЗЧ на рис. 1 следует отнести несколько худший КПД. Это связано с тем, что эмиттеры транзисторов VT3, VT4 подключены перекрёстно к эмиттерам транзисторов VT8, VT7 и ток покоя транзисторов VT7, VT8 превышает ток покоя
транзисторов VT5, VT6 на эмиттерный ток транзисторов VT3, VT4. Этот ток зависит от выбора номиналов резисторов R1, R2 и R5, R6, и такое ветвление тока приводит к снижению КПД каскада и большему нагреву мощных транзисторов VT7, VT8, что увеличивает требования к охлаждению УМЗЧ. Ток покоя зависит от сопротивления резисторов R1—R4 и напряжения источника G1 и может регулироваться в довольно широких пределах.

На рис. 2 показан способ трансформации УМ-ИТ в УМЗЧ с низким выходным сопротивлением.
Здесь использовано плавающее подключение нагрузки RH, и её «холодный» вывод подключён к точке соединения эмиттеров VT5, VT6, а коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению задан отношением резисторов: Ку = ROC2/Roci [6].

технические характеристики УМ

Номинальное входное напряжение, В 2,3

Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке 8 0м . .20,5

Максимальная выходная мощность, Вт, на нагрузке

Коэффициент усиления по

напряжению, дБ 18

Полоса усиления, Гц 0,1. 3-105

Нелинейные искажения, %, при уровне -1 дБ от ограничения 0,0055

Интермодуляционные искажения, %, при уровне

-2 дБ от ограничения 0,0033

Отношение сигнал/шум, дБ,

Полная схема УМ-ИТ представлена на рис. 3.

Во входном каскаде (VT1, VT2) применены комплементарные пары биполярных транзисторов Hitachi 2SB647 и 2SD667, а в качестве транзисторов VT3—VT8 — приборы Motorola MJE15030 и MJE15031, MJL21193 и MJL21194. На элементах Т1, VD1—VD4, DA1, R1—R3,
+26 В
С1 —С8 и R10, R11 собран источник токового смещения, формирующий необходимое для работы транзисторов постоянное напряжение 6,5 В, которое можно регулировать резистором R2. Входной сигнал подаётся через цепь защиты от помех R4R5C9 на базы транзисторов VT1, VT2. Сопротивление резистора R9 намеренно уменьшено в два раза по сравнению с сопротивлением резистора R8, что позволило снизить нелинейные искажения усилителя в режиме большого сигнала.

Поскольку падение напряжения между эмиттерами транзисторов VT5,
VT6 и эмиттерами транзисторов VT1, VT2 не превышает 600 мВ, а приложенное к конденсатору С12 напряжение не превышает 1300 мВ, то в качестве С12— С14 были использованы низковольтные (на 4,5 В) сверхъёмкие конденсаторы «Supercap» от компании AVX — BZ054B223ZSBAE [7]. Конденсаторы СЮ, С11, С15 и дроссель L1 повышают устойчивость усилителя и снижают требования к качеству монтажа конструкции.

Дроссель L1 желательно выполнить на замкнутом магнитопроводе или с магнитным экранированием, а его ак-
тивное сопротивление не должно быть более 0,1 Ом. На элементах ТЗ, VD6— VD9, R14, С18—С24 выполнен плавающий источник питания с так называемой «виртуальной» средней точкой (элементы С16, С17, VT9, VT10, VD5, R12, R13). Данное решение заимствовано из схемотехники транзисторных усилителей QUAD и позволяет отказаться от системы защиты АС, к тому же, по мнению автора, с УМЗЧ и «виртуальной» средней точкой звучание лучше. В то же время УМ-ИТ может работать также и от классического источника питания.

Читайте также:  Импортные коробки отбора мощности

С помощью подстроечного резистора R13 балансируют усилитель по постоянному току, добиваясь равенства напряжения коллекторов транзисторов VT7, VT8 относительно общего провода УМЗЧ. В цепях питания плёночные конденсаторы отсутствуют, при этом усилитель сохраняет хорошую устойчивость. Ток покоя транзисторов оконечного каскада VT7, VT8 составляет 800 мА и для охлаждения теплоотводов применены компьютерные вентиляторы (на 12 В), которые для снижения числа оборотов вращения запитаны через интегральные стабилизаторы на микросхемах 7809 (на схеме не показаны). Для защиты от помех, проникающих со стороны блока питания, служит синфазный фильтр, выполненный на трансформаторе Т2; его обмотки намотаны на ферритовом кольце М2000НМ (или близком аналоге, например N87) с внешним диаметром 28. 40 мм и содержат по 18 витков провода диаметром 1 мм.

На фото рис. 4 представлен монтаж элементов УМЗЧ, выполненный навесным способом без применения печатных плат. Все транзисторы усилителя расположены на общем теплоотводе рядом друг с другом, благодаря чему и достигается хорошая температурная стабильность. Мощные транзисторы VT7, VT8 прикреплены к теплоотводу через изолирующие прокладки из оксида алюминия и прикрыты сверху медной пластиной—экраном; эта мера позволяет несколько снизить уровень излучения выходного каскада.

Медная пластина закрыта текстолитовой пластиной толщиной 1,5 мм, поверх которой приклеены оксидные конденсаторы С16, С17. Транзисторы VT3—VT8 крепят на теплоотвод также через изолирующие керамические прокладки. Транзисторы VT1, VT2 через термопасту закреплены поверх транзисторов VT3, VT4. В качестве датчика тока Rc применён мощный толстоплёночный резистор Caddock МР930, который крепится на том же теплоотводе, что и транзисторы VT1—VT6. Конструкция усилителя в сборе со снятой верхней крышкой показана на фото рис. 5.

В УМЗЧ использованы хорошо зарекомендовавшие в звуковых устройствах оксидные конденсаторы Panasonic FC (С6), ELNA Silmic II (С7), Rubycon Black Gate FK (C8), Nichicon KG (C16, C17) и
Nippon Chemi-Con KMG (C18, C19). Bee плёночные конденсаторы — полипропиленовые: Wima FKP2 (C9—С11, С15) и Rita РНЕ426 (С1—С5, С20—С24). Резисторы — Vishay Dale (R5— R8, R10, R11), Caddock MP930 (RC), Firstronics RM (R3, R4, R9, R12), Phoenix Passive Components PR01 (R1, R14) и Bourns 3299W (R2, R13).

Каждый канал усилителя питается от отдельных сетевых трансформаторов Т1 и ТЗ. Поскольку использовано «плавающее» питание, желательно применять трансформаторы с минимальной ёмкостью между сетевой и вторичной обмотками. Широко используемые в аудиотехнике трансформаторы с кольцевым магнитопроводом из-за повышенной межобмоточной ёмкости здесь применять не следует. В качестве Т1 и ТЗ автором были использованы изделия от фирмы Pro-Power. В этих трансформаторах первичная и вторичная обмотки пространственно разнесены, а

Рис. 5
реально измеренная ёмкость между ними не превышает 18. 28 пФ.

В ходе многочисленных экспериментов с различными активными элементами были опробованы некоторые типы транзисторов и проверялись следующие элементы в парах (см. рис. 3).

Транзисторы VT1, VT2 — 2SA970 и 2SC2240; 2SA1015 и 2SC1815; 2SA1145 и 2SC2705; ВС550 и ВС560; 2SA1360 и 2SC3423; 2SA1370 и 2SC3467; 2SA1380 и 2SC3502; 2SB649A и 2SD669A;

КТА1024 и КТС3206; КТА1268 и

КТС3200; 2N5401 и 2N5551; MJE340 и MJE350; ВС639 и ВС640; 2SB647 и 2SD667.

Транзисторы VT3, VT4 — 2SA1930 и 2SC5171; 2SB649A и 2SD669A;

MJE15030 и MJE15031; BD911 и BD912.

Транзисторы VT5, VT6 — 2SB817 и 2SD1047; MJL21193 и MJL21194;

MJE15030 и MJE15031; BD911 и BD912.

Однако лучшим по результатам измерений, как и по звучанию, оказался именно комплект, указанный на схеме рис. 3. Следует отметить, что приемлемой альтернативы транзисторным парам 2SB647, 2SD667 и MJE15030, MJE15031 в этом усилителе автор, похоже, не нашёл. Различные варианты их замены какими-либо из выше перечисленных транзисторов заканчивались всегда увеличением нелинейных искажений в десять и более раз. Возможна замена транзисторов MJE15030, MJE15031 парой MJE15028, MJE15029, так как они лишь немного отличаются уровнем легирования коллекторного слоя. В качестве мощных транзисторов VT7, VT8 можно применить практически любые современные мощные комплементарные биполярные транзисторы, такие как 2SA1943 и 2SC5200, MJL1302A и MJL3281 A, MJL21195 и MJL21196, NJW0302 и NJW0281, NJW1302 и NJW3281.

При измерении нелинейных искажений УМ-ИТ использован эквивалент нагрузки сопротивлением 8 Ом, который представляет собой соединённые последовательно резистор 7,5 Ом (набор резисторов МЛТ-2, включённых параллельно) и измерительный резистор 0,5 Ом Caddock МР930. С этого резистора измерительный сигнал подавался на вход звуковой карты Echo MiaMIDI, а эквивалент нагрузки при этом подключался к выходу усилителя через коаксиальный кабель длиной 1 м. На рис. 6 показан спектр сигнала частотой 1 кГц, напряжением 10 В на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки 8 Ом и напряжении питания УМЗЧ 2×26 В. Из рис. 6 видно, что быстро спадающий спектр усилителя не содержит высших гармоник.
На рис. 7 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, снятый при уровне выходного сигнала -1 дБ от ограничения.

На рис. 8 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на двухчастотном сигнале 19 и 20 кГц. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составляет 30 В на нагрузке 8 Ом.

На рис. 9 представлен спектр сигнала на выходе УМ-ИТ, который был снят на многотональном сигнале по методу измерения реального разрешения усилителя [8]. Сам сигнал представлял собой смесь из 16 частот в интервале 16,352. 28160 Гц, выбранных таким образом, чтобы не маскировались нижние гармоники и кросс-частоты. Коэффициент амплитуды каждой из частот был выбран -20 дБ. Размах выходного напряжения комплексного сигнала составлял 30 В на нагрузке 8 Ом.

Описываемый здесь усилитель используется автором совместно с четырёхполосной АС. Головки НЧ («midbass»), СЧ и ВЧ питаются от данного УМ-ИТ через кроссовер с фильтрами последовательного типа, рассчитанными на источник сигнала с бесконечно большим выходным сопротивлением. На самых низких частотах (в четвёртой полосе АС) применена электроакустическая обратная связь с отдельными мостовыми УМЗЧ.

УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением не очень популярен у любителей высококачественного звуковоспроизведения, так как накладывает сильные ограничения на типы применяемых АС: это либо широкополосный громкоговоритель, либо самодельная многополосная экзотика со сведением под источник тока.

Источник



О выходном сопротивлении усилителей мощности

Традиционно считается, что усилитель должен иметь максимально высокий фактор демпфирования (определяется отношением сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя), и, соответственно, минимальное выходное сопротивление усилителя. Это облегчает работу разработчиков как усилителей, так и АС, первые не задаются лишними вопросами и просто делают выходное сопротивление максимально низким, а вторые, в случае многополосных АС, рассчитывают разделительные фильтры, исходя из нулевого выходного сопротивления источника, и проблем стыковки усилителей с АС как бы не возникает. Но…

Читайте также:  Литровая мощность прямо пропорциональна

Автором в начале были спроектированы усилители мощности с мощностью 1…1,2кВт/кан. Они нормально работали, но выход из строя относительно мощных динамиков, даже при небольшой средней мощности, далёкой от пика, заставил провести анализ этого. Оказалось,(в основном анализировались динамики диаметром диффузора 15» и 18», диаметром подвижной катушки 100 и 112 мм. и мощностью 250–500 Вт.), что на первый взгляд очевидная причина — высокая выходная мощность, не совсем верна. Как правило, не было термических разрушений подвижной катушки, динамик выходил из строя от механических повреждений — отрыв катушки, центрирующей шайбы, обрыв тоководов Это навело на мысль увеличить выходное сопротивление усилителя, динамик в простейшем приближении представляет собой линейный двигатель, а музыкальный сигнал имеет достаточно выраженный импульсный характер, то резкий разгон и торможение подвижной системы при больших мощностях сопровождается значительными механическими перегрузками, и повышение выходного сопротивления смогло бы снизить ток разгона и торможения, возникающий вследствие действия подвижной системы динамика, и соответственно снизить динамические нагрузки на подвижную систему динамика при тех же мощностях. Как известно, активные потери в динамической головке R=(Rm+B 2 L 2 )/(Rу+Rг)Sд 2 , где Rm — потери в механической системе головки; B 2 L 2 — коэффициент преобразования электрических сопротивлений в аналогичные акустические сопротивления; B — плотность магнитного потока в магнитном зазоре, L — длина провода звуковой катушки; Sд — площадь диффузора; — выходное сопротивление усилителя; — активное сопротивление звуковой катушки. Как видно из формулы, повышение выходного сопротивления усилителя понижает величину активных потерь головки и позволяет более полно использовать потенциал динамика. При испытаниях на прочность динамиков при работе с усилителем мощностью 1,2 кВт/кан., имеющим выходное сопротивление порядка 10 Ом и при работе на больших мощностях, результаты превзошли ожидания. Кроме резкого снижения процента «вылетов» динамиков, заметно улучшилось качество звучания (вопреки ожиданиям), расширился частотный диапазон динамиков, (что естественно, динамик представляет собой комплексную нагрузку, в первом приближении похожую на первого порядка, и повышение выходного сопротивления усилителя, суммируясь с активным сопротивлением динамика, ведёт к повышению частоты среза этого фильтра). Повышение же качества связано со следующим: как известно, смещение подвижной системы громкоговорителя пропорционально току в звуковой катушке (а не напряжению, и также величине магнитной индукции в зазоре и длине провода). При близком к нулевому выходному сопротивлению усилителя ток в катушке зависит от её сопротивления. Однако сопротивление катушки при её работе имеет непостоянное значение — например, при частичном выходе катушки из магнитного зазора её индуктивность, и следовательно мгновенное сопротивление понижается. Также имеет место термическое изменение величины сопротивления катушки в течение периода её колебания. Все это приводит к изменению величины сопротивления катушки в течение периода звукового сигнала, которое может достигать в некоторых случаях 10–15%, что приводит к соответствующему изменению тока в катушке громкоговорителя, приводящему к соответствующему росту коэффициента индермодуляционных и нелинейных искажений (естественно эта величина у каждого громкоговорителя своя, но в принципе не существует АС, которым бы не были присущи эти проблемы, просто у АС высокого качества они менее заметны). Решение этой проблемы — перевод усилителя в режим генератора тока (высокого выходного сопротивления, где выходной ток является функцией входного напряжения, а не выходное напряжение). Причины возникновения этих искажений и способы их уменьшения также очень хорошо описаны в статье С. Агеева «Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?».

Для иллюстрации эффекта снижения искажений ниже приводятся спектрограммы измерений интермодуляционных искажений диаметром 12, 15 и 18 дюймов, мощностью 300 Вт. Магнитные системы у всех динамиков были одинаковы, как и диаметры звуковых катушек — 100 мм. При измерениях применялся конденсаторный микрофон УМ53У11 с головкой 8А3У11, усилитель SK1500 с переключаемым выходным сопротивлением 0 и 20 Ом, программа TrueRTA. Надо заметить, что для измерения ИМД низкочастотных динамиков стандартный набор частот 60 и 7000 гц не подойдет, ввиду их неспособности воспроизвести 7кГц, и было выбрано 190 и 2000 гц.

Ниже измерения динамика 12 дюймов, при нулевом и высоком (20 ом) выходном сопротивлении.

график измерения динамика 12 дюймов

Нулевое выходное сопротивление

график измерения динамика 12 дюймов

Высокое выходное сопротивление

Динамики 15 дюймов:

график измерения динамика 15 дюймов

Нулевое выходное сопротивление

график измерения динамика 15 дюймов

Высокое выходное сопротивление

Динамики 18 дюймов:

график измерения динамика 18 дюймов

Нулевое выходное сопротивление

график измерения динамика 18 дюймов

Высокое выходное сопротивление.

Как видно, кроме снижения искажений, имеет место небольшое повышение отдачи (КПД динамика), примерно на 1…2 дБ, в соответствии с вышеприведенной формулой потерь в динамических головках.

Но на практике недостаточно просто сделать выходное сопротивление усилителя положительной величины во всей полосе, реально оптимальным является промежуточный режим, когда выходное сопротивление не бесконечно, а имеет определённую величину, оптимальную для данного громкоговорителя. Каждый динамик 12, 15 или НЧ 18» требует своего, оптимального для него выходного сопротивления, ниже которого растут нелинейные и интермодуляционные искажения, а выше — механические, связанные с недостаточностью электрического демпфирования подвижной системы. Это объясняется тем, что динамическая головка должна демпфироваться не только акустически, но и частично — электрически, путём торможения её магнитным полем, для устранения механических резонансов и призвуков, присущих любой подвижной системе. Выход — регулируемый выходной импеданс усилителя, или фиксированный для определённого типа динамиков (что иногда применяется в схемах многополосных усилителей активных мониторов, где каждый усилитель работает на свою головку).

Это справедливо для области , средних и высоких частот. Теоретически это конечно справедливо и для , но там существуют и другие проблемы. Для того чтобы диффузор в низкочастотном диапазоне следовал точно электрическому сигналу, без возникновения паразитных колебаний (призвуков) на частоте основного и других резонансов, он должен быть достаточно задемпфирован акустически. Но, как правило, акустического демпфирования недостаточно, особенно для динамиков компрессионного типа с тяжелыми подвижными системами, применяемых в большинстве бытовых и многих студийных АС, и динамики дополнительно демпфируются низким выходным сопротивлением усилителя, устраняя таким образом проблему резонансов и других призвуков, приводящих к ухудшению разборчивости . (Это кстати и привело к возникновению понятия «фактор демпфирования» в свое время. «Фактор демпфирования» — это величина, численно равная делению величины сопротивления нагрузки на величину выходного сопротивления усилителя). Но данное обстоятельство необходимости демпфирования на НЧ низким выходным сопротивлением входит в противоречие с вышесказанным. Один из выходов — применение усилителей, способных обеспечить нулевое (или даже отрицательное) выходное сопротивление усилителя на низких частотах (частоте основного резонанса ), и регулируемое положительное выходное на более высоких частотах, обеспечивающие при этом линейность АЧХ ( характеристики) на линейную нагрузку, что сведёт к минимуму частотный дисбаланс. Таких усилителей пока очень мало, но, возможно, в будущем ситуация изменится… Один из них — SK1200. Дополнительную информацию о возможностях этого усилителя можно прочесть в статье Вадима Володина «Усилитель SK1200 и его тайные возможности»

Источник