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.
  • +5
  • 25 июня 2011, 02:07
  • mzw

Комментарии (43)

RSS свернуть / развернуть
Вопрос по схеме с вольтдобавкой. Какова методика расчета конденсатора C4? Чему в данном случае будет равна выходная мощность? И последнее, насколько понимаю, схема с вольтдобвакой, за исключением конденсатора C4, повторяет схему из статьи «Усилитель — 3: расчет»; порядок настройки останется прежним?
0
Конденсатор С4 служит для корректировки АЧХ усилителя с тем. чтобы он не возбудился при замыкании цепи отрицательной обратной связи (ООС). Так как желательно, чтобы АЧХ усилителя без ООС была максимально широкой, С4 лучше подобрать. Начать, например, с 30 пФ.
По поводу схемы — да, это то же самое.
0
Спасибо. Правда, схему назначение в которой конденсатора С4 вы описали я еще разбирал… В вопросе я имел в виду конденсатор C4 для схемы из пункта 2, тот который обеспечивает вольтдобавку. Как можно оценить его номинал?
0
Тут очень просто. Этот конденсатор работает как дополнительный источник напряжения и не должен заметно разрядиться за время верхней полуволны усиливаемого сигнала на самой низкой рабочей частоте. То есть постоянная времени цепи, образванной резистором R31 (через него конденсатор разряжается)и конденсатором С4 должна быть раз в десять больше, чем длительность этого полупериода. При 20 Герцах длительность составит 25 мс, то есть произведение R31 x C4 нужно выбрать не менее 250 мс. То есть, при R31 = 510 Ом, С4 > 50 мкФ (а лучше больше, но без излишнего энтузиазма).
0
Я ошибся — больше 500 мкФ (в принципе можно 470).
0
Какие транзисторы можно использовать для диф. усилителя, т.е. для VT5, VT6 с последнего в статье рисунка? Возможно существуют транзисторы специально предназначенные для этих целей, т.е. например с небольшим разбросом параметров.
0
Есть транзисторные сборки. В них обычно транзисторы максимально близки по параметрам.
0
А можете привести конкретные примеры сборок? А то по запросу «транзисторная сборка» выдаются только транзисторные сборки дарлингтона.
0
Что-то типа ххB2222 должны подходить, например, фейрчилдовские FFB2222A и FMB2222A.
А вообще подходящие компоненты удобно искать у контор торгующих компонентами, у них, как правило, очень толковый параметрический поиск. Я, чаще всего, пользуюсь маузером (mouser.com). Там же и даташиты на все есть. Ну а потом по готовым названиям к местным продавцам.
0
Раньше везде применяли КР159НТ1.
Вообще-то требования к усилителю мощности не такие, как к ОУ, поэтому чаще ставят одиночные транзисторы. Правда некоторые подбирают по коэффициенту усиления. Но я так никогда не делал.
0
Точно. С другой стороны, пара удобна тем, что температура транзисторов практически одинакова, значительно меньше уплывает 0 на выходе при прогреве. Хотя, вобщем, на практике это тоже не так много…
0
А какие транзисторы можете тут порекомендовать? Для диф. усилителя именно.
0
Самое простое — КТ3102 (если нужно npn) или КТ3107 (если нужно pnp).
Из импортных — аналоги, например BC546...BC548 (npn) или BC556...BC558 (pnp).
Если пары, то лучше КР150НТ1 (npn), лучше В или Е — у них усиление больше. Но максимальное напряжение коллектор — эмиттер — 20 В.
0
Тем, кто дружит с английским, настоятельно рекомендую сайт Дугласа Селфа, в частности, начиная вот с этой страницы. Там усилители по схемам типа последней приведенной в топике разобраны по косточкам от и до. Дуглас Селф так же автор множества книг по этой тематике (хотя, опять таки, не уверен, что хотя бы какие-то из них переводились). На сайте есть линки на амазон и другие издательства, где можно эти книги купить.
0
  • avatar
  • evsi
  • 12 января 2012, 03:02
Объясните пожалуйста в чем преимущества двуполярного питания? Как в этом случае рассчитывается выходная мощность, т.е. что нужно подставлять в формулу в качестве напряжения питания: разность между плюсом и минусом напряжения питания по модулю или величину напряжения между нулем и, допустим, плюсом питания? Какие выходные транзисторы можете порекомендовать для мощности на выходе в 6-8Вт?
0
Преимущество двухполярного питания в первую очередь в том, что между выходом усилителя и нагрузкой нет необходимости ставить конденсатор большой емкости для развязки по постоянному току. Это улучшает АЧХ на низких частотах. Кроме того, в цепях усилителя можно использовать меньше развязывающих и фильтрующих конденсаторов, что так же благоприятно сказывается на параметрах усилителя (см. последнюю схему).
Формуле Pmax = (Eпит – dU)2 / (8 x Rн) в качестве Епит нужно подставлять разность между плюсом и минусом напряжения питания по модулю.
Для 6-8 Вт можно использовать из наших КТ814-КТ815, КТ816-КТ817 и аналогичные, например BD139-BD140.
Из составных можно применить КТ972-КТ973, TIP120-TIP122.
0
TIP120-TIP122
Комплементарники к ним забыл указать — TIP125-127. Эти транзисторы уже несколько оверкилл кстати, они довольно мощные. Мощнее всех остальных перечисленных (азве что насчет BD139-140 не знаю).
0
А как использовать составные транзисторы? Как в этом случае подключать резисторы R10, R11. Речь о последней схеме.
0
А вот в последней схеме от VT2 и VT3 все равно освободиться не удастся. Ими можно заменит только VT4 и VT5.
0
Не получается разобраться как рассчитывать номиналы резисторов в схеме из пункта 4. Допустим задался я напряжением питания(+/-Eп) и максимальным выходным током(Iна). Ток базы VT2, VT3 равен Iна/(hVT2*hVT5), тогда ток коллектора VT4 будет в районе [Iна/(hVT2*hVT5)]*10 (я так понимаю он должен быть гораздо больше тока базы). А вот дальше не могу сообразить. Если судить по предыдущим статьям, то надо задать напряжение на коллекторе VT4. Как это сделать мне не ясно.
0
Стоит начать с входного каскада. На базах транзисторов дифкаскада постоянка = 0. R9 задает суммарный ток через дифкаскад (обычно выбирается в районе нескольких мА). Соответственно через R1 течет половина этого тока, а падение напряжения на нем равно сумме напряжения на R3+Vбэ VT4. Током базы VT4 можно смело пренебречь и считать ток через R3 равным току через R4. Падение напряжения на R4 равно напряжению питания (одной половины), поскольку, если мысленно закоротить цепочку R5-VD1, на выходе этого каскада тоже должен быть 0. Ток через этот резистор вы уже знаете, так что можете посчитать R3 и R4.
А вообще я не советовал бы повторять эту схему «в лоб». Для иллюстрации она годится, но в реальной жизни вместо R9 нужен источник тока (иначе будут плавать режимы по постоянному току, как минимум), в коллектор VT6 нужен, как минимум, такой же резистор как R1, а вместо R4 тоже лучше применить источник тока.
0
Собрать хочу исключительно в образовательных целях. По материалам данных статей один усилитель уже собрал. Поэтому теперь появилось желание разобраться в схеме посложнее.
По поводу источников тока. Вот добавил их, схему привожу.

Во первых, интересует, подойдут ли такие схемы источников тока? Второе, какими брать величины токов для соответствующих каскадов?
0
Вместо R12 и R14 стоит поставить либо по паре обычных диодов, либо, что лучше, источники опорного напряжения, типа той же TL431. Также нужно добавить резисторы в эмиттеры T1/T2. Кроме того, если это делается в образовательных целях, то лучше вернуться к классической схемотехнике ОУ и базу T4 вернуть обратно на коллектор Т3. Если же хочеться поэкспериментировать, то я бы посоветовал посмотреть, во-первых, усилитель Акулиничева с синфазным стабилизатором режима (можно посмотреть вот тут, страница в файле — 49), во-вторых, довольно любопытную схема Клецова вот тут(страница 51). Одна из ее особенностей — усилитель напряжения (второй каскад в вашей схеме) сделан не по традиционной схеме ОЭ (общий эмиттер), по схеме ОК+ОБ (общий коллектор + общая база).

Что касается выбора режимов, то я еще раз настоятельно рекомендую сходить на сайт Дугласа Селфа. Он, как раз, очень подробно исследовал различные варианты исполнения каскадов и влияние режимов этих каскадов (и, соответственно, выбор оптимальных режимов, в частности резисторов в эмиттерах входного каскада). В других источниках я не встречал настолько детального и тщательного «разбора полетов».
0
Спасибо, будем читать)
0
А я очень советую книгу «Прецизионные усилители низкой частоты» bookfi.org/book/486500
Кстати, базы транзисторов Т8 и Т9 можно соединить и использовать только одну цепочку для задания базового напряжения.
Вместо резисторов R12 и R14 иногда применяют стабилитроны (например КС133А).
Если дорабатывать схему дальше, вместо R1 и R16 можно применить токовое зеркало.
И, желательно, последовательно с R3 поставить конденсатор (лучше неполярный) для усиления действия отрицательной обратной связи по постоянному току. Иначе, при несбалансированности схемы (например, если смещение нуля, приведенное ко входу составит 5 мВ), и при большом усилении всего усилителя (например 100 раз), на выходе появится постоянное смещение (в нашем случае, 0,5 В). Нагрузка низкоомна — 4 Ома, поэтому через нее пойдет ощутимый ток.
Или нужно ввести элемент балансировки во входной каскад (например, переменный резистор в эмиттерную цепь транзисторов Т1 и Т2 — крайние выводы — к эмиттерам, средний вывод — к коллектору Т8).
0
Любопытная книжка, надо будет почитать на досуге. Кстати, автор тоже Селфа упоминает.
0
Только у меня создалось впечатление, что не любит он его, и при любой возможности с ним спорит. Может быть, в этом споре рождается истина?
0
Я всю книжку пока не прочитал, но то, что уже успел прочитать оставило два впечатления: чувак сильно не любит аудиофильский лохоразвод (тут я с ним полностью солидарен) и проталкивает схему с отдельным НЧ каналом (и ответа на вопрос «а нафига?» я пока не увидел). Кроме того, он дает много полезной фактической информации и высказывает немало вполне разумных соображений (например, об ООС, импедансе АС и коэффициенте демпфирования), так что уже ради этого книжку стоит почитать. Возможно когда я дочитаю книгу, мое мнение изменится, но пока по схемотехнике усилителей я больше доверяю Селфу, свои доводы он обосновывает не только расчетами и общими соображениями, но и вполне конкретными измерениями.
0
Отдельный НЧ-канал (а лучше сказать параллельный ВЧ канал) позволяет улучшить частотные и импульсные свойства усилителя (поднять частоту единичного усиления и скорость нарастания) и при этом обеспечить устойчивость при сильной ООС (наиболее известный пример — ОУ LM318 и его аналог 140УД11).
0
Я понимаю зачем это делается в ОУ, но не считаю это необходимым в УМЗЧ.
0
Могу только повторить «улучшить частотные и импульсные свойства усилителя (поднять частоту единичного усиления и скорость нарастания) и при этом обеспечить устойчивость при сильной ООС».
Основное ограничение этих параметров происходит во входном каскаде, и его стараются обойти. Одновременно при этом появляется запас по фазе на высокой частоте и схема становится более устойчивой.
Так, как искажения из-за ограниченной скорости нарастания хорошо слышны, этот метод помогает улучшить качество звучания усилителя.
0
Ладно, будем считать, что я согласился :)
0
А я ни на чем и не настаиваю. Просто мнение.
0
Аналогично :)
0
Нельзя ли для балансировки ввести подстроечный резистор в коллекторную цепь одного из транзисторов диф пары? И регулируя его установить нуль на выходе. Или это менее удачный способ балансировки, чем тот что вы предложили?
0
В теоретически можно, но так не делают — сложно рассчитать и реализовать — в эмиттерах надежнее, балансировка точнее и меньше зависит от изменений температуры и напряжения питания.
0
Насчет базы Т4 — ошибся при перерисовки схемы. Скачал книгу «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты» Дугласа Селфа. Интересно. Спасибо за наводку.
0

Для чего ставят R1 и R2 в токовом зеркале? Везде пишут примерный порядок величин для R1, R2. R1,R2~50-100 Ом. Чем обусловлено?
Также интересует как выбирать Rэ.
0
R2 — датчик зеркалируемого тока, R1 — датчик отзеркаленного тока. Гм, или наоборот, я честно говоря не помню как ТЗ работает.
Величина их обуславливается падением напряжения на них при рабочем токе. Если оно будет слишком малым — на ток будет сильно влиять разброс параметров транзисторов, если слишком большим — на них будет падать слишком много напряжения.
0
R2 — датчик зеркалируемого тока, R1 — датчик отзеркаленного тока
Именно так
0
Вы Селфа прочитали, или только выкачали? Выбору Rэ посвящен изрядный кусок текста с графиками. О том, зачем нужны и R1/R2 он тоже пишет, равно как и о том, как их можно посчитать (хотя об этом совсем коротко). В третем издании это главы 4.5 и дальше.
0
А кратко Rэ расширяет линейный участок характеристики дифференциального усилителя и уменьшает его крутизну, из-за чего возрастает скорость нарастания выходного напряжения усилителя.
0
Селфа только выкачал, вы правы. Прочитал Данилова. Для чего Rэ ставят он пишет. Но вот о том как рассчитывать номинал этих резисторов к сожалению нет. Тогда будем читать дальше.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.