Меню

Как управлять усилителем мощности



Классы усилителей. Устройство и принципы работы

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Читайте также:  Как увеличить мощность л200

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Источник

Управление усилителем НЧ. Часть1

На просторах интернета нашёл статью из целого цикла, которая «пересекается» с тем, чем занимаемся и мы: Управление усилителями с применение микроконтроллеров.

Этой задачей занимается достаточно большое сообщество. У нас в стране и за рубежом. Придумывают чем и как управлять, рисуют схемы, пишут программы, оценивают полученные результаты, обмениваются мнениями.

Мы занимается подобной задачей, довольно давно, имеем наработанный материал и желание им поделиться. Пошли своим путем, так как усилители более профессионального назначения : другое железо и программная платформа, другие усилители (как правило повышенной мощности), другие цепи и режимы управления. Но «пресечений» много.

Найденная статья привела к идее цикла публикаций, который и начинаем. Надеюсь, они расширят область применения таких способов управления усилителями и ряды заинтересованных специалистов.

В первой части, для начала, в оспроизвожу найденную публикацию, (выдержки из неё), для того, чтобы дать почувствовать суть задачи, а полностью со статьёй можно ознакомиться на сайте «ПАЯЛЬНИК» :

Немного истории

Данная конструкция появилась после того, как я собрал известный усилитель OM 2.5. Естественно, встал вопрос выбора регулятора громкости, защиты и прочих сервисных функций. Конечно, еще хотелось иметь цифровой вход и дистанционное управление, но это уже казалось совсем недоступным космосом. Ни программированием контроллеров, ни проектированием электронных схем я до этого не занимался. Однако, как говорится, дорогу осилит идущий, и на макетке поселился контроллер Atmega16 с микросхемой регулятора громкости PGA2311. В итоге процесс меня так увлек, что очень трудно было закончить проект. Пока оставалась свободная память и ноги контроллера, появлялись идеи по расширению функций и добавлению новых модулей. Платы ко всем модулям первоначально разводились в DipTrace и изготавливались собственноручно с помощью фоторезиста. Потом часть плат я попробовал заказать на производстве. Поэтому на фото присутствует сборная солянка из синих самодельных и зеленых заводских плат. Итак, в этой статье я постарался описать, что в итоге у меня получилось.

Управление усилителем НЧ. Часть1

Функции системы.

  • Мягкий старт, задержка настраивается от 0 до 30 сек.
  • Задержка включения АС, настраивается от 0 до 30 сек.
  • ДУ стандарта NEC c настройкой пульта из системы меню
  • Коммутация АС c помощью плат защиты: зоны A/B (кнопка, ДУ), левая/правая (ДУ) или просто вкл/выкл.
  • Управление входным селектором на 4 входа (кнопки, ДУ)
  • Управление громкостью и балансом с помощью микросхемы PGA23XX или релейным РГ Никитина (энкодер, ДУ)
  • Управление темброблоком Матюшкина c релейной регулировкой НЧ и ВЧ (энкодер, ДУ)
  • Управление USB-цапом — передача команд стоп/пуск/перемотки/треки (ДУ)
  • Термо-контроль на цифровом датчике LM75, один или два канала, выключение при перегреве, включение вентиляторов
  • Кнопки включения, переключения АС, четыре кнопки селектора входов и Mute
  • Регулировка яркости подсветки экрана (ДУ)
  • Экранные заставки: гашение экрана, индикатор уровня и анализатор спектра
Читайте также:  Формула для расчета номинальной мощности трансформатора

Состав и конфигурация системы.

Система состоит из контроллера с символьным дисплеем 4×20, устанавливаемого на лицевую панель, и нескольких исполнительных модулей. Дисплей устанавливается параллельно плате контроллера на четыре стойки и соединяется с ним разъемами PLS-PBS, получается достаточно компактный «бутерброд» высотой 12мм. Все подключения осуществляются по периметру платы контроллера с помощью угловых разъемов XH.

Управление усилителем НЧ. Часть1

Управление усилителем НЧ. Часть1

Модули осуществляют необходимые регулировки/коммутацию и устанавливаются в корпус усилителя с учетом минимизации длины сигнальных цепей:

  • Регулятор громкости на базе PGA23XX c входным селектором на 4 входа и разъемом для подключения USB-цапа PCM2705
  • Регулятор громкости Никитина
  • Входной селектор на 4 входа ( для использования с РГ Никитина )
  • Регулятор тембров Матюшкина c релейной регулировкой НЧ и ВЧ
  • Защита АС от постоянного напряжения c коммутацией двух зон A/B
  • Термо-датчики
  • Блок дежурного питания с входным фильтром и управлением мягким стартом на плате.

Вся информация выводится на символьный дисплей 4×20 на широко известном контроллере HD44780. В первой строке индицируется состояние коммутатора АС. В этой же строке отображается температура радиаторов, полученная с термо-датчиков, когда она превысит температуру включения обдува. Вторая строка отображает ослабление РГ в децибелах. Третья строчка — состояние баланса. При регулировке НЧ или ВЧ, их состояние так-же выводится в этой строке вместо баланса. Последняя строка отображает имена входов и текущий вход.

Для управления используются кнопки без фиксации, замыкающие соответствующие входы контроллера на землю, энкодер с кнопкой, пульт ДУ с протоколом NEC. Энкодер управляет регулировкой громкости. При нажатии на его кнопку, энкодер последовательно переключается на регулировку баланса/тембра НЧ/тембра ВЧ. При этом на экране мигают символы, соответствующие текущему режиму. На кнопках и энкодере реализован только минимальный набор команд, полный функционал из 26 команд доступен только с пульта. Часть функций, типа изменения громкости, поддерживает прием команд автоповтора от пульта ( когда кнопка пульта удерживается нажатой) . Для функций, типа Вкл/Выкл, выполнение автоповтора намеренно отключено — для повторения команды необходимо повторно нажать кнопку пульта.

Автор применяет микроконтроллер ATMEGA16, работает с усилителями Никитина и Матюшкина. Мы применяем микроконтроллеры фирмы TEXAS INSTRUMENT (MSP), работаем с усилителями Дорофеева и Эллиота, а также с усилителями класса D (ШИМ-усилители) повышенной мощности. В этом нашем цикле публикаций покажем, как осуществляется такое управление.

Источник

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В УНЧ

С развитием и усовершенствованием микросхем для усилителей звука (как предварительных так и оконечных), возникает желание модернизировать и управление. А лучше всего задействовать для этого контроллер. Данный проект меня очень заинтересовал в плане функциональности, автор схемы регулятора и самой прошивки приложил немало усилий для доведения программы управления до совершенства (за что ему огромное спасибо!). Далее копирую описание автора с небольшими сокращениями.

Принципиальная схема основного блока

Предварительный усилитель с микроконтроллерным управлением на Atmega16 построен по модульному принципу, то есть отдельные модули каждый может выполнить по своему желанию и предпочтениям. Особенно это относится к выходным усилителям мощности, источникам питания, защиты акустических систем. В этом материале мы рассмотрим входной модуль на микросхеме TDA7313 и процессорный блок управления. Микросхема TDA7313 включена по типовой схеме и особенностей не имеет. Питается блок от источника питания напряжением +9 Вольт. Больше этот блок особенностей не имеет. Файлы печатной платы этого и других модулей в архиве на форуме, там же есть принципиальные схемы на подключение клавиатуры, оконечный усилитель и БП.

Основные параметры модуля:

1. Регулировка громкости (16 уровней);
2. Регулировка усиления (4 уровней);
3. Регулировка тембра НЧ (16 уровней);
4. Регулировка тембра ВЧ (16 уровней);
5. Регулировка баланса фронтальных колонок (16 уровней);
6. Регулировка баланса тыловых колонок (16 уровней);
7. LOUDNESS — Вкл/выкл тонконпесации;
8. Режим MUTE;
9. Режим STANDBY;
10. Показ времени в режиме MUTE и STANDBY а также по истечению 10 секунд, когда не было нажатий на клавиатуре и других управляющих воздействий;
11. Управление всеми функциями с клавиатуры, пульта дистанционного управления (ПДУ) ПДУ работает по стандарту RC-5, как одним из самых распространенных;
12. Управление с помощью Валкодера (encoder);
13. Контроль температуры радиаторов или внутренней температуры в корпусе по двум каналам на основе датчиков от DALLAS DS18x20. При превышении установленной температуры контроля включается вентилятор охлаждения.

Читайте также:  Теряет мощность после прогрева ваз

В модуле применены в основном SMD элементы. Микросхемы в DIP корпусах. Диод VD10 установлен с противоположной стороны платы. Управление усилителем производится с помощью клавиатуры, валкодера и пульта ПДУ. Можно применить любой пульт, который работает по стандарту. Клавиатура построена в виде матрицы из 12 кнопок (4х3):

INPUT1 — выбор 1 канала;
INPUT2 — выбор 2 канала;
INPUT3 — выбор 3 канала;
LOUDNESS — включение/выключение режима тонконпенсации;
MUTE — выключение звука (выключение происходит плавно, а не резко). Повторное нажатие включает звук;
STANDBY — выключение усилителя. Происходит отключение усилителя мощности и его источника питания, процессорный модуль работает в дежурном режиме;
MENU — кнопка для входа в дополнительное меню, в нем можно установить дополнительные параметры, таких как время, дата, температура срабатывания датчиков температуры контроля радиаторов. Повторное нажатие на эту кнопку в этом режиме происходи возврат в основное меню управления усилителем без сохранения параметров. Чтобы новые параметры были сохранены, надо нажать на кнопку SET.
SET — как сказано выше, это сохранения введенных новых параметров в подменю. В главном при нажатии на клавишу SET можно посмотреть температуру радиаторов, информация выводиться в течении 3 сек.
UP/DOWN — переход к предыдущему/следующему пункта меню или субменю;
LEFT/RIGHT — уменьшение/увеличение соответствующего параметра, который отображается на индикаторе.

Основные кнопки отрабатываются программой практически мгновенно, а вот нажатие и отклик на кнопку STANDBY требуется нажатии в течении приблизительно 3 секунд. Кнопок MUTE и LOUDNESS около 1 секунды. Это сделано для исключения срабатывания при случайном нажатии на эти кнопки особенно если используется пульт ДУ. Главное меню программы по управлению усилителем состоит из следующих пунктов:

Volume (Громкость)
Attens (Усиление)
Bass (Тембр НЧ)
Treble (Тембр ВЧ)
Balans F (Баланс фронтальных колонок)
Balans R (Баланс тыловых колонок)

В этом режиме работает также клавиша SET, при нажатии на которую в течение 3 секунд выводятся значения температуры от датчиков. При нажатии на кнопку MENU мы попадем в дополнительное меню для установки параметров времени, даты и максимальной температуры для срабатывания защиты температуры. Это меню состоит из пунктов:

«Set Time : Hour» (установка времени — часы),
«Set Time : Min» (установка времени — минуты),
«Set Time : Sec» (установка времени — секунды),
«Set Date : Day» (установка даты — день),
«Set Date : Mes» (установка даты — месяц),
«Set Date : Year» (установка даты — год),
«Set MAX DS18x20» (установка температуры срабатывания тепловой защиты).

В этом режиме движение по меню осуществляется клавишами UP/DOWN (и клавишами ПДУ), а регулировка параметра клавишами LEFT/RIGHT (и валкодером). В любом из пунктов, если мы нажмем на клавишу MENU, то мы вернемся в главное меню без записи новых значений, а если нажмем клавишу SET, то с сохранением введенных параметров. Для удобства, автор привел прошивки на английском, русском и украинских языках. Как вариант, для себя решил управлять лишь пультом, поэтому валкодер и клавиатуру собирать и устанавливать не хочу. Плату, что привел автор, делал под себя, так что решил развести свою.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В УСИЛИТЕЛЕ - ПЛАТА И ИНДИКАТОР

Закончил сборку предусилителя — всё открывается и регулируется. Так как датчиков нет, то и они не определены (в виде черточек в дежурном режиме). Плату развел свою под SMD, но процессор в Dip корпусе, по сему плата под него по размерам индикатора — это основная причина, по которой не выкладываю плату в Lay.

ДЕЛАЕМ БЛОК НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В УСИЛИТЕЛЕ

Вторая плата будет самого предварительного усилителя на TDA7313. Третья плата — модуль управления источником питания и дежурный режим. Вот фото:

Блок МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ В УСИЛИТЕЛЕ

Пришло время испытаний. Играет супер! Радует глубина регулировки НЧ и ВЧ, бас мягкий, высокие до «циканья» пищалок (хотя с ОМ будет конечно веселее), тонкомпенсация особенно понравилась очень впечатлительным подъёмом на НЧ. В общем по устройству пока могу сказать только одно — сплошные плюсы!

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В УСИЛИТЕЛЕ на Atmega 16

Погоняв с пол дня не обнаружил каких-либо недочётов в прошивке, работа на пульт четкая, В общем если кто решит повторить эту схему, то не пожалеет! Автор схемы — Андрей Дойников. Сборка и испытание — ГУБЕРНАТОР.

Источник

Adblock
detector