Меню

Какую функцию выполняет усилитель мощности



Усилители мощности.

Тема «Усилители мощности» выделена в программе для самостоятельного обучения, но особенности этого типа усилителей мы проработаем вместе.

Усилители мощности ─ это выходные усилительные каскады многокаскадного усилителя в электронных устройствах. При проектировании усилителя мощности на первый план выдвигаются два параметра ─ КПД (коэффициент полезного действия) и уровень нелинейных искажений, который оценивается коэффициентом нелинейных искажений.

КПДоценивается отношением полезной мощности (выделенной в нагруке) к затраченной (потребляемой от источника).

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) ─ это корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности первой гармоники. Если сопротивление нагрузки одинаково для всех гармоник, то мощности пропорциональны квадратам токов или напряжений. В этом случае коэффициент нелинейных искажений можно выразить таким образом

где m ─ номер гармоники, начиная со второй.

Допустимое значение КНИ определяется конкретными требованиями к определённой электронной аппаратуре. КНИ можно оценить по известной передаточной характеристике (графически), или же экспериментально с помощью специального измерительного прибора.

Основная задача, которую ставит перед собой разработчик усилителей мощности, ─ обеспечить необходимую мощность и передать её в нагрузку. Поэтому, в какой-то степени, усилитель мощности ─ это пример силовой электроники. Но реальный усилитель мощности, в первую очередь, ─ это устройство информативной электроники: в таких устройствах основная задача ─ снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства ещё приемлема. И лишь во вторую ─ устройство, которое содержит элементы и силовой электроники: в таких устройствах такую задачу ставить нельзя. При проектировании схем усилителей мощности следует помнить об этом различии.

К величине коэффициента усиления по напряжению особых требований нет: как правило, он чуть больше единицы. Усиление мощности происходит за счёт усиления по току.

Рис.8.1. Рис.8.2

В выходных усилителях мощности должны использоваться каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые в схему цепи ООС должны быть только по напряжению. По этой причине схемы усилителей мощности строятся по двухтактным схемам. Такие схемы дают хороший выигрыш и по мощности. На рис.8.1 дана схема двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах, работающего в режиме кл.«В», а на рис.8.2 усилитель, поставленный в режим кл.«АВ».

Такие усилители находят большее применение, чем с трансформаторным выходом: там, где трансформатор на первое место выходит проблема габаритов и веса устройства в целом. Поэтому мы будем рассматривать только бестрансформаторный усилитель мощности (рис.8.1 и рис.8.2). Эти схемы можно назвать комплементарными эмиттерными повторителями. В схемах усилителей используются комплементарные пары: транзисторы VT1 и VT2 имеют разную структуру.

Транзисторы в схеме на рис.8.1 поставлены в режим кл. «В» (смещение не задано). Рассмотри работу усилителя мощности по схеме на рис.8.1. в этом режиме

Когда на входе действует положительная полуволна синусоидального сигнала, то в режим усиления вступает транзистор VT1, а транзистор VT2 ─ в режим отсечки. При действии отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Входные ВАХ транзистора носят нелинейный характер (лекция №3, рис.3.2а), поэтому выходной сигнал будет с искажениями. В идеальном случае максимально возможная амплитуда напряжения на выходе Uвых = Ек, а потому максимально возможная мощность, выделенная в нагрузке в идеальном случае

При такой максимальной мощности в нагрузке усилитель потребляет мощность от источника питания

Определим КПД усилителя мощности

В режиме кл. «В» в схеме не задана РТ (угол отсечки тока коллектора в этом режиме равен 90 0 ). В этом режиме хороший КПД, но большой уровень нелинейных искажений. Чтобы уменьшить нелинейные искажения в выходном сигнале, изначально задают небольшое напряжение смещения и, таким образом, переводят усилитель в режим кл. «АВ» (рис.8.2). В режиме кл. «АВ» нелинейные искажения уменьшаются, но несколько уменьшается и КПД усилителя.

Читайте также:  Увеличение мощности двигателя тойота рав 4

В схеме усилителя (рис.8.2) применяются цепи смещения ─ резисторы Rсм1, Rсм2 совместно с диодами VD1 и VD2 образуют нелинейные делители напряжения. Диоды в данном случае обеспечивают дополнительную стабилизацию параметров усилителя в режиме покоя.

Транзисторы VT1 и VT2 в усилителе включены по схеме эмиттерного повторителя, тем самым, обеспечивая усилителю малое выходное сопротивление.

КПД усилителя определяется по формуле

Uвых.макс и Iвых.макс ─ амплитуды напряжения и тока в нагрузке;

Iср─ среднее значение тока каждого транзистора.

При проектировании усилителей мощности нередко в качестве выходных используют схемы составных транзисторов как одинаковой, так и разной проводимости. Это позволяет существенно уменьшить мощность предвыходного усилителя, а это положительно сказывается на параметрах всего электронного устройства.

Эти принципы используются и при проектировании усилителей мощности на полевых транзисторах (рис.8.3). От усилителей мощности на биполярных транзисторах такие схемы отличаются меньшим уровнем нелинейных искажений и большой температурной устойчивостью.

Дата добавления: 2015-07-18 ; просмотров: 2469 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Что такое усилитель мощности и для чего он нужен?

Усилитель мощности – это специальное электронное устройство, разработанное для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, который поступает от источника, в более мощный сигнал. Ведь для управления электроакустическими приборами-преобразователями, например, наушниками или же громкоговорителями, необходим мощный исходный сигнал без искажений, а источник часто не может представить нужную мощность сигнала либо искажает его нежелательными влияниями.

Усилитель мощности может быть как независимым отдельным устройством с собственной панелью и системой управления, так и являться внутренним элементом какого-то прибора и быть впаянным в гибридную схему. Это устройство является самым последним звеном в любой цепи звукоусиления.

Усилитель мощности можно различить по области его применения. Обычно есть две основные сферы использования: бытовая и профессиональная. Также можно их разделить по схемам выполнения на однотактный и двухтактный усилитель мощности. Однотактные работают в так называемом режиме линейного усиления. В таком режиме ток протекает через транзистор в течении полного периода.

Усилитель мощности находится в абсолютно любом приборе или устройстве, которые воспроизводит звуковые сигналы самого широкого спектра частот. Так как первичный сигнал, который считывается, изначально обычно имеет довольно-таки незначительную мощность, для передачи его на другие устройства и нужно использовать усилители. Такие приборы можно найти в любом мобильном телефоне, магнитофоне, в компьютерах и ноутбуках и даже в детских игрушках, которые могут говорить (у которых есть динамики). В таких бытовых приборах используют и бытовые усилители. Назначение таких приспособлений – усиление электрического сигнала до значений звукового диапазона, которые способен воспринять человеческий слух среднестатистического обывателя ( обычно это от 15 до 22 килогерц). Нужно заметить, что с возрастом диапазон значительно снижается ( в основном падает его верхняя граница), слух становится менее чувствительным — и большинство людей в возрасте не способны воспринимать звуки на частоте более чем 16-17 килогерц.

В промышленности получили широкое распространение профессиональные усилители, например, такой прибор, как трансляционный усилитель мощности. Его используют для звукового оповещения в административных зданиях, на промышленных крупных предприятиях и открытых площадках, на стадионах и в развлекательных центрах. Их назначение — усилить и передать звуковой сигнал для организации вещания (трансляции сигнала) на различных крупных объектах.

Внешний вид такого прибора, как усилитель мощности, может быть самый разнобразный и сильно колебаться в зависимости от его применения и назначения. Также могут быть и специфические отличия в конструкции. Например, усилитель мощности звука имеет специальную систему для воспроизведения, защиту от воды и влаги, систему перманентной вентиляции. Все это в сумме обеспечивает гораздо более длительный термин эксплуатации звукоусилительной техники в условиях максимальных нагрузок.

Читайте также:  Cf moto потеря мощности

Источник

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.

Читайте также:  Моющий пылесос мощность 2500

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).

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