Работа усилителя на комплексную нагрузку. Основные требования к усилителям мощности.

     Особенно сложной и трудно предсказуемой становится работа усилителя на многополосные акустические системы, снабженные сложными пассивными разделительными фильтрами (кроссоверами). Их импеданс достаточно сильно изменяется в рабочем диапазоне частот. Нагрузка на выходной каскад усилителя в этом случае значительно возрастает. Например, при выходной мощности усилителя 100 Вт и нагрузке 8 Ом ток сигнала на выходе составляет 5 А при активной нагрузке и 28 А при комплексной нагрузке, что почти в шесть раз больше. Поэтому ясно, что усилитель должен быть в состоянии отдать в нагрузку значительный ток без искажений формы сигнала и вредных для себя последствий. По той же причине сильное влияние на звучание системы оказывают соединительные провода между усилителем и динамиками - именно по ним циркулируют реактивные токи. Если сечение провода недостаточно, значительная часть мощности усилителя будет теряться в проводах. Поэтому выбор проводов - достаточно серьезный вопрос.

Основные требования к усилителям мощности и их установке можно кратко сформулировать следующим образом:

• Выходные каскады должны обладать большой перегрузочной способностью по току. Это позволит без искажений воспроизвести пики сигнала.

• В схеме усилителя должны быть предусмотрены средства защиты выхода от перегрузок по току (автоматические предохранители), а также защита АС при выходе усилителя из строя. Для автомобильных усилителей необходимы устройства защиты от перегрева.

• Желательно обеспечить возможно более высокий КПД - это снизит нагрузку на аккумулятор и генератор и нагрев усилителя.

• Крайне желательно использование сглаживающих конденсаторов большой емкости, установленных в непосредственной близости от усилителя. Конденсатор играет роль фильтра и дополнительного источника питания на пиках мощности. Емкость конденсатора выбирается из соотношения ~1000мкФ на каждый ватт мощности усилителя.

• Монтаж цепей питания и, особенно, выходных цепей должен быть выполнен проводами правильно подобранного сечения. Чем больше потребляемый ток и длина провода, тем больше должно быть его сечение.

• Обеспечение требований помехозащищенности. Это требование относится уже к входящему в состав автомобильных усилителей высокочастотному преобразователю напряжения питания, который фактически представляет собой достаточно мощный передатчик.

<Основные классы усилителей - A, B, AB.  Сравнительные характеристики.

     Как уже говорилось, усилитель мощности должен сочетать высокую выходную мощность с малыми искажениями и высоким КПД. К сожалению, при повышении КПД обычно увеличиваются искажения сигнала. Выходные каскады транзисторных усилителей мощности выполняются исключительно по двухтактной схеме на полевых или биполярных транзисторах. Однотактные усилители типа Pass Zen - экзотика, в автомобиле мало применимая. Полевые транзисторы используются при высоких напряжениях питания и сами по себе вносят малые искажения в сигнал, но КПД усилителя несколько ниже, чем при использовании биполярных транзисторов. Зато у биполярных искажения больше - как всегда, палка о двух концах.

     Существует три основных режима работы выходного каскада "звукового" усилителя - A, B, AB, соответственно которым их классифицируют. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками.

класс усилителя	A	B	AB
КПД	max.50%	max.78%	max.60-75%
Искажения	малые	высокие	средние
потребляемая мощность	постоянная	зависит от выходной	зависит от выходной
термостабильность	низкая	высокая	средняя

• В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала - и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.

• В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства - при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.

• Режим AB - попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность - удовлетворительная.

     Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B. Подробно об этом далее.

Другие классы усилителей (A+, SuperA, G, DLD, H)

     За все надо платить. Плата за малые искажения "чистого" класса A непомерна. В среднем три четверти потребляемой мощности превращается в тепло и рассеивается внушительными радиаторами. Стереоусилитель мощностью 100 Вт на канал превращается в скромный электрокамин мощностью 400 Вт, который чем тише звучит, тем больше греется. В квартире камин не помеха, но в машине нужен только зимой. А экономичные усилители класса B явно проигрывают по качеству звучания и не устроят придирчивого меломана. Компромиссные усилители в режиме AB мечутся в поисках "золотой середины" между экономичностью и качеством звучания. Замкнутый круг. Выход был найден достаточно неожиданный - совместить два усилителя в одном так, чтобы и волки были сыты, и овцы целы. Так в начале 80-х появились усилители класса A+. По качеству звучания они приближаются к усилителям класса A, а по экономичности - к AB. Цена такого достижения немалая - усилитель стал практически вдвое сложнее (и существенно дороже).

     Принцип работы усилителей класса A+ заключается в использовании управляемого источника питания. Выходной каскад класса A работает от "плавающего" (не связанного с "землей") источника низкого напряжения (обычно ±5 вольт), поэтому тепловые потери в этом каскаде невелики. Средняя точка "плавающего" источника питания управляется отдельным мощным усилителем класса B, питающемся от "нормального" источника достаточно высокого напряжения (несколько десятков вольт). За счет совместного использования двух усилителей достигается и качество, и экономичность. Коэффициент гармоник не превышает обычно 0,003%.       Поскольку основные искажения в усилителях классов AB и B возникают в моменты запирания-отпирания транзисторов (коммутационные искажения), существует и более простое решение - нужно запретить транзисторам запираться. Этим занимается специальная схема. Так появились усилителикласса SuperA или non-switching. Качество звучания и экономичность практически такие же, как и у A+, но конструкция существенно проще, поэтому старый вариант быстро сошел со сцены.       Не думайте, что разнообразие классов усилителей на этом закончилось. Битва за КПД привела к рождению монстров с коммутируемым выходным каскадом и управляемым источником питания. Самый простой вариант - усилитель класса G. В нем используется сдвоенный выходной каскад в режиме AB или B и два источника питания разного напряжения. При малой мощности (до 25-30% максимальной) работает только малосигнальная половина выходного каскада с низким напряжением питания, на пиках сигнала она передает свои функции оставшейся половине с повышенным напряжением питания. Экономичность каскада выше, чем в режиме В, искажения несколько меньше.       Дальнейшим развитием этой схемы стал каскад с динамическим линейным возбуждением (DLD, Dynamic Linear Drive). Принцип его работы практически такой же, но для снижения переходных искажений мощный высоковольтный каскад вступает в работу до того, как исчерпает свои возможности маломощный. Для реализации этого режима используется специальная схема управления. Применялись также усилители с управляемым источником питания, напряжение которого зависело от уровня сигнала.

     Сущность режима G в том, что два каскада работают при разных напряжениях питания. Пока амплитуда входного сигнала не превышает напряжение питания малосигнального каскада T1T1', в работе участвует только он. Диоды D1D1' защищают от пробоя обратным напряжением переход база-эмиттер транзисторов T2T2'. При дальнейшем росте входного напряжения они отпираются. При этом диоды D3D3' защищают источник низковольтного питания от броска тока. Диоды D2D2' запрещают транзисторам T1T1' перейти в состояние насыщения раньше, чем откроются транзисторы T2T2', что снижает возникающие при этом процессе переходные искажения. В этой схеме они возникают на фоне достаточно больших полезных сигналов, что позволяет эффективно бороться с ними при помощи отрицательной обратной связи.       Как уже стало понятно, все эти ухищрения достаточно сложны конструктивно и поэтому даже в пору расцвета встречались в домашних аудиосистемах редко. В автомобильных усилителях эти решения как-то не прижились - тогда было еще рано, а теперь уже поздно. Теперь особые надежды возлагаются на импульсные ("цифровые") усилители, о которых пойдет речь далее.       Но есть один класс усилителей, рожденный специально для автомобилей. Это класс H. Толчком для разработки этих усилителей послужило то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы лежит обычный усилитель класса AB, включенный по мостовой схеме. Изюминка - применение специальной схемы удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения - накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно подзаряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления последовательно с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя на доли секунды удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала.       К сожалению, радоваться рано. Производители аппаратуры сообщают только эти цифры, умалчивая о главном. Максимальная мощность усилителей класса H зависит от емкости накопительных конденсаторов и частоты сигнала. Чем меньше емкость конденсаторов, тем меньше запас мощности на низких частотах, то есть как раз там, где она особенно нужна. Совершенно очевидно, что упрятать батарею конденсаторов внушительной емкости внутрь стандартного корпуса DIN практически невозможно, поэтому заявленная производителями мощность обеспечивается лишь на средних и высших частотах.       В качестве итога - сравнительные характеристики усилителей различных типов: