Лаборатория электроники Nova_PA: Про мощность усилителей

В этой статье я хотел бы поднять ещё одну важную, фундаментальную тему, которая, вдобавок, для многих является ещё и «больной». Это – тема мощности усилителя. Я собираюсь рассказать, как эта, казалось бы, простая и очевидная величина может быть очень неоднозначной, и на что стоит обращать внимание при выборе и эксплуатации усилителя. Так же вы узнаете, что такое выходное сопротивление и коэффициент демпфирования, а так же взаимосвязь между потребляемой и выходной мощностью.

Что же такое мощность, в частности электрическая? Справочники по физике называют мощность величиной, характеризующей скорость преобразования энергии, в частности - электрической. Пытаясь получить более точное определение, попадаем словесную формулировку формулы мгновенной мощности, которая есть произведение мгновенного значения силы тока на мгновенное значение напряжения. Для технического специалиста здесь, кажется, нет ничего непонятного. Но как всё же более доступно объяснить смысл этой величины для людей, далёких от физики и электроники? Лично я для этого воспользовался бы двумя другими формулами:

, и опираясь на них уже определил бы мощность как величину, характеризующую работу, которую совершает источник напряжением U в нагрузке с сопротивлением R в заданный период времени.

Пусть это определение и отличается от тех, которые предлагают нам авторитетные источники, но, на мой взгляд, оно более уместно при рассмотрении вопроса мощности усилителя, поскольку чётко иллюстрирует взаимодействие усилителя (который выступает в роли источника напряжения U) и динамика (который выступает в качестве нагрузки сопротивлением R).

Теперь вспомним про ещё один факт: сопротивления динамиков и акустических систем , используемых в профессиональной технике, строго стандартизованы. Чаще всего – 8 или 4 Ома. А значит, рассуждая о мощности усилителя, сопротивление нагрузки можно принять за величину постоянную. Тогда она должна определяться максимальной амплитудой напряжения, которая способна развиться на его выходе. Иными словами, чем больше амплитуда напряжения на выходе при стандартном сопротивлении нагрузки, тем мощнее должен считаться усилитель. Действительно, в радиотехнических расчётах действующая мощность усилителя определяется как , где Uамп – размах напряжения на выходе, Rнагр – сопротивление нагрузки (динамика или акустической системы). Это – начальный теоретический минимум, который известен многим, но полностью не объясняет принцип вычисления мощности и не показывает множества очень важных аспектов, являющихся показателями ещё и качества усилителя. И, прежде чем рассказать о них, обратимся к практике.

На современном рынке профессиональной звуковой аппаратуры мы можем наблюдать огромное количество самых разнообразных моделей усилителей, что обусловлено как большим количеством производителей, так и разнообразием линеек продукции у каждого из них. При этом, в большинстве своём характеристики их, в том числе мощности, очень близки. Однако большинство читателей подтвердит личным опытом: усилители разных производителей и серий, при одинаковой или близкой заявленной мощности «звучат» по-разному – как по громкости, так и по определённым аспектам качества.

Прежде, чем вдаваться в эту проблему, хочу сразу отметить, что я не буду рассматривать случаев с «китайскими ваттами» и некачественными подделками, где всё, вроде бы, понятно. А поговорим о «солидных» производителях, проходящих сертификацию и, в общем, зарекомендовавших свою продукцию как качественную. В чём же дело? Неужели они обманывают, когда пишут мощность?

И да, и нет. Как же так? Дело в том, что на самом деле у усилителя много мощностей. Прекрасно представляю, какое недоумение у читателя вызывает это заявление, поэтому по порядку расскажу обо всех, и поясню, для чего это было нужно, ведь есть стандарт, которые рекомендует указывать в характеристиках лишь одну определённую.

Расчётная мощность – та, которая требуется от разрабатываемого усилителя. Определяется на стадии проектирования
Реальная мощность – измеренная в условиях, близких к условиям реальной работы усилителя. По ряду объективных причин всегда отличается от расчётной и никогда не фигурирует в документации (можете ли представить себе усилитель с надписью, например, 926W или 1152W?)
Мощность выходного каскада усилителя, или, точнее, максимальная мощность, которую может выдержать без пробоя выходной каскад усилителя при имеющемся напряжении питания и системе охлаждения
Мощность, развиваемая при определённом коэффициенте искажений. Как известно, до определённого порога КНИ транзисторного усилителя остаётся сравнительно небольшим – десятые и сотые доли процента, а после этого порога стремительно растёт. Это очень важный аспект, поскольку при увеличении уровня сигнала, начиная с этого самого порога мощность усилителя ещё может расти (правда, тоже – до определённого придела), но качество звука после его достижения станет неприемлемым.
Мощность блока питания. На самом деле именно блок питания является последней инстанцией в определении мощности всего усилителя – его мощность и конструкция определяют эффективность конструкции. Но об этом – позже.

Итак, что из вышеперечисленного можно считать настоящей мощностью усилителя? По чисто инженерным принципам это должна быть измеренная мощность на реальном продолжительном сигнале (2) при допустимом уровне нелинейных искажений (4) и при обязательном условии, что блок питания усилителя способен обеспечить такую мощность (5) в течение продолжительного периода времени с учётом всех потерь (1*). Однако это - идеализированные условия, который выполняются у очень редких производителей, и то - эта практика уходит в небытие. Дело в том, что принцип использование усилителя низкой частоты для воспроизведения музыкального сигнала даёт производителям возможность на некоторые послабления. И, чтобы обосновать их, рассмотрим, чем на самом деле является музыкальный сигнал.

По-сути вся музыка представляет собой колебания не одного постоянного уровня, который можно установить максимальным, а сигнал сравнительно невысокой амплитуды с периодическими или непериодическими “всплесками”. При чём выражено это как в классической, например, музыке - резкими фортиссимо, оркестровыми акцентами, так и в современной - ритм-секцией, в частности, ударами бас-бочки. Кто-то из вас сейчас резонно напомнит про “мастерингованную”, подготовленную для эфира фонограмму с глубокой компрессией, но о ей в дальнейшем мы вспомним отдельно.

По мере увеличения требований потребителя к соотношению эффективность/компактность разработчики пришли к выводу, что эксплуатировать усилитель в режиме, когда реальный, “честный” максимум (1*) приходится на короткие “пики” - т.е. со скважностью гораздо большей, чем длительность, неэффективно. Получается, что за время прохождения через него полезного сигнала большую часть времени он почти что “простаивает” - мощность, достаточная для вопроизведение “основного” - “тихого” сигнала в разы меньше, чем мощность, выдаваемая на пиках.

Давайте теперь посмотрим, в каком режиме ещё может работать усилитель, и может ли он выдать мощность выше, чем максимальная “идеализированная”, обозначенная в (1*). Как решается задача наращивания мощности? Начнём с выходного каскада усилителя. Увеличить его мощность на современной элементной базе проще всего и дешевле всего, относительно других элементов конструкции усилителя. Изменения в схемотехнике можно и вовсе считать “символическими”, если мы, конечно, не говорим о переходе усилителя в другие классы. Сложнее всего обстоит дело с блоком питания: для того, чтобы усилитель мог сколь угодно долго выдавать максимальную мощность, его блок питания должен иметь восьмикратный (!) запас мощности (определяется несложной формулой). Вот здесь и можно упростить конструкцию, учитывая поправку на представление о музыкальном сигнале. Тогда блок питания проектируется так, что может выдавать максимальную мощность в течение лишь короткого промежутка времени (соизмеримого, например, с длительностью удара бас-бочки). Так же, нередко на “пиках” КНИ усилителя выходит за пределы нормы, что уже считается тоже приемлемым: всё равно звуке с короткой длительностью услышать неглубокие искажения - почти невозможно. Максимальная же длительная мощность блока питания, а следовательно и всего усилителя соответствует “тихому” сигналу. К слову, разница между “тихим”, а точнее средним за длительные промежуток времени уровнем сигнала и максимальным - “пиковым” называется пик-фактором и имеет некоторое среднее значение, которое должно учитываться при разработке, но, при этом, всегда разное для каждого источника сигнала.

Именно мощность, развиваемую усилителем на коротком импульсе, как правило, указывают на современных усилителях. Более того, такой способ измерения уже есть в стандартах, признанных и принятых многими “авторитетными” производителями. Конечно, такой способ исчисления мощности таит множество подводных камней и непонимание его сути может создать определённые трудности. Если вернуться к технической реализации “избыточной мощности” в усилителях, основывается она, как было уже сказано, на конструкции блока питания, способного, как правило, за счёт конденсаторов, какое-то время удерживать более высокий ток в нагрузке, чем его номинальный, после чего напряжение на его выходе падает - “просаживается”. Это, само собой, ведёт к снижению выходной мощности усилителя в момент “просадки”, и, одновременно, резкому скачку искажений. Чтобы этого не происходило, на входе усилителя ставится лимитер с определённым временем срабатывания, через который “успевают проскочить” атаки резких звуков большой амплитуды, после же срабатывания его сигнал мягко ограничивается.

Главный минус такого усилителя в том, что, если максимальную мощность, которую он может выдать в коротком импульсе мы знаем, то “нормальную”, которую он способен выдавать и рассеивать длительно, а так же насколько длинный всплеск (импульс) он может выдержать мы можем узнать только экспериментально. Да, существует рекомендуемое стандартом EIA соотношение кратковременной максимальной мощности к действующей, приблизительно равняющееся трём, но, всё равно, опираясь на неё мы не получим реального значения полезной мощности. Иными словами, такой усилитель способен “качнуть” систему на ударе барабана, с мощностью, предположим, 1 киловатт, но при этом остальной, нормализованный музыкальный сигнал будет выдаваться с мощностью 200-300Вт. Если же мы имеем дело с жёстко компрессированным сигналом, то его максимум не поднимется выше той же отметки. По субъективному мнению некоторых специалистов способность выдавать столь высокую мощность сколь угодно долго - излишне, т.к. это резко увеличит риск выхода из строя подключенных к такому усилителю АС от перегрева. Вместе с этим, однако, существует мнение, что пиковая мощность вообще не должна фигурировать, по крайней мере, на лицевых панелях приборов, а вместо неё должна быть указана только та, которую усилитель способен выдавать в течение длительного промежутка времени. Однако судить об этом в этой статье я, пожалуй, не буду.

К разговору о "реальных" мощностях. На к первой картинке - обычный современный усилитель, заявленная мощность - 350 ватт на канал при сопротивлении нагрузки 8 ом.

На второй картинке - старый польский усилитель Unitra времён СССР. Заявленная мощность при тех же 8 омах - всего лишь 150 ватт. "А чего он такой огромный?", - скажете вы. Не спешите строить предположения о том, что он старый и нетехнологичный. Мы сравнили оба усилителя на работу с одной и той же аккустической системой. Если первый едва справляется с ней - по-сути звука почти нет. Второй же "раскачивает" систему наура - мощный, плотный бас. Трёхсотваттные 18" НЧ динамики работают на полную при уровне на пудльте -4db. "Разгонять" на полную не рискнули, чтоб не лишиться динамиков.

Обратите так же внимание на потребляемую им мощность от сети. 600 Ватт! Вот на этом усилителе обозначена мощность, наиоблее близкая к его реальной "синусоидальной" , "долговременной" мощности. У современных усилителей, как правило, потребляемая мощность ниже заявленной выходной.

В дополнение к описанному выше считаю нужным упомянуть ещё одну характеристику усилителя, связанную с мощностью, но более влияющую на качество звучания. Характеристика эта называется выходное сопротивление. Для людей, далёких от электроники определение и смысл этой величины может казаться непонятным: если с сопротивлением, нагрузки всё понятно, то какое сопротивление и, главное, чему может оказывать устройство, которое само является источником напряжения? Как его измерить или определить? Явно не тестером, подключённым к выходу. В учебниках говорится, что выходное сопротивление усилителя определяется разностью напряжения на его выходе без нагрузки и напряжения на выходе с нагрузкой, делённое на ток, протекающий через нагрузку. Иными словами, внутреннее сопротивление показывает, насколько будет “проседать” выходное напряжение при увеличении тока в нагрузке. Особого смысла знать численного значения этой величины нет, однако важен её порядок: сотые и десятые доли ом - низкое выходное сопротивление, больше ома - высокое. Как же эта величина проявляется на практике?

То и дело от музыкантов приходится слышать отзывы о работе некоторых усилителей: звук “замыленый”, “вялый”, “не качает”. Именно этими эпитетами и описываются последствия высокого выходного сопротивления! Происходит это, как правило, в результате того, что при увеличении амплитуды выходного сигнала вместе с ней возрастает сила потребляемого нагрузкой тока. По ряду причин, которые мы рассмотрим ниже, при повышении тока в нагрузке нарастание выходного напряжения становится непропорциональным нарастанию входного. А это приводит к искажению сигналов с большой амплитудой, приводящему, например, к сглаживанию атак.

Самая распространённая причина такого эффекта - недостаточная мощность или особенность конструкции блока питания. Как было описано выше, на мощности блока питания часто экономят, при чём не только в пользу его стоимости, но и в пользу размера. Если в блоке питания применены фильтрующие конденсаторы достаточно большой суммарной ёмкости, то усилитель сможет выдавать свою максимальную мощность хотя бы на пиках, как это описано выше. Однако, если ёмкость конденсаторов недостаточна, напряжение питания будет падать уже при нагрузке, близкой к номинальной. При чём справедливо это как для линейных, так и для импульсных блоков питания. В последних есть ещё один распространённый конструктивный недостаток, приводящий к описанной проблеме: “медленная” обратная связь - ШИМ-контроллер не успевает среагировать на увеличение потребляемого тока.

Причиной высокого выходного сопротивления могут быть и схемотехнические особенности непосредственно усилителя мощности, но это - в редких случаях. С некоторой уверенностью можно сказать, что профессиональный усилитель высокой мощности должен обладать низким выходным сопротивлением. Однако, некоторые инженеры придерживаются строго противоположного мнения, и в их аргументах тоже есть смысл. Ранее даже велись разработки, в которых для обеспечения высокого выходного сопротивления вводилась отключаемая обратная связь по току. Так, пока единственный аргумент в пользу высокого выходного сопротивления - электрическое демпфирование, которое в теории позволяет снизить призвуки и резонансы акустической системы, но применимость их на практике пока возможно только в бытовой и студийной аппаратуре и, в основном, в среднечастотном и высокочастотном звене.

Усилитель с линейным блоком питания.

Усилитель с импульсным блоком питания

На этом можно завершить рассмотрение проблемы мощности усилителей и, по традиции, необходимо подвести итоги и сделать вывода. Но в этом то и проблема. Единственный вывод, который напрашивается из описанного выше, весьма печален: сделать однозначно верное заключение о том, насколько громко и качественно будет играть ваша акустическая система с тем или иным усилителям, руководствуясь заявленной мощностью, почти невозможно. Не подумайте, что этим я хочу сказать, что все производители таким образом обманывают покупателей. Скорее это политика современного рынка, вынуждающая производителей профессиональной техники перенимать некоторые традиции у производителей бытовой. Так, что полагаться на одни цифры, ровно как и на бренд уже не стоит, и пора это осознать. Единственный совет, который я хотел бы дать потенциальным покупателям звукоусилительной техники, не совсем научный, но основан на практике. Обращайте внимание на потребляемую от сети мощность. Точной формулы, связывающей её с выходной для всех классов усилителей не существует, однако некоторые выводы сделать по ней можно. Если потребляемая от сети мощность значительно меньше заявленной выходной - значит, с большой вероятностью, вы столкнётесь с проблемой, которой посвящена статья. Это и очевидно: закон сохранения энергии никто не отменял, а избыточная мощность, отдаваемая за счёт заряда конденсаторов, всё равно сравнительно невелика. У качественных и мощных усилителей с линейным блоком питания, как правило, большой трансформатор, а значит усилитель будет увесист. Потребляемая мощность будет близка или даже больше выходной. Толстые провода, массивные радиаторы, n-ное количество конденсаторов ёмокстью в несколько тысяч микрофарад после выпрямителя - признак мощного усилителя, построенного по классической схеме. Если же мы имеем дело с современными усилителями с импульсными блоками питания, или же работающими в классе D, то массивность здесь, само собой, тут не показатель. Однако косвенным признаком качества такого устройства будет сложная схема со множеством активных и пассивных элементов, чаще всего с несколькими трансформаторами, где используется многоступенчатое преобразование, индуктивные фильтры помех, экранирование, опять же - достаточной ёмкости конденсаторы, как правило, включённые по несколько штук в параллель. Такие конструкции имеют высокую плотность монтажа и занимают практически весь корпус. Но окончательно оценить качество усилителя, как и любого изделия, можно только в работе, и, конечно же, при наличии собственного опыта и достаточной квалификации. А поэтому хотелось бы посоветовать не гоняться за высокими количественными показателями. Усилители, способные выдавать длительную мощность в несколько киловатт использовать для воспроизведения звука нецелесообразно.

Панов В.Г.

Про мощность усилителей

1 комментарий: