О выходном сопротивлении усилителей мощности
Сергей Сакевич, Вс, 19/07/2009 - 17:20
Традиционно считается, что усилитель должен иметь максимально высокий фактор демпфирования (определяется отношением сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя), и, соответственно, минимальное выходное сопротивление усилителя. Это облегчает работу разработчиков как усилителей, так и АС, т. к. первые не задаются лишними вопросами и просто делают выходное сопротивление максимально низким, а вторые, в случае многополосных АС, рассчитывают разделительные фильтры, исходя из нулевого выходного сопротивления источника, и проблем стыковки усилителей с АС как бы не возникает. Но…
Автором в начале 90-х были спроектированы усилители мощности с мощностью 1…1,2кВт/кан. Они нормально работали, но выход из строя относительно мощных динамиков, даже при небольшой средней мощности, далёкой от пика, заставил провести анализ этого. Оказалось,(в основном анализировались динамики диаметром диффузора 15» и 18», диаметром подвижной катушки 100 и 112 мм. и мощностью 250–500 Вт.), что на первый взгляд очевидная причина — высокая выходная мощность, не совсем верна. Как правило, не было термических разрушений подвижной катушки, динамик выходил из строя от механических повреждений — отрыв катушки, центрирующей шайбы, обрыв тоководов и т. п. Это навело на мысль увеличить выходное сопротивление усилителя, т. к. динамик в простейшем приближении представляет собой линейный двигатель, а т. к. музыкальный сигнал имеет достаточно выраженный импульсный характер, то резкий разгон и торможение подвижной системы при больших мощностях сопровождается значительными механическими перегрузками, и повышение выходного сопротивления смогло бы снизить ток разгона и торможения, возникающий вследствие действия противо-ЭДС подвижной системы динамика, и соответственно снизить динамические нагрузки на подвижную систему динамика при тех же мощностях. Как известно, активные потери в динамической головке R=(Rm+B2L2)/(Rу+Rг)Sд2 , где Rm — потери в механической системе головки; B2L2 — коэффициент преобразования электрических сопротивлений в аналогичные акустические сопротивления; B — плотность магнитного потока в магнитном зазоре, L — длина провода звуковой катушки; Sд — площадь диффузора; Rу — выходное сопротивление усилителя; Rг — активное сопротивление звуковой катушки. Как видно из формулы, повышение выходного сопротивления усилителя понижает величину активных потерь головки и позволяет более полно использовать потенциал динамика. При испытаниях на прочность динамиков при работе с усилителем мощностью 1,2 кВт/кан., имеющим выходное сопротивление порядка 10 Ом и при работе на больших мощностях, результаты превзошли ожидания. Кроме резкого снижения процента «вылетов» динамиков, заметно улучшилось качество звучания (вопреки ожиданиям), расширился частотный диапазон динамиков, (что естественно, т. к. динамик представляет собой комплексную нагрузку, в первом приближении похожую на LR-фильтр первого порядка, и повышение выходного сопротивления усилителя, суммируясь с активным сопротивлением динамика, ведёт к повышению частоты среза этого фильтра). Повышение же качества связано со следующим: как известно, смещение подвижной системы громкоговорителя пропорционально току в звуковой катушке (а не напряжению, и также величине магнитной индукции в зазоре и длине провода). При близком к нулевому выходному сопротивлению усилителя ток в катушке зависит от её сопротивления. Однако сопротивление катушки при её работе имеет непостоянное значение — например, при частичном выходе катушки из магнитного зазора её индуктивность, и следовательно мгновенное сопротивление понижается. Также имеет место термическое изменение величины сопротивления катушки в течение периода её колебания. Все это приводит к изменению величины сопротивления катушки в течение периода звукового сигнала, которое может достигать в некоторых случаях 10–15%, что приводит к соответствующему изменению тока в катушке громкоговорителя, приводящему к соответствующему росту коэффициента индермодуляционных и нелинейных искажений (естественно эта величина у каждого громкоговорителя своя, но в принципе не существует АС, которым бы не были присущи эти проблемы, просто у АС высокого качества они менее заметны). Решение этой проблемы — перевод усилителя в режим генератора тока (высокого выходного сопротивления, где выходной ток является функцией входного напряжения, а не выходное напряжение). Причины возникновения этих искажений и способы их уменьшения также очень хорошо описаны в статье С. Агеева "Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?".
Для иллюстрации эффекта снижения искажений ниже приводятся спектрограммы измерений интермодуляционных искажений НЧ-динамиков диаметром 12, 15 и 18 дюймов, мощностью 300 Вт. Магнитные системы у всех динамиков были одинаковы, как и диаметры звуковых катушек — 100 мм. При измерениях применялся конденсаторный микрофон УМ53У11 с головкой 8А3У11, усилитель SK1500 с переключаемым выходным сопротивлением 0 и 20 Ом, программа TrueRTA. Надо заметить, что для измерения ИМД низкочастотных динамиков стандартный набор частот 60 и 7000 гц не подойдет, ввиду их неспособности воспроизвести 7кГц, и было выбрано 190 и 2000 гц.
Ниже измерения динамика 12 дюймов, при нулевом и высоком (20 ом) выходном сопротивлении.
Нулевое выходное сопротивление
Высокое выходное сопротивление
Динамики 15 дюймов:
Нулевое выходное сопротивление
Высокое выходное сопротивление
Динамики 18 дюймов:
Нулевое выходное сопротивление
Высокое выходное сопротивление.
Как видно, кроме снижения искажений, имеет место небольшое повышение отдачи (КПД динамика), примерно на 1…2 дБ, в соответствии с вышеприведенной формулой потерь в динамических головках.
Но на практике недостаточно просто сделать выходное сопротивление усилителя какой-то положительной величины во всей полосе, реально оптимальным является промежуточный режим, когда выходное сопротивление не бесконечно, а имеет какую-то определённую величину, оптимальную для данного громкоговорителя. Каждый НЧ-СЧ динамик 12, 15 или НЧ 18» требует своего, оптимального для него выходного сопротивления, ниже которого растут нелинейные и интермодуляционные искажения, а выше — механические, связанные с недостаточностью электрического демпфирования подвижной системы. Это объясняется тем, что динамическая головка должна демпфироваться не только акустически, но и частично — электрически, путём торможения её магнитным полем, для устранения механических резонансов и призвуков, присущих любой подвижной системе. Выход — регулируемый выходной импеданс усилителя, или фиксированный для определённого типа динамиков (что иногда применяется в схемах многополосных усилителей активных мониторов, где каждый усилитель работает на свою головку).
Это справедливо для области средне-низких, средних и высоких частот. Теоретически это конечно справедливо и для НЧ-диапазона, но там существуют и другие проблемы. Для того чтобы диффузор НЧ-динамика в низкочастотном диапазоне следовал более-менее точно электрическому сигналу, без возникновения паразитных колебаний (призвуков) на частоте основного и других резонансов, он должен быть достаточно задемпфирован акустически. Но, как правило, акустического демпфирования недостаточно, особенно для динамиков компрессионного типа с тяжелыми подвижными системами, применяемых в большинстве бытовых и многих студийных АС, и динамики дополнительно демпфируются низким выходным сопротивлением усилителя, устраняя таким образом проблему резонансов и других призвуков, приводящих к ухудшению разборчивости НЧ-сигналов. (Это кстати и привело к возникновению понятия «фактор демпфирования» в свое время. «Фактор демпфирования» — это величина, численно равная делению величины сопротивления нагрузки на величину выходного сопротивления усилителя). Но данное обстоятельство необходимости демпфирования на НЧ низким выходным сопротивлением входит в противоречие с вышесказанным. Один из выходов — применение усилителей, способных обеспечить нулевое (или даже отрицательное) выходное сопротивление усилителя на низких частотах (частоте основного резонанса НЧ-динамика), и регулируемое положительное выходное на более высоких частотах, обеспечивающие при этом линейность АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) на линейную нагрузку, что сведёт к минимуму частотный дисбаланс. Таких усилителей пока очень мало, но, возможно, в будущем ситуация изменится… Один из них — SK1200. Дополнительную информацию о возможностях этого усилителя можно прочесть в статье Вадима Володина «Усилитель SK1200 и его тайные возможности»
