Марков Николай
1 ранг
- Регистрация
- 23 Июл 2019
- Сообщения
- 5,785
- Реакции
- 4,283
- Репутация
- 171
- Возраст
- 50
- Страна
- Украина
- Имя
- Николай
К Вашему вниманию заново написанная статья по реактивности АС и её влиянию на жизнь.
Копия будет в клубе. (Старая статья на эту же тему в клубе содержит ошибку в суммировании полос.)
Реактивное сопротивление АС: причины и следствия
О том, что надпись «4 Ома» на шильдике акустической системы (АС) вовсе не означает, что так оно и есть, слышали все.
Входное сопротивление отдельно взятого динамика в оформлениях ЗЯ и ОЯ имеет чисто активный характер всего на двух частотах: механического (основного, максимум импеданса) и электромеханического (минимум импеданса) резонансов. На всех остальных частотах полное сопротивление имеет реактивную составляющую, причём её значение вблизи основного резонанса и на верхней границе рабочего диапазона по модулю в разы превышает активное сопротивление, и пренебрегать реактивностью – бывает себе дороже. Например, так выглядит паспортная частотная характеристика (ЧХ) импеданса динамика Beyma 18G550 в щите. Разноцветная линия вверху даёт представление об участках частот с разным превалирующим характером комплексного сопротивления.
У многополосных АС, а также у оформлений ФИ и ПИ всё сложнее.
Существует ошибочное мнение, что индуктивность звуковой катушки – вещь реальная, проявляющая себя в полной мере, а реактивность вблизи частоты основного резонанса – виртуальная, не влияющая на подключённые устройства - фильтр или усилитель мощности (УМ). Для проверки я проводил эксперимент (Чалов Денис довёл))). В результате оказалось, что реактивное (конкретно – ёмкостное) сопротивление динамика 75 ГДН-1 является основной причиной горба АЧХ в районе 80 Гц, взаимодействуя с деталями ФНЧ АС S-90. Горб АЧХ (т. н. «эффект накачки» https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=41495 ) тем больше, чем больше индуктивность катушки ФНЧ (в первую очередь) и чем больше конденсатор на землю после неё (влияние меньше). Но давайте послушаем умных людей.
Шкритек (см. литературу) приводит стандартный эквивалент нагрузки для проверки УМ:
Это эквивалент НЧ динамика в ЗАС с резонансной частотой 50 Гц, индуктивность звуковой катушки опущена, для подстраховки активное сопротивление всего 5,4 Ома, поскольку иногда в 8-омные АС по факту ставят 6-омные НЧ динамики. Эту схему ничтоже сумняшеся прописали и в ГОСТе. Вариант схемы эквивалента 8-омного НЧ динамика от Сэлфа:
Отсюда важный вывод: УМ работает вовсе не на резистор, и все R в формулах для его расчета надо менять на Z, комплексное сопротивление. Шкритек это давно сделал, я лишь приведу полученные им основные результаты.
Увеличение пикового значения тока выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку – предельно в 5,6 раза:
Отала оценивает запас по пиковому значению в 6,6 раза «для наихудшего случая», а сам Сэлф рекомендует для дома как минимум двойной запас (2…3 раза). Итак, комплексное сопротивление АС активно взаимодействует с подключенными устройствами и негативно влияет на характеристики системы в целом.
При аварийных режимах типа щелчков коммутации в случае чрезмерно широкой полосы пропускания на ВЧ по входу УМ, искрения или обрыва контактов АС запасённая в индуктивностях АС энергия может вызвать на выходных клеммах УМ всплеск напряжения, превышающий допустимое для выходных транзисторов. В усилителях для озвучивания часто включают два диода с шины выхода (после выходного развязывающего дросселя) на шины питания, которые в нормальном режиме под обратным напряжением и на работу не влияют. Не помешают они и домашнему УМ.
Рассмотрим ЧХ импеданса некоторых советских АС. S-30 (из Интернета) имеет 4 зоны риска (показаны красными отрезками):
Рассчитанная весёлая ЧХ импеданса 15 АС-214 (доверительный интервал выше 200 Гц):
Рассчитанная ЧХ S-50B (доверительный интервал выше 100 Гц):
Модуль импеданса не просаживается ниже паспортного значения 4 или 8 Ом, в то время как реактивная составляющая весьма значительна. К сожалению, реактивность АС не регламентировалась ни ГОСТ, ни западными стандартами.
Возьмём классическую S-90 и попробуем сделать из неё резистор 4 Ома 😊. Для упрощения схемы замещения я «закрыл» ФИ и сделал её ЗЯ с резонансной частотой 45 Гц. В программу Мультисим подставлялись схемы замещения динамиков https://ldsound.club/index.php?threads/sxemy-zameschenija-dinamikov.475/, а также приблизительные активные сопротивления катушек и конденсаторов. Переключатели уровней находятся в положении «0». Рассчитаем входной импеданс и разложим его на составляющие:
Здесь |Z| – модуль комплексного значения импеданса; Re(Z) – его активная часть; Im(Z) – его реактивная часть; 4*XL/Ra – учетверённое (для удобного считывания) отношение реактивной составляющей к активной. Основная опасная зона с точки зрения влияния реактивности – 55…100 Гц, второстепенные зоны в порядке уменьшения вредности – 20…40 Гц, 7,5…9,5 кГц и 600…1800 Гц. Обратите внимание на провал 5 Ом на частоте 6,5 кГц, вызванный «удачным» фильтром ВЧ полосы. Это при активном сопротивлении СЧ динамика 7,5 Ома, а ВЧ - 15 Ом!
Совмещённые ЧХ импеданса, АЧХ полос фильтра по напряжению и приблизительная суммарная АЧХ по напряжению (почему приблизительная - смотрите https://ldsound.info/35as015-filter-analysis-using-multisim/):
Выше 100 Гц пики АЧХ фильтра коррелируют с провалами Z-метровой характеристики, что вполне логично. Возникает идея: пусть фильтр занимается корректным разделением полос при линейной суммарной ЧХ входного импеданса, а финальную коррекцию АЧХ проведём параметрическим эквалайзером, настроенным по усреднённым в каналах проблемам в зоне прослушивания. Синтезирую схему:
Её ЧХ сопротивления:
АЧХ фильтров:
Фаза импеданса имеет отклонение всего +/-13° во всём диапазоне:
Сейчас реактивность АС не влияет на импульсный ток/мощность. Минимальный входной импеданс равен 2,7 Ома (при заданном в симуляторе активном сопротивлении катушки ФНЧ, равном 0,4 Ома), он чисто активен, и пиковый ток УМ будет определяться именно ним. В некоторых S90 сопротивление катушки ФНЧ доходит до 1 Ом, провал будет меньше. Подобный подход – полное выравнивание импеданса при сопротивлениях СЧ и ВЧ динамиков, превышающих сопротивление НЧ динамика - имеет смысл разве что при применении УМ с высоким Rвых, обижающегося на прыжки импеданса нагрузки. Посему конкретизируем задачу.
Пусть имеется транзисторный УМ с достаточно низким Rвых. Оптимальным с точки зрения минимизации импульсного тока/мощности будет фильтр, имеющий максимальное значение модуля импеданса во всём диапазоне частот, при условии минимальной реактивности, не приводящей к превышению значений пикового тока/мощности, полученных на частоте минимума импеданса. По-другому, требуется максимальное значение активной составляющей импеданса во всём диапазоне. Дополнительный плюс такого подхода по сравнению с полным выравниванием импеданса – меньше нагрев элементов ФСЧ и ФВЧ. Для малого влияния реактивности АС на работу УМ интуитивно хочется соблюсти условие плавного изменения модуля импеданса. Проверяю на базе той же S90:
АЧХ полос и суммарная АЧХ по напряжению, близкая к варианту, почти не требующему эквализации АЧХ:
АЧХ импеданса:
ФЧХ импеданса:
Этот вариант требует проводить расчёт УМ на нагрузку 2,3 Ома (с запасом +15% на реактивность опасной зоны 150…250 Гц), однако он имеет явное преимущество перед предыдущим вариантом в полосе частот выше 300 Гц, поскольку грузит УМ по току значительно меньше. Не факт, что критерий плавности и/или монотонности графика импеданса – правильный, но результат неплохой. Напрягает исключительно зона 150…250 Гц.
А что получится, если НЕ вмешиваться в исходную (пусть явно не оптимальную) схему фильтров и попробовать успокоить её импеданс внешними деталями?
Расчёт УМ на нагрузку 3*0,85=2,6 Ома, с запасом +15% на реактивность опасной зоны 150…200 Гц. Не считая провала на частоте 6,5 кГц, очень неплохо.
Работа с двухполосной АС, имеющей приличную реактивность, приведена в #17 и в нескольких постах ниже. Реактивность в области механического резонанса НЧ динамика там не скомпенсирована.
Итак, если Вы минимизировали XL/RL, то пора получать бонусы:
1. Расчёт УМ на известную активную нагрузку.
2. Меньше требования к толщине соединительных проводов внутри УМ.
3. Меньше требования к запасу по перегрузке блока питания.
4. В случае применения датчика тока в цепи АС (для цепи ЭМОС, ПОСТ для создания отрицательного выходного сопротивления УМ или создания в УМ режима источника тока) выходное напряжение датчика гораздо меньше зависит от частоты.
5. При работе от УМ с высоким Rвых – плавнее изменения АЧХ.
6. Стабильный коэффициент демпфирования до максимальной мощности.
7. Убирается «эффект накачки» в НЧ звене.
8. АС хорошо работает с любым усилителем 😊 Предполагаю, что одной из причин того, что «этот УМ с этой АС играет хорошо, а вот с той – плохо», являются разные импедансы АС при отсутствии запаса по мгновенному значению тока у «этого УМ». А.Сырицо в статье «Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку» выражает сходные мысли и приводит интереснейшую статистику по комплексному сопротивлению АС (посмотрите, не поленитесь). Полезно сравнить нелинейные искажения готового усилителя при работе на активную нагрузку и на эквивалент громкоговорителя или живую АС, на разных частотах. Ведь все те 0,00…% измеряются НА РЕЗИСТОРАХ.
При подаче непериодического прямоугольного сигнала с временем нарастания фронта 100 мкс на цепь 6,8 Ом + 0,29 мГн последовательно (XL/RL=2,68 на частоте 10 кГц, соответствует 8-омной ШП головке мощностью порядка 20 Вт, без учёта вклада основного резонанса) – 2,4 раза по току (Сэлф). При длительности фронта 500 мкс (сигнал без ВЧ составляющих, СЧ полоса) – 2,1 раза по току. Правда, Сэлф замечает, что вертикальные перепады уровня в музыке (он наблюдал рок) очень редки.
В статье А.Сырицо при сдвиге фаз 60° увеличение пиковой мощности рассеяния транзисторов выходного каскада при синусоидальной форме сигнала составляет 3,1 раза, без увеличения пикового значения тока. Правда, он разрешает не увеличивать площадь теплоотводов, так как «одновременное уменьшение модуля сопротивления нагрузки и значительное изменение его фазы от частоты обычно наблюдается в достаточно узких диапазонах частот. Поэтому влиянием реактивности нагрузки при расчете тепловых режимов (выделено мной) выходного каскада УМЗЧ можно пренебречь при работе с реальными источниками звуковых программ.» Но музыка – не совсем синусоида… Согласно статистике по зарубежным АС из его статьи, запас 2 раза по пиковому току и 3 раза по пиковой мощности для большинства АС западного производства того периода достаточен.
Максимальное значение XL/RL для схемы эквивалента нагрузки с параметрами: активное сопротивление катушки 3 Ом, конденсатор 1000 мкФ, индуктивность 20 мГн (частота резонанса 35 Гц), сопротивление параллельно контуру 25 Ом, рассчитанное коллегой в Маткаде, равно 1,48; сдвиг фазы импеданса 56°. При сопротивлении параллельно контуру 100 Ом – соответственно 2,9 и 71°. Рост пиковых значений тока и мощности на реальном сигнале предсказать не берусь, но во втором случае он явно больше. Чем больше механическая добротность НЧ динамика, тем больший запас мгновенной мощности УМ требуется. Таким образом, заполнение внутреннего объёма АС звукопоглотителем, снижающее механическую добротность системы, облегчает работу усилителя. Снижение механической добротности имеем и при использовании алюминиевого или медного каркаса ЗК: при гашении накопленной в системе энергии он греется вместе с усилителем. Но проводящий каркас ЗК греет УМ и при разгоне подвижной системы полезным сигналом… Лучше всего будет чувствовать себя УМ, нагруженный на АС с панелью акустического сопротивления (ПАС). Не совсем целесообразно бороться с реактивностью фильтров и одновременно игнорировать резонансный пик НЧ динамика, ведь именно он может стать причиной перегрева (превышения допустимой мгновенной мощности) УМ, не зря ведь стандартный эквивалент нагрузки имитирует импеданс НЧ динамика. Выравнивание и повышение импеданса на СЧ/ВЧ способно разгрузить УМ по импульсной мощности/току, но не снимает проблему полностью.
Ну хорошо, RC-цепь поставить или разработать фильтры с приятной ЧХ импеданса на СЧ и ВЧ не очень сложно. Но последовательный контур на НЧ… Да, в небольшой корпус засунуть батарею 400 мкФ и дроссель конского номинала – это квест. Но если литров хватает (или есть электролитические конденсаторы и трансформаторное железо))) + умеете снимать ЧХ сопротивления, то стОит попробовать. Алгоритм следующий:
Измеряем ЧХ сопротивления АС на НЧ, находим резонансную частоту, оцениваем крутизну скатов и высоту пика. Для ФИ и ПИ берём более высокий по частоте пик. Если ЧХ плавная или пик невысокий (для хорошего низа это может быть плохое предвестие, кроме оформления с ПАС), то и выравнивать особо нечего.
Если есть симулятор (или знакомый-симулянт)), подбираем параметры эквивалента НЧ головки до достаточного совпадения ЧХ импеданса схемы замещения с его измеренной ЧХ в области резонанса. Или используем номиналы, полученные в умных программах. После чего подключаем в симуляторе последовательный контур и подбираем R, L и С. Практически линейная ЧХ не нужна; достаточно, чтобы она шла плавно. Резистор при этом будет около 1,5*Rа катушки НЧ динамика, что облегчает задачу по созданию дросселя. На этом этапе стоит ещё раз подумать, надо ли оно Вам…
Дроссель желателен с плавной регулировкой индуктивности. Номинал большой, но спасает значительное допустимое сопротивление. Есть три варианта: на железе с переменным зазором; катушка с отводами и две катушки, приближающиеся торцами, включенные согласованно. Первый предпочтительнее, так как можно мотать меньше витков более тонким проводом.
Конденсаторы можно брать электролитические неполярные или полярные встречно включенные (потренировав их пару дней при номинальном напряжении для гарантии наличия диэлектрического слоя), их потери учтутся при настройке. Реактивная мощность важна, ток через них будет приличный, следовательно, их габариты не должны быть мизерными. Помним, что номиналы электролитических конденсаторов плывут со временем и при нагреве. Полярные придётся периодически тренировать ((
Подключаем батарею конденсаторов, резистор, догоняющий активное сопротивление дросселя до расчётного, и настройкой дросселя/подбором конденсаторов выходим на желаемую ЧХ импеданса. Заканчиваем подгонкой номинала добавочного резистора.
Копия будет в клубе. (Старая статья на эту же тему в клубе содержит ошибку в суммировании полос.)
Реактивное сопротивление АС: причины и следствия
О том, что надпись «4 Ома» на шильдике акустической системы (АС) вовсе не означает, что так оно и есть, слышали все.
Входное сопротивление отдельно взятого динамика в оформлениях ЗЯ и ОЯ имеет чисто активный характер всего на двух частотах: механического (основного, максимум импеданса) и электромеханического (минимум импеданса) резонансов. На всех остальных частотах полное сопротивление имеет реактивную составляющую, причём её значение вблизи основного резонанса и на верхней границе рабочего диапазона по модулю в разы превышает активное сопротивление, и пренебрегать реактивностью – бывает себе дороже. Например, так выглядит паспортная частотная характеристика (ЧХ) импеданса динамика Beyma 18G550 в щите. Разноцветная линия вверху даёт представление об участках частот с разным превалирующим характером комплексного сопротивления.
У многополосных АС, а также у оформлений ФИ и ПИ всё сложнее.
Существует ошибочное мнение, что индуктивность звуковой катушки – вещь реальная, проявляющая себя в полной мере, а реактивность вблизи частоты основного резонанса – виртуальная, не влияющая на подключённые устройства - фильтр или усилитель мощности (УМ). Для проверки я проводил эксперимент (Чалов Денис довёл))). В результате оказалось, что реактивное (конкретно – ёмкостное) сопротивление динамика 75 ГДН-1 является основной причиной горба АЧХ в районе 80 Гц, взаимодействуя с деталями ФНЧ АС S-90. Горб АЧХ (т. н. «эффект накачки» https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=41495 ) тем больше, чем больше индуктивность катушки ФНЧ (в первую очередь) и чем больше конденсатор на землю после неё (влияние меньше). Но давайте послушаем умных людей.
Шкритек (см. литературу) приводит стандартный эквивалент нагрузки для проверки УМ:
Это эквивалент НЧ динамика в ЗАС с резонансной частотой 50 Гц, индуктивность звуковой катушки опущена, для подстраховки активное сопротивление всего 5,4 Ома, поскольку иногда в 8-омные АС по факту ставят 6-омные НЧ динамики. Эту схему ничтоже сумняшеся прописали и в ГОСТе. Вариант схемы эквивалента 8-омного НЧ динамика от Сэлфа:
Отсюда важный вывод: УМ работает вовсе не на резистор, и все R в формулах для его расчета надо менять на Z, комплексное сопротивление. Шкритек это давно сделал, я лишь приведу полученные им основные результаты.
Увеличение пикового значения тока выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку – предельно в 5,6 раза:
Отала оценивает запас по пиковому значению в 6,6 раза «для наихудшего случая», а сам Сэлф рекомендует для дома как минимум двойной запас (2…3 раза). Итак, комплексное сопротивление АС активно взаимодействует с подключенными устройствами и негативно влияет на характеристики системы в целом.
При аварийных режимах типа щелчков коммутации в случае чрезмерно широкой полосы пропускания на ВЧ по входу УМ, искрения или обрыва контактов АС запасённая в индуктивностях АС энергия может вызвать на выходных клеммах УМ всплеск напряжения, превышающий допустимое для выходных транзисторов. В усилителях для озвучивания часто включают два диода с шины выхода (после выходного развязывающего дросселя) на шины питания, которые в нормальном режиме под обратным напряжением и на работу не влияют. Не помешают они и домашнему УМ.
Рассмотрим ЧХ импеданса некоторых советских АС. S-30 (из Интернета) имеет 4 зоны риска (показаны красными отрезками):
Рассчитанная весёлая ЧХ импеданса 15 АС-214 (доверительный интервал выше 200 Гц):
Рассчитанная ЧХ S-50B (доверительный интервал выше 100 Гц):
Модуль импеданса не просаживается ниже паспортного значения 4 или 8 Ом, в то время как реактивная составляющая весьма значительна. К сожалению, реактивность АС не регламентировалась ни ГОСТ, ни западными стандартами.
Возьмём классическую S-90 и попробуем сделать из неё резистор 4 Ома 😊. Для упрощения схемы замещения я «закрыл» ФИ и сделал её ЗЯ с резонансной частотой 45 Гц. В программу Мультисим подставлялись схемы замещения динамиков https://ldsound.club/index.php?threads/sxemy-zameschenija-dinamikov.475/, а также приблизительные активные сопротивления катушек и конденсаторов. Переключатели уровней находятся в положении «0». Рассчитаем входной импеданс и разложим его на составляющие:
Здесь |Z| – модуль комплексного значения импеданса; Re(Z) – его активная часть; Im(Z) – его реактивная часть; 4*XL/Ra – учетверённое (для удобного считывания) отношение реактивной составляющей к активной. Основная опасная зона с точки зрения влияния реактивности – 55…100 Гц, второстепенные зоны в порядке уменьшения вредности – 20…40 Гц, 7,5…9,5 кГц и 600…1800 Гц. Обратите внимание на провал 5 Ом на частоте 6,5 кГц, вызванный «удачным» фильтром ВЧ полосы. Это при активном сопротивлении СЧ динамика 7,5 Ома, а ВЧ - 15 Ом!
Совмещённые ЧХ импеданса, АЧХ полос фильтра по напряжению и приблизительная суммарная АЧХ по напряжению (почему приблизительная - смотрите https://ldsound.info/35as015-filter-analysis-using-multisim/):
Выше 100 Гц пики АЧХ фильтра коррелируют с провалами Z-метровой характеристики, что вполне логично. Возникает идея: пусть фильтр занимается корректным разделением полос при линейной суммарной ЧХ входного импеданса, а финальную коррекцию АЧХ проведём параметрическим эквалайзером, настроенным по усреднённым в каналах проблемам в зоне прослушивания. Синтезирую схему:
Её ЧХ сопротивления:
АЧХ фильтров:
Фаза импеданса имеет отклонение всего +/-13° во всём диапазоне:
Сейчас реактивность АС не влияет на импульсный ток/мощность. Минимальный входной импеданс равен 2,7 Ома (при заданном в симуляторе активном сопротивлении катушки ФНЧ, равном 0,4 Ома), он чисто активен, и пиковый ток УМ будет определяться именно ним. В некоторых S90 сопротивление катушки ФНЧ доходит до 1 Ом, провал будет меньше. Подобный подход – полное выравнивание импеданса при сопротивлениях СЧ и ВЧ динамиков, превышающих сопротивление НЧ динамика - имеет смысл разве что при применении УМ с высоким Rвых, обижающегося на прыжки импеданса нагрузки. Посему конкретизируем задачу.
Пусть имеется транзисторный УМ с достаточно низким Rвых. Оптимальным с точки зрения минимизации импульсного тока/мощности будет фильтр, имеющий максимальное значение модуля импеданса во всём диапазоне частот, при условии минимальной реактивности, не приводящей к превышению значений пикового тока/мощности, полученных на частоте минимума импеданса. По-другому, требуется максимальное значение активной составляющей импеданса во всём диапазоне. Дополнительный плюс такого подхода по сравнению с полным выравниванием импеданса – меньше нагрев элементов ФСЧ и ФВЧ. Для малого влияния реактивности АС на работу УМ интуитивно хочется соблюсти условие плавного изменения модуля импеданса. Проверяю на базе той же S90:
АЧХ полос и суммарная АЧХ по напряжению, близкая к варианту, почти не требующему эквализации АЧХ:
АЧХ импеданса:
ФЧХ импеданса:
Этот вариант требует проводить расчёт УМ на нагрузку 2,3 Ома (с запасом +15% на реактивность опасной зоны 150…250 Гц), однако он имеет явное преимущество перед предыдущим вариантом в полосе частот выше 300 Гц, поскольку грузит УМ по току значительно меньше. Не факт, что критерий плавности и/или монотонности графика импеданса – правильный, но результат неплохой. Напрягает исключительно зона 150…250 Гц.
А что получится, если НЕ вмешиваться в исходную (пусть явно не оптимальную) схему фильтров и попробовать успокоить её импеданс внешними деталями?
Расчёт УМ на нагрузку 3*0,85=2,6 Ома, с запасом +15% на реактивность опасной зоны 150…200 Гц. Не считая провала на частоте 6,5 кГц, очень неплохо.
Работа с двухполосной АС, имеющей приличную реактивность, приведена в #17 и в нескольких постах ниже. Реактивность в области механического резонанса НЧ динамика там не скомпенсирована.
Итак, если Вы минимизировали XL/RL, то пора получать бонусы:
1. Расчёт УМ на известную активную нагрузку.
2. Меньше требования к толщине соединительных проводов внутри УМ.
3. Меньше требования к запасу по перегрузке блока питания.
4. В случае применения датчика тока в цепи АС (для цепи ЭМОС, ПОСТ для создания отрицательного выходного сопротивления УМ или создания в УМ режима источника тока) выходное напряжение датчика гораздо меньше зависит от частоты.
5. При работе от УМ с высоким Rвых – плавнее изменения АЧХ.
6. Стабильный коэффициент демпфирования до максимальной мощности.
7. Убирается «эффект накачки» в НЧ звене.
8. АС хорошо работает с любым усилителем 😊 Предполагаю, что одной из причин того, что «этот УМ с этой АС играет хорошо, а вот с той – плохо», являются разные импедансы АС при отсутствии запаса по мгновенному значению тока у «этого УМ». А.Сырицо в статье «Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку» выражает сходные мысли и приводит интереснейшую статистику по комплексному сопротивлению АС (посмотрите, не поленитесь). Полезно сравнить нелинейные искажения готового усилителя при работе на активную нагрузку и на эквивалент громкоговорителя или живую АС, на разных частотах. Ведь все те 0,00…% измеряются НА РЕЗИСТОРАХ.
Какие же значения перегрузок УМ по импульсному току и импульсной мощности для реальных схем АС?
При подаче непериодического прямоугольного сигнала с временем нарастания фронта 100 мкс на цепь 6,8 Ом + 0,29 мГн последовательно (XL/RL=2,68 на частоте 10 кГц, соответствует 8-омной ШП головке мощностью порядка 20 Вт, без учёта вклада основного резонанса) – 2,4 раза по току (Сэлф). При длительности фронта 500 мкс (сигнал без ВЧ составляющих, СЧ полоса) – 2,1 раза по току. Правда, Сэлф замечает, что вертикальные перепады уровня в музыке (он наблюдал рок) очень редки.
В статье А.Сырицо при сдвиге фаз 60° увеличение пиковой мощности рассеяния транзисторов выходного каскада при синусоидальной форме сигнала составляет 3,1 раза, без увеличения пикового значения тока. Правда, он разрешает не увеличивать площадь теплоотводов, так как «одновременное уменьшение модуля сопротивления нагрузки и значительное изменение его фазы от частоты обычно наблюдается в достаточно узких диапазонах частот. Поэтому влиянием реактивности нагрузки при расчете тепловых режимов (выделено мной) выходного каскада УМЗЧ можно пренебречь при работе с реальными источниками звуковых программ.» Но музыка – не совсем синусоида… Согласно статистике по зарубежным АС из его статьи, запас 2 раза по пиковому току и 3 раза по пиковой мощности для большинства АС западного производства того периода достаточен.
Максимальное значение XL/RL для схемы эквивалента нагрузки с параметрами: активное сопротивление катушки 3 Ом, конденсатор 1000 мкФ, индуктивность 20 мГн (частота резонанса 35 Гц), сопротивление параллельно контуру 25 Ом, рассчитанное коллегой в Маткаде, равно 1,48; сдвиг фазы импеданса 56°. При сопротивлении параллельно контуру 100 Ом – соответственно 2,9 и 71°. Рост пиковых значений тока и мощности на реальном сигнале предсказать не берусь, но во втором случае он явно больше. Чем больше механическая добротность НЧ динамика, тем больший запас мгновенной мощности УМ требуется. Таким образом, заполнение внутреннего объёма АС звукопоглотителем, снижающее механическую добротность системы, облегчает работу усилителя. Снижение механической добротности имеем и при использовании алюминиевого или медного каркаса ЗК: при гашении накопленной в системе энергии он греется вместе с усилителем. Но проводящий каркас ЗК греет УМ и при разгоне подвижной системы полезным сигналом… Лучше всего будет чувствовать себя УМ, нагруженный на АС с панелью акустического сопротивления (ПАС). Не совсем целесообразно бороться с реактивностью фильтров и одновременно игнорировать резонансный пик НЧ динамика, ведь именно он может стать причиной перегрева (превышения допустимой мгновенной мощности) УМ, не зря ведь стандартный эквивалент нагрузки имитирует импеданс НЧ динамика. Выравнивание и повышение импеданса на СЧ/ВЧ способно разгрузить УМ по импульсной мощности/току, но не снимает проблему полностью.
Ну хорошо, RC-цепь поставить или разработать фильтры с приятной ЧХ импеданса на СЧ и ВЧ не очень сложно. Но последовательный контур на НЧ… Да, в небольшой корпус засунуть батарею 400 мкФ и дроссель конского номинала – это квест. Но если литров хватает (или есть электролитические конденсаторы и трансформаторное железо))) + умеете снимать ЧХ сопротивления, то стОит попробовать. Алгоритм следующий:
Измеряем ЧХ сопротивления АС на НЧ, находим резонансную частоту, оцениваем крутизну скатов и высоту пика. Для ФИ и ПИ берём более высокий по частоте пик. Если ЧХ плавная или пик невысокий (для хорошего низа это может быть плохое предвестие, кроме оформления с ПАС), то и выравнивать особо нечего.
Если есть симулятор (или знакомый-симулянт)), подбираем параметры эквивалента НЧ головки до достаточного совпадения ЧХ импеданса схемы замещения с его измеренной ЧХ в области резонанса. Или используем номиналы, полученные в умных программах. После чего подключаем в симуляторе последовательный контур и подбираем R, L и С. Практически линейная ЧХ не нужна; достаточно, чтобы она шла плавно. Резистор при этом будет около 1,5*Rа катушки НЧ динамика, что облегчает задачу по созданию дросселя. На этом этапе стоит ещё раз подумать, надо ли оно Вам…
Дроссель желателен с плавной регулировкой индуктивности. Номинал большой, но спасает значительное допустимое сопротивление. Есть три варианта: на железе с переменным зазором; катушка с отводами и две катушки, приближающиеся торцами, включенные согласованно. Первый предпочтительнее, так как можно мотать меньше витков более тонким проводом.
Конденсаторы можно брать электролитические неполярные или полярные встречно включенные (потренировав их пару дней при номинальном напряжении для гарантии наличия диэлектрического слоя), их потери учтутся при настройке. Реактивная мощность важна, ток через них будет приличный, следовательно, их габариты не должны быть мизерными. Помним, что номиналы электролитических конденсаторов плывут со временем и при нагреве. Полярные придётся периодически тренировать ((
Подключаем батарею конденсаторов, резистор, догоняющий активное сопротивление дросселя до расчётного, и настройкой дросселя/подбором конденсаторов выходим на желаемую ЧХ импеданса. Заканчиваем подгонкой номинала добавочного резистора.
- Общие выводы:
- При расчёте УМ для работы на неизвестную АС запас транзисторов выходного каскада по пиковому току принимать не меньше двух раз, по пиковой рассеиваемой мощности – не меньше трёх раз.
- При конструировании УМ для работы на одиночный ШП динамик или на АС для озвучивания очень желательно устанавливать диоды с выхода УМ на шины питания.
- При работе на ШП динамик для выравнивания сопротивления на ВЧ эффективна RC-цепочка параллельно АС с номиналами порядка 3 мкФ и 20 Ом. Выравнивание импеданса и на СЧ участке потребует подбора номиналов RC-цепочки до получения цепи Цобеля (неактуально для УМ с низким выходным сопротивлением).
- Разумное ограничение рабочего диапазона частот сверху на входе УМ – выгодно!
- При выравнивании импеданса АС нет необходимости добиваться его полной независимости от частоты. Нужно, чтобы изменения с частотой были плавными. В приведённом выше примере импеданс растёт с 4 Ом до 10,5 Ом, но это окажет лишь позитивное влияние на работу транзисторного УМ.
- При расчёте АС всегда обращайте внимание на её ЧХ сопротивления, не допуская резких пиков и провалов во всём звуковом диапазоне.
- Неточности ±15% номиналов цепи компенсации резонансного пика НЧ динамика дают волнистость ЧХ импеданса, но не сильно увеличивают соотношение XL/RL.
- Проблемы с сильно реактивными АС проявляются при мощности УМ более 50% от максимальной. Однако, возможно влияние реактивности АС на фазу сигнала в цепи ООС со сложными последствиями, что зависит от схемотехники УМ.
- Литература:
- Международный стандарт IEC 263-3. Гл. 1, п. 6.
- А. Сырицо. Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку. Радио, №1 за 2004 год.
- M. Otalа, P. Huttunen, Peak current requirement of commercial loudspeaker systems, JAES (June 1987) 455. See Chapter 12, p. 294.
- Douglas Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. Fifth Edition.
- П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Москва, «Мир», 1991.
Последнее редактирование:
