Что такое усилитель мощности звука?

Усилители мощности в практике радиолюбителей уже много лет занимают одно из первых мест. Несмотря на множество готовых промышленных конструкций с иероглифами на борту, мы до сих пор строим свои аудиосистемы сами. 

Когда-то давно я занимался в школьном радиокружке и построил наверно с десяток усилителей мощности звука. Среди них был и усилитель Агеева, и усилитель Гумели. В то время я слабо понимал как они работают, книг, компьютера, а тем более интернета, у меня не было вообще . Так что собирал как мог. Было весело. Сегодня я хочу рассказать тебе как устроен усилитель мощности звука, чтобы ты понимал из каких блоков он состоит, для чего они нужны и почему он вообще усиливает.

Усилители мощности в электронике занимают особое место и используются повсеместно: и в аудиоусилителях, и в телевизорах, и в станках и т.д. Практически каждый радиолюбитель хоть раз, да собирал УМЗЧ и радовался как это весело, что плата с проводами выдаёт звук.

Давай разобираться что такое "усилитель мощности". Из названия создаётся впечатление, что это устройство магическим образом превращет 1 Вт мощности, поступивший на вход, к примеру, в 15 Вт на выходе. Что усилитель из воздуха сделала сигнал более сильным. На деле всё иначе. Ничто не берется из ниоткуда. Главная идея усилителя мощности в том, что он подаёт на выход (на АС, например) часть мощности своего источника питания. А входной сигнал просто регулирует сколько мощности следует подать на выход. 

Таким образом усилитель мощности как бы повторяет входной сигнал и подаёт на выход его копию, только большей мощности. 

Если это звучит замысловато, то представь себе водопроводный кран. Труба, к которой он подсоединён -- это "источник питания" крана. Носик крана -- выход. А твоя рука, которая крутит ручку крана туда-сюда -- это входной сигнал. А значит ты своей рукой регулируешь мощность потока воды из носика крана.

Типичная структура усилителя мощности

В усилителях мощности звуковой частоты, т.е. обычно в музыкальных усилителях, важным качеством является не только увеличение мощности звука, но и сохранение его качества. Для этого усилители строятся таким образом, чтобы снизить искажения исходного сигнала. 

Поэтому вместо одного блока, который сразу бы усилил сигнал в 10-100-200 раз используется несколько последовательно включенных усилительных каскадов, которые усиливают в 5-10 раз. А так как они стоят один за другим, то итоговый коэффициент усиления буден равен произведению коэффициэнтов усиления каждого каскада. Т.е. если первый каскад усиливает в 2 раза, а второй в 10, то в итоге усиление будет в 20 раз.

Коэффициентом усиления (по напряжению) в данном случае будет результат отношения напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе. 

На практике усиление напряжения происходит в первых каскадах, а последний каскад, который называется "выходным", служит как раз для подведения необходимой мощности в нагрузку и часто сам по себе даёт единичное усиление.

Ниже, на схеме усилителя Гумели, я показал блоки усилителя, соответсвующие диаграмме выше:

Характеристики усилителей мощности

Идеальный усилитель должен усиливать сигнал (т.е. создавать его копию), не внося никаких изменений в исходный сигнал. Хороший реальный усилитель конечно же вносит искажения, но они незаменты для человеческого уха. Плохой усилитель сразу даёт о себе знать, когда вместо чистого звука скрипки из динамиков доносится хрюканье поросёнка.

Я хочу обсудить с тобой характеристики усилителя мощности, на которые всё таки следует обращать внимание как при покупке, так и при создании усилителя своими руками.

1. Искажения сигнала
2. Шумы
3. Номинальная мощность
4. Частотные параметры

Искажения

Да, при прохождении сигнала через твой усилитель он искажается. Искажения неизбежно вносятся электронными компонентами, а также могут возникать из-за плохой работы всей схемы в целом. В хороших усилителях стремятся снизить искажения, в плохих их слышно даже невооруженным ухом: щелчки, хрипения, звук как из телефона и т.д.  При конструировании усилителей применяют разные решения дял снижения тех или иных видов искажений:

• Линейные искажения
• Нелинейные искажения

Линейные искажения влияют на амплитуду и фазу сигнала. Например, при прохождении звука через усилитель слегка меняется фаза каких-нибудь составляющих этого сигнала. Искажение амплитуды сигнала чаще всего зависит от его частоты. Например усилитель гарантированно усиливает сигналы с частотами от 20 Гц до 20 КГц. А ты подал ему на вход 100 Кгц и ожидал увидеть усиление в 10 раз, а получил только в 2, если получил вообще. Что произошло? Правильно, усилитель перестал быть усилителем. Он не был сконструирован для работы с такими частотами. 

Нелинейные искажения весьма коварны. Они портят сам сигнал, меняя его форму. В результате прохождения сигнала через такой усилитель в сигнале появляются составляющие, которых там изначально не было. И вместо, например синусоиды, что ты подал на вход, на выходе можно получить сигнал только отдаленно напоминающий синусоиду. 

Для снижения шумов и искажений сигнала требуется и правильный подход к конструированию такого усилителя мощности и соблюдение правил монтажа, которые обеспечивают снижение шумов и искажений.

Шумы

Шумом называют всякий случайный сигнал, который усиливается вместе с полезным сигналом, что был подан на вход. Если шумы малы, то их практически незаметно и они не мешают. Но если шумовой сигнал слишком силен, то различить полезный сигнал среди шума бывает проблематично.

Замечал ли ты, что если положить сотовый телефон рядом с входными проводами от самодельного или дешевого китайского усилителя, то в момент входящего звонка из динамиков раздаётся неприятный звук. Его причина -- электромагнитные помехи от работающего сотового телефона. В каком-то смысле их можно тоже назвать шумом.

"Шумят" не только целые устройства под влиянием внешних сил. Шум вносят также электронные компоненты, из которых состоит усилитель. Это происходит под воздействием разных причин, например повышения температуры эл. компонента, может генерироваться шум.

Номинальная мощность

Я бы рекомендовал забыть про этот параметр вообще. Кто-то возразит, но я отвечу, что качественный звук лучше мощного и плохого. Поэтому, когда будешь выбирать схему для своего усилителя мощности, то выбирай ту, разработчик которой обещает минимальные искажения, а не 3 000 000 КВт мощности. 

Производители аудиотехники целенаправленно вводят в заблуждение покупателей, заявляя, например: "суммарная мощность всех каналов 600 Вт при потребляемой мощности от сети 150Вт". Всё дело в методе измерения мощности, поэтому верить заявлениям не следует, так как производители выбирают какой им захочется.

Как ты знаешь, мощность P = UI. Если взять, к примеру, резистор 4 Ом, подключить его к выходу усилителя, параллельно ему осциллограф, а на вход генератор сигналов, затем подать от генератор сигнал частотой в 1000 Гц и постепенно увеличивать его амплитуду, то наступит момент, когда на осциллографе ты увидишь вот такую картину: 

Зелёный график показывает реальный выходной сигнал, оранжевый -- ожидаемый, а синий показывает максимальную амплитуду неискаженного выходного сигнала. Все выходные сигналы с амплитудой больше амплитуды синего графика будут иметь вид как на зеленом графике.

Измерив амплитуду синего графика и воспользовавшись формулой P = (0,707U)²/Rн - ты получишь выходную мощность своего усилителя измеренную на нагрузке в 4 Ом и частоте в 1000 Гц. 

Частотные параметры

Как я уже писал выше, усилители низкой частоты предназначены для работы в диапазоне частот от 20 Гц до 20 КГц, поэтому тестирование и наладку своих конструкций следует проводить в этом диапазоне. Усиление частот выше 20 КГц имеет смысл только если вы можете слышать ультразвук. Правда тогда поонадобится соответствующая акустическая система ^__~ 

Заключение

Тема усилителей мощности низкой частоты обширна как море. Я постарался рассказать об общей схеме построения таких усилителей и рассказать о некоторых их характеристиках. Думаю, что для первых опытов построения усилителей мощности для своей аудиосистемы этого будет более чем достаточно. 

Список книг по теме усилителей

• МРБ 0951. Левинзон Г.Л., Логинов А.В. Высококачественный усилитель низкой частоты
• Ровдо. Схемотехника усилительных каскадов
• Цыкин. Усилители электрических сигналов
• Цыкин. Электронные усилители
• Гендин Г.С. Высококачественные любительские усилители низкой частоты
• Шкритек. Справочное руководство у звуковой схемотехнике
• Боб Кордел. Проектирование аудио усилителей
• Дуглас Селф. Проектирование усилителей мощности звуковой частоты
• Войшвило. Усилительные устройства
• Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей
• Остапенко. Усилительные устройства