Усилитель мощности звука

Усилитель мощности звука

Усилитель мощности звука (усилитель звуковой частоты, усилитель низкой частоты) — это устройство для усиления электрических сигналов в пределах диапазона частот, которые различает человеческое ухо (в среднем 20 Гц — 20 кГц). Усилитель повышает мощность сигнала источника звука, чтобы при подаче этого сигнала на устройство вывода звук получился громким и без искажений.

История развития усилителей мощности звука

Далёким предком современных усилителей звука можно назвать рупор граммофона. Принцип действия в этом устройстве был следующим: механическая игла движется по бороздкам пластинки и вызывает колебания. Эти колебания передаются специальной мембране, которая и воспроизводит звук, а он многократно (в 16 раз для первых моделей) усиливается с помощью рупора (раструба).

Граммофон D-298 Victor III (Источник)

Следующий этап развития усилителей пришёлся на распространение ламповой электроники. Ламповые усилители до сих пор используются в Hi-End сегменте аудиосистем. Преимущества такого усилителя — отсутствие т. н. белого шума, который есть в полупроводниковых устройствах и особенное звучание, характерное только для устройств этого типа. Недостатки — низкий КПД, повышенный расход энергии и тепловыделение, подверженность высокочастотным наводкам и высокая цена. Также ламповая электроника требует предварительного “прогрева” устройства перед работой.

Вакуумные лампы внутри предусилителя современного гитарного усилителя (Источник)

Во второй половине XX века появляются первые транзисторные устройства для усиления звука. Все современные усилители – их прямые потомки.

Интегральная микросхема (ИМС), применяемая в усилителях мощности звука (Источник)

Ошибочно полагать, что усилитель — это некий отдельный блок, к которому подключается источник звука и устройство вывода. Такой подход действительно распространён в профессиональной среде или у аудиоэнтузиастов, но современный облик усилителя звука в потребительском сегменте — это микросхема внутри автомобильной магнитолы, детской игрушки, mp3-плеера и т. д.

Классификация усилителей мощности звука

Сфера использования

По сфере использования усилители делятся на бытовые и профессиональные:

• Бытовые усилители характеризуются сравнительно низкой ценой, малогабаритностью и упором на минимизацию искажений звука. Зачастую они не являются отдельными устройствами, а являются одним из компонентов других устройств в виде микросхем. В бытовых усилителях присутствует темброблок (эквалайзер) — устройство, которое корректирует амплитуду сигнала в определенном диапазоне частот.
• Профессиональные усилители фокусируются на увеличении мощности звука с сохранением высокого качества и его передачу на более дальние расстояния. Они применяются в концертных залах, стадионах, студиях звукозаписи т. д. Чаще всего такие усилители представлены в виде отдельных устройств, а их размеры стандартизированы (т. н. рэковое исполнение корпуса). Это удобно при транспортировке и закреплении на специальных телекоммуникационных стойках. Так, ширина корпуса должна быть равна 17,75 дюйма (450,85 мм), а высота кратна 1,75 дюйма (44,45 мм).

Стереоусилитель Unitra WS-503 (Источник)

Профессиональные усилители звука, в свою очередь, делятся на:

• Студийные. Устройства этого типа используются в студиях звукозаписи и при усилении звука отдают приоритет качеству, а не громкости. В отличие от бытовых усилителей, в студийных отсутствует темброблок (для частотной коррекции используются микшерные пульты) и расширен диапазон воспроизведения частот.
• Инструментальные. Эти устройства предназначены для усиления электроинструментов (бас-гитар, синтезаторов, электроскрипок, драм-машин и т. д.) Иногда инструментальные усилители звука поставляются в блочном исполнении (например, вместе с предусилителем, регулятором тембра и динамиками). Они используются не для точного усиления сигнала, а скорее, для подчёркивания определённых частот или добавления нужной тональной окраски в музыкальное полотно.
• Концертные. Как нетрудно догадаться из названия, такие устройства используются для усиления звука при проведении концертов, фестивалей и других музыкальных мероприятий. Основные требования к ним — надёжность и продолжительная работа при нагрузках, близких к максимальным. Поэтому в концертных усилителях особое внимание уделяется различным видам защиты: от перегрева, перенапряжения, короткого замыкания и воздействия внешней среды.

Клавишный (инструментальный) усилитель (Источник)

Стоимость и качественное исполнение профессиональных усилителей звука намного выше бытовых.

Количество каналов

Количество каналов, которые поддерживаются усилителями звука, в среднем варьируется от одного до шестнадцати. Большинство усилителей являются двухканальными. Это значит, что к ним можно подключить до двух динамиков в моно- или стереорежиме. Оптимальная конфигурация подключения: один канал — один динамик.

Классы

В традиционной классификации Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) используются латинские буквы A, B, C и D для обозначения разных классов (режимов) работы усилителей мощности звука. Единого реестра классов для таких устройств не существует, поэтому вне рамок традиционного стандарта используются и другие режимы. Одна и та же буква в таких классификациях может обозначать совершенно разные характеристики, поэтому они не рассматриваются в статье.

Класс A — в этом режиме работают широкополосные однотактные ламповые усилители. Их КПД очень мал (около 20%), но практически отсутствуют высокие нелинейные искажения.

В класс B входят различные транзисторные усилители. Устройства в этом режиме имеют сравнительно низкий уровень шумов, КПД намного выше, чем в режиме A и составляет 70%. Но звук получается “сухим”, поэтому этот режим непопулярен.

В рамках класса AB инженеры объединили преимущества двух перечисленных выше классов. При максимальной нагрузке задействуется режим B, а при обычной и минимальной — режим A. КПД получается около 60%.

Класс С непригоден для воспроизведения звука и чаще всего используется в усилителях радиопередатчиков из-за высокого КПД (от 78,5%).

Класс D представляет собой усилитель с импульсным управлением. Этот режим был добавлен в традиционную классификацию в 1955 году. Он характеризуется сравнительно высоким КПД (85%), качественным звуком и малогабаритностью, что обеспечивает мобильность устройств этого класса.

Мощность и искажения

Одной из важных характеристик при выборе усилителя является его мощность. Она измеряется в ваттах (Вт) и вы легко найдёте её значение в документации и даже на упаковке. Проблема заключается в том, что производители по-разному трактуют само определение мощности как таковой. Кроме того, существует несколько стандартов её определения. Поэтому при выборе усилителя нередко возникает путаница.

Отметим также, что выдаваемая усилителем мощность напрямую зависит от сопротивления подключённых к нему устройств вывода звука.

Распространённые определения мощности:

• Максимальная синусоидальная мощность (RMS, Rated Maximum Sinusoidal) — этот параметр показывает какой уровень нагрузки усилитель выдерживает в течение одного часа работы с сохранением дальнейшей работоспособности. Для замера мощности используется музыкальный, а не частотный сигнал. Любые возможные искажения не учитываются.
• Среднеквадратичная мощность (RMS Power, Root Mean Square Power) — максимальная среднеквадратичная мощность усилителя, при продолжительной работе с которой искажения остаются в заданных значениях. Для замера мощности используется сигнал с частотой 1 кГц, а коэффициент нелинейных искажений должен быть равен 10%. Показатель используется в электротехнике и не подходит для оценки звуковых качеств усилителя, т. к. слуховой аппарат человека воспринимает звук амплитудно, а не среднеквадратично (громкие звуки различаются лучше, чем тихие).
• Номинальная мощность является одной из наиболее правдоподобных и простых для понимания характеристик: проверяется максимальная мощность работы усилителя без превышения заданного порога искажений. С другой стороны, пороговые значения для искажений указывает сам производитель, что даёт ему определённую свободу манёвра.
• Пиковая музыкальная мощность (PMPO, Peak Music Power Output) обозначает максимальную мощность на коротком промежутке времени, которую выдаёт устройство с сохранением работоспособности. Для определения этого показателя не существует единого стандарта (даже сам пиковый интервал варьируется от 10 миллисекунд до 2 секунд), что делает его бессмысленным. Показатель используется только в рекламных целях.
• DIN (DIN 45500, DIN POWER, DIN MUSIC POWER) — совокупность стандартов для Hi-Fi аудиоустройств, которая наиболее адекватно описывают их мощность. В DIN Power для измерения используется сигнал с частотой 1 кГц на вход усилителя в течение 10 минут, коэффициент нелинейных искажений — 1%. Для тестирования в DIN Music Power используют музыкальный сигнал и длительную нагрузку на устройство без риска его повреждения. Стандарт DIN 45500 был перенесён с минимальными изменениями в IEC 60581 и ГОСТ 24388-88.

Как выбрать усилитель мощности звука

При покупке как бытового, так и профессионального усилителя звука придерживайтесь следующего правила: усилитель следует выбирать вместе с акустической системой. Это нужно для согласования мощности устройств — слабый усилитель не сможет работать при максимальной нагрузке длительное время, а слишком мощный выведет динамики из строя. Также при расчёте требуемой мощности всегда закладывайте некоторый запас — лучше не эксплуатировать устройство на пределе его возможностей.

Для домашнего использования следует сперва задуматься, а действительно ли вам нужен усилитель? Скорее всего, он уже встроен в устройство воспроизведения звука и его характеристик обычному пользователю хватит с избытком. Если же вы ценитель с особыми требованиями к звучанию — обратите внимание на ламповые усилители.

При выборе профессионального устройства определитесь с условиями использования — в каком месте нужно усиливать звук, при каких условиях и какой именно звук? Усилители звука систем экстренного оповещения работают на совершенно других принципах, нежели усилителя звука в студиях звукозаписи.

Также покупатели часто упускают, что качество работы усилителя не измеряется исключительно мощностью. Не следует забывать об уровне шума, весе и габаритах усилителя, материалах и качестве исполнения.

Где купить усилитель мощности звука

Купить усилитель мощности звука по доступной цене вы сможете на сайте наших партнёров Unitsolutions. Ниже мы составили список наиболее актуальных решений в разных ценовых категориях.

BKR BR-GD350

Открывает нашу подборку недорогой усилитель класса D, BKR BR-GD350 мощностью 500 Вт. Устройство использует импульсный блок питания и фокусируется на надёжности при эксплуатации: в комплект поставки входит тефлоновый провод, устойчивый к перегреву, а система охлаждения позволяет устройству работать в широких температурных интервалах.

CROWN XLS 1002

Двухканальный усилитель мощности класса D, CROWN XLS 1002 имеет встроенную защиту от перепадов напряжения в сети, оборудован цифровым процессором с DSP и позволяет настраивать входную чувствительность для каждого из каналов. Выходная мощность — 1100 Вт.

APart CONCEPT1

APart CONCEPT1 — это двухканальный 100-ваттный усилитель мощности. Устройство способно работать в монорежиме сразу с двумя зонами и регулировкой громкости для каждой из них. Управляется по шине RS232 или с помощью ПДУ (не входит в комплект поставки).

RCF AM 2320

RCF AM 2320 — одноканальный усилитель мощностью 320 Вт. Предназначен для интеграции в различные системы оповещения или для проведения трансляций. Присутствует 4 микрофонных и 2 AUX входа.

Yamaha PC406-D

И, наконец, представитель премиальных решений — четырёхканальный усилитель Yamaha PC406-D. Мощность 600 Вт, большая матрица входов (до 20 x 8), 16 входов/выходов Dante, встроенный акустический процессор, поддержка дистанционного управления с помощью ProVisionaire Touch/Control — всё по первому разряду.

АКТИВНЫЕ

Активный настенный громкоговоритель, 60Вт (8 Ом), симметричный вход/выход, линейный вход/выход, регулятор громкости, регуляторы НЧ и ВЧ, 40 Гц — 20 кГц, 358 x 245 x 250 мм, 8 кг, 220В АС.

Активный настенный громкоговоритель, 60 Вт (8 Ом), симметричный вход/выход, линейный вход/выход, регулятор громкости, регуляторы НЧ и ВЧ, 40 Гц — 20 кГц, 358 x 245 x 250 мм, 8 кг, 220В АС.

Высококачественный активный сабвуфер 125 Вт (4 Ом), 20 — 180 Гц, IP 20, 345 х 262 х 405 мм, 12.5 кг.

Высококачественный активный сабвуфер 125 Вт (4 Ом), 20 — 180 Гц, IP 20, 345 х 262 х 405 мм, 12.5 кг.

Набор из двух громкоговорителей со встроенным усилителем, 2 х 30 Вт, 2 линейных входа, регуляторы тембра и громкости, 45-20000 Гц, 238 x 181 x 170 мм, 220В АС.

Набор из двух громкоговорителей со встроенным усилителем, 2 х 30 Вт, 2 линейных входа, регуляторы тембра и громкости, 45 — 20000 Гц, 238 x 181 x 170 мм, 220В АС.

Набор из двух громкоговорителей со встроенным усилителем, 2 х 30 Вт, 2 линейных входа, регуляторы тембра и громкости, управление с пульта ДУ (опционально) или с удаленной панели управления по RS232, 45 — 20000 Гц, 252 x 182 x 170 мм.

Набор из двух громкоговорителей со встроенным усилителем, 2 х 30 Вт, 2 линейных входа, регуляторы тембра и громкости, управление с пульта ДУ (опционально) или с удаленной панели управления по RS232, 45-20000 Гц, 252 x 182 x 170 мм.

Акустический комплект 2 громкоговорителя, встроенный стерео усилитель 2 х 20Вт, 2 линейных входа, регуляторы громкости, НЧ и ВЧ, 50 Гц — 20 кГц, 260 x 170 x 180 мм, 5,6 кг (пара), 220В АС.

Акустический комплект 2 громкоговорителя, встроенный стерео усилитель 2 х 20 Вт, 2 линейных входа, регуляторы громкости, НЧ и ВЧ, 50 Гц — 20 кГц, 260 x 170 x 180 мм, 5,6 кг (пара), 220 В АС.

Высококачественный активный/пассивный сабвуфер 140 Вт (4 Ом), с функцией автоматического включения/выключения, 30 — 180 Гц, 356 х 405 х 260 мм.

Высококачественный активный/пассивный сабвуфер 140 Вт (4 Ом), с функцией автоматического включения/выключения, 30 — 180 Гц, 356 х 405 х 260 мм.

Активные громкоговорители APart.

Бельгийская компания Audioprof N.v предлагает акустические системы APart для систем оповещения, фонового озвучивания или рекламного вещания. При проектировании данного оборудования, разработчиками Audioprof основной акцент был сделан на максимально качественный звук и надежность, тогда как другие компании ориентируются преимущественно на функциональные возможности своего оборудования.

• Активные колонки имеют ряд достоинств и недостатков. Из преимуществ такого оборудования можно выделить следующие:

— содержат встроенный усилитель мощности с возможностью регулировки параметров;

— упрощается согласование между акустическими системами и канальным усилителем, снижается нагрузка на усилитель;

— для активной акустики можно подключать кабель меньшего сечения.

Имеются также и недостатки:

— необходимость подведения источника питания 220 В к каждому активному громкоговорителю;

— сложность в обслуживании, если акустика установлена в труднодоступном месте.

Активные громкоговорители APart OVO и APart SDQ5P — это высококачественные двухполосные динамики, с кристально чистым звучанием и высоким уровнем выходной мощности, предназначенные для озвучивания небольших концертных площадок, школьных классов, залов заседаний, гостиничных номеров, дискотек; могут применяться как колонки для компьютера или в качестве студийных мониторов.

Материал корпуса громкоговорителей APart OVO и APart SDQ5P — ABS-пластик, защитная решетка выполнена из стали, устанавливаются в помещениях:

Защита акустических систем (5 вариантов схем)

Различные варианты защиты акустических систем, как от постоянного тока, так и перегрузки. Многие начинающие, и не только, радиолюбители часто сталкиваются с этой проблемой, ведь акустика довольно дорого стоит, по сравнению с узлом защиты, а хорошая акустика так вообще может превышать стоимость всего усилителя, возможно даже в разы.

Несколько достаточно популярных схем и готовых устройств собранных по этим схемам, а так же печатные платы для самостоятельного изготовления. Всего 5 вариантов.

1 вариант, схема и фото, печатная плата в файле :

2 вариант, схема, фото и печатная плата в файле :

3 вариант, схема и печатная плата в файле :

4 вариант, фото и печатная плата в файле :

5 вариант, схема и печатная плата в файле :

Автор: dts (dtsdts@meta.ua)

29 комментариев: Защита акустических систем (5 вариантов схем)

можно ли спросить 1 вариант можно ли запитать от 5 вольт если соответственно поставить реле на 5 вольт

запитать можно, только работать нормально не будет.
если есть реле на 5в и питание 12-35в, то просто последовательно с обмоткой реле можно припаять резистор на сопротивление в полтора раза превышающее сопротивление обмотки реле. К примеру сопротивление обмотки реле составляет 200Ом, реле на 5в, то для напряжения 12в, потребуется (200:5*12)-200=280Ом , ближайший номинал 270Ом и 300Ом.
при 5в и 200Ом ток , протекающий по цепи, составит 5_200=0.025А . Теперь вычитаем из 12в напряжение обмотки реле и получаем 12-5=7в. Теперь умножаем ток протекающий в цепи на напряжение на резисторе 0.025*7=0.175Вт . Теперь берём ближайший номинал с удвоенной мощностью 0.175*2= 0.35Вт, ближайшим номиналом будет 0.5Вт.
ВАЖНО: данный способ (метод) расчёта добавочного резистора справедлив для любой схемы, но сопротивление реле было взято не для какого то конкретного случая , а лишь для наглядности расчётов, по этому следует сначала измерить сопротивление обмотки реле и уже потом приступать к расчётам.

Доброго времени суток. Подскажите пожалуйста, для первого варианта схемы защиты. Я хотел подключить индикацию нормального режима работы и режима перегрузки, либо отключения АС. Как мне можно осуществить это?

в реле есть вторая парка контактов , в простейшем случае – используйте её.

Автоматическая регулировка усиления

АРУ (AGC) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и тд. Также, существует ручная регулировка усиления (РРУ), выполняется на пассивных или активных (электронных) радио-элементах или с помощью аттенюаторов. [1]

Содержание

История создания

В 1925 Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (АРГ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер издал анализ систем АРУ в 1928. [2] К началу 1930-ых все бытовые радиоприемники включали автоматическую регулировку громкости. [3] В СССР АРУ начали применять в каналообразующей аппаратуре в 1960 году, были созданы первичные необслуживаемые усилительные станции.

Классификация

Существует три типа АРУ: простая, усиленно-задержанная и просто задержанная. Или по типу сигнала схемы АРУ бывают двух типов:

• Для импульсного сигнала;
• Для непрервыного сигнала.

Также, если искажения сигнала не важны, применяют схему ограничителя.

Устройство

Напряжение сигналов, поступающих на вход приёмника, как правило значительно меняется: из-за различия передаваемой мощности передатчиков и расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении, резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и приёмником, установленными на движущихся объектах (самолётах, автомобилях и т.д.), и других причин. Что приводит к недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Система АРУ стремится минимизировать различия напряжения выходного и входного сигнала приёмника. Это осуществляется посредством цепей, которые передают выпрямленное детектором регулирующее напряжение на базы транзисторов, усилителей высокой, промежуточной частоты и преобразователя частоты, которые уменьшают их усиление с увеличением напряжения сигнала на входе и наоборот: происходит компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов. Основные параметры систем АРУ:

• Динамический диапазон (дБ) — это глубина изменения входного сигнала (разница между минимальным и максимальным сигналом), при котором ещё выходной сигнал находится в допустимых пределах;
• Время срабатывания АРУ (дБ/с) — отражает скорость реакции АРУ на скачок входного сигнала. Данный параметр равен бесконечности (нулевое время срабатывания) для ограничителя сигнала.

Важным свойством системы АРУ является наличие выхода, показывающего уровень входного сигнала (невозможно сделать для ограничителя).

Обратная

Эта схема получила такое название, из-за того, что управляющее напряжение (Uупр) подается со стороны выхода в направлении входа РУ. Пропорционально уровню входного сигнала обеспечивается управляющее напряжение, благодаря коэффициенту передачи КД детектора АРУ (ДЕТ): Uупр = КД*Купр*Uвых. Фильтр АРУ (ФНЧ) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения Uупр. Цепь АРУ называется простой, если она состоит только из детектора и фильтра. В цепь АРУ может включаться усилитель, устанавливаемый после детектора (УПТ).

Прямая

Входное напряжение Uвх детектируется, и за счёт этого формируется управляющее напряжение Uупр. Выходное напряжение получается путём умножения Uвх на коэффициент усиления Ko. Таким образом, при увеличении Uвх уменьшается Ko; при этом их произведение может оставаться постоянным, что позволяет реализовать идеальную характеристику АРУ, но практически добиться этого не удается. Прямая схема АРУ имеет некоторые существенные недостатки, один из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный высокочастотный (ВЧ) усилитель с большим коэффициентом усиления, прямая АРУ также нестабильна, т.е. подвержена воздействию различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим она нашла ограниченное применение.

Пассивная

Пассивные АРУ — устройства, не потребляющие электрическую энергию, т.е. не имеющие в своём составе источников тока. Как правило, такие пассивные АРУ выполняются в виде аттенюаторов, каждый из резисторов которого представляет собой термосопротивление (термисторы). С повышением температуры сопротивление увеличивается, что вызывает уменьшение вносимого ослабления аттенюатором. И, наоборот, при понижении температуры окружающей среды ослабление аттенюатора увеличивается.

Приёмник

Смещение тока на базе первого транзистора усилителя радио частоты (УРЧ) подается через детектор цепочкой VD3-R4. При поступлении сигнала напряжение на выходе детектора снижается, уменьшая и ток транзисторов VT1, а вслед за ним и VT2. Так осуществляется автоматическая регулировка усиления (АРУ). Такой способ регулировки уровня сигнала достаточно эффективен, поэтому в этом приёмнике нет ручки регулировки громкости. АРУ будет функционировать не только на радио частотах, поэтому в качестве нагрузки, в данной схеме, можно использовать телефоны звуковой частоты. [4]

АРУЗ — автоматическая регулировка уровня записи в устройствах магнитной звукозаписи. Способ АРУЗ заключается в том, что в процессе звукозаписи измеряют уровень записываемого сигнала, на основе которого регулируется коэффициент усиления усилителя в тракте звукозаписи до достижения требуемой величины уровня записываемого сигнала, отличающийся тем, что в тракте звукозаписи постоянно определяют текущее значение коэффициента стохастичности записываемого сигнала и сравнивают полученное значение с пороговой величиной, которая задается заранее, а коэффициент усиления усилителя регулируется только при текущем значении коэффициента стохастичности, не превышающим пороговой величины, и поддерживают постоянный коэффициент усиления усилителя, равный коэффициенту усиления усилителя в момент превышения текущим значением коэффициента стохастичности заданной пороговой величины, в течение всего периода такого превышения. [5]