|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Чи має УМЗЧ мати малий вихідний опір? Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Підсилювачі потужності транзисторні Про зниження інтермодуляційних спотворень та призвуків у гучномовцях Різницю в звучанні гучномовців при роботі з різними УМЗЧ, насамперед, помічають, порівнюючи лампові та транзисторні підсилювачі: спектр їх гармонійних спотворень часто суттєво відрізняється. Іноді помітні відмінності бувають і серед підсилювачів однієї групи. Наприклад, в одному з аудіожурналів оцінки дані ламповим УМЗЧ потужністю 12 і 50 Вт схилялися на користь менш потужного. Чи оцінка була необ'єктивною? Як нам здається, автор статті доказово пояснює одну з містичних причин виникнення в гучномовцях перехідних та інтермодуляційних спотворень, що створюють помітну різницю у звучанні під час роботи з різними УМЗЧ. Він пропонує також доступні методи суттєвого зниження спотворень гучномовців, які досить просто реалізуються із застосуванням сучасної елементної бази. В даний час вважається загальновизнаним, що однією з вимог до підсилювача потужності є забезпечення незмінності його вихідної напруги при зміні опору навантаження. Іншими словами, вихідний опір УМЗЧ має бути невеликим порівняно з навантажувальним, становлячи не більше 1/10/1 від модуля опору (імпедансу) навантаження |Zн|. Ця думка відображена у численних стандартах і рекомендаціях, і навіть у літературі. Спеціально запроваджено навіть такий параметр, як коефіцієнт демпфування - Kd (або демпінг-фактор), що дорівнює відношенню номінального опору навантаження до вихідного опору підсилювача Rвих РОЗУМ. Так, при номінальному опорі навантаження, що дорівнює 4 Ом, і вихідному опорі підсилювача 0,05 Ом Kd дорівнюватиме 80. Нинішні стандарти на апаратуру HiFi вимагають, щоб значення коефіцієнта демпфування у високоякісних підсилювачів було б не менше 20 (а рекомендується - не менше 100). Для більшості транзисторних підсилювачів, наявних у продажу, Kd перевищує 200. Доводи на користь малого Rвих РОЗУМ (і відповідно високого Kd) загальновідомі: це забезпечення взаємозамінності підсилювачів та акустичних систем, отримання ефективного та передбачуваного демпфування основного (низькочастотного) резонансу гучномовця, а також зручність вимірювання та зіставлення характеристик підсилювачів. Однак, незважаючи на правомірність та обґрунтованість вищенаведених міркувань, висновок про необхідність такого співвідношення, на думку автора, є принципово помилковим! Справа в тому, що цей висновок робиться без урахування фізики роботи електродинамічних головок гучномовців (РР). Переважна більшість розробників підсилювачів щиро вважає, що все, що від них вимагається - це видати напругу необхідної величини на заданому опорі навантаження з меншими спотвореннями. Розробники гучномовців, у свою чергу, начебто повинні виходити з того, що їхні вироби будуть харчуватися від підсилювачів з малим вихідним опором. Здавалося б, все просто і ясно – які тут можуть бути питання? Проте питання, і дуже серйозні, є. Головним з них є питання про величину інтермодуляційних спотворень, що вносяться ГГ при роботі її від підсилювача з малим внутрішнім опором (джерела напруги або джерела ЕРС). "Яке ставлення до цього може мати вихідний опір підсилювача? Не морочте мені голову!" – скаже читач. – І помилиться. Має і найпряміше, незважаючи на те, що факт цієї залежності згадується вкрай рідко. У всякому разі, не виявлено сучасних робіт, у яких розглядалося б цей вплив на всі параметри наскрізного електроакустичного тракту - від напруги на вході підсилювача до звукових коливань. При розгляді цієї теми раніше чомусь обмежувалися аналізом поведінки ГГ поблизу основного резонансу на нижніх частотах, тоді як не менш цікаве відбувається на помітно вищих частотах - на пару октав вище за резонансну частоту. Для заповнення цієї прогалини і призначена ця стаття. Треба сказати, що для підвищення доступності виклад дуже спрощений і схематизований, тому ряд "тонких" питань залишився нерозглянутим. Отже, щоб зрозуміти, як вихідний опір УМЗЧ впливає на інтермодуляційні спотворення в гучномовцях, треба згадати, якою є фізика випромінювання звуку дифузором ГГ. Нижче частоти основного резонансу при подачі синусоїдальної напруги сигналу на обмотку звукової котушки ГГ амплітуда зміщення її дифузора визначається пружною протидією підвісу (або повітря, що стискається в закритому ящику) і майже не залежить від частоти сигналу. Робота ГГ у цьому режимі характеризується великими спотвореннями та дуже низькою віддачею корисного акустичного сигналу (дуже низьким ККД). На частоті основного резонансу маса дифузора разом з масою повітря, що коливається, і пружністю підвісу утворюють коливальну систему, аналогічну грузику на пружинці. ККД випромінювання у цій галузі частот близький до максимального для цієї ГГ. Вище частоти основного резонансу сили інерції дифузора разом з масою повітря, що коливається, виявляються більшими, ніж сили пружності підвісу, тому зміщення дифузора виявляється назад пропорційним квадрату частоти. Однак прискорення дифузора при цьому теоретично не залежить від частоти, що забезпечує рівномірність АЧХ по звуковому тиску. Отже, задля забезпечення рівномірності АЧХ ГГ на частотах вище частоти основного резонансу до дифузору із боку звуковий котушки необхідно прикладати силу постійної амплітуди, як це випливає з другого закону Ньютона (F=m*a). Сила, що діє на дифузор з боку звукової котушки, пропорційна струму в ній. При підключенні РР до джерела напруги U струм I у звуковій котушці на кожній частоті визначається із закону Ома I(f)=U/Zг(f), де Zг(f) - залежне від частоти комплексний опір звукової котушки. Воно визначається переважно трьома величинами: активним опором звукової котушки Rг (вимірюваним омметром), індуктивністю Lм. На струм впливає і проти-ЕРС, що виникає при переміщенні звукової котушки в магнітному полі і пропорційна швидкості переміщення. На частотах помітно вище за основний резонанс величиною проти-ЕРС можна знехтувати, оскільки дифузор зі звуковою котушкою просто не встигають розігнатися за половину періоду частоти сигналу. Тому залежність Zг(f) вище частоти основного резонансу визначається переважно величинами Rг і Lг Так ось, ні опір Rг, ні індуктивність Lг особливою сталістю не відрізняються. Опір звукової котушки залежить від температури (ТКС міді близько +0,35%/оС), а температура звукової котушки малогабаритних середньочастотних ГГ при нормальній роботі змінюється на величину 30...50 оІ до того ж дуже швидко - за десятки мілісекунд і менше. Відповідно, опір звукової котушки, а отже, і струм через неї, і звуковий тиск при незмінному доданому напрузі змінюються на 10...15%, створюючи інтермодуляційні спотворення відповідної величини (у низькочастотних ГГ, теплова інерційність яких велика, розігрів звукової котушки теплової компресії сигналу). Зміни індуктивності ще складніші. Амплітуда і фаза струму через звукову котушку на частотах помітно вище резонансної значною мірою визначаються величиною індуктивності. А вона дуже залежить від положення звукової котушки в зазорі: при нормальній амплітуді усунення частот, лише трохи більших, ніж частота основного резонансу, індуктивність змінюється на 15...40% в різних ГГ. Відповідно при номінальній потужності, що підводиться до гучномовця, інтермодуляційні спотворення можуть досягати 10...25%. Сказане вище ілюструється фотографією осцилограм звукового тиску, знятих на одній із найкращих вітчизняних середньочастотних ГГ – 5ГДШ-5-4. Структурна схема вимірювальної установки наведено малюнку.
Як джерело двотонального сигналу застосовані пара генераторів і два підсилювачі, між виходами яких підключена випробувана ГГ, встановлена на акустичному екрані площею близько 1 м2 . Два окремі підсилювачі з великим запасом потужності (400 Вт) використані з метою уникнути утворення інтермодуляційних спотворень при проходженні двотонового сигналу через підсилювальний тракт. Звуковий тиск, що розвивається головкою, сприймався стрічковим електродинамічний мікрофон, нелінійні спотворення якого становлять величину менше -66дБ при рівні звукового тиску 130 дБ. Звуковий тиск такого гучномовця в цьому експерименті становив приблизно 96 дБ, так що спотворення мікрофона за цих умов можна було знехтувати.
Як видно на осцилограмах на екрані верхнього осцилографа (верхня без фільтрації, нижня після фільтрації ФВЧ), модуляція сигналу з частотою 4 кГц під впливом іншого з частотою 300 Гц (при потужності на головці 2,5 Вт) перевищує 20%. Це відповідає величині інтермодуляційних спотворень близько 15%. Думається, немає потреби нагадувати про те, що поріг помітності продуктів інтермодуляційних спотворень лежить набагато нижче одного відсотка, досягаючи у ряді випадків сотих часток відсотка. Зрозуміло, що спотворення УМЗЧ, якщо вони мають " м'який " характер, і перевищують кількох сотих відсотка, просто невиразні і натомість спотворень гучномовця, викликаних його роботою джерела напруги. Інтермодуляційні продукти спотворень руйнують прозорість та детальність звучання - виходить "каша", в якій окремі інструменти та голоси чути лише зрідка. Цей тип звучання напевно добре знайомий читачам (хорошим тестом на спотворення може бути фонограма дитячого хору). Однак існує спосіб різко зменшити описані вище спотворення, викликані непостійністю імпеданс головки гучномовця. Для цього підсилювач, що працює на гучномовець, повинен мати вихідний опір, набагато більший, ніж складові імпедансу Rг і Xг (2p fLг) РР. Тоді їх зміни практично не впливатимуть на струм у звуковій котушці, а отже, зникнуть і спотворення, спричинені цими змінами. З метою демонстрації ефективності такого методу зниження спотворень вимірювальна установка була доповнена резистором опором 47 Ом (тобто значно більше модуля імпедансу досліджуваної ГГ), включеним послідовно з ГГ. Для збереження колишньої величини звукового тиску рівні сигналів на виходах підсилювачів відповідно були збільшені. Ефект переходу на струмовий режим очевидний з порівняння відповідних осцилограм: паразитна модуляція високочастотного сигналу на екрані нижнього осцилографа значно менша і ледве видно, величина її не перевищує 2...3% - очевидно різке зниження спотворень ГГ. Знавці можуть заперечити, що для зменшення непостійності імпедансу звукової котушки існує безліч способів: це і заповнення зазору магнітної рідини, що охолоджує, і встановлення мідних ковпачків на керни магнітної системи, і ретельний підбір профілю керна і щільності намотування котушки, а також багато іншого. Однак усі ці методи, по-перше, не вирішують проблему в принципі, а по-друге, ведуть до ускладнення та подорожчання виробництва ГГ, унаслідок чого не знаходять повного застосування навіть у студійних гучномовцях. Саме тому більшість середньочастотних та низькочастотних ГГ не має ні мідних ковпачків, ні магнітної рідини (у таких ГГ при роботі на повній потужності рідина нерідко викидається із зазору). Отже, живлення ГГ від високоомного джерела сигналу (у межі - від джерела струму) є корисним та доцільним способом зниження їх інтермодуляційних спотворень, особливо при побудові багатосмугових активних акустичних систем. Демпфування основного резонансу при цьому доводиться виконувати акустичним шляхом, оскільки власна акустична добротність середньочастотних ГГ, як правило, значно перевищує одиницю, досягаючи 4...8. Цікаво, що саме такий режим "струмового" живлення ГГ має місце в лампових УМЗЧ з пентодним або тетродним виходом при неглибокій (менше 10 дБ) ООС, особливо за наявності місцевої ООС струму у вигляді опору в ланцюгу катода. У процесі налагодження такого підсилювача його спотворення без загальної ООС зазвичай виявляються в межах 2% і впевнено помітні на слух при включенні в розрив контрольного тракту (метод порівняння з "прямим проводом"). Однак після підключення підсилювача до гучномовця виявляється, що зі збільшенням глибини зворотного зв'язку звучання спочатку покращується, а потім відбувається втрата його детальності і прозорості. Особливо чітко це помітно у багатосмуговому підсилювачі, вихідні каскади якого працюють безпосередньо на відповідні голівки гучномовців без будь-яких фільтрів. Причина цього, здавалося б, парадоксального явища у цьому, що зі збільшенням глибини ООС по напрузі вихідний опір підсилювача різко знижується. Негативні наслідки харчування РР від УМЗЧ з малим вихідним опором розглянуті вище. У тріодному підсилювачі вихідний опір, як правило, набагато менше, ніж у пентодному або тетродному, а лінійність до введення ООС вище, тому введення ООС за напругою покращує роботу підсилювача окремо, але разом з тим ще більше погіршує роботу головки гучномовця. Як наслідок, в результаті введення ООС з вихідної напруги в тріодний підсилювач звук, дійсно, може ставати гіршим, незважаючи на покращення характеристик підсилювача! Цей емпірично встановлений факт є невичерпною їжею для спекуляцій на тему шкоди від застосування зворотних зв'язків у звукових підсилювачах потужності, а також міркувань про особливу, лампову прозорість і природність звучання. Однак із вищерозглянутих фактів з усією очевидністю випливає, що справа не в наявності (або відсутності) самої по собі ООС, а в результуючому опорі підсилювача. Ось де "собака закопана"! Варто сказати кілька слів щодо використання негативного вихідного опору УМЗЧ. Так, позитивний зворотний зв'язок (ПОС) струмом допомагає задемпфувати ГГ на частоті основного резонансу і зменшити потужність, що розсіюється на звуковій котушці. Однак за простоту та ефективність демпфування доводиться платити зростанням впливу індуктивності ГГ на її характеристики, навіть у порівнянні з режимом роботи від джерела напруги. Це спричинено тим, що постійна часу Lг/Rг замінюється на велику, рівну Lг/[Rг+(-Rвих.)]. Відповідно знижується частота, починаючи з якої сумі імпедансів системи " РР + УМЗЧ " починає домінувати індуктивне опір. Аналогічно збільшується і вплив теплових змін активного опору звукової котушки: сума змінного опору звукової котушки і незмінного негативного вихідного опору підсилювача у відсотковому відношенні змінюється сильніше. Звичайно, якщо Rвих.РОЗУМ за абсолютною величиною не перевищує 1/3...1/5 від активного опору обмотки звукової котушки, втрата від введення ПІС невелика. Тому слабку ПІС струму для невеликого додаткового демпфування або для точного підстроювання добротності в низькочастотній смузі застосовувати можна. Крім того, ПІС по струму та режим джерела струму в УМЗЧ не сумісні між собою, внаслідок чого струмове живлення ГГ в низькочастотній смузі, на жаль, виявляється не завжди застосовним. З інтермодуляційними спотвореннями ми, певне, розібралися. Тепер залишилося розглянути друге питання - величину та тривалість призвуків, що виникають у дифузорі ГГ при відтворенні сигналів імпульсного характеру. Це питання набагато складніше і "тонше". Як відомо, дифузори ГГ вважатимуться нескінченно жорсткими лише у дуже грубому наближенні. Насправді вони при коливаннях суттєво згинаються, причому дуже химерним чином. Це з наявністю великої кількості паразитних резонансних частот дифузора і рухомий системи ГГ загалом. Після проходження імпульсного сигналу вільні коливання на кожній з резонансних частот загасають не відразу, породжуючи призвуки, забарвлюють звучання та приховують ясність та детальність, погіршуючи стереоефект. Для виключення цих покликів теоретично є дві можливості. Перша - це зрушити всі резонансні частоти межі робочого діапазону частот, у область далекого ультразвуку (50...100 кГц). Цим способом користуються розробки малопотужних високочастотних ГГ і деяких вимірювальних мікрофонів. Стосовно ГГ - це спосіб "жорсткого" дифузора. Друга можливість - це зниження добротності паразитних резонансів, щоб коливання загасали настільки швидко, що їх не можна почути. Для цього необхідно застосування "м'яких" дифузорів, втрати при згинанні яких настільки великі, що добротність паразитних резонансів виявляється близькою до одиниці. Однак нелінійні спотворення та максимальний звуковий тиск ГГ з "м'яким" дифузором виявляються дещо гіршими, ніж у ГГ з "жорстким" дифузором. З іншого боку, ГГ з "м'якими" дифузорами, як правило, значно виграють за ясністю, незабарвленістю та прозорістю звучання. Так ось, можливий і третій варіант - використання ГГ з відносно жорстким дифузором і введення її акустичного демпфування. І тут вдається певною мірою поєднати переваги обох підходів. Саме в такий спосіб найчастіше будуються студійні контрольні гучномовці (великі монітори). Природно, що при харчуванні демпфованої ГГ джерела напруги через різке падіння повної добротності основного резонансу істотно спотворюється АЧХ. Джерело струму в цьому випадку також виявляється кращим, оскільки сприяє вирівнюванню АЧХ одночасно з виключенням ефекту термічної компресії. Що ж до призвуків, що виникають через вільні коливання дифузорів ГГ, то, оскільки паразитні резонансні частоти розташовані, зазвичай, набагато вище частоти основного резонансу, режим роботи ГГ - із джерелом струму чи напруги - практично ніякого впливу них не надає. Єдиний прямий спосіб боротьби з паразитними резонансами – акустичне демпфування. Однак ймовірність їх збудження при живленні ГГ джерела струму виявляється меншою, оскільки ці резонанси стають найбільш помітними при їх збудженні продуктами спотворень. Як абсолютні, і відносні амплітуди цих продуктів спотворень при цьому режиму роботи ГГ виявляються значно менше. Узагальнюючи вищевикладене, можна зробити такі практичні висновки: 1. Режим роботи головки гучномовця від джерела струму (на противагу джерелу напруги) забезпечує істотне зниження інтермодуляційних спотворень, що вносяться головкою. 2. Найбільш доцільний варіант конструкції гучномовця з низькими інтермодуляційними спотвореннями - активний багатосмуговий, з роздільним фільтром (кросовером) та окремими підсилювачами на кожну смугу. Втім, цей висновок справедливий незалежно від режиму харчування ГР. 3. Робота головок джерел струму викликає необхідність акустичного демпфування їх основного резонансу, унаслідок чого попутно досягається і деяке демпфування паразитних резонансів рухомий системи. Це покращує імпульсні характеристики гучномовця та сприяє усуненню додаткового забарвлення звучання. 4. З метою отримання високого вихідного опору підсилювача та збереження малої величини його спотворень слід застосовувати ООС не за напругою, а за струмом. Звичайно, автор розуміє, що запропонований метод зниження спотворень не є панацеєю. Крім того, у разі використання готового багатосмугового гучномовця здійснення струмового живлення окремих ГГ без переробки неможливе. Спроба підключення багатосмугового гучномовця загалом до підсилювача з підвищеним вихідним опором призведе не стільки до зниження спотворень, скільки до різкого спотворення АЧХ і, відповідно, збою тонального балансу. Проте зниження інтермодуляційних спотворень ГГ майже на порядок, причому таким доступним методом, явно заслуговує на гідну увагу. Автор дякує співробітникам НІКФД Сирицо А.П. за допомогу при проведенні вимірювань та Шрайбмана А.Е. за обговорення результатів. Автор: С. Агєєв, м. Москва; Публікація: cxem.net
Штучна шкіра для емуляції дотиків
15.04.2024 Котячий унітаз Petgugu Global
15.04.2024 Привабливість дбайливих чоловіків
14.04.2024
▪ Процесори Freescale для прикладних електронних пристроїв ▪ Плащ-невидимка вирівнює магнітні поля ▪ Супутники дистанційного зондування Yaogan-30-09 ▪ Пуголовку насипали солі на хвіст
▪ розділ сайту Індикатори, датчики, детектори. Добірка статей ▪ стаття Чудо-піч. Поради домашньому майстру ▪ У чому специфіка Реформації у Франції? Детальна відповідь ▪ стаття Кубинський шпинат. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Інфрачервоний порт для комп'ютера Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Реверс для дриля. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page