Как найти выходное напряжение усилителя

Каждый электронщик должен знать основные параметры усилителя, так как усилитель в электронике используется абсолютно везде. В этой статье мы рассмотрим самые важные параметры усилителей.

Входное и выходное сопротивление

Кто в первый раз сталкивается с этими понятиями, читайте эту статью. Кому лень читать, вкратце объясню здесь из прошлой статьи. Каждый усилительный каскад имеем свое входное и выходное сопротивление. На схеме R_вх и R_вых

Входное сопротивление усилителя находится по формуле R_вх =U_вх / I_вх . Думаю, здесь вопросов возникать не должно. Эта формула справедлива как для постоянного тока, так и для переменного. В случае с постоянным током — это у нас будет усилитель постоянного тока (УПТ).

Немного иначе обстоят дела с выходным сопротивлением. В теории, можно замкнуть выходные клеммы 3 и 4 накоротко. В этом случае во выходной цепи усилителя у нас появится ток короткого замыкания I_кз

Более наглядно:

Ну и по закону Ома нетрудно догадаться, что R_вых = E_вых / I_{кз .} Но как же найти Е_вых ? Достаточно разомкнуть цепь и просто и замерить напряжение мультиметром. Это и будет E_вых. Физический смысл очень простой. Так как вольтметр обладает очень высоким входным сопротивлением, то в цепи у нас почти не будет течь ток, так как по закону Ома I=U/R. А если сопротивление нагрузки бесконечно большое, то, следовательно, I_кз будет бесконечно малое.

В этом случае этим бесконечно маленьким током можно пренебречь и считать, что в цепи нет никакой силы тока. А раз сила тока равна нулю, то  и падение напряжения на R_вых также будет равняться нулю или формулой: U_Rвых = IR_вых = 0 Вольт. Следовательно, на клеммах 3 и 4 мы будем замерять E_вых .

Выходное сопротивление усилителя можно найти двумя способами: теоретическим и практическим. Теоретический способ, часто сложен, поскольку неизвестны многие параметры «черного ящика», называемого усилителем. Проще определить выходное сопротивление практическим путем.

[quads id=3]

Как найти выходное сопротивление на практике

Что нужно для этого? Номинальная мощность усилителя и допустимое напряжение на выходе. Не важно — усилитель это постоянного или переменного тока (напряжения). Тестирование усилителя любого типа желательно выполнять на уровне 70% допустимой выходной мощности. Это общая практика.

Если вы не забыли, мультиметр в этом случае нам покажет ЭДС  E_вых , т. е. в данном случае E_вых = U_вых . (Что такое ЭДС).

Номинал нагрузочного сопротивления должен выбираться исходя из допустимого тока и мощности усилителя.

Пример:

Выходная мощность усилителя 10 Вт, допустимое выходное напряжение (эффективное) 100 В. В этом случае, резистор нагрузки должен иметь сопротивление не менее R=U²/P = 10000/10 = 1 кОм. Мощность резистора: P_R = U²/R = 10000/1000 = 10 Вт

Какой же физический смысл этого опыта? В результате этих шагов,  у нас цепь станет замкнутой, а два сопротивления, R_вых и R_н , образуют делитель напряжения. Сюда же можно приписать закон Ома для полной цепи, который выражается формулой:

где

I — сила тока в цепи, А

E — ЭДС, В

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом

Применительно к нашей ситуации, формула будет иметь такой вид:

Отсюда получаем:

Или словами, ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

Как вы могли заметить, падение напряжения на сопротивлении R_вых зависит от силы тока в цепи. Чем больше сила тока в цепи, тем больше падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых . Но от чего же зависит сила тока в цепи? От нагрузки R_н ! Чем она меньше, тем больше сила I_вых в цепи, тем больше будет падение напряжения на R_вых , а значит, падение напряжения на U_Rн будет меньше.

Теперь, зная этот принцип, можно косвенно вычислить выходное сопротивление R_вых .

Шаг номер 3: Замеряем напряжение на нагрузке U_Rн. Вспоминаем формулу выше:

отсюда

из формулы

Получаем, что

Далее что нам требуется — это увеличивать входное напряжение и снимать выходное напряжение — так мы увидим всю нелинейность выходной характеристики от тока и сможем замерить выходное сопротивление в диапазоне нагрузок, так как большинство усилителей мощности имеют нелинейность выходного сопротивления от допустимого тока нагрузки.

Коэффициент усиления

Про коэффициенты усиления мы писали еще в прошлой статье.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон — это диапазон частот, где коэффициент усиления изменяется в допустимых пределах, заданных в технических условиях на усилитель. Для этого надо построить АЧХ усилителя. Обычно этот предел устанавливается на уровне -3 децибел. Почему именно -3 дБ? В свое время так было удобнее учитывать передаваемую энергию. В полосе — 3 дБ передается 50% мощности сигнала.

Но иногда требуется незначительное изменение коэффициента усиления. Например, в -1 дБ. В этом случае рабочий диапазон частот усилителя будет меньше:

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Фон

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум  будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я  про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Отношение сигнал/шум

Пусть у вас дома стоит телевизор, который ловит аналоговое вещание. На экране телевизора мы видим четкую картинку:

Но вдруг антенна на крыше вашего дома из-за сильного ветра чуток отклонилась в сторону и изображение ухудшилось

Потом антенна вообще упала с крыши, и на телевизоре мы видим теперь что-то типа этого

В каком случае отношение сигнал/шум будет больше, а в каком меньше? На первой картинке, где четкое изображение, отношение сигнала к шуму будет очень большое, так как не первой картинке мы простым взглядом не можем уловить каких-либо помех на изображении, хотя по идее они есть).

На второй картинке мы видим, что в изображении появились помехи, которые делают некомфортным просмотр картинки. Здесь отношение сигнала к шуму  уже будет намного меньше, чем на первой картинке.

Ну и на третьей картинке шумы почти полностью одолели изображение. В этом случае можно сказать , что отношение сигнала к шуму будет ну очень малым.

Отношение сигнал/шум является количественной безразмерной величиной.

В аналоговой электронике для нормальной работы усилителя полезный сигнал должен в несколько раз превышать шумы, иначе это сильно скажется на качестве усиления, так как полезный сигнал суммируется с шумовым.

Отношение сигнал/шум в англоязычной литературе обозначается как SNR или S/N.

Так как порой это отношение достигает очень больших значений в цифрах, поэтому чаще всего его выражают в децибелах:

где

U_cигнал —  среднеквадратичное значение полезного сигнала, В

U_шум  — среднеквадратичное значение шумового сигнала, В

P_сигнал  — мощность сигнала

P_шум  — мощность шума

То есть в нашем случае с котиком на первой картинке амплитуда  полезного видеосигнала в разы превосходила амплитуду шума, поэтому первая картинка была четкой. На третьей картинке амплитуда полезного видеосигнала почти была равна амплитуде шума, поэтому картинка получилась очень зашумленной.

Еще один пример. Вот синусоидальный сигнал с SNR=10:

А вот тот же самый синус с SNR=3

Как вы могли заметить, сигнал с SNR=10 намного «чище», чем с SNR=3.

SNR чаще всего можно увидеть при описании характеристик усилителя звука. Чем выше SNR, тем лучше по качеству звучания будет усилитель. Для HI-FI систем звучания этот показатель должен быть от 90 дБ и выше.  Для телефонных разговоров вполне достаточно и 30 дБ.

На практике SNR измеряется на выходе усилителя с помощью милливольтметра с trueRMS, либо с помощью анализатора спектра.

[quads id=3]

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя — это зависимость амплитуды сигнала на выходе от входного сигнала при фиксированной частоте. Обычно она составляет 1 кГц.

Амплитудная характеристика идеального усилителя по идее должна выглядеть вот так:

Это луч, который начинается от нулевой точки отсчета координат и простирается в бесконечность.

Но на самом деле реальная амплитудная характеристика усилителя выглядит вот так:

Здесь мы видим, что если даже входное напряжение U_вх =0, то на выходе усилителя мы все равно получим какой-то уровень сигнала. Это будет напряжение шума U_ш .

Динамический диапазон усилителя

Динамический диапазон — это отношение максимально допустимого уровня выходного сигнала к его минимальному уровню, при котором  обеспечивается заданное отношение сигнал/шум:

Чтобы понять концовку определения «обеспечивается заданное отношение сигнал/шум» динамического диапазона, давайте рассмотрим наш рисунок:

Допустим, наш усилитель должен иметь SNR=90 дБ. Будет ли правильно, если мы возьмем U_{вых мин}  за  U_шум?

Конечно же нет!  В этом случае в этой точке на графике амплитуды сигнала и шума будут равны, а следовательно, по формуле

получим, что SNR=0 дБ.

Непорядок. Значит, надо взять такое значение U_вых , при котором бы соблюдалось равенство

Допустим, что U_шум =1 мкВ, подставляем в формулу

Из этого уравнения находим U_вых . Это  будет как раз являться U_{вых. мин.} для формулы:

при SNR=90.  В нашем случае это будет точка А.

U_{вых макс} берем в точке B, так как в этом случае это максимальное значение, при котором у нас в усилителе не возникают нелинейные искажения (о них чуть ниже).

Рабочая область усилителя будет обеспечиваться на отрезке АВ. В этом случае у нас будут минимальные искажения в сигнале, так как эта область линейная. Отношение максимально допустимого выходного сигнала к уровню шума — это предельный уровень динамического диапазона для аналогового усилителя.

Для усилителей звука выход за пределы этой рабочей области в большую сторону будет чреват нелинейными искажениями, а в меньшую — полезный сигнал задавят помехи. Да вы и сами, наверное замечали, что выкрутив на полную катушку ручку громкости дешевой китайской магнитолы, у нас качество звучания оставляло желать лучшего, так как в дело «вклинивались» нелинейные искажения.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД представляет из себя отношение мощности на нагрузке усилителя к мощности, которая потребляется усилителем от источника питания

где

P_вых  — это мощность на нагрузке, Вт

P_и.п.  — мощность, потребляемая источником питания, Вт

Искажения, вносимые усилителем

Искажения определяют сравнением формы сигнала на входе и на выходе. Идеальным является усилитель, который в точности повторяет форму сигнала, поданного на вход. Но так как наш мир не идеален, и радиоэлементы тоже не идеальны, то и на выходе у нас сигнал будет всегда немного искаженный. Главное, чтобы эти искажения не были столь критичны.

В основном искажения делятся на 4 группы:

• Частотные
• Фазовые
• Переходные
• Нелинейные

Частотные искажения

Частотные искажения возникают вследствие того, что коэффициент усиления во всем диапазоне частот не одинаковый. Или простыми словами, какие-то частоты усиливаются хорошо, а какие-то плохо). Чтобы в этом разобраться, достаточно посмотреть на АЧХ усилителя.

В данном случае мы можем увидеть, что низкие и высокие частоты будут усиливаться меньше, чем средние частоты. А так как сложный сигнал состоит из множества частотных составляющих, вследствие этого и возникнут частотные искажения.

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают из-за того, что разные частоты с разной задержкой по времени появляются на выходе усилителя. Какие-то частоты запаздывают больше, а какие-то меньше. Давайте все это рассмотрим на примере двух картинок.

Допустим, мы «загоняем» на вход синусоидальный сигнал с низкой частотой и на выходе получаем уже усиленный сигнал, но немного с небольшой задержкой.

Но также не забывайте, что катушки и конденсаторы являются частото-зависимыми радиоэлементами. Их реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала, поэтому, прогоняя через усилитель сигнал с другой частотой, мы получим уже совсем другую задержку сигнала

То есть в нашем случае t₁ ≠ t₂ . Хорошо это или плохо?  Если мы будем усиливать синусоиду, то в принципе нам по барабану. Какая разница раньше он появится на выходе или позже? Главное то, что сигнал будет усиленный.

Все бы ничего, но стоит помнить, что сложные сигналы состоят из суммы множества синусоид различных частот и амплитуд.

Чтобы понять, что такое сумма сигналов, достаточно рассмотреть вот такие примеры:

ну и еще один, мне не жалко)

Складываем амплитуды в одинаковые моменты времени и получаем сумму этих двух сигналов.

А вот так из разных синусоид разных частот складывается прямоугольный сигнал:

В данном случае мы пытаемся «собрать» прямоугольный сигнал из суммы синусоид разных амплитуд и частот.

Но так как у нас усилитель задерживает разные сигналы по частоте по-разному, то у нас между сигналами происходит разнобой. Лучше всего это объяснит рисунок ниже. Имеем два синусоидальных сигнала с разной частотой и амплитудой:

Если их сложить, получим сложный сигнал:

Но что будет, если второй сигнал сдвинется по фазе относительно первого?

Смотрим теперь сумму этих сигналов:

Абсолютно другой сигнал! Чувствуете разницу? Чуток сдвинули фазу, а форма сигнала уже поменялась.

То есть на выходе усилителя мы хотели получить вот такой усиленный сигнал:

а получили такой:

В результате фазовых искажений наш сложный сигнал, состоящий  из двух синусоид, поменял форму. На выходе усилителя мы получили совсем другой сигнал. А как вы помните, роль усилителя заключается в том, чтобы усиливать сигнал, сохраняя при этом его форму.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя — это график зависимости угла сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Выглядеть она может примерно вот так:

где

φ — это сдвиг фазы относительно входного и выходного сигнала

f — частота сигнала

Человеческое ухо не замечает фазовых искажений, несмотря на то, что даже изменяется форма сигнала. Поэтому при проектировании звуковых усилителей  фазовые искажения не принимают во внимание.

Частотные искажения и фазовые искажения относят к линейным искажениям, так как оба вида искажений  обусловлены линейными элементами схемы.  Если сказать по научному, у нас в спектре сигнала не появляется дополнительных гармоник.

Переходные искажения

Переходным искажением называют искажение прямоугольного импульса, которое подается на вход усилителя. На выходе такой импульс будет иметь уже другую форму, вызванную искажением сигнала внутри самого усилителя.

Для оценки переходных искажений используют переходную характеристику. Она представляет из себя зависимость напряжения или тока на выходе усилителя от времени от подачи на его вход прямоугольного импульса.

На рисунке ниже имеем прямоугольный сигнал, который подаем на вход усилителя, а на выходе усилителя уже будет искаженный усиленный сигнал. Это искажения вызваны, как обычно, с наличием в схеме усилителя реактивных радиоэлементов, то есть тех же самых катушек индуктивности и конденсаторов.

Для оценки переходных искажений используют такие параметры:

U_m — это амплитуда импульса, отсчитывается от плоской вершины импульса, В

ΔU_в — это выброс фронта импульса, В

ΔU_с — спад вершины импульса, В

Следующие два параметра измеряются в диапазоне от 0,1U_m  и до 0,9U_m :

t_ф  — длительность фронта импульса

t_c — длительность спада импульса

А длительность самого импульса t_и измеряется на уровне 0,5U_m .

Нелинейные искажения

Ну и напоследок мы с вами разберем нелинейные искажения. Нелинейными она называются из-за того, что такие искажения уже меняют форму сигнала, в отличие от линейных искажений. Все дело в том, что электронные лампы и полупроводники имеют нелинейную характеристику. Давайте рассмотрим все это дело более подробно.

Как вы могли заметить, на выходе у нас форма сигнала изменилась. Нашу верхнюю часть синусоиды усиленного сигнала немного «придавило». То есть мы подавали сигнал одной формы, а вышел сигнал совсем другой формы. Это не есть хорошо и с этим надо бороться.

Если сказать более научным радиотехническим языком, в нашем сигнале появились дополнительные гармоники, которых не было в исходном сигнале. В данном случае мы на вход загоняли простой синусоидальный сигнал, состоящий из одной гармоники, а получили на выходе сложный сигнал, состоящий уже из нескольких гармоник.

Для количественной оценки нелинейных искажений используется коэффициент гармонических искажений (КГИ). Он выражается формулой:

Эта величина находится как отношение среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала.

или на английский манер

Также есть и подобный параметр коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Он выражается формулой:

на английский манер

Эти два параметра выражаются в процентах. Для малых значений коэффициенты КГИ и КНИ почти совпадают. Так что коэффициент искажений можно считать как по первой, так и по второй формуле.

Консультант Jeer

Надеюсь никто не будет против если я открою эту темку.

Вот что меня заинтересовало.

Есть у меня две формулы для измерения выходной мощности усилителей

Первый способ:

Замеряем максимальное напряжение на выходе усиителя к примеру оно 23вольта.Дальше делим его на сопротивление нагрузки например 4.1ом получаем ток 5.6ампер и считаем по закону ома 5.6а*23вольта=128ватт это мощность усилителя.

23/4,1=5,6ампер

5,6*23=128ватт

(U/Rн)*U=Pвых

Второй способ:

Усилитель на выходе максимум выдает 23В.Считаем 23*23=529/(сопротивлние нагрузки 4.1Ом) = 129Вт это максимум, что выдает усиль, хочеться замерить сколько выдает без слышимых (а не ноль стотысячных процента) искажений? выкручиваешь звук до тех пор затем снова меришь и опять по формуле

23вольта*23вольта=529

529/4,1ом=129ватт

U_вых(max)²/R_H=P_(max)

Вроде оба способа верны.Но есть пара вопросов.

—Почему на вход усилителя обычно советуют подовать синус 1кГц???Ведь если подать реальный музыкальный сигнал напряжение на выходе усилителя будет выше на 70% (а следственно и мощность посчитаная по формулам).

На этот вопрос мне был дан такой ответ:

Макс. напряжение на выходе усилителя есть величина, не зависящая от типа входного сигнала.

Pвых обычно указывается синусоидальная, и считается по действующему значению напряжения на выходе. Действующее значение музыкального сигнала подсчитать не представляется возможным.

Но если так то замерив на одном из свойх усилителей мощность я получил такие результаты:

На вход подал синус 1кГц (нагрузка 6ом)на выходе получил 4вольта=2,6ватта

А подав музыкальный сигнал получил (максимум) 12вольт=24ватта

И какой тогда результат считать верным???

И второй вопрос.

-Я нашел еще один метод измерения Pвых усилителя

http://oldoctober.com/ru/tesr_power/

Но взяв формулу из этого метода:

[28 (Вольт) x 28 (Вольт)] : [2 x 4 (Ома)]= 98 Ватт

P = (U x U) : (2 x R)

P– выходная мощность усилителя в Ваттах,

U – выходное напряжение усилителя в Вольтах,

R – сопротивление нагрузки (колонки) в Омах.

Получается что она дает иной результат в отличие от выше выложенных формул.

Помогите пожалуйста разобраться какой метод верный.И какой сигнал всеже подовать на вход усилителя.

Заранее благодарю

Изменено 4 августа, 2011 пользователем Дима 1991

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы — слишком просто? Вам сюда. Продолжаем. >

Измерение выходной мощности усилителей звуковой частоты.

Возьмём обычный усилитель НЧ с напряжением питания +12 Вольт, сопротивлением нагрузки 4 Ом, присоединим к нагрузке осциллограф, а к входу — генератор синусоидального сигнала, (рис.1)

включим всё и наблюдаем на экране осциллографа «весёлые картинки» — синусоиду, пока она не достигнет видимых искажений (рис.2а). (Примечание Учёного кота: менее 3% искажения простым глазом не заметны. О том, что такое искажения, поговорим в другой статье.)

Площадь, занимаемую синусоидой, можно вычислить (или измерить) и заменить эквивалентным напряжением постоянного тока той же площади (рис.2б).

Это напряжение называется СреднеКвадратичным напряжением — СКВ (англоязычная аббревиатура — RMS), в просторечии — «эффективным». Таким образом можно найти эквивалентное напряжение для любой формы тока (рис.2в,г,д).

Для треугольного, прямоугольного, синусоидального, экспоненциального тока есть математические выражения для эквивалентного преобразования. Для простоты понимания на рисунках изображены половины периодов симметричных сигналов. Появление компьютерной регистрации позволяет выполнить численное интегрирование любой функции без поиска его математического выражения. Для чего всё это надо? Найденный эквивалентный постоянный ток будет производить ту же тепловую работу, что и наш исследуемый ток.

Любой переменный ток можно характеризовать следующими видами напряжения:
Амплитудное — синие стрелки (понятно из названия и рисунков);
Среднее — среднеарифметическое всех мгновенных значений сигнала за измеряемый период (на рисунках не показано);
Среднеквадратичное — красные стрелки (рассмотрено выше).
Для облегчения понимания указанных видов напряжения можно нарисовать их на миллиметровке и самостоятельно просуммировать численные значения напряжения (для синусоидального, прямоугольного и треугольного напряжения ).
Большинство вольтметров переменного напряжения имеют схему выпрямления переменного тока, соответствующую среднему напряжению — как самую простую, а градуировку показывающей шкалы — в СКВ. При измерении синусоидальных токов и напряжений это не вызывает никаких затруднений, а если ток или напряжение отличаются от синусоиды — придётся вводить поправочные коэффициенты.

Теперь вспомним начала начал — Закон Ома: I=U/R, а также формулы для вычисления мощности постоянного тока — P=U*I=I2R=U2/R.
Для синусоидального тока (и напряжения) формула вычисления мощности по измеренному осциллографом амплитудному напряжению будет выглядеть так:
P = (0,707U)2/Rн = U2/2Rн
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока.
Мы пришли к практическому способу измерения выходной мощности усилителя с помощью измерения амплитуды сигнала на экране осциллографа (рис.2б).
Механическая мощность — это работа за 1 секунду. Электрическая мощность не содержит параметра времени в явном виде; подразумевается (но не соблюдается, причём именно при измерении мощности усилителей низкой частоты), что это — тоже 1 секунда. Например, для меандра частотой 100 Гц за время 10 мс в любой момент СКВ напряжение равно его амплитудному значению (рис.2в)

А кто мешает распространить такой подход и к синусоидальному сигналу? Для части синуса 100Гц за время 1мс (рис.2е) получим практически прямоугольник, для которого коэффициент перевода амплитудного напряжения в СКВ равен 1, и соответственно мгновенную мощность в два раза больше, чем за целый полупериод 10 мс.

Но это ещё не всё! Можно измерить размах напряжения при переходе от минимального до максимального значения (рис.2ж) за очень небольшой период времени и получить мощность ещё больше! Вот они — десятки ватт от бумбокса и сотни ватт от бытового усилителя!

Сведём полученные результаты в таблицу.

Мы рассмотрели измерение мощности на активной нагрузке (например, на мощном проволочном резисторе), обычно применяемой при испытании усилителей. Внимательный радиолюбитель, измеряя сопротивление динамика цифровым омметром, обнаружит, что оно окажется меньше, чем 4 ома, например, 3,8 ом. «Ага, значит, я получу больше, чем указано в таблице!» — воскликнет он — и будет прав, но не совсем. Дело в том, что динамик имеет две составляющие сопротивления — активную, которую можно измерить любым омметром, и индуктивную — зависящую от числа витков катушки динамика и его магнитных свойств (измеряемую измерителем RCL).
Возьмём для примера динамик 3ГД-32-75 с номинальным сопротивлением катушки по постоянному току R=4 Ома; индуктивностью L=150 микроГенри. Полное сопротивление Z динамика состоит из двух компонент — активной Rx и индуктивной XL. Рассчитаем их для двух частот:

Видим, что на 10 кГц сопротивление реальной нагрузки выросло в 2,5 раза, а мощность, отдаваемая в эту нагрузку, соответственно уменьшилась в те же 2,5 раза (рис.3 б). А теперь вспомним, что на входе усилителя (и на выходе) присутствует конденсатор.

Предположим Rвх=100 кОм, ёмкость конденсатора Свх= 0,1 мкФ. На частоте 1 кГц его сопротивление будет 1,6 кОм; на частоте 100 Гц — 16 кОм; на частоте 10 Гц — 160 кОм, т.е. напряжение, поступающее на вход первого каскада усилителя, уменьшится в 0,38 раза, а пропорционально этому — и выходная мощность (рис.3в).

Аналогичный расчёт для влияния выходной ёмкости Свых= 1000 мкФ даёт: 1 кГц — 0,16 Ом; 100 Гц — 1,6 Ом; 10 Гц — 16 Ом. В последнем случае на нагрузку 4 Ом будет поступать всего 0,2 выходного напряжения, и отдаваемая мощность снизится до 1/25 от максимально возможной (рис.3г). Поэтому не ленитесь рассчитать минимально необходимые ёмкости входного и выходного конденсаторов для получения заданной частотной характеристики в области низких частот.

Но это опять таки ещё не всё! Если наш громкоговоритель -двух- или трёхполосный- поведение полного сопротивления громкоговорителя из-за влияния индуктивностей, конденсаторов и резисторов разделительных фильтров предсказать достаточно сложно, проще провести измерения (рис.3е). (Примечание премудрого кота. Да, в общем, это не слишком то и нужно.)

Подведём итоги.

Все вопросы в Форум, заходите.

Удачи.

Сэр Мурр

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

---

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Измерение основных
параметров усилителя

Прежде чем
проверять динамики,
колонки или наушники, убедитесь в том, что
ваш усилитель (или стационарный, или
встроенный в активные колонки, или
звуковой карты компьютера) имеет
достаточно хорошие технические
характеристики (параметры). Т.е.
насколько прямолинейна и широка его АЧХ,
может ли он выдавать все частоты с одинаковым
уровнем, без завала по низким частотам (чем
часто грешат усилители низкого качества).

Заодно можно
определить, развивает ли он заявленную
изготовителем максимальную мощность
(Pmax) и какое выходное сопротивление (Rвых)
имеет.

---

Методика проверки амплитудно-частотной
характеристики

Для измерения амплитудно-частотной
характеристики (АЧХ) в один из каналов (левый или
правый) вместо колонки в качестве
нагрузки усилителя проводниками подключите
резистор
любого типа, сопротивлением 5-10ом.
Парал­лельно резистору
подключите вольтметр пере­менного
тока (цифровой в данном случае удобнее
стрелочного), и, подав с компьютера
сигнал генератора
звуковых частот (объём
архива 22Кб.) на частоте
1000 герц регулятором громкости
установите
выходное напряжение, например 1вольт (1000
милли­вольт),
далее, не меняя уровень сигнала,
уменьшайте частоту генератора (в диапа­зоне
1000-100 герц кнопкой
«-100», в диапазоне 100-20 герц кнопкой «-10») начиная от 1000гц. и до 20гц. включительно (при этом регуляторы
тембра на усилителе должны стоять в
среднем положении или отключены, т.е. его АЧХ должна
быть прямолинейна (горизон­тальна).

Напряжение на выходе усилителя НЕ ДОЛЖНО 
меняться
более чем на ±2 децибела (или в 1,25 раза), но чем
меньше, тем лучше (в нашем случае, оно должно
находиться в пределах между 0,8-1,25 вольт,
или 800-1250
милли­вольт). Идеальный вариант —
все частоты выдаются с одинаковым
уровнем.

Ну а если завал напряжения по
низким частотам составит 2 и более раз,
что соответ­ствует 6 децибел и более (т.е.
напряжение опустится до 0,5 вольт и менее),
то ваши колонки никогда не смогут
звучать во всей своей красе. К тому же,
при нелинейной характеристике
усилителя вы не сможете точно
определить резонансную частоту динамиков.
Пример такой
нелинейной АЧХ показан на рисунке слева (см. синюю кривую).

Точно также
проверяется и второй канал усилителя. В случае
значительного спада сигнала на низких
частотах желательно поменять усилитель
на более качественный.

---

Измерение выходного
сопротивления усилителя

От величины
выходного сопротивления зависят
коэффициент демпфирования и интер­модуляционные искажения,
также оно напрямую влияет
на общую добротность системы. Выходное сопротивление
усилителя мощности должно находиться в
пределах 1/10-1/1000 от сопротивления нагрузки
и у современных усилителей имеет величину порядка 0,01-0,1 Ом.

Для его измерения в качестве
нагрузки усилителя проводниками подключите
резистор
любого типа, сопротивлением 4 или
8ом соответствующей мощности.
Параллельно выходу усилителя подключите вольтметр переменного
тока (цифровой в данном случае удобнее стрелочного), и,
подав с компьютера сигнал генератора
звуковых частот (объём
архива 22Кб.) на частоте
1000 герц регулятором громкости
установите выходное напряжение в
пределах от 1 до 5 вольт.

Вначале
нужно замерить выходное напряжение усилителя на холостом ходу (без
нагрузки). Потом проделать то же самое, нагрузив его на резистор. Все
величины, включая Rнагр, нужно измерять как можно точнее. Выходное
сопротивление вычисляется по формуле
Rвых=[(Uхх/Uнагр)-1]×Rнагр или
Rвых=[(Uхх-Uнагр)/Uнагр]×Rнагр. пример: [(5-4,9)/4,9]×8=0,163ом.

Таким образом можно определить выходное
сопротивление и на втором канале, и на любой частоте.

---

Измерение максимальной
мощности

Некоторые
пользователи хотят знать, какую
мощность реально выдают их усилители в
нагрузку, не доверяя характеристикам, заявленным
производителями. Это
можно сделать, но вам понадобятся:

1. мощный нагрузочный резистор
2. генератор
   звуковых частот
3. вольтметр переменного напряжения
4. осциллограф.

Самое сложное,
это купить или самостоятельно
изготовить мощный нагрузочный резистор
и найти
осциллограф. В крайнем случае, в качестве осциллографа
можно использовать компьютер или
ноутбук с программой «Виртуальный
осциллограф» из архива
(объём 0,3 Мб.). Подробное описание его
работы и схема адаптера (делитель
напряжения для согласования входа
звуковой карты компьютера с источником
исследуемого напряжения) имеются в
справке программы. Резистор можно
изготовить из спирали древнего утюга,
электрической плитки или
тепловентилятора.

В один из каналов (левый или
правый) вместо колонки в качестве
нагрузки усилителя проводниками подключите
резистор
любого типа, сопротивлением,
соответствующим расчётному
сопротивлению нагрузки вашего
усилителя. Оно указывается в инструкции
на аппаратуру и обычно составляет 8 или 4ом.
Мощность резистора должна быть
достаточной, чтобы он не сгорел во время
работы, т.е. не меньше предполагаемой выходной мощности усилителя
(если усилитель заявлен на 100 ватт на
канал, мощность резистора должна быть 100
ватт и больше).

Параллельно резистору
подключите вольтметр переменного
тока (лучше стрелочный, он показывает действующее значение
напряжения), а также осциллограф и,
подав с компьютера сигнал генератора
звуковых частот (объём
архива 22Кб.) на частоте 1000 герц регулятором громкости
установите выходное напряжение, например 1 вольт
(1000
милли­вольт). Наблюдайте форму
сигнала на осциллографе, далее, не меняя
частоту, увеличивайте амплитуду сигнала.

Синусоида будет увеличиваться по
высоте,
не искажая свою форму, но в какой-то
момент произойдёт её клиппирование, она как бы упрётся в «потолок и
пол», вместо закруглённой, её верхняя
и/или нижняя части станут
горизонтальными, как на рисунке справа,
т.е. начнётся ограничение сигнала по
амплитуде. Уменьшите амплитуду таким
образом, чтобы сигнал был на грани
клиппирования (ещё сохранял закругленную
форму). Напряже­ние, показанное в этот
момент на вольтметре, равно Umax. По
формуле P=U²/R рассчитайте максимальную
мощность усилителя.

Например, Umax=21v. R=4om.
Pmax=21²/4=110ватт. Если R=8ом, то Рmax=55ватт.

Таким же
способом можно проверить максимальную
выходную мощность на нижней частоте АЧХ усилителя (20
герц.), или на нижней частоте частотного
диапазона, указанного для ваших колонок,
например 40, 45 или 50 герц. Ограничение
синусоиды по амплитуде в идеале должно
происходить строго симметрично, на
обоих полуволнах сигнала.

Аналогично
замерьте мощность во втором канале
усилителя.

Нравится

вернуться
НАЗАД

ВЫЙТИ в
оглавление

Copyright © Полубоярцев А.В.

Необходимо
разработать усилитель низкой частоты
со следующими параметрами:

• напряжение
  входного сигнала U_вх
  = 25 мВ;

• входное
  сопротивление усилителя R_вх
  > 2000 Ом;

• коэффициент
  усиления по напряжению К_U>130;

• сопротивление
  нагрузки усилителя R_н
  = 800 Ом;

• нижняя
  частота полосы пропускания f_H
  = 20 Гц;

• верхняя
  частота полосы пропускания f_B
  = 16 кГц;

• коэффициент
  нелинейных искажений М_н
  = 1,1

Предварительный
расчет

Рассчитаем
мощность сигнала на входе усилителя:

Р_вх
= U²_вх/
4 R_г
, (2.1)

где
U_вх
– действующее значение напряжения
источника сигнала

R_г
– внутреннее сопротивление источника
сигнала

Р_вх
= (25·10^-3)²
/4·800 = 0,000000195 Вт

Рассчитаем
мощность сигнала на выходе усилителя:

Р_вых
= U²_вых
.m
/
2 R_н
, (2.2)

Выходное
напряжение можно рассчитать по формуле:

U_вых.m
= U_вх
√2·K_U
(2.3)

U_вых.m
= √2· 25·10^-3·130
= 4,59 В

Подставим
в формулу 2.2 найдем мощность на выходе

Р_вых
= 4,59²/
2·800 = 0,013 Вт = 13 мВт.

Коэффициент
усиления по мощности рассчитаем по
формуле:

К_Р
общ
= Р_вых
/ Р_вх
(2.4)

К_Р
общ =
0,013 /0,000000195 = 66666,6

К_{Р
общ дБ}
= 10lg
К_Р
общ (2.5)

К_{Р
общ дБ}
= 10lg66666,6
= 48,24 дБ

Определяем
ориентировочно число каскадов и
составляем структурную схему усилителя:

m
= К_{Р
общ дБ}
/ 20 (2.6)

m
= 48,24 /20 = 2,4

полученное
значение округляем до ближайшего целого
числа в сторону увеличения, и принимаем
количество каскадов равное 3.

Предварительно
выбираем схему выходного каскада, тип
усилительных приборов и ориентировочную
величину коэффициента усиления.

Рассчитаем
выходное напряжение усилителя:

U_вых
= U_вх
·K_U
(2.7)

U_вых
= 130 ·25·10^-3
= 3,25 В

Рассчитаем
напряжение коллекторного питания
усилителя:

Е_к
= U_бэр
+ 2·U_вых+0,1
Е_к
(2.8)

Е_к
= (0,45+2·3,25) / 0,9 = 7,72 В

Принимаем
стандартное ближайшее напряжение – 9
В

Так,
как 3 каскада то распределяем общий
коэффициент усиления по каскадам:

К_U
= K_U1·K_U2·K_U3
= 1·20·6,5 = 130 (2.9)

Принимаем
K_U1<1,
K_U2
≥
20, K_U3
≥ 6,5.

1. Расчет выходного каскада

В
качестве выходного каскада выбираем
каскад с общим эмиттером и смещением
постоянным напряжением базы. Схема
каскада представлена на рис. 6

+E_k

R7
R10
C
6

C4

VT3

R8
R9
C5
U_вых

Рисунок
6 Выходной каскад усилителя

Используем
в этом усилителе транзистор КТ315 А, так
как его характеристики (таблица 2.1)
удовлетворяют предъявленным требованиям.

Таблица
2.1 Параметры биполярного транзистора
КТ 315 А.

Ik max, mA	Uкэmax, B	Ukб, B	U эб, B	P max, mBт	h 21э	Uk, B	Ik, mA	Ikб0 , мкА	F гр, МГц	Ск, пФ
100	20	10	5	150	30..120	10	1	1	250	7

Проведем
динамическую характеристику транзистора
КТ 315 А на его выходной характеристике

I_КР
=
5 мА, I_бр
= 0,1 мА, U_кэр
= 5 В, U_бр
= 0,45 В

Е_к
= 9 В.

• Рассчитаем
  сопротивление нагрузки коллектора :
  R10

R10
= (Е_к
— U_кэр
) / I_КР
=
(9-5) / 5·10^-3
= 800 Ом
(2.10)

Выберем
ближайшее стандартное сопротивление
: R10
= 820 Ом

• Рассчитаем
  рассеиваемую мощность на резисторе
  R10:

Р
_R10
= R10·
I_КР²
= 820·(5·10^-3)²
= 0,0205 Вт (2.11)

Округляем
найденную мощность до ближайшего
стандартного значения Р _R10
= 0,125 Вт

Выберем
тип резистора – МЛТ.

• Рассчитаем
  сопротивление R9,
  включенное в цепь эмиттера для
  температурной стабилизации:

R9
= 0,1 Е_к
/ I_КР
= 0,1·9 / 5·10^-3
= 180 Ом (2.12)

Принимаем
R9
= 180 Ом

• Рассчитаем
  рассеиваемую мощность на резисторе
  R9:

Р
_R9
= R9·
I_КР²
= 180·(5·10^-3)²
= 0,0045 Вт (2.13)

Округляем
найденную мощность до ближайшего
стандартного значения Р _R9
= 0,125 Вт

• Определим
  напряжение смещения и ток на базе по
  графику

• Рассчитаем
  сопротивление делителя:

R7
= (Е_к
— U_бэр
— U
_R9)/
(I_д+I_б),

где
(2.14)

U
_R9
= I_КР·
R9
= 5·10^-3·180
= 0,9 В (2.15)

I_д
= (2…5) I_б
= 5·0,1·10^-3
= 0,5 мА (2.16)

Тогда
из 2.14 R7
:

R7
= (9-0,45-0,9) / (0,5+0,1)·10^-3
= 12750 Ом

Принимаем
ближайшее значение R7
= 13000 Ом или 13 кОм

• Рассчитаем
  рассеиваемую мощность на резисторе
  R7:

Р
_R7
= R7·
I_д²
= 13·10³·(0,5·10^-3)²
= 0,003 Вт (2.17)

Округляем
найденную мощность до ближайшего
стандартного значения Р _R7
= 0,125 Вт

• Рассчитаем
  R8:

R8
= (U_бэр
+ U _R9)/
I_д
= (0,45+0,9)/0,5·10^-3
= 2700 Ом
(2.18)

Принимаем
ближайшее значение R8
= 2,7 кОм

• Рассчитаем
  рассеиваемую мощность на резисторе
  R8:

Р
_R8
= R8·
I_д²
= 2,7·10³·(0,5·10^-3)²
= 0,000675 Вт (2.19)

Округляем
найденную мощность до ближайшего
стандартного значения Р _R8
= 0,125 Вт

• Выражение
  для расчета емкости контура выводится
  из следующих предпосылок:

Х_Ср1≤
R_вх;
(2.20)

1/
(ώ_н·С_р)
= R_вх
/10 (2.21)

С6
= 10/2πf_н
R_н√m²_H
– 1 (2.22)

С6
= 10/2·3,14·20·800·√1,05²-1
= 0,00031 Ф = 310 мкФ

Округлим
до ближайшего стандартного значения
С6= 300 мкФ

• Рассчитаем
  С5:

С5
= 10/2πf_н
R9
(2.23)

С5
= 10/2·3,14·20·180 = 0,000442 Ф = 442 мкФ.

Принимаем
ближайшее значение С5 = 430 мкФ

• Для
  каждого конденсатора С5 и С6 найдем
  напряжение:

U_С5
= 1,5..2 U_ср
(2.24)

U_ср
= R9·I_кр
=
180·5·10^-3
= 0,9 В (2.25)

U_С5
= 2 U_ср
= 2·0,9 = 1,8 В

U_С6
= 1,5..2 Е_к
(2.26)

U_С6
= 2·9 = 18 В

Принимаем
U_С5
= 3 В , U_С6
= 25 В.

• Найдем
  входное сопротивление выходного
  каскада:

R_вх.п
= R_вхR
_7/8
/ (R_вх
+
R
_7/8)
(2.27)

R_вх
= h_11э+
R_10/Н(1+h_21э)
(2.28)

R_10/Н
= R_Н
R10/
(R_Н+
R10)
(2.29)

R_10/Н
= 404,94 Ом

R
_7/8
= 2,2·10³
Ом

R_вх
= 15053,14 Ом

R_вх.п
= 1,9 кОм

• Вычислим
  значение емкости конденсатора С4:

С4
= 10/1,9·10³·2·3,14·20·√1,03²-1
= 0,000169 Ф = 169 мкФ

Принимаем
С4 = 160 мкФ, напряжение питания такое же
как и С6

• Рассчитаем
  коэффициент усиления этого каскада:

К_U3
= h_21э
minR_вых3
/ R_вх3
= 30·800/ 1,9·10³
= 12,63 (2.30)

Соседние файлы в папке курсовая работа

• #
• #
• #
• #

  12.02.20147.68 Mб150Проектирование генераторов гармонических колебаний LC.rtf

• #
• #
• #

  12.02.20141.58 Mб76Расчет RC-генератора на терморезисторе.rtf

• #
• #
• #
• #