Номинальная мощность для усилителей и громкоговорителей.

Значения мощности имеют два отличия в области проектирования звуковой системы.

1. С технической точки зрения, надлежащая номинальная мощность дает самое глубокое представление о производительности «черных ящиков», которые составляют наши звуковые системы. Она устанавливает связь между напряжением, током и полным сопротивлением (импедансом) в отношении входного и выходного сигнала на устройстве, что позволяет нам учитывать всю входную и выходную энергию. С этой точки зрения, мы должны иметь мощность, выраженную как уровень в dBm или dBW для каждого устройства в цепочке сигналов. Но.

2. Рейтинги мощности относятся к числу наиболее злоупотребляемых и неправильно понятых характеристик в аудио. Они почти никогда не измеряются правильно, и редко представлены таким образом, чтобы их можно было проверить.

Оценки мощности усилителей и громкоговорителей на сегодняшнем рынке аудио обычно настолько неоднозначны, что бесполезны для дизайнера звуковой системы. Я не поклонник рейтингов мощности. Такие претензии, как «усилитель выдает 1000 Вт» или «громкоговоритель требует 500 Вт», почти никогда не являются правильными или даже значимыми. Такое свободное использование является нормой, а не исключением, и уменьшило полезность понятия номинальной мощности усилителей и громкоговорителей для практикующего аудио. Я хочу, чтобы эта глава соединила точки для тех, кто хочет за цифрами понять теорию, и оснастить практикующих аудиотехники тем, что им нужно для проектирования и калибровки звуковых систем, а именно, что будет читаться на истинно-среднеквадратичном вольтметре на интерфейсах компонентов. Эта информация или должна быть измерена, или выкопана из номинальной мощности изделия. Любая номинальная мощность, которая не может обеспечить правильное напряжение на интерфейсе, бесполезна.

Я покажу несколько закорачиваний для поиска этих напряжений интерфейса, которые в некоторых случаях могут быть исключены из использования рейтинга мощности. Это не умаляет технической обоснованности номинальной мощности, но может позволить нам зарезервировать ее для проведения углубленных исследований, в отличие от полевых работ. Моя цель - не заменить существующие стандарты, а скорее обеспечить безопасное руководство через тему, которая часто очень запутывает как начинающих, так и ветеранов, в том, что касается проектирования и установки звуковой системы.

Предлагаемые процедуры привлекательны по нескольким причинам. Во-первых, и, возможно, прежде всего, в процедурах установки требуются только самые знакомые базовые приборы и измерения. Во-вторых, для защиты от повреждений, как громкоговорителей, так и усилителей встроены средства защиты. В-третьих, четко определены показатели удовлетворительной работы системы или отсутствия таковой.

19.1. Номинальные мощности громкоговорителей.

Роль усилителя заключается в том, чтобы обеспечить напряжение и ток, необходимые громкоговорителю, для получения желаемого уровня L_P в месте нахождения слушателя. Напряжение, умноженное на ток равно мощности. После определения необходимого напряжения громкоговорителя, а также ограничений, можно выбрать подходящий усилитель. Поскольку большая часть подаваемой мощности преобразуется в тепло, то громкоговоритель имеет номинальную мощность, которая описывает максимальную электрическую мощность, которую он может непрерывно рассеивать, когда он производит акустическую мощность. Превысите это ограничение мощности, и громкоговоритель будет окончательно поврежден.

Номинальная мощность должна учитываться только тогда, когда есть вероятность, что она будет превышена. Хорошая практика проектирования системы остается значительно ниже номинальных мощностей, как усилителей, так и громкоговорителей. Это обеспечивает оптимальную производительность и длительный срок службы.

Ниже описывается метод, который я использую для определения номинальной мощности громкоговорителей. Я разработал его для производителей, для тестирования номинальной мощности громкоговорителей. Ключом к методу является использование передаточной функции в реальном времени для оценки, когда из-за нагрева меняется отклик громкоговорителя. Это позволяет установить предел без разрушения громкоговорителя. Понимание того, как выполняется тест, и как установлена спецификация, даст некоторое представление о том, как избежать теплового повреждения в полевых условиях, а также как выбрать подходящий усилитель для управления громкоговорителем.

19.1.1. Интерфейс усилитель/громкоговоритель.

Усилители соединяются с громкоговорителями, используя интерфейс постоянного напряжения. В нормальных линейных условиях эксплуатации, поток мощности к громкоговорителю будет предсказуемо отслеживать приложенное напряжение. Когда это напряжение подается на клеммы громкоговорителя, то будет протекать ток, как это определяется импедансом громкоговорителя. Для номинальной мощности громкоговорителя требуется определение максимального непрерывного действующего среднеквадратичного напряжения для громкоговорителя, которое не вызовет тепловой ущерб. Я буду называть это максимальным входным напряжением (Maximum Input Voltage) - MIV. Номинальная мощность рассчитывается из MIV и номинального импеданса с использованием уравнения мощности.

где, W - протяженная номинальная мощность в ваттах, R - номинальный импеданс громкоговорителя, упрощенный до эквивалентного сопротивления, MIV - максимальное среднеквадратичное напряжение на громкоговорителе.

Метод.

Чтобы найти MIV громкоговорителя, необходимо отслеживать следующие параметры.

1. Напряжение привода на громкоговоритель (управляющее напряжение).

2. Выходное напряжение усилителя мощности.

3. Магнитуду осевого частотного отклика громкоговорителя.

Могут использоваться различные типы широкополосных стимулов. Розовый шум - логичный выбор. Некоторые стандарты формируют спектр розового шума, чтобы более точно напоминать музыкальные сигналы. Спектры шума по стандартам IEC и EIA показаны на рисунке 19-1.

Шум также можно обрезать, чтобы обеспечить высокое значение среднеквадратичного напряжения при заданном размере усилителя. В большинстве стандартов предусмотрено соотношение напряжения 2 к 1 (коэффициент гребня (crest factor, пик фактор) = 6 дБ), что требует строгого отсечения шумового сигнала. Розовый шум имеет приблизительное соотношение 4:1 от пика до среднеквадратичного значения (пик фактор 12 дБ), который эмулирует слегка обрезанный (или ограниченный по пикам) программный материал. Уровень шума по МЭК и EIA имеет отношение пика к среднеквадратичному значению 2:1 (коэффициент гребня, пик фактор 6 дБ). Спектральное формирование и обрезка, создаваемые пассивной сетью, могут выполняться в любом волновом редакторе. Конечно, обрезанная форма сигнала вызывает беспокойство, но это тест на тепло, а не тест на качество звука. Первоначальная мотивация для этого «предварительного обрезания» тестового сигнала заключалась в том, чтобы обеспечить более высокое среднеквадратическое напряжение до обрезания усилителя. В этом веке усилителей с рельсами питания 200 V предварительная обрезка, как правило, считается ненужной, и будущие стандарты, скорее всего, ее не предпишут. Она мало влияет на MIV, которое основано на среднеквадратическом напряжении.

Связь между напряжением привода и громкоговорителем и величиной осевого частотного отклика может контролироваться на двухканальном анализаторе, который имеет возможность вычитать два отклика и отображать их разницу в реальном времени. На рисунке 19-2 показана тестовая установка.

При нормальных рабочих условиях все три параметра имеют линейное соотношение: увеличение напряжения на 1 дБ приводит к увеличению выходного напряжения усилителя на 1 дБ, а также увеличению осевого L_P от громкоговорителя на 1 дБ. Цель теста MIV состоит в том, чтобы определить, когда из-за нагрева громкоговорителя это отношение становится нелинейным.

Рисунок 19-1. Спектры тестовых сигналов для определения максимального входного напряжения.

Отправная точка.

Обычно я начинаю с применения 3 V_rms к громкоговорителю. Это приблизительное напряжение, используемое для теста чувствительности, и производит около 1 Вт в резистивной нагрузке 8 Ом. Анализатор отображает отклик громкоговорителя. Этот отклик хранится как ссылка, а анализатор устанавливается в режим «вычитание». Это создает прямую линию на экране, что указывает на отсутствие разницы между текущим измерением и откликом, хранящимся в памяти. Эта линия останется плоской, до тех пор, пока что-то не приведет к различию между сохраненным откликом и текущим измерением.

Напряжение привода увеличивается за счет повышения генератора. Поскольку анализатор видит как опорный сигнал, так и повышение отклика громкоговорителя, линия остается плоской, так как одно и то же изменение происходит с обоими сигналами. Это показывает, что соотношение между двумя сигналами является линейным, или 1: 1.

Рисунок 19-2. Настройка для измерения максимального входного напряжения MIV.

Сжатие мощности.

Резистивная часть импеданса громкоговорителя рассеивает электрическую мощность в виде тепла. Во время использования громкоговорители могут сильно нагреваться. Конструкторы преобразователей используют различные механизмы для поддержания их охлаждения, включая поток воздуха и охлаждающие жидкости.

По мере увеличения тепла сопротивление провода звуковой катушки увеличивается, в результате чего уменьшается ток от усилителя. Это создает нелинейную зависимость между напряжением привода и результирующей акустической мощностью. Это изменение можно наблюдать в осевом отклике громкоговорителя. Короче говоря, происходит сжатие мощности, когда некоторая часть величины частотного отклика громкоговорителя больше не отслеживает повышение уровня приложенного напряжения. Конечно, важно убедиться, что какая-то другая часть цепи не перегружена, например измерительный микрофон.

Для одиночных преобразователей эффект обычно широкополосный. Для многополосных систем громкоговорителей и для пассивных кроссоверов это может быть частотно-зависимым. Что неважно. Контролируя отклик громкоговорителя в частотной области, частотная зависимость может наблюдаться в реальном времени.

Включите его!

Приводное напряжение усилителя увеличивается с регулярными временными интервалами. Увеличение на 3 дБ с интервалом в одну минуту является хорошим общим подходом. При установлении сжатия мощности, отслеживание начнет падать по уровню, указывая на то, что выход громкоговорителя больше не отслеживает увеличение напряжения привода. Соотношение, которое было когда-то линейным, теперь нелинейно из-за тепла, создаваемого в звуковой катушке громкоговорителя.

Когда останавливаться?

Нет четкой директивы о том, когда следует завершить тест. Даже стандарты в этом отношении неоднозначны. Пурист может сказать, что тест закончился в начале сжатия мощности, о чем свидетельствует изменение на 1 дБ в любой треть октавы в кривой отклика громкоговорителя. Я бы с этим не согласился, за исключением того, что MIV и итоговая оценка мощности, основанная на этих критериях, довольно консервативна. Поскольку неосведомленные часто покупают громкоговорители только на основе их номинальной мощности, то консервативные рейтинги избегают производители, поскольку они могут создать убыток на рынке. Влияние маркетинговых сил на опубликованные рейтинги нельзя игнорировать.

Можно было бы спросить: «Насколько сильно я могу управлять громкоговорителем до того, как его отклик будет перманентно изменен?» После тестирования сотен единиц я бы предположил, что отклик составляет около 3 дБ на одну треть октавы, поскольку частота отказов с изменением на 10 дБ приближается к 100%, а частота отказов при 6 дБ изменения все еще неприемлемо высока. Неудачи с изменением на 3 дБ редки, и система громкоговорителей обычно восстанавливается до своего низкого энергопотребления при уменьшении напряжения привода.

В идеальном мире, мы хотели бы знать:

1. Напряжение при установлении сжатия мощности.

2. Напряжение, которое производит 3 дБ сжатия мощности в любой треть октавной полосе в полосе пропускания громкоговорителя.

3. Напряжение, при котором происходит тепловой отказ, который, к сожалению, требует деструктивного испытания.

Из трех пунктов пункт 2 является самым важным. Чтобы установить MIV, я завершаю тест с откликом на 3 дБ. Громкоговоритель управляется в течение 3 минут на этом уровне (длина типичной песни). Затем напряжение привода сводится к первому приводу 3 V_rms. Если никакого повреждения не произошло, отслеживание анализатора должно вернуться к отклику плоской линии через несколько минут. Если чувствительность громкоговорителя измеряется при 2,83 Vrms @ 1 м, а MIV определяется, как описано, то максимальный уровень L_P на одном метре может быть аппроксимирован:

Это можно экстраполировать на любое расстояние слушателя, используя закон обратного квадрата.

19.1.2. Номинальная мощность.

MIV можно непосредственно считывать из реального вольтметра. Сколько это ватт? Это зависит от импеданса громкоговорителя. Мы будем использовать номинальный импеданс громкоговорителя вместе с MIV для определения номинальной мощности. Помните, что этот подход рассматривает громкоговоритель как резистор, упрощая вычисление.

Мы можем упростить комплексный импеданс эквивалентного сопротивления и даже округлить до типичного значения (т. е. 8 Ом). Это связано с тем, что, как только становится известным максимальное входное напряжение MIV, то номинальная мощность становится несколько лишней. Нам нужно представить номинальную мощность в форме, которая позволит MIV быть определенным путем вычисления, поэтому любое сопротивление из уравнения будет в основном выпадать, поскольку одно и то же значение используется при установлении номинальной мощности, равно как используется для вычисления MIV.

Эти дополнительные шаги необходимы из-за настойчивости нашей промышленности в отношении использования номинальных мощностей даже для интерфейса постоянного напряжения. Это может измениться в будущем.

19.2. Активные системы громкоговорителей.

Такую же процедуру можно использовать для тестирования громкоговорителей с автономным питанием. Единственное отличие состоит в том, что MIV будет сигналом линейного уровня. MIV контролируется на входе, а не на выходе усилителя. Этот метод также можно использовать на пассивных громкоговорителях, которые упакованы в виде системы с усилителями и обработкой сигналов, на рисунке 19-3.

Рисунок 19-3. Схема тестирования MIV для громкоговорителя с внутренним питанием (активная система).

19.3. Нелинейное управление.

Все чаще становится очевидным, что отклик системы громкоговорителей становится нелинейным по дизайну, так как приближаются ее термические или механические пределы. Это может быть связано с использованием электронного сжатия или ограничения, как аналогового, так и цифрового, или с использованием пассивной сети в корпусе громкоговорителя. Ранее описанный метод испытаний не может различать сжатие мощности из-за нагрева и преднамеренное сжатие, предназначенное для получения более высокого L_P из системы. MIV можно протестировать, как описано выше, для получения максимального напряжения для линейного выхода. Затем все может быть увеличено за эту точку, чтобы определить новый MIV, используя различные критерии отказа, такие как изменение на 1 дБ для общего L_P по сравнению с приложенным напряжением. Это, как правило, будет на несколько дБ выше, чем MIV, что обусловлено критериями одной трети октавы. По сути, обработка сигнала препятствует достижению MIV исходных преобразователей.

Бремя лежит на изготовителе громкоговорителей, чтобы обеспечить различные критерии отказа, отличные от изменений 3 дБ в любой треть октаве, если это применимо к их громкоговорителю. Тестер и конечный пользователь не привязаны к внутренней работе системы громкоговорителей, они и не нужны. Громкоговоритель рассматривается как «черный ящик» с вводом электрического напряжения и акустическим напряжением (давлением) выхода.

19.3.1. Номинальное напряжение.

Должно быть очевидным, что по завершении теста мы знаем, каково максимальное рабочее напряжение, которое может обрабатывать громкоговоритель. Это все, что должен знать технический специалист, чтобы избежать термического повреждения громкоговорителя при настройке уровней усилителя в полевых условиях. Это также все, что нам нужно знать, чтобы выбрать подходящий усилитель мощности. Выражение этого в качестве номинальной мощности - это необязательный шаг, который можно заглушить тем, как определяется импеданс громкоговорителя, а также маркетинговым давлением для публикации больших номинальных мощностей. Производителям громкоговорителей рекомендуется включать MIV вместе с номиналами мощности на лист спецификации. Это освобождает техника от вычисления MIV из (возможно, преувеличенной) мощности и неоднозначного номинального импеданса.

19.3.2. Механическое ограничение.

В дополнение к тепловым испытаниям, возможно, потребуется протестировать пределы механического экскурса громкоговорителя. Этот тест вместо непрерывного шума требует импульсного стимула. Дон Кил создал пиковый тон-всплеск, подходящий для механических испытаний и определения механических пределов. Стимул представляет собой синусоиду 6,5 циклов в косинусной оболочке с требуемой частотой тестирования. Этот сигнал короткой продолжительности имеет полосу пропускания в одну треть октавы. Три таких сигнала, расположенных на расстоянии одной трети октавных центров и смешанных, производят октавную тестовую полосу пропускания. Рабочий цикл может быть выбран для эмуляции частоты повторения басового барабана, используемого в электронной музыке. Форма выходного сигнала измерительного микрофона контролируется осциллографом при увеличении напряжения на входе в громкоговоритель. Визуальная деформация от низковольтного отклика указывает на то, что достигнуты механические пределы громкоговорителя.

Напряжение MIV-всплеска, определяемое этим тестом, может быть очень высоким. При использовании вместе с номинальным импедансом для вычисления мощности, результат является очень высоким значением «взрывной мощности, burst power» для громкоговорителя. Важно отметить, что фактический поток мощности на громкоговоритель довольно низкий из-за переходного характера сигнала, что дает очень высокий коэффициент гребня (пик фактор). Например, если MIV-therm составляет 40 V_rms, а MIV-burst - 200 V_rms, то можно опубликовать номинальное напряжение громкоговорителя следующим образом:

1. MIV_rms = 40 V (спецификация IEC, шум 3 минуты).

2. MIV_peak = 200 V.

3. Эквивалентный размер усилителя = 400 W (синусоидальная волна, 8 Ом).

4. Burst MIV = +14 дБ.

Они могут использоваться для определения номинальных значений мощности путем расчета с использованием номинального импеданса. Позже в этой главе я опишу эквивалентный размер усилителя (Equivalent Amplifier Size, EAS). Если разработчик системы задает усилитель на основе EAS, то у него не будет достаточного пикового запаса (peak room) для достижения MIV-всплеска, поэтому не должно быть опасности чрезмерного экскурса громкоговорителя. Если разработчик системы определяет усилитель, который может пропускать MIV-всплеск, то он будет способен термически разрушить громкоговоритель. Который из них должен использоваться, зависит от многих факторов, включая применение и компетенцию конечного пользователя.

19.3.3. Вывод.

Это основной тест. Некоторые детали, такие как тип стимула, продолжительность и критерии отказа, варьируются в зависимости от стандарта. Метод, который я только что продемонстрировал, является лишь одним из многих возможных. Это логично, воспроизводимо, объективно и легко реализовать с помощью доступных инструментов. Этого достаточно, чтобы продемонстрировать характер тестируемой мощности и номинальной мощности громкоговорителей.

19.4. Усилитель, как источник напряжения.

Усилитель имеет максимальную амплитуду напряжения, которую он может производить, как это определено его рельсами питания. Это устанавливает самый высокий пик, который может проходить через усилитель. Если к сигналу применено чрезмерное усиление, то форма волны будет обрезана, когда она попытается превысить напряжение на рельсе питания. Большинство усилителей обеспечивают визуальный индикатор для начала отсечения.

Идеальный усилитель - это источник постоянного напряжения. Это означает, что на напряжение звуковой волны не влияет присутствие или изменение импеданса нагрузки. В качестве примера, давайте зафиксируем выходное напряжение до 28 V_rms (около 100 Вт, протяженное, в 8 Ω) и рассмотрим, что происходит с изменением импеданса нагрузки, на рисунке 19-4. Идеальный (теоретический) усилитель постоянного напряжения является неограниченным источником тока. По мере того как импеданс нагрузки падает, напряжение не изменяется и ток увеличивается, удовлетворяя уравнению мощности. Каждое уменьшение наполовину импеданса нагрузки удваивает выходной ток и, следовательно, мощность в нагрузке, до тех пор, пока напряжение остается постоянным, что в принципе может быть для этого гипотетического усилителя. Таким образом, чем больше параллельных громкоговорителей, тем ниже импеданс нагрузки и больше тока (и ватт) от усилителя. Это кажется хорошей попыткой включить параллельно больше нагрузок на усилитель или уменьшить сопротивление нагрузки громкоговорителя до очень низкого значения, чтобы «получить больше ватт» на рисунке 19-5.

Рисунок 19-4. Аудио мощность от идеального источника напряжения.

Рисунок 19-5. Аудио мощность от реального источника напряжения.

Реальный усилитель не является неограниченным источником тока, поэтому с уменьшением импеданса нагрузки это поведение больше не выполняется. Когда вы подключаете дополнительные громкоговорители к усилителю, то напряжение постепенно падает. Выходная мощность может продолжать увеличиваться (заштрихованная область на рис. 19-6), но напряжение падает. Ниже (приблизительно) 4 Ом этот усилитель больше не является источником постоянного напряжения. Если эти громкоговорители были распределены по маршруту парада, это падение напряжения приведет к слышимому падению L_P с первого громкоговорителя, поскольку дополнительные громкоговорители соединены последовательно по маршруту. Таким образом, добавление большего количества нагрузок может увеличить выходную мощность от усилителя, но уровень звука от каждого громкоговорителя уменьшается, потому что напряжение падает. Вы получаете самый высокий L_P от первого громкоговорителя, если вы отключите другие. Короче говоря, лучшие характеристики усилителя достигаются, когда он работает как источник постоянного напряжения или устанавливается другим способом, когда он не чрезмерно нагружен.

Рисунок 19-6. Реальный источник напряжения ограничен по току.

19.5. Эквивалентный размер усилителя - EAS.

Если напряжение MIV громкоговорителя известно, то мы можем рассчитать требуемые характеристики напряжения усилителя мощности. Напряжение MIV измеряли с использованием шумового спектра сигнала с коэффициентом гребня 6 дБ. Это означает, что пиковое напряжение будет в два раза выше среднеквадратичного напряжения. Для MIV = 30 V_rms, V_peak будет составлять 60V. Поскольку усилители рассчитаны с использованием синусоидальных волн (пик фактор 3 дБ), то для прохождения пика в 60 V, значение синусоидальной волны должно составлять 60 (0,707) = 42,4 V_rms.

Усилитель является источником постоянного напряжения в 8 Ом, и для коммерческого усилителя обычно назначается номинал 8 Ом, то мощность синусоидальной волны усилителя должна быть равна:

Уравнение 19-3 вычисляет EAS из MIV (предполагает пик фактор шума 6 дБ).

Таким образом, усилитель с номинальной мощностью синусоидальной волны 225 Вт сможет передавать MIV = 30 V_rms на громкоговоритель для пик фактора шума 6 дБ. Мы можем создать общее уравнение для определения EAS из MIV. EAS - 8-омная синусоидальная характеристика усилителя, которая может пропускать тестовую форму сигнала в конце теста MIV.

Уравнение 19-4 - общее уравнение для вычисления EAS из MIV.

EAS предполагает гребень фактор сигнала 6 дБ. Он дает практическую оценку усилителя для данного громкоговорителя, предполагая, что он хочет достичь максимально возможного L_P без повреждений, что требует применения MIV к громкоговорителю. EAS дает простую единую спецификацию для приобретения соответствующего усилителя для данного громкоговорителя. Это освобождает проектировщика от вычисления требуемого размера усилителя от номинальной мощности громкоговорителя, который часто преувеличен или неоднозначен из-за импедансной зависимости. Должно быть возможным управлять этим усилителем EAS до начала отсечения без термического повреждения громкоговорителя. Конечно, никогда не рекомендуется приводить что-то к его тепловым или механическим пределам, поэтому работа усилителя ниже отсечения обеспечивает долгий срок службы громкоговорителя.

В отличие от номинальной мощности громкоговорителя, EAS - это рейтинг усилителя, который является частью характеристик громкоговорителя. Обратите внимание, что это относится к программному материалу с гребневым фактором 6 дБ. На практике, вероятно, коэффициент гребня будет выше. Таким образом, если усилитель с EAS-рейтингом приводится к отсечению с типичной речью или музыкой, то среднеквадратичное напряжение на громкоговорителе должно быть ниже MIV (из-за более высокого показателя гребня реального материала программы), и громкоговоритель не должен находиться в опасности термического повреждения.

Выражение MIV, как и EAS, является необходимым только из-за настойчивости отрасли в отношении оценки усилителей с точки зрения ватт. Если бы все громкоговорители были заданы с использованием MIV, а усилители были бы оценены в V_rms в минимальный импеданс Z (в идеале, выраженный в dBV), то номинальные мощности можно было бы вообще избежать. Важно то, что усилитель может производить напряжение на нагрузке. Иными словами, для того, чтобы усилитель был источником постоянного напряжения, он должен иметь возможность быть источником тока, требуемого импедансом нагрузки. Если импеданс нагрузки не слишком низок, его требования к току могут быть удовлетворены усилителем и не должны рассматриваться далее. Это позволяет оценивать передачу сигнала между усилителем и громкоговорителем только по напряжению. Если нет, то необходимо учитывать сочетание напряжения и импеданса, напряжения или тока. Мощность - это просто способ выразить все это единым числом. Уравнения 19-5 - уравнения мощности.

где, W - мощность в ваттах, E - ЭДС в вольтах, I - ток в амперах, R - сопротивление в омах.

Только номинальная мощность бесполезна, поскольку она не дает достаточной информации для определения выходного напряжения усилителя. Усилитель «100 Вт» может быть 33 V @ 3 A, 3 V @ 33 A, 100 V @1 A, или 1V @ 100 A.

19.6. Мощность от источника напряжения.

Давайте перейдем к практичности, простоте и элегантности, и рассмотрим только напряжения от усилителя. Это может потребоваться при обработке исключений и особых случаев. Способность усилителя поддерживать свое выходное напряжение зависит от его способности быть источником тока для требуемой нагрузки. Если потребность тока становится слишком высокой, то напряжение может провиснуть. Давайте рассмотрим некоторые факторы, которые ограничивают производство тока усилителем.

Усилители не создают мощность, они ее преобразуют. Аудио мощность, которая поступает от усилителя, должна, в свою очередь, поступать от разъема, к которому он подключен. Вот почему № маркировки провода линейного шнура имеет значение, и почему длинные шнуры могут быть проблемой из-за падения напряжения на сопротивление провода (линейная потеря). Максимальное выходное напряжение от усилителя можно определить, измерив его в разомкнутой цепи, которая представляет собой нагрузку с очень высоким импедансом относительно импеданса источника усилителя. Для современных усилителей это обычно означает 8 Ом или выше, учитывая незначительный выходной импеданс (0,01 Ом или менее) современных усилителей.

При наличии резистивной нагрузки поток мощности может определяться уравнениями мощности, ранее приведенными в уравнении 19-5.

Это «видимая мощность» от источника. Видимая мощность (в вольт-амперах) предполагает, что напряжение и ток находятся в фазе, что имеет место только для чисто резистивной нагрузки. Фактическая мощность в ваттах, вероятно, меньше, чем видимая мощность, учитывая природу реальных нагрузок, где реактивные (запоминающие) свойства отражают некоторую мощность от нагрузки назад к усилителю. Глубинные расчеты учитывают это, рассматривая фазовый угол между напряжением и импедансом или «коэффициент мощности». На данный момент я возьму резистивную нагрузку и использую ватты в качестве единицы. Уравнение мощности говорит, что видимая мощность от 120 Vrms, 20 A, для силовой цепи составляет 2400 Вт. Если бы усилитель был эффективен на 100%, то он мог бы генерировать 2400 Вт или 34 dBW аудио мощности на разъеме 120 V, 20 A при прохождении синусоидальной волны. Эффективность преобразования современных усилителей ключевого режима класса D и их вариантов может превышать 80%, что означает, что усилитель с протяженной синусоидальной волной мощностью 2 кВт возможен. По сути, самые большие усилители могут создавать синусоидальные волны, которые очень близки по напряжению, току и, следовательно, к электрической цепи бытовых электроприводов в США - невероятное достижение в эволюции усилителя. Конечно, используемое питание - 60 Гц синусоидальной волны. Музыкальные и речевые сигналы имеют широкую полосу частот и будут обеспечивать значительно меньшую мощность, чем чистая синусоидальная волна из-за их более высокого гребневого коэффициента (пик фактора). Подойдем с этим теоретическим 2,400 Вт усилителем (34 dBW) на данный момент. Какую аудио мощность вы можете ожидать от этого усилителя?

Задача усилителя состоит в том, чтобы точно воспроизвести напряжение сигнала, подаваемое на его вход. Технически невозможно назвать это усилителем мощности, поскольку выходная мощность не имеет ничего общего с входной мощностью - только входное напряжение. Он должен усилить это напряжение и сохранить форму волны при подаче тока, требуемого нагрузкой. Как я показал ранее, это становится более жестким, когда импеданс нагрузки падает. Для интерфейса постоянного напряжения (любой современный усилитель мощности) ток и, следовательно, мощность, являются ответчиками. Это «результат» напряжения привода и импеданса нагрузки. Поскольку импеданс нагрузки фиксирован (до тех пор, пока ваш громкоговоритель не перегревается, что приводит к росту его сопротивления), ток (и результирующая мощность) может быть изменен только путем регулировки управляющего напряжения усилителя. По этой причине я всегда делаю свою первоначальную оценку усилителя, измеряя его максимальное выходное напряжение синусоидальной волны открытой цепи, а затем, проверяя, как это напряжение можно поддерживать в резисторе 8 Ом. Я рассматриваю минимальный импеданс нагрузки, для которой усилитель может поддерживать это напряжение, используя падение на 1 дБ как критерий отказа. Максимальное выходное напряжение может быть измерено с помощью среднеквадратичного вольтметра или осциллографа. Его можно определить путем расчета из номинальной мощности 8 Ом, предоставленного изготовителем, с использованием уравнения мощности, решенного для напряжения.

где, W - номинальная мощность на 8 Ω, R - сопротивление нагрузки.

Нормально найти отличную корреляцию с опубликованными спецификациями усилителя. Я посмотрел на несколько из крупнейших доступных усилителей и оценил их выходное напряжение. Большее число из них имеет приближенное максимальное напряжение синусоидальной волны в диапазоне 130 V_rms, которое представляет собой пиковое напряжение около 200 V, найденное путем умножения V_rms на 1.414. Термин «200-вольтовые рельсы» набирает популярность среди толпы усилителей. Синусоидальная волна 140 Vrms будет производить следующие мощности в тестовом резисторе от идеального усилителя (тот, который может обеспечить требуемый ток):

1. 2,500 Вт в 8 Ω.

2. 5000 Вт в 4 Ω.

3. 10000 Вт в 2 Ω. *

* только теоретическое значение!

Обратите внимание, что все эти номинальные мощности превышают 2400 Вт, которые доступны от электрической розетки, особенно если усилитель имеет несколько каналов. При этих ваттностях, доступная мощность сети питания может быть ограничивающим фактором в отношении того, что может выводить усилитель. Чтобы оценить мощность музыки/речи, я возьму напряжение на рельсе и преобразую в дБ, и вычту гребневый коэффициент (пик фактор) материала программы. Я буду щедрым и предполагаю, что пик фактор составляет 10 дБ, что характерно для слегка обрезанного розового шума, другими словами, усилитель управляется довольно жестко. Затем я преобразовываю уровень обратно в напряжение, область, на которой базируются все номинальные мощности.

При применении к резистивной нагрузке 8 Ω мощность:

Это далеко от номинальной мощности синусоидальной волны усилителя, и хорошо в пределах возможностей сетевого питания. Если этот усилитель может поддерживать 63 Vrms в нагрузке 4 Ом (а это возможно), мощность удваивается:

Как вы можете видеть, мощность резко падает, когда вы меняете синусоидальную волну на реальный материал музыкальной программы. Теперь имейте в виду, что иногда материал музыкальной программы в реальном мире - это синусоидальная волна. Синтезатор может генерировать сигналы с очень низким пик фактором, которые могут отключать прерыватели цепи и выжигать сабвуфер, подключенный к усилителю. Но это исключение, а не правило. Подавляющее большинство громкоговорителей на рынке имеют номинальный импеданс 4 Ом, или выше. Средний импеданс еще выше, и это то, что видит усилитель, если вы проигрываете широкополосный программный материал (речь или музыку). Итак, чтобы сказать, что мы можем вытащить 1 кВт от усилителя «2400 Вт», это щедро.

Было бы необычно, если бы мы могли использовать наш усилитель мощностью 2400 Вт для отсечения в современный линейный массив с использованием сигнала розового шума. Означает ли это, что ящик «обрабатывает» 2400 Вт? Нет. Высокий пик фактор розового шума и реальный (выше, чем номинальный) средний импеданс громкоговорителя означает, что поток мощности намного меньше, чем 2400 Вт. Он управляет полным колебанием напряжения усилителя, но не его полной выходной мощностью. Высокий crest factor сигнала и импеданс громкоговорителя реального мира могут позволить мне получить доступ к полному размаху напряжения теоретического усилителя мощностью 5 кВт/канал в 4 Ω. Но у усилителя закончится колебание напряжения до того, как он выйдет на мощность.

Импеданс реального громкоговорителя выше его «номинального» импеданса по большей части его полосы пропускания, на рисунке 19-7. Хотя некоторые усилители и могут управлять «нагрузками 2 Ом», редко когда пр