Усилители мощности

История

Tрудно переоценить роль усилителя в развитии музыки. Именно усилители дали гитарам возможность выйти на большую сцену и сами остались там навсегда.

Первым усилителем был, вероятно, прибор «Аудионс» (Аudions), который построил в 1912 году Ли де Форрест (Lee De Forest) — изобретатель лампового триода. Его усилитель позволил сделать слышимым звук шагов мухи по листу бумаги, так что именно в электроакустике надо искать фундамент успеха ламповой электроники первой половины XX-го века.

В конце 1947 года исследователи Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Браттейн (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley) создали твердотельный преобразователь сопротивления — прибор, известный нам сегодня как транзистор.

И ламповая вычислительная техника, и пришедшая ей на смену полупроводниковая родились не на пустом месте, хотя и в довольно пустынной местности на тихоокеанском побережье. Сегодня ее называют Silicon Valley — Кремниевая долина, именно здесь работал Ли де Форрест, вполне заслуживший право называться ее «отцом-основателем».

За вековую историю развития усилителей было много побед. Совершенствовались техника и технология. Сегодня производится широчайший ассортимент оборудования, который можно разделить на несколько групп.

Исторически первыми были усилители на электронных лампах, позже появились гибридные и полностью твердотельные. Большая часть современных усилителей построена на полупроводниках, но и ламповые усилители до сих пор находят своих поклонников.

Элементная база полупроводниковых усилителей за долгую историю развития претерпела существенные изменения. На смену германиевым транзисторам пришли кремниевые. В дополнение к приборам p-n-p были освоены транзисторы структуры n-p-n . В дополнение к биполярным приборам пришли полевые транзисторы. Развитие элементной базы не изменило принципов: параметры полупроводниковых приборов существенно зависят от температуры кристалла и протекающего через переход тока.

Например, коэффициент передачи тока у биполярного транзистора может изменяться на порядок в рабочем диапазоне токов. Существенно изменяется и крутизна передаточной характеристики полевых транзисторов в рабочем диапазоне режимов. Придумано множество схемотехнических решений, позволяющих уменьшить влияние этих изменений на параметры усилителя в целом, именно в этом и состоят основные различия между моделями.

За полувековую историю был накоплен бесценный опыт производства бестрансформаторных транзисторных двухтактных усилителей класса АВ. Им на смену пришли импульсные устройства, по многим показателям выигрывающие у линейных.

Устройство

По режиму работы активных элементов усилители разделяют на классы.

Класс A — работа без отсечки тока.

Класс B — угол отсечки равен p/2, или 90°.

Класс AB — угол отсечки находится в пределах p/2...p, или 90°...180°.

Класс С — угол отсечки менее p/2, или 90°, в звуковых усилителях практически не используется.

Класс D — импульсные усилители с широтно-импульсной модуляцией. В таком усилителе энергия от источника питания в нагрузку поступает через ключ (рис.1).

Рис.1. Ключевой усилитель. Потенциально на управляемом элементе потерь энергии нет

Изменение параметров модуляции ключа приводит к тому, что низкочастотная составляющая импульсного сигнала изменяется (рис.2), она и представляет собой выходной сигнал усилителя.

Рис.2. Низкочастотная составляющая импульсного сигнала представляет собой выходной сигнал ключевого усилителя 

Относительно недавно появились усилители класса А+, G и H — это линейные усилители с изменяемым напряжением питания. При увеличении амплитуды сигнала на входе увеличивается напряжение питания оконечного каскада, что позволяет ощутимо повысить КПД оконечного каскада усилителя.

По устройству линейные усилители бывают однотактные и двухтактные (push-pull).

В однотактных конструкциях активные элементы (лампы или транзисторы) работают обычно в линейном режиме без отсечки тока — это класс А.

С допустимой степенью упрощения можно считать, что в однотактном усилителе напряжение источника питания делится между управляемым элементом и нагрузкой, а ток через них протекает один и тот же (рис.3).

Рис.3. Однотактный усилитель. Под действием управляющего сигнала часть энергии блока питания подается в нагрузку 

В мощных усилителях настоящий класс А можно увидеть только в предварительных каскадах.

В двухтактных мощных усилителях выходные каскады работают обычно с отсечкой тока (рис.4). Коэффициент полезного действия — это один из ключевых параметров мощного усилителя, двухтактное устройство класса В выигрывает по этому параметру у однотактного, работающего в классе А.

Рис.4. Двухтактный усилитель. Работа с отсечкой тока в классе В позволяет уменьшить потери энергии 

Но в целом КПД линейных усилителей в режиме усиления реального звукового сигнала редко превышает 50%. Низкий КПД — это не только повышенное потребление электроэнергии, хотя и этот параметр тоже очень важен, ведь получить дополнительные 20 или 50 кВт для звука на площадке бывает почти невозможно.

Низкий КПД — это еще и необходимость отвода тепла. Даже на открытом воздухе рассеять 10 или 20 кВт энергии непросто. При работе в зале трудности возрастают многократно.

Радикально повысить КПД позволяет переход от линейного усиления к ключевому или импульсному. Принцип действия ключевых усилителей несложен: активный элемент может находиться в двух состояниях — открыт или заперт. Если ключ заперт, то ток через него не течет и выделяемая мощность равна нулю. Если ключ открыт, то падение напряжения на нем равно нулю и потерь мощности тоже нет.

В реальной ситуации транзистор проводит ток и в запертом состоянии, и напряжение на открытом транзисторе не равно нулю, и переключение происходит не мгновенно (рис.5), но КПД оказывается высоким, доходя даже до 95%. Повышение КПД от 50 до 90% уменьшает тепловыделение в пять раз, а до 95% — в 10! Печка 10 кВт, способная согреть троллейбус в лютую стужу, превращается в обычный электрочайник.

Рис.5. Форма реального сигнала в ключевом усилителе 

Принцип действия ключевого усилителя, как уже было отмечено, несложен, но сопряжен с трудностями его реализации. Снижение потерь достигается за счет уменьшения длительности переходного процесса, именно в этот период времени активный элемент поглощает энергию и выделяет тепло. Повышение быстродействия ограничивается не только возможностями активных элементов (то есть транзисторов). Влияют на скорость переключения даже монтажные емкости и индуктивность проводов. За повышение быстродействия приходится платить еще и увеличением помех, точнее расходами на их подавление.

Важную роль в энергетике импульсных усилителей играют сквозные токи, протекающие через последовательно включенные элементы, один из которых еще не успел закрыться, а второй — уже начал открываться. Схемотехнические и технологические находки изобретателей, позволяющие уменьшить влияние сквозных токов на результат, охраняются всеми доступными средствами. В частности, все прячется внутрь интегральной схемы, которую проще купить готовую, чем подделать.

Один из важнейших недостатков ключевых устройств — высокий уровень электромагнитных помех. Первые ключевые усилители вполне могли использоваться как средства подавления радиосвязи и глушения радио и телевещания. Современные модели ведущих производителей помех практически не создают, чего нельзя сказать о поделках любителей, не имеющих подчас даже измерительного оборудования для контроля излучаемых в эфир сигналов.

Точка опоры

Строго говоря, любой усилитель является усилителем мощности. Может усиливаться ток при неизменном напряжении, может — напряжение при неизменном токе, может — одновременно и ток, и напряжение. Если усиление тока сопровождается пропорциональным уменьшением напряжения, то не происходит усиления мощности. В качестве наглядного примера можно привести рычаг: растет сила, но мощность сохраняется неизменной.

Мерой возможностей усилителя является коэффициент усиления. Если на вход микрофонного усилителя сопротивлением 1 кОм подать напряжение 1 мВ, а на его выходе получить 1 В при сопротивлении нагрузки 1000 Ом, то усиление по напряжению равно 1000, по току — 1000, а по мощности — 1000000.

В данном случае нас интересует не только коэффициент усиления, ведь речь идет не об усилителях мощности вообще, а о мощных усилителях, предназначенных для работы с акустическими системами. Такой усилитель должен обеспечить усиление электрических сигналов в диапазоне звуковых частот (приблизительно 20 Гц...20 кГц) до достаточной мощности, составляющей десятки, сотни или даже тысячи ватт. Искажения сигнала должны быть приемлемыми с позиции слухового восприятия: неравномерность АЧХ — не более 1 дБ, нелинейные искажения — не более 0,1...1%, относительный уровень собственных шумов — не более -80...-100 дБ.

Как обеспечить получение большой выходной мощности? Амплитуда напряжения на выходе классического усилителя ограничена напряжением питания выходного каскада. Напряжение питания выбирается с учетом электрической прочности транзисторов выходного каскада. При напряжении пробоя коллекторного перехода, равном, например, 100 В, напряжение питания выбирается равным 60 В, этой же величиной ограничена удвоенная амплитуда выходного напряжения звукового сигнала. Амплитуда напряжения оказывается равной 30 В, действующее значение 30/1,41 = 21 В. При сопротивлении нагрузки 8 Ом получаем мощность чуть больше 50 Вт. Если же включить два таких усилителя по мостовой схеме (рис.6), то максимальное напряжение на нагрузке окажется в два раза большим (около 40 В), а мощность возрастет в четыре раза и достигнет 200 Вт на нагрузке 8 Ом. Такой метод повышения выходной мощности используется и поныне.

Рис.6. Переключатель S1 позволяет превратить двухканальный усилитель (1) в мостовой (2) 

В описаниях к усилителям указывается номинальное сопротивление нагрузки. На нагрузку 4 ома и более работают практически все аппараты, номиналы 1 и 2 ома встречаются реже. Основная трудность работы с низкоомной нагрузкой — жесткие требования к сопротивлению соединительных проводов, выполнить их удается только при небольшой длине — единицы метров. Если возникает необходимость использования длинной соединительной линии, то для уменьшения потерь в проводах используют работу на повышенном напряжении, трансформатор обеспечивает согласование. Именно так устроена радиотрансляционная сеть.

Выходная мощность импульсных усилителей звукового сигнала ограничивается сегодня здравым смыслом и соображениями безопасности. При напряжении, например, 36 В (считающимся безопасным для человека) на нагрузке 4 Ом получаем мощность более 300 Вт — вполне достаточно для динамической головки акустической системы. Если возникла необходимость использовать несколько акустических систем, например линейный массив, то вполне логичным выглядит решение использовать для каждого кластера свой усилитель.

Эксплуатационные свойства и характеристики

Вековая история усилителестроения не прошла бесследно. Росли мощности, снижались искажения, и сегодня на авансцену выходят эксплуатационные свойства аппаратуры.

Кажущаяся ненадежность и примитивность ламповой конструкции на практике оборачивается простотой ремонта. Если целы трансформаторы, то усилитель может быть «оживлен» в буквально полевых условиях. И устойчивость электронных ламп к разрушающим электрическим воздействиям гораздо выше, чем у интегральных микросхем или транзисторов. Механическая прочность стеклянного баллона невысока, но до ее проверки даже туровая аппаратура доходит нечасто.

Современные транзисторные линейные, а тем более импульсные усилители на концерте не починишь, но даже незначительное превышение значения напряжения или тока приводит к повреждению. Это свойство полупроводниковых усилителей, как линейных, кстати, так и импульсных, известно давно, и постепенно были найдены способы защиты.

Система защиты современного мощного усилителя предполагает контроль множества параметров, от напряжения питания и потребляемого тока до температуры радиатора, уровня входного сигнала и сопротивления нагрузки. Обычным стал плавный запуск с тестированием основных элементов усилителя — современные цифровые методы обработки сигналов позволяют реализовать это с помощью буквально одной интегральной схемы.

И ключевые, и линейные усилители оснащаются сегодня импульсными блоками питания, что положительно сказывается на массогабаритных показателях оборудования. Особенно важно то, что импульсные блоки питания позволяют обеспечить полноценную работу усилителя при существенном изменении напряжения сети питания, что не редкость в живой работе.

Нельзя забывать и про такие «мелочи», как климатические условия, в пределах которых обеспечиваются и работоспособность, и качество. Современный туровый усилитель должен быть устойчивее к окружающей среде, чем самые закаленные исполнители, и такие аппараты существуют. Единственное исключение — человек может выступать и в воде, а технику надо держать в сухом месте.

Усилители тоже влияют на окружающую среду, в частности — на питающую сеть. Усилитель с классическим блоком питания потребляет из сети ток несинусоидальной формы, что приводит к неприятным последствиям. Увеличением потерь в проводах сети можно пренебречь, если речь идет об усилителе мощностью 100 Вт, но для комплекса мощностью 100 кВт потери оказываются весомыми. Гармоники тока могут создать помехи другим приборам, питающимся от той же сети.

Импульсные блоки питания тоже далеки от идеальных: в дополнение к несинусоидальному потреблению тока мы видим еще и коммутационные помехи. Комплекс мер по устранению этих недостатков обходится для разработчиков и производителей непросто и недешево, но и результаты радуют: уровень помех с запасом удовлетворяет очень жестким современным требованиям.

Вопрос отвода тепла в первых усилителях решался просто: увеличением площади естественным образом вентилируемого радиатора. Современные мощные усилители ориентированы на принудительный отвод тепла, а вентиляторы, как правило, управляемые. Простейшим решением является использование в качестве управляющего самого звукового сигнала: чем больше его уровень, тем быстрее вращается пропеллер, и поток воздуха интенсивнее выдувает избыток тепла. Более целесообразным можно считать использование термодатчика, который активизирует вентилятор при повышении температуры радиатора или воздуха внутри корпуса.

Важными для эксплуатации являются удельные характеристики, в частности, мощность на 1 кг веса усилителя. Ключевые усилители по этому параметру вне конкуренции: 500 Вт/кг — это еще не рекорд. Лучшие модели линейных усилителей имеют более скромные показатели: 100 Вт/кг.

Отдельно и еще раз хотелось бы отметить системы защиты, именно от них зависит надежность работы усилителя — одна из важнейших эксплуатационных характеристик.

Золотой ключик

Прогресс не останавливается. Относительно недавно появились устройства, сочетающие в себе цифровую обработку и ключевые методы усиления сигнала. Представим себе, например, линейный массив из десятка кластеров, включенных в сеть Ethernet. По сети Ethernet передается звуковой сигнал в цифровом виде, но сначала — сигнал управления. Устанавливаются оптимальные для данного кластера АЧХ, ФЧХ и ГВЗ. Открываются широчайшие возможности для формирования диаграммы направленности и амплитудно-частотной характеристики комплекса. Вопрос организации сети выходит за рамки сегодняшней темы, ограничимся только перечислением известных технологий: Harman Pro HiQnet, Crown TCP/IQ, CobraNet, IQ Network, Roland RSS Digital Snake, Yamaha m-LAN, EtherSound, MAGiC.

Осталась в прошлом дискуссия о принципиальных недостатках полупроводниковых усилителей по сравнению с ламповыми. Выяснили, наконец, что неоспоримые эксплуатационные преимущества транзисторных усилителей вкупе с отличным качеством звучания выводят их далеко вперед, особенно в секторе мощного звукоусиления.

История повторяется, на смену линейным усилителям идут импульсные, обладающие существенно лучшим КПД и массогабаритными параметрами, но на старте гонки уступающие линейным по качеству звука.

Можно долго спорить о принципиальных проблемах, которые приходится решать при проектировании и производстве ключевых усилителей, но оставим эти вопросы профессионалам. Отнеситесь к усилителю как к черному ящику и не переживайте по поводу его внутреннего устройства. Слушайте звук! И если звук вас устраивает — пользуйтесь на здоровье.

© Павел Карлов (3|2008 журнал Звукорежиссер)