Как согласовать сопротивление динамика и усилителя

Обновлено: 04.07.2024

Выходной каскад

Выходной каскад оканчивает усилитель, поэтому он должен обеспечивать хорошее согласование с нагрузкой. Это означает работу с большими напряжениями и токами, причем нагрузка обладает довольно большой реактивной составляющей, как по электрическим, так и по механическим характеристикам. Кроме того, геометрические размеры усилителя и тепловая мощность, рассеиваемая на радиаторах, ограничивает его максимальную мощность. Всё это накладывает весьма жесткие требования к возможным схемным решениям, а потому наиболее распространен двухтактный выходной каскад класса АВ.

Идея работы каскада заключается в разделении положительной и отрицательной полуволн на два плеча и формирование тока от положительного или отрицательного источника питания в соответствующие моменты времени. Это хорошо работает с большой амплитудой сигнала, но если уровень уменьшается, то всё более значимым становится момент перехода через нуль – именно тогда происходит переключение выходных транзисторов. Для уменьшения вносимых искажений, в усилителе устанавливается некоторый минимальный ток покоя выходного каскада, что обеспечивает одновременную работу плеч (положительной и отрицательной полуволн) для небольшого уровня сигнала.

реклама

То есть, фактически вводится небольшой режим А, отсюда и появилась эта буква в названии класса AB. Увы, делать очень уж большой ток покоя нельзя, страдает эффективность усилителя – фактически, эта мощность будет тратиться всегда, есть ли сигнал или нет. При увеличении амплитуды сигнала наступает момент, когда ток покоя исчерпывается, и могут последовать коммутационные искажения.

Для обхода этого дефекта можно задать небольшой фоновый ток через неиспользуемый транзистор, что линеаризует рабочую точку (важно для низкого уровня гармоник высокого уровня) и обеспечит рассасывание заряда (устраняет дефект коммутации для высокочастотного сигнала). Или можно пойти дальше, использовать режим ЭА – ‘экономичный А’ (Non switching , Super A). В этом случае ток транзистора неиспользуемого плеча будет плавно уменьшаться по мере увеличения выходного напряжения противоположной полярности.

Для моделирования классов AB и ЭА следующая схема:

Подробнее можно ознакомиться с моделью и выполнить анализ можно над файлом проекта.

Посмотрим ток выходного каскада. На всех картинках верхний рисунок относится к классу AB, нижний ЭА. Данные снимались для случая:

• AB – ток покоя уменьшался от 250 мА до 80 мА.
• ЭА – ток покоя оставался неизменным, 150 мА, менялась агрессивность управления током неактивного плеча – от наиболее активного до полного отключения управления током транзистора.

Возьмем два случая – амплитуда сигнала 1 вольт (слева) и 10 вольт (справа):

При увеличении уровня сигнала класс AB фактически отключает неактивное плечо, а ЭА продолжает пытаться им управлять. Взглянем подробнее на место переключения:

реклама

Фактически, в классе ЭА оба плеча одновременно формируют выходное напряжение. Теперь обратимся к спектру гармоник. В данном тесте частота сигнала будет снижена до 100 Гц, что обеспечит большее количество гармоник в слышимом диапазоне, напряжение 10 вольт.

Для класса AB характер спектра гармоник мало зависит от величины тока покоя, а у ЭА лучшие результаты достигаются при средней степени агрессивности управления током. Скорее всего, неудачность красного и зеленого графика следует из идеологии управления током транзистора – на момент перехода транзистора из рабочего состояния в нерабочее его ток меняется довольно резко, что порождает больше гармоник, чем устраняется компенсацией управления током в противоположном плече.

В схемотехнике усилителей звуковой частоты на радиолампах применяется либо класс А, либо класс AB, который в пристальном рассмотрении оказывается классом ЭА с низким или отсутствующим током управления (фиолетовый и серый график). Если сравнить с классом AB, реализуемым в большинстве усилителей на транзисторах (и, конечно же, в интегральном исполнении), то спектр его помех интенсивнее и шире.

Выходное сопротивление усилителя

Обычный усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением, обусловленным эффективной работой общей отрицательной обратной связи. Как-то сложилось, что данное решение считается правильным и под него проектируют фильтры акустических систем и динамические головки. Но действительно ли это хорошо? Рассмотрим два дефекта, свойственных акустическим системам – потери и искажения в проводах, соединяющих усилитель и динамики, а также искажения в самих динамических головках при перемещении диффузора.

В тесте будут участвовать идеальные усилители с тремя типами выходного сопротивления:

• С крайне низким выходным сопротивлением.
• Выходное сопротивление усилителя в четыре раза больше сопротивления нагрузки.
• Усилитель работает в режиме 'источник тока' и его выходное сопротивление крайне велико.

В симуляции будет использована следующая модель:

Для эмуляции искажений в нагрузку введен нелинейный элемент из низкоомного резистора и диода Шоттки. Можно было создать искажения линейной нагрузки любым другим способом, для теста это не существенно. В данной симуляции измеряются токи через нагрузки, а не напряжения. Это вызвано тем, что именно ток через катушку вызывает перемещение диффузора обычной динамической головки (и что совершенно не так для электростатических излучающих элементов).

Хотелось бы остановиться на цветной идентификации графиков:

• Зеленый – контрольный, идеальный случай. Во всех остальных вариантах в нагрузку внесен нелинейный элемент.
• Красный – обычный усилитель с крайне низким выходным сопротивлением.
• Черный – усилитель с выходным сопротивлением в четыре раза больше, чем сопротивление нагрузки.
• Синий – выходное сопротивление очень большое, усилитель работает в режиме источника тока.

Нет смысла приводить полученный сигнал, все осциллограммы практически совпадают. Гораздо интереснее посмотреть на спектр:

реклама

Вы видите здесь зеленый график? Я – нет, его полностью закрыл синий (режим источника тока). Это означает, что увеличение выходного сопротивления усилителя уменьшает вред от нелинейных элементов, которые присутствуют в соединительных элементах между усилителем и динамической головкой.

Теперь перейдем к другой проблеме – изменение индуктивности обмотки катушки динамика при перемещении в поле магнитного зазора. В тесте будут участвовать всё те же три усилителя, а эмуляцию нелинейной индуктивности выполним на дросселе с материалом 4C6. Схема выглядит следующим образом:

Соображения по данной схеме полностью изложены в предыдущем тесте и специальных комментариев не требуется. Посмотрим на спектр:

реклама

Налицо явные интермодуляционные искажения. Как и в предыдущем тесте, по мере увеличения выходного сопротивления усилителя уменьшаются негативные последствия изменения свойств дросселя (то есть индуктивности катушки динамика).

Существует еще один нюанс, связанный с выходным сопротивлением усилителя – импеданс акустической системы непостоянен в рабочей полосе частот. В области низких частот вносятся резонансные эффекты от собственной механической системы динамика и фазоинвертора, для средних частот – разделительный фильтр оказывает влияние в областях раздела рабочих полос динамиков.

Кроме того, зачастую акустические системы проектируются под усилитель с низким выходным сопротивлением, а потому никто не заботится о сохранении постоянного импеданса акустической системы. Если одна из головок с повышенной чувствительностью, то последовательно с ней устанавливают дополнительный постоянный резистор, что увеличивает импеданс колонки в области рабочих частот этого динамика. Если такую колонку подключить к усилителю с повышенным выходным сопротивлением, то характер звучания станет другим.

Впрочем, тщательной отстройкой элементов фильтра это дефект можно устранить или в значительной степени уменьшить, но вот резонансные явления в низкочастотной части компенсировать нельзя. Поправка – можно, но крайне неприятно – придется ставить высокодобротный и тщательно настроенный LC контур параллельно низкочастотной динамической головке.

реклама

Естественно, в серийных конструкциях никто такого делать не будет, да и в любительской аппаратуре встречается крайне редко, поэтому подключение колонки к усилителю с высоким выходным сопротивлением неизбежно приведет к изменению характера звучания басов – возрастет уровень сигнала с частотой механического резонанса и увеличится время призвука. Этот эффект можно частично уменьшить акустическим демпфированием – помещением материала с пониженной акустической прозрачностью и вязкостью в окна с обратной стороны динамика.

Итак, речь идет о радиолампах, так при чем здесь выходное сопротивление? Увы, прямо следует из технологии. В усилителе выходное сопротивление достаточно велико и маленьким его делает общая обратная связь. Чем она мощнее, чем больший запас петлевого усиления, тем лучше компенсируются все искажения в усилителе… в том числе и выходное сопротивление. В усилителях на радиолампах глубина обратной связи мала, да и сами регулирующие элементы обладают значительным внутренним сопротивлением (радиолампы вообще, по своей природе, являются скорее источниками тока, чем сопротивлениями).

реклама

Понимание того, что водители этого вида транспорта являются профессионалами своего дела, плохо скрашивают ощущения старт-стопного режима в пробке. Быстрый разгон и малое время торможения – отличный способ двигаться в потоке, вот только о дровах забыли? Более мощная динамика автобуса позволяет быстрее доставить до места, но кому нужна экономия пяти процентов времени такой ценой?

Довольно показательно отношение разных фирм к схемотехнике усилителей – японские модели обладают лучшими техническими характеристиками, чем европейские разработки, но звучат хуже. Данное мнение было высказано авторитетным источником, но довольно давно, поэтому ссылки привести не могу. Впрочем, я с ним согласен, мои аргументы изложены в этой статье. Радиолампы – атавизм, которому пора уходить. Просто надо использовать нормальные схемные решения, учитывать всё нюансы и проблемы, а не гнаться за красивыми цифрами. Согласны вы с этим или нет, выбор за вами. Пожалуйста, сделайте его осмысленно.

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.

Приобрёл наушники Sennheiser HD 600 принёс домой, включил в усилитель Sony TA-F 570 ES.

С громкостью вопросов нет, достаточно уже на 15-20% ручки. Простые составы, камерные ансамбли играют так, как ожидал от них. Но на больших составах и громких записях действительно на обычной субъективно громкости похрипывают.

Когда покупал, отслушивал их на портативном Teac HA-P90SD. На нем играют супер, но ощущается, что это потратив. С усилителя появляется больше масштаб, но при этом на громких записях похрапывают.

Вопроса собственно два.

Первый: на выходе усилителя 25 мВт на 8 Ом. Уши 300 Ом. Все калькуляторы говорят достаточно. Это так? Поясните пожалуйста.

Второй: Усилитель полочные Tannoy Mercury M2 ведёт спокойно и очень красиво. Усилитель лично мне нравится. Почему 300 Ом уши не очень? До этого слушал Sony MDR-7506 на них не похрипывало.

Ответы

600e штука мониторная, возможно, она показала недостатки, которые вы не слышали ранее

Нельзя подключать высокоомные наушники к вашему усилителю Очень высок риск, что выйдут из строя из-за перегрузки. Не исключено, что у вас они уже подверглись перегрузки и получили повреждение. С другим усилителем, да хоть с телефона нет недостатков указанных?

Ваш усилитель рассчитан на подключение только низкоомных наушников.

следуя вашим выводам, наушники 3000 ом должны сразу испортить усилитель?

И при вытыкании штекера, сопротивление стало бесконечно большим, усилитель сдох?

Нет, усилитель ни причем. На наушники с сопротивлением 300 Ом просто выдается довольно большая мощность. Я думаю около 1 Вт. Что для этих сенхов станет катастрофой. Наушники подключаются через балластный резистор последовательно. И когда вместо 8 Ом подключают 300 Ом, то соотношение этих сопротивлений ведет к увеличению выходного напряжение на наушниках и, следовательно, к увеличению отдаваемой мощности.

Кстати, примерно, в 80-х годах активно обсуждалась тема как правильно подключать наушники к УМ и правильно не через последовательный резистор, а через L цепь сопротивлений, для того, чтобы наушники работали эквивалентно нагрузке АС.

Я уверен, что описанные похрипывания - причине перегрузки наушников на НЧ. Если найдете график импеданса, то увидите, что на НЧ он поднимается почти до 500 Ом (на 110 Гц). И в паре с этим усилителем получаем перегруз в виду конструктивной особенности . Нужен отдельный усилитель, не критичный к такому поведению импеданса - для высокоомных наушников.

(Читать до конца).

спасибо , видел эту статью, не смог понять , если честно. Довольно трудно воспринимается физика ;)

Всё, что вам действительно надо знать, это что большинство наушников лучше всего работают, если выходной импеданс устройства менее 1/8 импеданса наушников. Так, для примера, для 32-омных Grados выходной импеданс должен быть максимум 32/8 = 4 Ом. Etymotic HF5 — 16-омные, потому максимальный выходной импеданс должен быть равен 16/8 = 2 Ом.

Почитал комментарии. Смешно.

Выход усилителя должен согласовываться с нагрузкой (в нашем случае - наушники) - ПО НАПРЯЖЕНИЮ.

Условие согласования по напряжению весьма простое. Выходное сопротивление усилителя должно быть как можно меньше (в 10 раз как минимум) сопротивления нагрузки (наушников).

Тогда все сложится.

На выходе усилителей телефонов часто ставят резисторы, ограничивающие ток. Но могут и не ставить, если для наушников используется отдельный усилитель.

Если эти резисторы есть, можно считать, что выходное сопротивление усилителя равно сопротивлению этого резистора.

Если этих резисторов нет, можно считать, что выходное сопротивление усилителя равно нулю, и условие согласования по напряжению соблюдается.

Для начала надо понять, с каким случаем мы имеем дело.

Все верно. У этого усилителя сопротивление на гнезде наушников - 470 Ом.

Что то очень много, не верится.

по паспорту выход на наушники описан: 25mW 8 Ohm

8 Ohm - сопротивление наушников? Не верится.

Сопротивление наушников 300 ом.

По паспортным данным выход на наушники усилителя 25mW 8 Ohm

Можно выдержку или скриншот документации, где указано "25mW 8 Ohm"? Надо полностью прочитать эту фразу.

Сопротивление наушников 300 Ом. Хорошо, а есть ли мощностные параметры? Номинальная мощность, максимальная мощность? Лучше вообще весь паспорт сюда кинуть.

Это 25mW выдаёт усилитель при сопротивлении наушников 8 Ohm.

Наушники с сопротивлением 8 Ohm? Это же самая настоящая колонка! Ну ладно, по теории P=IR^2. Чтобы выдать такую же мощность на наушники с более типовым сопротивлением - 300 Ом, усилитель наушников должен выдавать сигнал с действующим значением 16 V, амплитуда сигнала - 22 вольта с хвостиком. Таким образом, усилитель наушников, который питается двухполярным напряжением +-25 вольт вполне способен подвести к наушникам с сопротивлением 300 Ом мощность 0.25 Вт. Это вполне нормальное питание, часто и больше бывает.

Получается, надо знать, какую мощность надо подводить на наушники, чтобы они играли на нормальной громкости.

Вам никакие калькуляторы не выдадут хватит ли этой мощности.

Для зенхов желательно хотя бы 100mW при сопротивлении 300 Ohm. Т.е. покупайте усилитель.

Вот подборка с того-же RAA

то есть сигнал жидкий и поэтому хрипит, или наоборот много и есть риск сжечь наушники? Все это на фоне в общем нормальной громкости

Вроде все выше разжевал.

Самый простой способ решения - параллельно наушникам повесить сопротивление, например, 50 Ом (на 1-2 Вт). Тогда получаем L цепь из последовательно сопротивления R329 470 Ом и параллельного нашего сопротивления (50 Ом). Для каждого канала. Таким образом и наушники защитим и нивелируем поведение импеданса. Но не уверен, что такой выход реализуем ТС, хотя можно в виде отдельно коробочки сделать.

спасибо , не готов к таким изменениям в усилителе.

предварительные итоги размышлений на тему сопротивления наушников и на выходе усилителя:

1. Сопротивление ушей должно быть в минимум 8 раз больше сопротивления на выходе усилителя

2, сопротивление наушников коррелирует с их чувствительностью. Чем больше сопротивление, тем менее их чувствительность.

3. Громкость- амплитуда тока или напряжение.

4. Напряжение на выходе усилителя должно соответствовать напряжению на наушниках.

5. При прочих равных высокоомные наушники будут не до конца раскрывать потенциал по сравнению с низкоомными наушниками.

6. Высокоомные наушники быстрее разрядят батарею плеера, чем низкоомные.

Тогда утверждения Wadim противоречат Sabotender.

1 - есть такое понятие как демпинг- фактор у усилителя .

2 - чувствительность - величина техническая зависит от конструкции, а не от сопротивления.

3- громкость - звуковое давление, создаваемое наушниками.

4 - для подбора лучше оперировать мощностью , которая указывается в паспортных данных, а напряжение никогда не указывается

5 - высокоомные наушники требуют значительно меньше тока и поэтому они более тонко обращаются с муз нюансами, если очень-очень коротко.

6 - наоборот, высокоомные меньше требуют тока, и потребляемая мощность, как правило требуется им ниже, и поэтому они медленнее разрядят батарею.

Четко и ясно. Плюсик.

Правда, формальных, четких, критериев для подбора наушников пока не просматривается. Можно указать только грубый: высокооомные наушники требуют более высокого напряжения питания усилителя. Портативные устройства этого питания могут и не обеспечить. Стационарные устройства должны работать с любыми наушниками.

высокоомные наушники требуют значительно меньше тока и поэтому они более тонко обращаются с муз нюансами, если очень-очень коротко. - - а ничего, что современные топовые наушники делаются преимущественно низкоомными? флагманы Аудиотехники, например

Я думаю, что дело в другом.

У меня HD650 реагируют даже на дотрагивание руками не подключенного разъема. Своего рода микрофонный эффект. Кстати, такой же эффект и в ламповой технике присутствует.

Считаю, что высокоомные очень хорошо согласуются с ламповой техникой, где малые токи. Поэтому специально под лампу и выбирал высокоомные.

А для каменного усилителя хороши низкоомные.

Применяется два способа подать нужную мощность в нагрузку, которая, как известно, U умножить на I.

Усиление большим напряжением и малым током. Это характерно для ламповых усилителей. Ну или для высокоомных наушников.

Либо усиление малым напряжением, но большими токами. Это - транзисторные усилители или низкоомные наушники.

Спектры гармоник, особенно комбинационных, у этих способов усиления отличается значительно. Даже если эти гармоники сильно задавить, их спектры будут отличаться по форме, ухо это слышит.

Поэтому насчёт более тонкого обращения с музыкальными нюансами мысль вполне здравая.

На 570 усилителе сони есть кнопка -20dB. Она уменьшает подаваемую мощность?

На портативном усилителе Teac ha90 сенхи 600 (300 ом) играют тише, чем сони 7506 (60 ом). На нем кстати тоже есть переключатель gain в положениях low и High. Почему так? Должны по идее громче играть, если сенхи как нагрузка легче 60 омных сони.

Конечно, как нагрузка легче, но при этом понижается отдаваемая мощность.

По паспорту у TEAC HA-P90SD на 300 Ом заявлено 80mW+80mW. И это при 1 кГц, THD = 10% (ужас). Я думаю, что эти показатели очень-очень сильно завышены, т.к в паспорте время работы приводится всего на 1mW на 32 Ом.

В положении High тоже громкости не хватает? На сони на low положении переключателя по громкости устраивают?

Тогда только внешний усилитель, который хорошо подойдет с вашим наушникам. Например, FiiO A5.

Ну и написали вам)

2. Чаще всего хрип говорит о перегрузке усилителя, но для исправного устройства 300 Ом нагрузки и 15-20% громкости по идее это комфортный режим. У вас усилитель винтажный, в ушном выходе могли рассохнуться конденсаторы, например, на выходе. Надо смотреть, что внутри.

3. Бывает, что хрипы просто есть на записи, а вы их просто расслушали на хорошем сетапе.

Вечером поищем схему

Да. Озадачен. Стоит ограничительный резистор ни много ни мало 470 Ом (!?). Это с какими же наушниками он будет нормально работать. Или так и задумано, током управлять?

Это полная жесть, конечно. Но если не заморачиваться про контроль АЧХ, то на 770 ом суммарной нагрузки усилитель всё равно будет выдавать больше 800 мВт мощности, чего должно хватать с лихвой до клиппинга.

Ну да. Питание усилителя не маленькое: +- 52.7 V! Получается, этому усилителю лучше высокоомные наушники подойдут?

позвольте всех откликнувшихся на вопрос поблагодарить за мысли и идеи. Похоже у меня все выровнялось и я готов поделиться своими соображениями. Я думаю, что мне просто понадобилось время на то, чтобы привыкнуть к тому, как звучат мои новые сенхайзеры. Я несколько растерялся, когда мне сообщили, что я мог перегрузить и повредить наушники и просто опасался дать им под зад! ;) а записи , которые я слушал действительно оказались либо грязноватыми, либо звучали настолько далеко от привычного, что я подумал, что я поджег уши. В итоге сегодня пришла мысль послушать на них старые альбомы, которые. Я считал тихими, начал на них поддавать громкости и, о чудо, они заиграли без всяких хрипов и гудежа и песка! Видимо мне самому понадобилось время привыкнуть к такой детализации. Все мои устройства оказались годными, а мне придётся переслушать всю коллекцию и сделать новые выводы о старых вещах. Вот как то так. Ещё раз всем спасибо! Enjoy the music

Вертикальная ось слева – в Омах, тонкая красная линия снизу – 4 Ома. Верхняя цветастая линия – участки с разным характером комплексного сопротивления АС.

Существует мнение, что индуктивность звуковой катушки – вещь реальная, проявляющая себя в полной мере, а реактивность вблизи частоты основного резонанса – типа виртуальная, не влияющая на подключённые устройства (фильтр или усилитель). Для проверки я проводил эксперимент (Чалов Денис довёл)). В результате оказалось, что реактивное сопротивление динамика 75 ГДН-1 является основной причиной горба в районе 80-100 Гц, взаимодействуя с деталями ФНЧ АС S-90. Но давайте послушаем умных людей.

Шкритек (см. литературу) приводит стандартный эквивалент нагрузки для проверки усилителей мощности (УМ):

Как видим, это эквивалент 6-омной АС, тип оформления – ЗАС с резонансной частотой около 50 Гц. Но что это? В схеме – живые катушка и конденсатор! Индуктивность звуковой катушки опущена, но всё же правильнее было бы добавить её последовательно с резистором 5,4 Ом. Вариант полной схемы эквивалента восьмиомного динамика от Селфа:

Первый и главный вывод: усилитель работает вовсе не на активную нагрузку, и все R в формулах надо менять на Z, комплексное сопротивление. Шкритек это давно сделал, я лишь приведу основные важные результаты. Увеличение пикового значения тока выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку – максимум в 5,6 раза:

Второй вывод: комплексное сопротивление вблизи частоты основного резонанса динамика реально существует и влияет на характеристики подключенных устройств. В частности, горб АЧХ в НЧ звене тем больше, чем больше последовательная индуктивность в ФНЧ (в первую очередь) и чем больше конденсатор на землю после неё (влияние меньше), то есть, чем ближе частота среза ФНЧ к частоте основного резонанса ЗАС или ОЯ или к частоте верхнего горба ЧХ сопротивления ФИ. В двухполосных АС с частотой раздела выше 2 кГц эффект уменьшается до долей дБ и о нём можно забыть.

Третий вывод: при аварийных режимах типа щелчки коммутации в случае чрезмерно широкой полосы пропускания на ВЧ по входу, искрения или обрыва контактов АС запасённая в индуктивностях энергия может вызвать всплеск напряжения большого значения, выше допустимого для выходных транзисторов. Поэтому в усилителях для озвучивания часто включают два диода с шины выхода (после выходного развязывающего дросселя) на шины питания, которые в нормальном режиме под обратным напряжением и на работу не влияют. Не помешают они и домашнему.

Давайте посмотрим графики частотных характеристик (ЧХ) сопротивления разных АС.

S-30 (из Интернета). Имеем 4 зоны риска (показано красным).

Рассчитанная 15 АС-214 (доверительный интервал выше 200 Гц):

Весёлая получилась характеристика)

Рассчитанная S-50B (доверительный интервал выше 100 Гц):

Очевидно, что на ЧХ сопротивления при проектировании ЧиХали, благо, ГОСТ не был против! Кстати, западные стандарты – тоже.

Возьмём классику, S-90 без букв. Для упрощения я сделал её ЗАС с резонансной частотой около 35 Гц. Высота резонансного пика и крутизна скатов взяты приблизительно, выше 80 Гц – правда. Во всех дальнейших схемах трёхполосных АС в статье по умолчанию стоят схемы замещения динамиков, аналогичные данным. Схема для Мультисима:

Получаем частотную характеристику сопротивления:

На пиках АЧХ фильтра имеем провалы Z-метровой характеристики, что вполне логично. Отсюда идея: пусть разделительные фильтры занимаются чем положено – разделением полос с минимальными выбросами АЧХ (и ФЧХ) при линейной суммарной Z-метровке, а коррекцией АЧХ пусть занимается параметрический эквалайзер, настроенный 1 раз по усреднённым в каналах проблемам в зоне прослушивания. Синтезируем схему такого чуда:

Схема монтажная, в Мультисим закладывалась с сопротивлениями катушек, конденсаторов и полными эквивалентными схемами динамиков. Его ЧХ сопротивления:

Оценим остаточное влияние реактивности. Разница фаз между напряжением и током при комплексной нагрузке:

где X_L – реактивная, а R_L – активная составляющая комплексного сопротивления нагрузки.

Увеличение тока приблизительно обратно пропорционально косинус фи. Максимум X_L/R_L около частоты 200 Гц. В первом приближении здесь работают активное сопротивление звуковой катушки и катушки 1,2mH (2,9+0,3=3,2 Ом) и индуктивное сопротивление катушки 1,2 мГн (1,5 Ом на 200 Гц) Расчёт даёт сдвиг фазы 25 градусов и увеличение тока на 10%. Получаем тех же 3,2*0,9=2,9 Ома, это и будет АКТИВНОЕ сопротивление для расчёта усилителя под такую схему АС.

Теперь микрофоном измеряем АЧХ и настраиваем параметрический эквалайзер. Если что не понравилось в фильтре – начинаем всё сначала. Сложно и непривычно? Тогда поступим иначе: рассчитываем фильтр с нужной АЧХ и изначально хорошей Z-метровой характеристикой или же дорабатываем уже имеющийся. Вот, например, ЧХ сопротивления АС с фильтрами 1-го порядка из статьи NIVAGA больше не ENYGMA.

Как-то даже на душе потеплело… Но большинство динамиков не годится под первый порядок фильтра. Тогда вот, например, характеристика АС с фильтрами 2-го порядка из той же статьи (красная линия):

А теперь добавим 5 деталей, выделенных зелёным (результат – синяя линия, график тот же):

Ура! Теперь смело можно заявить, что у нас АС имеет сопротивление 4 Ома (±20%) в диапазоне 20-1200 Гц, а его комплексный характер не потребует увеличения запаса по току коллектора выходного транзистора больше тех же +20%, так как отношение реактивной составляющей к активной во всём звуковом диапазоне невелико. Рассчитываем усилитель на активное сопротивление 3,2 Ома (если не предполагается работа на неизвестные АС, конечно), что позволит сэкономить энное количество транзисторов + радиаторов и/или улучшить показатели усилителя и (спать) слушать спокойно, ибо +20% это Вам не 5 раз! Итак, есть несколько вариантов не наступить на грабли реактивного сопротивления, и все они осуществимы. Если Вам удалось уменьшить реактивную составляющую до приемлемой величины, то – получите Ваши бонусы: 1. Меньше требования к толщине соединительных проводов, в т. ч., внутри АС и УМ. 2. Ниже требования к величине номиналов и расположению блокировочных конденсаторов по шинам питания. 3. В случае применения датчика тока (для цепи ЭМОС, ПОСТ для создания отрицательного выходного сопротивления УМ или создания в УМ режима источника тока) выходное напряжение датчика гораздо меньше зависит от частоты, а при работе от УМ с высоким выходным сопротивлением (ламповым или ИТУН) – меньше и плавнее изменения АЧХ. 4. Меньше требования к запасу по перегрузке блока питания. 5. Стабильный коэффициент демпфирования на максимальной мощности. 6. Сопротивление на ультразвуковых частотах стабильно 20 Ом (для последней схемы). 7. Убирается горб на АЧХ в НЧ звене.

Касательно бонуса №7. Привожу расчётные АЧХ ФНЧ типа S-90, оформление ЗАС, Fр=35 Гц. Схема фильтра:

Какие же значения перегрузок УМ по импульсному току и импульсной мощности для реальных схем АС?

Ну хорошо, RC-цепь поставить или сразу разработать фильтры с приятной ЧХ сопротивления на СЧ и ВЧ не очень сложно. Но последовательный контур на НЧ… Да, в небольшой корпус засунуть батарею в 300-500 мкФ и конский дроссель… Но если литров побольше + умеете снимать ЧХ сопротивления = можно пробовать Итак, начнём:

1. Измеряем ЧХ сопротивления АС на НЧ, находим резонансную частоту, оцениваем крутизну скатов и высоту пика. Для ФИ и ПИ берём более высокий по частоте пик. Если ЧХ плавная или пик невысокий (если для этого специально ничего не делали, то для хорошего низа это может быть плохое предвестие!), то и выравнивать особо нечего, иначе п.2.
2. Если есть симулятор (или знакомый-симулянт)), то подобрать параметры эквивалента НЧ головки до достаточного совпадения его ЧХ сопротивления со снятой ЧХ в районе пика. После чего добавляем в симуляторе последовательный контур и подбираем R, L и С. Практически линейная ЧХ не нужна, достаточно, чтобы она шла плавно и монотонно. Резистор при этом будет около 1,5*R катушки НЧ динамика, что облегчает задачу по созданию дросселя. На этом этапе стоит ещё раз подумать, надо ли оно Вам…
3. Дроссель желателен с плавной регулировкой индуктивности. Номинал большой, но спасает значительное допустимое сопротивление = активному сопротивлению катушки НЧ головки. Есть два варианта: на железе с переменным зазором и две катушки, приближающиеся торцами, включенные согласованно. Первая предпочтительнее, так как можно мотать меньше витков более тонким проводом.
4. Конденсаторы можно брать электролитические неполярные или полярные встречно включенные (потренировав их пару дней при номинальном напряжении для гарантии наличия диэлектрического слоя), их потери учтутся при настройке. Реактивная мощность важна, ток через них будет приличный, значит, габариты не должны быть мизерными. Помним, что они плывут со временем и при нагреве. Полярные периодически рекомендуется тренировать.
5. Подключаем батарею конденсаторов, резистор, догоняющий активное сопротивление дросселя до расчётного, и настройкой дросселя выходим на нужную ЧХ. Заканчиваем подгонкой номинала добавочного резистора.
6. Если симулятора или знакомого йок, подбор величин R, С и L – вручную методом приближения, долго.

Общие выводы:

1. При расчёте УМ для работы на неизвестную нагрузку запас транзисторов выходного каскада по пиковому току принимать не меньше 2 раза, по пиковой рассеиваемой мощности – не меньше 3 раз.
2. При расчёте УМ для работы на одиночный ШП динамик или на АС для озвучивания очень желательно устанавливать диоды с выхода УМ на шины питания.
3. При работе на ШП динамик для выравнивания сопротивления на ВЧ эффективна RC-цепочка параллельно АС с номиналами порядка 2-3 мкФ и 20-30 Ом, можно прямо в корпусе УМ. Шикарно компенсирует индуктивность звуковой катушки до 1 мГн при номинальных 4 Ом (динамик порядка 50 Вт). Выравнивание сопротивления и на СЧ потребует подбора номиналов RC-цепочки.
4. Разумное ограничение диапазона входных частот УМ – выгодно!
5. При выравнивании ЧХ АС нет необходимости добиваться полной независимости сопротивления от частоты, достаточно, чтобы изменения с частотой были плавными. Так, в приведённом выше примере (синяя линия) сопротивление на СЧ и ВЧ плавно стремится от 4 Ом к 8 Ом, но это не скажется на работе УМ.
6. При расчёте АС всегда обращайте внимание на её ЧХ сопротивления, не допуская резких пиков и провалов во всём звуковом диапазоне.
7. Фильтры с ломаной АЧХ имеют, как правило, такую же ЧХ сопротивления, если не применялись особые меры по спасению.
8. Неточности ±15% в номиналах цепочки для компенсации резонансного пика НЧ динамика дадут волнистость ЧХ, но практически не ухудшат соотношение X_L/R_L.
9. Все проблемы с реактивностью АС начинают проявляться при мощности УМ не менее 50-75% от максимальной. Если так не слушаете – проблем не будет (кроме случая с ШП динамиком, тут пункты 2-4 актуальны).

ЛИТЕРАТУРА:

46 комментариев: Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?

Проделанный труд вызывает уважение и благодарность. В самом деле, сколь угодно случаев, когда любимый домашний усилитель, радующий слух, совершенно отказывается работать в чужой домашке, на всяких экзотических джибиэлях . Да и хозяин экзотики сетует на нехватку мощности у его усилителей.
Встречал не раз вариант колонки с RCL цепью на клеммах, обязанной выравнивать импедансный горб на стыке полос нч и вч в двухполоске. По идее, такая цепь устраняет выраженный окрас при работе от усилителя с ненулевым выходным сопротивлением( ламповый, например)На деле включение такой цепочки к уже настроенной акустике приводит к просадке отдачи на стыке и ухудшению звучания, оно становится тухлым и безжизненным.
Эквивалент нагрузки по Шкритеку или Селфу вещь мудрая и нужная при сочинении и настройке усилителя, а подробный анализ аварийных ситуаций будет весьма полезен сочинителю схем , за что Николаю огромная благодарность. Другое дело, обретая знания, обретаешь скорбь и зная новые подводные камни, уже не хочется вообще что-то делать, все равно получится плохо.
Кстати, кроме привычной проверки и измерения “на бревне” типа резистор, делаю проверку усилителя на вшивость на реальной акустике, подавая любимый тон 315 гц до появления искажений. И оказывается, что звук начинает портиться и менять тональность задолго до расчетного ограничения . Все это прекрасно слышно. К счастью, музыкальный сигнал прощает многие грехи усилителя и колонок, иначе постройка чего-то звучащего превратилась бы в кошмар и скорбь.

“Цобель” на весь диапазон!
А оно действительно нужно? Лично я так не думаю. Да и проблема “тугой” акустики и слабеньких (по току) усилителей не вчера возникла.

Как и наушники, усилитель имеет свое собственное сопротивление. Очень часто, пропуская этот параметр, оценивая одни и те же наушники, слушатели приходят к противоположным мнениям относительно их звучания, касаемо их громкости и частотного баланса.

Рассмотрим подробно влияние сопротивления усилителя но общее звучание.

В упрощенном виде электрическая схема выглядит так:

Условно, мы имеем дело с дополнительным сопротивлением R(Amplifier), которое многие не учитывают и потом удивляются, почему их ожидания от звучания наушников не оправдываются. В зависимости от величины сопротивления, усилители делятся на усилители напряжения (низкое значение сопротивления) и усилители тока (высокое сопротивление).

Само сопротивление принято называть импедансом или полным выходным сопротивлением усилителя. Более сложное название подчеркивает, что сопротивление может быть непостоянным и меняться в зависимости от частоты.

Из результатов измерений более 100 усилителей в проекте Reference Audio Analyzer можно выделить основные типы импедансов: равномерные и с повышением сопротивления в области низких частот.

Зависимость импеданса наушников и полного выходного сопротивления усилителя

Из прошлых материалов уже знаем, что когда наушники подключаются к усилителю, то их АЧХ меняется из-за индивидуального согласования импеданса наушников, сопротивления проводов и полного выходного сопротивления усилителя.

Закономерный вопрос, а от чего же меняется АЧХ наушников? Возвращаясь в электрической схеме и школьному курсу физики, можно увидеть, что из-за сопротивления усилителя будет дополнительное падение напряжения в цепи, зависящее от сопротивления нагрузки (в данном случае наушников). Чем ниже будет сопротивление нагрузки, тем выше будет падение напряжения на нагрузке.

Условно говоря, включаем усилитель, выставляем уровень равный 1 В. Если у усилителя выходное сопротивление 300 Ом, то при подключении наушников с сопротивлением в 32 Ом на выходе будет не 1 В, а всего 0.096 В (или -20 dBV).

У наушников зачастую импеданс неравномерный. Например, у Grado GR 10 сопротивление в области низких и средних частот равно 16 Ом, а в области высоких частот достигает 150 Ом.

При подключению к усилителям с разным выходным сопротивлением, АЧХ снижается по уровню, однако просадка неравномерна, в области низких частот снижение максимально, а в области высоких не так значительно.

Пользователь обычно никогда не знает, какой уровень напряжения он подал на наушники, и если громкость недостаточная, то регулятор громкости исправляет ситуацию. Однако из-за того, что первоначально частоты снизились неравномерно, то подъем громкости возвращает их суммарный уровень, но уже в измененной АЧХ.

На графике в примере видно, что при выравнивании громкости разница наблюдается в области высоких частот и достигает 12 дБ.

Усилители с характерными графиками полного выходного сопротивления

Усилители с ровным выходным сопротивлением

На графике показаны типовые линии импедансов с сопротивлением в 20, 50, 100 и 300 Ом.

К токовым усилителям можно отнести усилители Erzetich, где выходное сопротивление выше 60 Ом.

Близкое к нулю с повышением в области низких частот

Что лучше и качественнее, усилители с низким сопротивлением или высоким?

В усилителях для колонок предпочтение отдается усилителям напряжения с высоким демпинг-фактором. Высокий демпинг-фактор обеспечивает лучший контроль низких частот в области резонансных частот у низкочастотного динамика. У многих наушников нет столь выраженных проблем с низкочастотным резонансом и можно использовать преимущества токового режима усилителя.

Напряжение на выходе усилителя с низким выходным сопротивлением зависит в величины сопротивления наушников. Сопротивление наушников в свою очередь зависит от температурного режима (если подать излишне высокую мощность, то температура окажется критической, достаточной для расплавления лакового покрытия изоляции или разрушения провода). В штатном режиме температура катушки индуктивности не приводит к разрушению, но при этом меняет свое сопротивление.

Из-за малой массы и габаритов, изменения температуры меняются очень быстро, что приводит к постоянным резким изменениям амплитуды сигнала и сказывается на общих искажениях.

При использовании токового усилителя с высоким выходным сопротивлением, изменения сопротивления наушников практически никак не отражается на амплитуде сигнала, что позволяет существенно снизить влияние температурных процессов и делает усилители с высоким выходным сопротивлением предпочтительными.

Выводы

Какие можно сделать выводы? Гнаться за нулевым сопротивлением в большинстве случаев нет смысла. Для наушников с ярко выраженным резонансом в области низких частот может подойти как усилитель напряжения, так и токовый, и это будет компромисс между контролем низких частот и прозрачности звучания в остальном диапазоне.

Для ряда наушников, где производитель постарался снизить зависимость сопротивления от температуры, может вообще не быть разницы, с каким выходным сопротивлением усилитель используется.

Читайте также:

  
• Можно ли легально продать орган в россии
  
• Положения конституции рф как правовая основа безопасности жизнедеятельности
  
• В основу установления понятие угодье положены какие признаки
  
• В какой стране существует общенациональный список экспертов по уголовным делам
  
• Государственный долг выступает как обязательство государства перед налогоплательщиками это вызвано