Для чего нужен усилитель мощности
Усилитель мощности звука
Усилитель мощности звука (усилитель звуковой частоты, усилитель низкой частоты) — это устройство для усиления электрических сигналов в пределах диапазона частот, которые различает человеческое ухо (в среднем 20 Гц — 20 кГц). Усилитель повышает мощность сигнала источника звука, чтобы при подаче этого сигнала на устройство вывода звук получился громким и без искажений.
История развития усилителей мощности звука
Далёким предком современных усилителей звука можно назвать рупор граммофона. Принцип действия в этом устройстве был следующим: механическая игла движется по бороздкам пластинки и вызывает колебания. Эти колебания передаются специальной мембране, которая и воспроизводит звук, а он многократно (в 16 раз для первых моделей) усиливается с помощью рупора (раструба).
Граммофон D-298 Victor III (Источник)
Следующий этап развития усилителей пришёлся на распространение ламповой электроники. Ламповые усилители до сих пор используются в Hi-End сегменте аудиосистем. Преимущества такого усилителя — отсутствие т. н. белого шума, который есть в полупроводниковых устройствах и особенное звучание, характерное только для устройств этого типа. Недостатки — низкий КПД, повышенный расход энергии и тепловыделение, подверженность высокочастотным наводкам и высокая цена. Также ламповая электроника требует предварительного “прогрева” устройства перед работой.
Вакуумные лампы внутри предусилителя современного гитарного усилителя (Источник)
Во второй половине XX века появляются первые транзисторные устройства для усиления звука. Все современные усилители – их прямые потомки.
Интегральная микросхема (ИМС), применяемая в усилителях мощности звука (Источник)
Ошибочно полагать, что усилитель — это некий отдельный блок, к которому подключается источник звука и устройство вывода. Такой подход действительно распространён в профессиональной среде или у аудиоэнтузиастов, но современный облик усилителя звука в потребительском сегменте — это микросхема внутри автомобильной магнитолы, детской игрушки, mp3-плеера и т. д.
Классификация усилителей мощности звука
Сфера использования
По сфере использования усилители делятся на бытовые и профессиональные:
Стереоусилитель Unitra WS-503 (Источник)
Профессиональные усилители звука, в свою очередь, делятся на:
Клавишный (инструментальный) усилитель (Источник)
Стоимость и качественное исполнение профессиональных усилителей звука намного выше бытовых.
Количество каналов
Количество каналов, которые поддерживаются усилителями звука, в среднем варьируется от одного до шестнадцати. Большинство усилителей являются двухканальными. Это значит, что к ним можно подключить до двух динамиков в моно- или стереорежиме. Оптимальная конфигурация подключения: один канал — один динамик.
Классы
В традиционной классификации Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) используются латинские буквы A, B, C и D для обозначения разных классов (режимов) работы усилителей мощности звука. Единого реестра классов для таких устройств не существует, поэтому вне рамок традиционного стандарта используются и другие режимы. Одна и та же буква в таких классификациях может обозначать совершенно разные характеристики, поэтому они не рассматриваются в статье.
Класс A — в этом режиме работают широкополосные однотактные ламповые усилители. Их КПД очень мал (около 20%), но практически отсутствуют высокие нелинейные искажения.
В класс B входят различные транзисторные усилители. Устройства в этом режиме имеют сравнительно низкий уровень шумов, КПД намного выше, чем в режиме A и составляет 70%. Но звук получается “сухим”, поэтому этот режим непопулярен.
В рамках класса AB инженеры объединили преимущества двух перечисленных выше классов. При максимальной нагрузке задействуется режим B, а при обычной и минимальной — режим A. КПД получается около 60%.
Класс С непригоден для воспроизведения звука и чаще всего используется в усилителях радиопередатчиков из-за высокого КПД (от 78,5%).
Класс D представляет собой усилитель с импульсным управлением. Этот режим был добавлен в традиционную классификацию в 1955 году. Он характеризуется сравнительно высоким КПД (85%), качественным звуком и малогабаритностью, что обеспечивает мобильность устройств этого класса.
Мощность и искажения
Одной из важных характеристик при выборе усилителя является его мощность. Она измеряется в ваттах (Вт) и вы легко найдёте её значение в документации и даже на упаковке. Проблема заключается в том, что производители по-разному трактуют само определение мощности как таковой. Кроме того, существует несколько стандартов её определения. Поэтому при выборе усилителя нередко возникает путаница.
Отметим также, что выдаваемая усилителем мощность напрямую зависит от сопротивления подключённых к нему устройств вывода звука.
Распространённые определения мощности:
Как выбрать усилитель мощности звука
При покупке как бытового, так и профессионального усилителя звука придерживайтесь следующего правила: усилитель следует выбирать вместе с акустической системой. Это нужно для согласования мощности устройств — слабый усилитель не сможет работать при максимальной нагрузке длительное время, а слишком мощный выведет динамики из строя. Также при расчёте требуемой мощности всегда закладывайте некоторый запас — лучше не эксплуатировать устройство на пределе его возможностей.
Для домашнего использования следует сперва задуматься, а действительно ли вам нужен усилитель? Скорее всего, он уже встроен в устройство воспроизведения звука и его характеристик обычному пользователю хватит с избытком. Если же вы ценитель с особыми требованиями к звучанию — обратите внимание на ламповые усилители.
При выборе профессионального устройства определитесь с условиями использования — в каком месте нужно усиливать звук, при каких условиях и какой именно звук? Усилители звука систем экстренного оповещения работают на совершенно других принципах, нежели усилителя звука в студиях звукозаписи.
Также покупатели часто упускают, что качество работы усилителя не измеряется исключительно мощностью. Не следует забывать об уровне шума, весе и габаритах усилителя, материалах и качестве исполнения.
Где купить усилитель мощности звука
Купить усилитель мощности звука по доступной цене вы сможете на сайте наших партнёров Unitsolutions. Ниже мы составили список наиболее актуальных решений в разных ценовых категориях.
BKR BR-GD350
Открывает нашу подборку недорогой усилитель класса D, BKR BR-GD350 мощностью 500 Вт. Устройство использует импульсный блок питания и фокусируется на надёжности при эксплуатации: в комплект поставки входит тефлоновый провод, устойчивый к перегреву, а система охлаждения позволяет устройству работать в широких температурных интервалах.
CROWN XLS 1002
Двухканальный усилитель мощности класса D, CROWN XLS 1002 имеет встроенную защиту от перепадов напряжения в сети, оборудован цифровым процессором с DSP и позволяет настраивать входную чувствительность для каждого из каналов. Выходная мощность — 1100 Вт.
APart CONCEPT1
APart CONCEPT1 — это двухканальный 100-ваттный усилитель мощности. Устройство способно работать в монорежиме сразу с двумя зонами и регулировкой громкости для каждой из них. Управляется по шине RS232 или с помощью ПДУ (не входит в комплект поставки).
RCF AM 2320
RCF AM 2320 — одноканальный усилитель мощностью 320 Вт. Предназначен для интеграции в различные системы оповещения или для проведения трансляций. Присутствует 4 микрофонных и 2 AUX входа.
Yamaha PC406-D
И, наконец, представитель премиальных решений — четырёхканальный усилитель Yamaha PC406-D. Мощность 600 Вт, большая матрица входов (до 20 x 8), 16 входов/выходов Dante, встроенный акустический процессор, поддержка дистанционного управления с помощью ProVisionaire Touch/Control — всё по первому разряду.
Усилитель
Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.
Что такое усилитель?
В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник
Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:
Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.
Что такое черный ящик в электронике
В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. 
Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.
То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.
Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).
Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.
Что такое четырехполюсник
В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».
Пассивный четырехполюсник
Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).
В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.
Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.
Активный четырехполюсник
Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.
Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.
В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.
Обобщенная схема усилителя
Она выглядит примерно вот так:
Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).
Типы усилителей
Усилители можно разделить на три группы:
Усилитель напряжения
Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:
KU — это коэффициент усиления по напряжению
Uвых — напряжение на выходе усилителя, В
Uвх — напряжение на входе усилителя, В
Усилитель тока
Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:
где KI — коэффициент усиления по току
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.
Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.
Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.
Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.
Усилитель мощности
Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.
Чем же УМ отличается от УН и УТ?
Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.
Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:
Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:
KP — коэффициент усиления по мощности
Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт
Pвх — мощность на входе усилителя, Вт
Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).
Выходная мощность усилителя
Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
UВых — напряжение на нагрузке, В
Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
cos φ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения
Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид
Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.
Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.
Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:
Виды усилителей по полосе пропускания
По ширине полосы пропускания усилители делятся на:
Усилители низкой частоты
Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.
Усилители высокой частоты
Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.
Широкополосные усилители
Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.
Узкополосные усилители
Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.
Усилители постоянного тока
Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).
Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.
Зачем нужен усилитель для акустических систем?
Скажите честно, задумывались ли вы хоть раз, как появляется звук в колонке? Вы наверняка слышали, что для того, чтобы акустика работала и играла музыку, нужен усилитель. В некоторых акустических системах усилитель уже спрятан внутри, но в большинстве случаев в системах используются отдельные устройства – усилители.
Конечно, большое количество людей весьма подкованы в этом вопросе и прекрасно разбираются в типах усилителей, их назначении, да и вообще, как собрать хороший акустический комплект. Но мы все чаще сталкиваемся с вопросом от представителей самых разных поколений, а зачем нужен усилитель? И как понять, в каких системах он нужен, а в каких нет? Так давайте разберемся.
На самом деле, усилитель нужен всегда, когда требуется, чтобы динамик начал звучать – он есть в смартфонах и телевизорах, да даже в «говорящих» детских игрушках.
В этой статье мы попробуем максимально простым языком ответить на вопросы: «что такое усилитель?» и «зачем он нужен для звука в акустических системах?»
Как вообще рождается звук?
Самое простое объяснение принципа работы любого усилителя для акустики кроется в самом процессе, как рождается звук нашей любимой музыки, которую мы слышим из колонок. И вот несколько простых определений для нашей базы:
Звук – это физическое явление, энергия, которая распространяется в пространстве в виде упругих волн вследствие механических колебаний.
Т.е. движение какого-то объекта создает колебания в воздухе, эти колебания волнами начинают заполнять пространство вокруг, а наше ухо слышит характерный этому движению звук. Если резко махнуть рукой, то тот самый звук «шух», который вы услышите – это и есть новорожденный звук, появившийся после конкретного механического движения вашей рукой.
В данной статье частотные диапазоны, амплитуды колебания и прочие термины мы затрагивать намеренно не будем.
Как появляется звук в колонке?
Излучатель звука – это устройство для преобразования электрических сигналов в акустические волны (звук) и излучения их в окружающее пространство.
Излучатели различают сразу нескольких типов по принципу действия, но мы пока остановимся, пожалуй, на самом распространенном и понятном примере – электродинамический громкоговоритель или, просто, «динамик».
Мы обязательно напишем отдельную и подробную статью об устройстве динамика и принципе его работы. Сейчас же акцентируем внимание на самой сути, простыми словами.
Электрический сигнал приходит в динамик и дает ему информацию, как ему «толкать воздух», он создает механические колебания и толкает воздух таким образом, чтобы в звуковых волнах мы услышали именно ту музыку, которая и была заложена в исходном электрическом сигнале.
Сам этот электрический сигнал берется из источника звука – проигрыватель винила, CD-плеер, кассетный плеер, медиа плеер, телевизор, плеер внутри смартфона (и все другое виды, какие только сможете придумать).
Извлечение звука и его усиление
Но почему этот сигнал изначально «слаб» и его нужно усиливать? Здесь важна небольшая историческая справка.
Очень давно процесс извлечения звука и его воспроизведения был полностью механическим. Например, помните громоздкие патефоны с огромным рупором? Так вот, там механическая игла «скребет» канавки пластинки, а считанные колебания усиливаются с помощью раструба-рупора. Когда мы говорим в рупор, наш голос тоже становится громче по такому же принципу.
На фото: патефон с рупором начала XX века
С развитием Hi-Fi индустрии в середине 20 века в такую чисто механическую схему приходит преобразование этих механических колебаний в электрический сигнал. Как раз в погоне за более высоким качеством воспроизведения звука. Первооткрывателем этого стандарта стала легендарная датская компания Ortofon, которая разработала звукосниматель (картридж проигрывателя винила) как раз для решения этой задачи.
Полученный с помощью этого картриджа электрический сигнал сам по себе не обладает достаточной мощностью, чтобы быть сразу преобразованным в звук динамиком. Вот тут-то и появляется задача для усиления этого сигнала.
Причем, на нашем примере, чем громче мы хотим услышать звук, тем более мощный динамик нам нужен, а это значит, что еще более мощный сигнал должен приходить в этот динамик.
С цифровым сигналом ситуация слегка иная, но схожая. Для того чтобы цифровую музыку в виде электричества подать на динамики, ее сначала нужно преобразовать из цифры в аналог. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), о них мы много и подробно поговорим в других статьях. Важно то, что и у них электрический сигнал на выходе точно также «слаб» для любого динамика и тоже требует усиления.
Усилитель – это устройство (цепочка устройств), которое позволяет исходному электрическому сигналу от источника обрести достаточную мощность, чтобы быть поданным на динамик акустической системы. И в результате получится громкий и четкий звук, которым мы с вами и будем наслаждаться.
На фото: современный ламповый усилитель Hi-Fi класса TAGA Harmony
Надеемся, что на таких простых примерах нам удалось объяснить, зачем же нужен усилитель и какова его роль в звуке Hi-Fi-системы. Еще лучше вы сможете разобраться в вопросе, поняв внутреннее устройство усилителя, его самые важные параметры, принцип работы, а также, какие типы усилителей бывают и где используются. И об этом мы поговорим с вами в следующих статьях.