Для чего усилитель мощности
Усилитель звука – что это такое, устройство, принцип работы, зачем нужен, основные характеристики
Во многих аудиосистемах бытового и профессионального назначения используется специальный компонент – усилитель звука. Он необходим для качественного, громкого воспроизведения аудиоинформации без помех и искажений. Устройства отличаются исходными характеристиками, совместимостью с другими приборами и сферой применения.
Что такое усилитель звука?
Качественный аудиоприбор, будь то магнитола в автомобиле или акустическая система для домашнего кинотеатра, практически всегда снабжается усилителем звука. Это специальное электрическое устройство, преобразующее слабый электрический сигнал в более сильный с помощью увеличения мощности тока. Усилитель мощности звука может быть как отдельным прибором, входящим в аудиосистему, так и являться внутренним компонентом, например, колонок, входящим в их гибридную систему.
Устройство усилителя звука
Стандартный усилитель звука для колонок имеет следующие конструкционные особенности:
Принцип работы усилителя звука
Любой простой усилитель звука вне зависимости от класса и конструктивных особенностей работает по следующей схеме:
Зачем нужен усилитель звука?
Обыватели нередко полагают, что усилить звук стараются непременно для повышения его громкости. Такое утверждение верно лишь отчасти. Усилитель звука в машину или для домашнего, профессионального использования необходим для качественного преобразования слабого электрического сигнала в более мощный. Устройства воспроизведения – плееры, магнитофоны и магнитолы имеют разную величину выходного аудиосигнала, которой не всегда хватает для качественного звучания. После таких метаморфоз исходящий звук:
Характеристики усилителя звука
Основные характеристики, которыми обладает усилитель звука для компьютера или другого прибора:
В качестве дополнительных характеристик могут быть указаны:
Виды усилителей звука
Акустическая аппаратура имеет разнообразные характеристики и области применения, поэтому и усилитель звука имеет несколько разновидностей. По мощности бывают:
По элементной базе различают:
По количеству подключаемых каналов приборы делятся на:
Важным критерием классификации является и область применения устройства:
Классы усилителей звука
Выбирая усилитель звука для ноутбука или другого прибора, стоит обратить внимание и на класс понравившейся модели. Он демонстрирует сумму выходного сигнала в зависимости от схемы прибора в течение одного цикла работы при возбуждении входящим синусоидальным сигналом. Все классы можно условно разделить на группы:
Как выбрать усилитель звука?
Перед покупкой понравившуюся модель усилителя стоит внимательно изучить, а лучше протестировать в магазине в режиме реального времени. Лучшие усилители по качеству звука обладают следующими важными параметрами, указанными производителем:
Рейтинг усилителей звука
При подборе оптимальной модели усилителя звуковой частоты можно ориентироваться и на отзывы профессионалов акустического дела и обычных пользователей. В рейтинг популярных приборов неизменно входят:
Усилитель звука своими руками
Некоторые аудиолюбители зная, как сделать усилитель звука, собирают прибор с нужными характеристиками самостоятельно. Для этих целей потребуются навыки работы с радиотехникой и следующие элементы:
Ход работ не представляет сложности для опытного электронщика:
Как пользоваться усилителем звука?
Основные правила использования усилителя звука на ПК, в автомобиле и домашней аудиосистеме стандартны:
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.
Основным предназначением бытовых усилителей мощности можно отметить небольшое усиление звучания с минимальными искажениями в составе домашних музыкальных систем. Это связано с тем, что при прослушивании в домашних условиях важным является не громкость звука, а его качество. Однако, бытовой ламповый усилитель должен иметь достаточный запас мощности, ведь 80% мощности уходит на усиление НЧ (низких частот), а перегрузка усилителя по НЧ может привести не только к искажениям звучания, но и к выведению из строя динамиков акустических систем, что крайне нежелательно. Для того, чтобы обеспечить такие запасы мощности необходимо, чтобы обеспечить оптимальный запас мощности, максимальная мощность бытовых усилителей должна быть не менее 2 х 50Вт. Также нельзя забывать о том, что при увеличении уровня громкости происходит возрастание нелинейных искажений, исходя из чего будет невозможным ощутить всю прозрачность и глубину звучания. Специалисты советуют использовать бытовые усилители максимум на 30% от их максимальной мощности, т.е. уровень громкости не должен превышать 30%.
Главным отличием усилителей мощности звука является наличие специального тембрблока, с помощью которого можно провести коррекцию в виде ослабления или усиления низких и высоких частот. В домашних же условиях нет потребности использовать эквалайзеры и микшерные пульты, вследствие чего коррекцию проводят на панели усилителя мощности.
К профессиональным усилителям мощности звука относятся инструментальные, студийные, концертные, усилители звука для гитар и многие другие. Используются такие усилители на концертах, в студиях звукозаписи, а также в иных сферах профессиональной деятельности.
В связи с этим, существует ряд правил для профессиональных усилителей звука, такие как рэковое изготовление корпуса с определенной широтой и высотой, а также с наличием панели и отверстий на ней для крепления на рэковые стойки.
Студийные усилители мощности используют в студиях для небольшого и качественного усиления звучания, как и бытовые. Однако, существует несколько принципиально важных отличий между двумя данными усилителями.
Концертные усилители изначально предназначены для значительного усиления звучания на различных музыкальных мероприятиях. Рассчитаны такие усилители на длительную работу в мощности, близкой к максимальной, исходя из чего основным жестким требованием является надежность концертного усилителя. Также в концертных усилителях более серьезно выполнена защита от перегревов, перегрузок, коротких замыканий и других. Это преимущество является крайне важным, так как бытовые усилители могут выйти из строя, проработав несколько минут на максимальной мощности.
Выбирая усилители мощности звука, следует определиться, когда и для каких целей Вы будете их использовать. Студийные и бытовые усилители не предназначены для озвучивания музыкальных концертов. Для таких целей подойдут исключительно концертные усилители мощности звука с необходимой для этого мощностью.
В таблице, расположенной внизу, приводятся отличительные особенности видов усилителей, которые смогут помочь Вам сделать правильный выбор при приобретении.
Основные характеристики усилителей мощности звука
Также немаловажную роль играет класс усилителя мощности звука. Существуют следующие классы:
— Вес
Концертные усилители имеют достаточно массивные блоки питания и большие теплоотводящие радиаторы, которые являются достаточно тяжелыми, исходя из чего, весят такие усилители не меньше 10 кг.
Выбор усилителя мощности звука
Для того, чтобы не ошибиться с выбором усилителя, следует тщательно изучить следующие параметры:
Это основные параметры, которые Вы можете проверить при выборе усилителя мощности звука. Однако, существуют и такие, которые проверить не получится. К таким параметрам относятся АЧХ, коэффициент нелинейных искажений, качество и наличие систем защиты и прочие. Связано это с тем, что такая проверка требует эксплуатации в течении нескольких часов без сбоев и на 80% от допустимой максимальной мощности.
На сегодняшний день бытовые усилители мощности практически нигде не используются, студийные усилители используют только в помещениях с исключительно хорошей акустикой и студиях звукозаписи, в которых также часто можно встретить усилитель для сабвуфера. Инструментальные усилители являются комбинированными устройствами и применяются в различных сферах деятельности.
Однако, отдельно рассмотрим концертные усилители, так как на сегодняшний день это наиболее актуальный вопрос.
Концертный усилитель следует выбирать либо вместе, либо после выбора акустической системы, так как мощность последних должна иметь оптимальный запас, и, чтобы она не была выведена из строя, быть на порядок выше мощности усилителя. Например, если Вы выбрали акустическую систему мощностью 250 Ватт, то купить усилитель следует мощностью 200 Ватт с таким же выходным сопротивлением, что и у акустической системы. Усилитель лучше выбирать с запасом мощности, чтобы в итоге получить минимальный уровень искажений звучания, ведь чем больше усиление, тем выше уровень нелинейных искажений. Не стоит забывать, что перегрузка усилителя по низким частотам может привести к преждевременному выходу из строя динамики акустической системы.
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.