Вимірювання вихідної потужності підсилювачів звукової частоти

Візьмемо звичайний підсилювач НЧ з напругою живлення 12 Вольт, опором навантаження 4 Ом, приєднаємо до навантаження осцилограф, а до входу - генератор синусоїдального сигналу, (рис. 1)

включимо всі і спостерігаємо на екрані осцилографа "веселі картинки" - синусоїду, поки вона не досягне видимих спотворень (рис. 2а). (Примітка Вченої кота: менше 3% спотворення простим оком не помітні. Про те, що таке спотворення, поговоримо в іншій статті.)

Площа, яку займає синусоїдою, можна обчислити (або виміряти) і замінити еквівалентним напругою постійного струму тієї ж площі (рис. 2б).

Ця напруга називається середньоквадратичної напруги - ВКВ (англомовна абревіатура - RMS), в просторіччі - "ефективним". Таким чином можна знайти еквівалентне напруження для будь-якої форми струму (рис. 2в, г, д).

Для трикутного, прямокутного, синусоидального, експоненціального струму є математичні вирази для еквівалентного перетворення. Для простоти розуміння на малюнках зображені половини періодів симетричних сигналів. Поява комп'ютерної реєстрації дозволяє виконати чисельне інтегрування будь-якої функції без пошуку його математичного виразу. Для чого все це треба? Знайдений еквівалентний постійний струм буде виробляти ту ж теплову роботу, що і наш досліджуваний струм.

Будь-змінний струм можна характеризувати наступними видами напруги:

Амплітудне - сині стрілки (зрозуміло з назви і малюнків);

Середнє - середньоарифметичне усіх миттєвих значень сигналу за вимірюваний період (на малюнках не показано);

Середньоквадратичне - червоні стрілки (розглянуто вище).

Для полегшення розуміння зазначених видів напруги можна намалювати їх на міліметрівці і самостійно підсумувати чисельні значення напруги (для синусоїдального, прямокутного і трикутного напруги). Більшість вольтметрів змінної напруги мають схему випрямлення змінного струму, відповідну середньому напрузі - як найпростішу, а градуювання показує шкали - у ВКВ. При вимірюванні синусоїдальних струмів і напруг це не викликає ніяких труднощів, а якщо струм або напруга відрізняються від синусоїди - доведеться вводити поправочні коефіцієнти.

Тепер згадаємо початку начал - Закон Ома: I = U / R. а також формули для обчислення потужності постійного струму - P = U * I = I2R = U2 / R.

Для синусоїдального струму (і напруги) формула обчислення потужності по виміряним осциллографом амплітудному напрузі буде виглядати так:

P = (0,707U) 2 / R н = U 2 / 4R н

де 0,707- коефіцієнт перекладу амплітудного напруги U синусоїдального струму в еквівалентну напругу постійного струму.

Ми прийшли до практичного способу вимірювання вихідної потужності підсилювача за допомогою вимірювання амплітуди сигналу на екрані осцилографа (рис. 2б). Механічна потужність - це робота за 1 секунду. Електрична потужність не містить параметра часу в явному вигляді; мається на увазі (але не дотримується, причому саме при вимірюванні потужності підсилювачів низької частоти), що це - теж 1 секунда. Наприклад, для меандру частотою 100 Гц за час 10 мс в будь-який момент ВКВ напруга дорівнює його амплітудному значенням (рис. 2в)

А хто заважає поширити такий підхід і до синусоидальному сигналу? Для частини синуса 100Гц за час 1мс (рис. 2е) отримаємо практично прямокутник, для якого коефіцієнт перекладу амплітудного напруги у ВКВ дорівнює 1, і відповідно миттєву потужність в два рази більше, ніж за цілий напівперіод 10 мс.

Але це ще не все! Можна виміряти розмах напруги при переході від мінімального до максимального значення (рис. 2ж) за дуже невеликий період часу і отримати потужність ще більше! Ось вони - десятки ват від бумбокса і сотні ват від побутового підсилювача!

Зведемо отримані результати в таблицю.

Середньоквадратичне напруга Uскв = 2в. Потужність на Rн 4 Ом Рвих = 1 ват

Бачимо, що на 10 кГц опір реального навантаження виросло в 2,5 рази, а потужність, що віддається в це навантаження, відповідно зменшилася в ті ж 2,5 рази (рис. 3 б). А тепер згадаємо, що на вході підсилювача (і на виході) присутній конденсатор.

Припустимо R вх = 100 кОм, ємність конденсатора С вх = 0,1 мкФ. На частоті 1 кГц його опір буде 1,6 кОм; на частоті 100 Гц - 16 кОм; на частоті 10 Гц - 160 кОм, тобто напруга, що надходить на вхід першого каскаду підсилювача, зменшиться в 0,38 рази, а пропорційно до цього - і вихідна потужність (рис. 3в).

Аналогічний розрахунок для впливу вихідний ємності С вих = 1000 мкФ дає: 1 кГц - 0,16 Ом; 100 Гц - 1,6 Ом; 10 Гц - 16 Ом. В останньому випадку на навантаження 4 Ом буде надходити всього 0,2 вихідної напруги, і віддається потужність знизиться до 1/25 від максимально можливої (рис. 3г). Тому не лінуйтеся розрахувати мінімально необхідні ємності вхідного і вихідного конденсаторів для отримання заданої частотної характеристики в області низьких частот.

Але це знову ж таки ще не все! Якщо наш гучномовець дво- або трехполосний-, поведінка повного опору гучномовця через вплив індуктивностей, конденсаторів і резисторів розділових фільтрів передбачити досить складно, простіше провести вимірювання (рис. 3-є). (Примітка премудрого кота. Так, в загальному, це не дуже то і потрібно.)

1. Вимірювання вихідної потужності найкраще проводити, спостерігаючи синусоїдальний необмежений сигнал на екрані осцилографа, і перерахувати виміряне значення амплітудного напруги у ВКВ (для отримання синусоїдальної потужності), або залишити як є (для пікової потужності). Вимірювання напруги вольтметром змінного струму небажано, оскільки ми не побачимо спотворення сигналу при потужності, близькій до максимальної, і зазвичай не знаємо, за якою схемою зібраний і проградуирован вольтметр. Вимірювання амплітудної пікової потужності викликає сумнів - її можна отримати і чисто розрахунковим шляхом. Формула для прикидочного розрахунку потужності синусоїдального сигналу виглядає наступним чином: Р = (U п: 3) 2 / R н. де U п - напруга живлення, R н-опір навантаження на заданій частоті. Ревнителі точності можуть відняти з U п падіння напруги на вихідних транзисторах і врахувати просідання U п при нестабілізованому харчуванні.

2. Тепер ми знаємо, як ставитися до потужності, заявленої на табличці "крутого" домашнього кінотеатру: "сумарна потужність всіх каналів складає 400 ват" при потужності, споживаної від мережі -100 ват. 3. Найбільш правильно буде говорити так: виміряна потужність підсилювача - Х ват при коефіцієнті гармонік Y% і частоті Z герц на навантаженні R Ом. (Для допитливих - старі ДСТ на увазі коефіцієнт гармонік 1% при номінальній потужності і 10% - при максимальній). Про коефіцієнт гармонік (будемо говорити пізніше, зараз мені потрібно харчування у вигляді риби, а не електричного струму! - примітка голодного кота).

Публікація: www.radiokot.ru, www.cxem.net