Взаимодействие УНЧ с нагрузкой (теория)
категория
Самодельная Аудиотехника материалы в категории
Подкатегория Схемы и устройство акустических систем
Журнал Радио 2000 год, №2
Часто приходится слышать, что стандартные технические характеристики неполно отражают качество УМЗЧ. Так ли это? Может быть, просто измерения параметров усилителей проводятся неполно или некорректно?
Известные исследователи в области электроакустики Матти Отала и Мамору Сэкия еще в 1987 г. в своей статье, опубликованной в журнале "Funkschau" № 23, во многом ответили на этот вопрос, и здесь мы излагаем ее в сокращенном виде. Однако разработчики аппаратуры до сих пор не сделали, как нам кажется, надлежащих выводов из этой публикации
Если верить рекламе и фирменным информационным материалам, положение дел с УМЗЧ теперь выглядит просто блистательным — настолько высоки их технические характеристики. Выходная мощность, выражаемая трех-, а то и четырехзначным числом, коэффициент гармоник — сотые и тысячные доли процента. Параметры, бывшие не так давно признаком исключительно дорогих моделей, ныне стали нередкими для массовой аппаратуры. Все это не объясняет, однако, того эмпирического факта, что усилители с одинаковыми техническими характеристиками звучат по-разному. И более того: многие модели УМЗЧ отличаются заметными на слух искажениями сигнала, несмотря на отличные паспортные данные. Такие факты порождают недоумение у пользователей, а также служат питательной средой для всякого рода парадоксальных умозаключений на грани мистики и парапсихологии.
На самом деле причина таких несоответствий состоит в общепринятой методике измерений, с использованием "стандартной" нагрузки — обычно чисто активной с номиналом 8 Ом, — что совершенно не отвечает реальным условиям эксплуатации. На рис. 1,а представлены графики зависимости импеданса от частоты для двух распространенных громкоговорителей — профессионального студийного монитора "Yamahа NS1000M" (кривая синего цвета) и бытовой АС "Infinity 4,5" (кривая красного цвета).
Нелишне вспомнить, что согласно стандарту МЭК импеданс громкоговорителя не должен быть ниже 80 % от номинального значения, т. е. 6,4 Ом при номинале 8 Ом. Многочисленные измерения, проведенные в последние годы в Японии и США. показали, что у 60 % громкоговорителей импеданс может падать на отдельных частотах с 8 до 5 Ом, а у 25 % — и до 4 Ом; импеданс некоторых бытовых моделей (номинальный — 4 Ом) может упасть даже до 2...2,5 Ом. Отсюда следует, что ток, отдаваемый усилителем в нагрузку, может многократно превысить номинальный, а значит, технические характеристики усилителей, если они претендуют на объективность, должны определяться при тех же низких значениях нагрузки.
Столь же важное отличие реальной нагрузки от стендовой состоит в ее комплексном характере, что находит выражение в фазово-частотной характеристике громкоговорителей. Однако, не существует ни промышленных стандартов, ни общепризнанных опытных данных относительно допустимых фазовых искажений. Полученные в ходе вышеупомянутых испытаний результаты показали, что фазовый сдвиг обычного громкоговорителя доходит до ±50о, в более тяжелых случаях он достигает ±60о и даже ±80о. Соответствующие ФЧХ изображены на рис. 1,б. Становится понятным, что достоверные сведения о качестве усилителя можно получить лишь при его испытаниях с комплексной нагрузкой.
Специальная пассивная нагрузка, созданная авторами для имитации реальной, состоит из мощных безындукционных резисторов, высококачественных металлопленочных конденсаторов и катушек без магнитопроводов. Переключатели, рассчитанные на большие токи, позволяют создавать различные конфигурации. Собственная нелинейность нагрузки, измеренная как общий Кг, не превышает 0,03 % вплоть до мощности 250 Вт, и в данном случае такой величиной можно пренебречь. Согласно стандарту МЭК 268-3 усилители перед испытаниями прогревались в течение 30 мин с подачей на вход сигнала частотой 1 кГц и амплитудой, равной 1/8 от номинальной. В процессе испытаний уровень тест-сигнала плавно повышался от нуля до уровня, при котором Кг усилителя достигал 1 %, и все данные заносились в компьютер.
Всего было испытано пять усилителей "стоваттной" категории: "Harman-Каrdon РМ665", "Luxman L-510Х", "Sansui AU-D907Х", "Yаmаhа А-1000" и "Yаmаhа М-50". Результаты измерений в произвольном порядке представлены на рис. 2,а — 2,е в виде трехмерных диаграмм. В идеальном случае диаграмма должна иметь форму параллелепипеда — это значит, что выходное напряжение усилителя при К, = 1 % не зависит от активной и реактивной составляющих нагрузки. Другими словами, нагрузка не влияет на искажения усилителя. Хорошо видно, что достаточно близким к идеалу оказался лишь один усилитель из группы (рис. 2,а), прочие же демонстрируют заметную зависимость выходного напряжения (и искажений) от величины и фазового сдвига нагрузки, причем на рис. 2,г эта зависимость настолько сильна, что вызывает сомнение — способен ли этот усилитель вообще работать с реальной АС.
Естественно, такие измерения можно провести и на других частотах. Типичный пример для низкочастотного сигнала, при котором заметно сказываются недостатки блока питания и защитных устройств, приведен на рис. 2.е. Нетрудно подсчитать, что такой 100-ваттный усилитель способен отдать в нагрузку на частоте 50 Гц. где обычно наблюдаются глубокий фазовый сдвиг и сильные перепады импеданса, не более 5 Вт (!) при К, = 1 % (типичное нормированное значение Кг составляет 0.01 %). Иначе говоря, работа усилителя в номинальном режиме сопровождается существенными нелинейными искажениями. Таким образом, технические данные в руководствах и каталогах по выходной мощности и нелинейным искажениям усилителей следует оценивать весьма осторожно.