Твердотільний підсилювач потужності Частина 1

[Італійська версія]

Багато з нас протягом багатьох років стикалися з підсилювачами, переважно з поважних джерел і за досить високими цінами, що викликало у нас бажання їх мати. Найчастіше нашу увагу привернули два аспекти - бас і високі частоти.

Якось, мабуть, завдяки нашому нелінійному слуху, який є найкращим у середньому діапазоні, і, мабуть, тому, що ми сприймаємо середній діапазон як належне ("Ну, якщо він не робить середнього, що він робить?"), Ми приділяйте цьому найменше уваги. Але є й інші причини - хороший бас отримати непросто, і більшість дизайнерів клапанів працює багато ночей, а хороші високі частоти є слизькою стороною твердотільних підсилювачів приблизно стільки, скільки вони існують.

На практиці можна отримати обидва, з певною обережністю та трохи прикладних знань, оскільки багато дизайнерів внесли свій внесок у наш пул знань, іноді менше, а іноді більш успішно.
Однак отримання кращих басових ліній ніколи не є самою справою - просто неможливо вдосконалити лише бас, оскільки будь-яке вдосконалення басів обов'язково призведе до поліпшень і в інших місцях, можливо, в меншій мірі, але все одно, як ми побачити.

Проте високі частоти - це зовсім інша справа. Щоб бути гарним, для цього потрібно прийняти багато рішень на ранніх стадіях розробки підсилювача, багато з яких неможливо змінити пізніше або, можливо, можуть, але після тривалої напруженої роботи, часто не варта часу та клопоту.
Однак занадто мало людей усвідомлює, що для отримання гарних високих частот з твердотільного підсилювача потужність або запускається, або закінчується з джерелом живлення, точно так само, як і для басів. Цю роботу потрібно виконати, однак ми розглядаємо її.

Регульовано чи ні?

Іноді мається на увазі, що повністю електронно регульовані підсилювачі потужності дадуть кращі результати, ніж класичні, згладжені конденсатором. Це може бути так, але на цьому шляху існує багато перешкод, щоб це справді було так.
Для початку регульоване джерело живлення можна візуалізувати як насправді інший підсилювач потужності з однаковими або кращими показниками потужності, ніж той, що регулюється. Потім він повинен бути швидким, дуже швидким, щоб він міг реагувати на раптові піки, яких вимагає музика - це робить його все ще дорожчим для проектування та виготовлення. Очевидно, що в підсилювачі буде потрібно набагато більше місця для розміщення додаткової електроніки, яка вимагає настільки ж тепловіддачі, як і основна аудіоелектроніка - отже, важча, громіздкіша, набагато дорожча.

Крім того, повністю регульовані джерела живлення є "жорсткими" - це означає, що вони працюватимуть до рівня і не більше, періоду. Вони могли б полегшити подвоєння потужності вдвічі менше, але вони не дозволять динамічних сплесків потужності набагато вище номінального значення.
Їх можна змусити це дозволити, але це зробить їх все ще дорожчими та масовішими.

На сьогоднішній день я чув лише один продукт із повністю регульованими джерелами живлення, який звучав правильно (і то деякі!), І це Левінсон. Всі інші тієї ж породи звучали дуже чітко, але якось замкнуто, занадто контрольовано на мій смак. А ціни та розміри були, ну, щедрими.

Коротко це відбувається - з регуляторами ми хочемо настільки зменшити напругу, щоб утримувати наші транзистори регулятора в межах їх безпечної робочої зони (SOAR), але вище абсолютної необхідності.
Якщо ми маємо вихідну потужність 50 Вт/8 Ом, для цього потрібна пікова напруга 28,3 В, тому ми, швидше за все, будемо регулювати на рівні 32 В. Однак у випадку нерегульованих джерел живлення наші лінії становитимуть 34 В при піковій потужності, зростаючи до 36-38 В від навантаження. Працюючи в зворотному напрямку, наш регульований підсилювач почне затискатися при 32 В, мінус падіння напруги на транзисторах підсилювача (скажімо, 1,3 В для драйвера та вихідного каскаду), що становить 30,7 В або 59,2 Вт/8 Ом. У разі нерегульованих джерел живлення, при гарному розмірі, наша напруга опуститься лише на 1-2 В нижче напруги від навантаження, оскільки конденсатори подаватимуть короткочасне живлення, що дозволить нам отримати (38-2-1,3) 34,7 В або 75,7 Вт/8 Ом.

Коли навантаження зменшується вдвічі, тобто коли воно становить 4 Ом, регульоване джерело живлення дозволить подвоїти потужність (за умови, що воно розроблено для цього), але з тими ж обмеженнями, що і вище.
Як правило, він почне обмежувати доступний струм при навантаженні нижче 4 Ом, тоді як згладжений конденсатор також буде робити це, але в значно меншій мірі, принаймні в піках.

Очевидно, що повністю регульовані джерела живлення не є практичними в типових підсилювачах потужності, що працюють в класі AB.
Чистий клас А - це зовсім інша історія, оскільки він тягне постійні струми, тому електронне регулювання має набагато простішу роботу. Однак поки що не викидайте - нам потрібне повне регулювання в підсилювачі потужності.

Ділянка напруги підсилювача потужності працює в чистому класі А, отже, тягне постійні струми; оскільки він підсилює напруги, його поточні вимоги є як фіксованими, так і низькими. З іншого боку, каскади посилення напруги не повинні мати уявлення про те, яке навантаження ведеться, і вони вводять перепади напруги на кожному ступені, тим самим змушуючи нас збільшувати лінії електроживлення, щоб реалізувати весь потенціал підсилювача.
Отже, ми могли - і, я вважаю, повинні, завжди! - використовувати повне регулювання ліній живлення до наших підсилювачів напруги.

Переваг багато. По-перше, додаткова фільтрація застосовується там, де вона дасть найбільшу користь, покращуючи таким чином співвідношення сигнал/шум.
По-друге, каскади посилення напруги точно і повністю відключені від будь-якого впливу на споживання струму та динамічні режими власне вихідного каскаду.
По-третє, ми можемо легко і безпечно збільшити напруги на лінії живлення до підсилювача напруги, щоб компенсувати властиві перепади напруги, що дозволяє нам повною мірою використовувати можливості вихідного каскаду. І по-четверте, ми можемо ефективно знизити напругу вихідного каскаду дещо більше, ніж було б, якби не застосовувалось жодне регулювання. Це, в свою чергу, дозволяє нам тримати транзистори більше в межах їх SOAR і витягувати з них більші струми, оскільки напруги нижчі. Все це без будь-яких втрат, а насправді, з великою вигодою.

Додана ціна зовсім не погана, оскільки повне регулювання може виконуватися з дуже невеликою кількістю компонентів, все залежно від конкретної ситуації. Ми можемо навіть зробити крок далі і зробити наші регульовані джерела живлення трохи потужнішими, так що у випадку біполярного вихідного каскаду з подвійним драйвером, що передує вихідному каскаду, перший, все ще відносно низький рівень потужності, також подається регульованим джерела живлення.
Я думаю, це буде значним поліпшенням як допуску навантаження, так і стійкості приводу - тому я використовую його у всіх своїх підсилювачах потужності.

Отже, для завершення - повне регулювання напруги слід застосовувати до всіх ступенів підсилювача потужності, крім драйвера та кінцевих вихідних каскадів, які заради динаміки, особливо при складних навантаженнях та економії, повинні утримуватися на згладжених конденсаторах.

Успіння - лише одне

Щоразу, коли маємо справу з практичними питаннями, враховуючи коло можливостей, ми повинні щось припускати. Тут я припускаю, що мова йде про поточні ступені посилення підсилювача потужності.
Вони витрачають переважну більшість енергії, залученої підсилювачем, оскільки саме вони повинні вирішувати навантаження, яку ми називаємо "гучномовцями". Хоча їх зручно називати навантаженнями "8 Ом", насправді у них часто імпеданс падає до половини або менше їх номінального значення і зі значними фазовими зсувами, що може призвести до того, що каскадні коефіцієнти посилення підсилювача потужності ефективно бачать навантаження 3 Ом або менше.

Що ще гірше, треба взяти до уваги два додаткові фактори. Одне з них полягає в тому, що багато відхилень імпедансу оратора не будуть виявлятися в класичних процедурах тестування, оскільки вони за своєю природою є тимчасовими, і тому їх не можна побачити в класичних тестах розгортки.
Ця тема, наскільки мені відомо, була вперше серйозно обговорена в спільноті підсилювачів професором Матті Оталою у своїх публікаціях IEEE в середині сімдесятих. Навіть якщо я помиляюся щодо своїх дат, це все одно не менше 25 років, достатньо для того, щоб зробити багато авансів. Другим фактором є той факт, що гучномовці змінюють свої характеристики, коли вони нагріваються під час використання, так само, як і підсилювачі, і тут у нас є додаткові проблеми, про які слід подумати - їх нова взаємодія після, скажімо, 30 хвилин напруженої роботи всіх зацікавлених сторін.

Тому, будучи оптимістом, я вирішую з песимізмом ставитись до навантажених навантажень; таким чином, коли я натрапляю на красиво поводився, простий в керуванні динамік, я щасливий, тому що мій підсилювач хапає його і повністю керує ним.
І коли я стикаюся з важким і дуже складним навантаженням, я не переживаю, бо це все одно я очікував, тож життя для мене все ще веселе.

Отже, назвіть мене членом раси Крелл (міфічна цивілізація, що загинула із фільму SF "Заборонена планета", 1956, де ім'я, ймовірно, отримав Ден Д'Агостіно, власник і дизайнер Krell Industries), але я припущу, що я матиме справу з навантаженням 2 Ом, і менше лише в піки. Це буде коштувати мені грошей, але привіт, це аудіо, тому витрати несуттєві.

Компоненти

Блок живлення складається в основному з трьох елементів - силового трансформатора, випрямляча та конденсаторів фільтра. За бажанням, ви можете використовувати мережевий фільтр перед силовим трансформатором і, можливо, якийсь спосіб плавного перемикання, якщо у вас дуже великі конденсаторні батареї, щоб уникнути перегорання лінійного запобіжника кожного разу, коли ви вмикаєте підсилювач потужності.

Існує багато можливих варіантів цієї основної теми, кожна з яких має свої переваги та недоліки. Оскільки мені потрібно щось припустити, я пропущу різні схеми затримки, можливі фільтри тощо, і сконцентруюсь на суті.

На схемі 1 показано типовий комерційний блок живлення підсилювача потужності. Дуже просто - трансформатор, один маркерний фільтр за ним, повноволновий мостовий випрямляч і пара електролітичних конденсаторів. Його переваги подвійні - це дешево і просто реалізувати. Все це, і це теж працює!

Однак його недоліків багато. Така простота вимагає високої якості компонентів для отримання аудіофільних результатів - чим менше деталей ви використовуєте, тим кращими вони повинні бути, оскільки відсутні компенсації.
Окрім того, оскільки це дешево, на практиці занадто часто ви знайдете досить маленький, іноді страшенно малий силовий трансформатор, низькокласні ковпачки та виразник із низьким розміром мосту. Навіть не думайте про його охолодження - дуже ймовірно, що воно буде складатися з дискретних діодів, а не бути блоком.

Результатом є те, що випрямлення відповідає нормам повної хвилі (тобто вторинна напруга трансформатора x квадратний корінь 2 або в 1,41), але чистота передбачуваного постійного струму буде досить низькою. Поведінка високих частот буде дуже сумнівною і, як правило, набагато нижче рівня аудіофілів.
Оскільки силові трансформатори в комерційних агрегатах виготовляються всіма можливими способами, крім використання щедрого методу вимірювання, ви можете очікувати певних забруднень під напругою - це спричинить хибну перехідну реакцію, і блок, ймовірно, буде звучати розмитим, рівним і ненужним.

Діаграма 2 показує кращі комерційні джерела живлення, як правило, це обладнання середньої ціни. Тепер ми бачимо ще дві кришки фільтра малого значення перед випрямлячем мосту і ще одну пару після конденсаторів фільтра великих значень. Перша пара призначена для фільтрації високочастотних шумів, як і друга пара. Цей метод забезпечить більш чисте джерело живлення з точки зору високочастотного сміття, якого там не повинно бути, але якось завжди є.
Розумно припустити - хоча і не суворо, а завжди вірно! - що хтось, хто турбується про все, що раніше також зробив кращий вибір щодо потужності та якості трансформатора і наділив підсилювач більш якісним мостовим випрямлячем.

Але навіть незважаючи на це, залишається перевірити, що саме означає «щедріший». Цілком може виявитись, що навіть при, здавалося б, великому збільшенні, скажімо, +20. 30%, силовий трансформатор все ще є лише прикордонним випадком.

На схемі 3 показано серйозне джерело живлення. Тут ми маємо подвоєну ємність фільтра в порівнянні з попереднім випадком, що саме по собі не може бути поганим. Однак це може бути і не так добре.

Розумієте, фільтрувальні конденсатори повинні бути саме такими, конденсатори ФІЛЬТРУВАТИ, їх функція накопичення енергії має другорядне значення. У багатьох комерційних підрозділах ці ролі присутні, але зворотні - конденсатори більшого значення використовуються не тільки для фільтрації, чого вони не можуть не робити, але й для резервування енергії.
Звичайно, вони завжди діють так, але справа в тому, що їх, як правило, збільшують, щоб покрити неадекватний розмір силового трансформатора та/або продуктивність.
У таких випадках ви не дуже ймовірно знайдете всередині високоякісні конденсатори, а конденсатори комерційної якості. Цьому є дві основні причини. По-перше, вони дешеві, і їх можна добре виглядати на рекламних фотографіях та в розмитій рекламі.
Другий - паралельно підключаючи два конденсатори, один не лише подвоює їх запаси енергії, але й зменшує їх вихідний опір наполовину. Це, звичайно, цілком вірно, і на практиці працює щоразу безвідмовно, але по суті набагато менше, ніж нам повірили.

Отже, зменшений вдвічі вихідний опір може все ще перевищувати значення, отримані за допомогою однієї пари високоякісних конденсаторів. Крім того, цей погляд повністю ігнорує швидкість заряду та розрядки конденсатора - ковпачки хорошої якості дорогі саме тому, що, крім усього іншого, дуже швидкі.
Як приклад, типовий конденсатор комерційного значення, розрахований на 10000 мкФ/63В і коштує близько 8-9 євро, матиме в кращому випадку швидкість 30-40В/мкс. Еквівалент Elna для серії Audio чорного кольору, який коштує близько 15-25 євро, матиме швидкість в діапазоні 80-90 В/мкс, тобто в найгіршому випадку подвоїть швидкість найкращого випадку в комерційній країні. Ковпачок Siemens Sikorel, який коштує близько 20-30 євро, зросте понад 100 В/мкс - але за ціною.

І це важко ігнорувати, якщо ви хочете якісний звук. Яка користь від надшвидкої електроніки, здатної до приголомшливих швидкостей, якщо вони будуть заглушені повільними конденсаторами, які з’являться як обмежувачі швидкості? Тут я не можу не бути саркастичним - ось чому в багатьох випадках рекламована швидкість підсилювача ніколи не досягається в реальному житті.
Багато виробників вимірюють швидкість лише вхідного каскаду, і занадто мало загального підсилювача - друга група завжди буде показувати набагато менш вражаючі результати. Тому остерігайтеся диких фігур, вони, швидше за все, не є справді репрезентативними для підсилювача в цілому, на основі введення-виведення.