Вот, не встревал я в научные дискуссии, и вдруг в припадке графомании сочинил целый трактат. Может, кому интересно будет. Хотел бросить в ветку 'импеданс АС', но там уже баталии на совершенно другую тему идут. Так что начну новый топик.
Часто можно услышать мнение, что АС, импеданс которых имеет существенную реактивную составляющую (большой сдвиг фаз), являются 'тяжелой' нагрузкой для УМЗЧ. Это верно, но несколько неопределенно. Попробуем наполнить понятие 'тяжелая нагрузка' конкретным содержанием.
Во-первых, что такое активный и реактивный импеданс? Активный - это просто резистор, описываемый хорошо известным законом Ома I = U/R. Потребляемая им мощность равна P = U*I = U^2/R = I^2*R. То, что наш 'резистор' преобразует часть этой мощности в звук, для нашего анализа так же безразлично, как и то, что он в ореховом шпоне: УМЗЧ этого не видит. Мгновенное значение мощности, потребляемой резистором, всегда положительно (или равно 0): хотя при воспроизведении музыки или синуса напряжение меняет знак, ток, прикованный к напряжению законом Ома, меняет знак одновременно, и их произведение остается положительным.
Реактивная нагрузка запасает энергию, чтобы потом вернуть ее обратно в цепь. Чисто реактивным импедансом обладают идеальная (сверхпроводящая) катушка индуктивности и идеальный же конденсатор. В АС энергия может запасаться не только в элементах фильтров, но также в упругости подвеса и в виде кинетической энергии подвижной системы. Но как энергия может вернуться обратно в усилитель? Дело в том, что при подаче на реактивную нагрузку напряжения синусоидальной формы ток также будет изменяться по синусоиде, но с опережением или отставанием по фазе. Иными словами, ток пересекает 0 раньше или позже напряжения, и есть участок, на котором ток и напряжение имеют разные знаки, а их произведение отрицательно. Отрицательная мгновенная мощность, потребляемая нагрузкой, как раз и означает, что нагрузка возвращает запасенную энергию. Чем больше сдвиг фаз, тем большая часть энергии поступает обратно в усилитель. Не в коня корм! Эта энергия не идет на добрые дела, а бездарно рассеивается в выходных транзисторах.
Чтобы перейти к конкретным цифрам, возьмем гипотетический усилитель с выходной мощностью 100 Вт на нагрузке 8 Ом. Это соответствует максимальным значениям выходного напряжения и тока около 28 В и 3.5 А эффективного значения, или ровно 40 В и 5 А амплитудного. Чтобы выдать на выходе +/-40 В, наш усилитель должен иметь питание в районе +/-50 В. Если усилитель работает на активную нагрузку 8 Ом, ток и напряжение изменяются синфазно, то есть максимальное значение тока 5 А достигается одновременно с максимальным выходным напряжением 40 В; падение напряжения на выходном транзисторе составляет 10 В. Мощность, потребляемая от источника питания, равна 50 В * 5 А = 250 Вт, из них 40 В * 5 А = 200 Вт идут в нагрузку, остальные 50 Вт рассеивает выходной транзистор.
Теперь рассмотрим для пущей наглядности малореальный случай, когда усилитель работает на нагрузку с модулем импеданса те же 8 Ом, но чисто реактивную. В этом случае сдвиг фаз между током и напряжением составит 90 градусов, и то же максимальное значение тока 5 А будет достигаться, когда выходное напряжение проходит через 0. В этот момент от источника питания по-прежнему потребляется 250 Вт, но нагрузке не достается ничего, ведь напряжение на ней равно 0, все 250 Вт рассеивает выходной транзистор. Опаньки! А он не сгорит? Не сгорит, и вовсе не потому, что акустики со сдвигом фаз 90 градусов не бывает.
Дело в том, что ситуация 'ноль вольт - много ампер' для усилителя штатная, и называется она короткое замыкание, или КЗ. При принятом методе подключения АС вероятность КЗ довольно велика, и давать гарантию на аппарат без защиты от КЗ было бы неосторожно.
А ведь как хорошо все начиналось! Если бы наш усилитель работал на резистор 8 Ом, выходным транзисторам в худшем случае пришлось бы рассеивать всего 65 Вт на оба плеча. Взяли бы мы популярную пару 2SA1943+2SC5200 (каждый рассеивает 90 Вт при температуре 75 градусов, 60 Вт при 100 градусах), и в ус бы себе не дули. А если КЗ? Пусть ток срабатывания защиты 7 А, это что ж получается, при КЗ одно плечо должно сеять 350 Вт? А источник питания должен их давать? Придется поставить по четыре транзистора в параллель в каждое плечо, тепловую защиту градусов на 75-80, да выпрямитель покондовее, да трансформатор пожирнее, да у нас 2 канала, ой мамочка, это ж почти на 100 баксов дороже выйдет.
Нельзя ли как-то подешевле? Что ж, подешевле так подешевле. Сделаем токовую защиту так, чтобы при выходном напряжении 40 В порог срабатывания был те же 7 А, но понижался бы, например, на 1 А на каждые 10 В снижения выходного напряжения. Тогда при выходном напряжении 0 ток срабатывания защиты, он же ток КЗ, будет равен 3 А. Теперь нам нужно рассеять всего 150 Вт, источник питания потянет, а вот по одному транзистору в плечо поставить не удастся, как минимум два нужно. Тепловая защита тоже необходима. Ладно, хоть что-то сэкономили.
А не забыли ли мы о предмете разговора? Желание производителя сэкономить на нас с вами вполне естественно, но при чем тут работа УМЗЧ на комплексную нагрузку? А при том, что если производитель пошел более дорогим путем, и ток срабатывания защиты не зависит от выходного напряжения, то такой усилитель будет работать и на нашу реактивную нагрузку, по крайней мере до тех пор, пока не сработает тепловая защита. Во втором же случае усилитель не сможет выдать полный размах напряжения в чисто реактивную нагрузку. Помните, нужно было отдавать ток 5 А при выходном напряжении 0? Разумеется, если ток КЗ усилителя 3А, 5А он не даст. Из-за срабатывания токовой защиты форма выходного напряжения будет искажена (а потом все равно сработает тепловая защита).
Но не торопитесь говорить, что второй усилитель 'не может работать' на нашу нагрузку. Если мы повернем регулятор громкости на -10 dB, амплитуда выходного напряжения уменьшится с 40 до примерно 12 В, ток будет равен 12 В / 8 Ом = 1.5 А, и трехамперная защита нам не помеха. А 10 Вт на канал в обычной комнате - не так и мало. Поэтому многие владельцы акустики сидят и не знают, что их усилитель не может 'раскачать' их АС, и не узнают никогда, и будут слушать музыку и получать удовольствие, и будут жить счастливо ever after, и умрут в один день.
Часто можно услышать мнение, что АС, импеданс которых имеет существенную реактивную составляющую (большой сдвиг фаз), являются 'тяжелой' нагрузкой для УМЗЧ. Это верно, но несколько неопределенно. Попробуем наполнить понятие 'тяжелая нагрузка' конкретным содержанием.
Во-первых, что такое активный и реактивный импеданс? Активный - это просто резистор, описываемый хорошо известным законом Ома I = U/R. Потребляемая им мощность равна P = U*I = U^2/R = I^2*R. То, что наш 'резистор' преобразует часть этой мощности в звук, для нашего анализа так же безразлично, как и то, что он в ореховом шпоне: УМЗЧ этого не видит. Мгновенное значение мощности, потребляемой резистором, всегда положительно (или равно 0): хотя при воспроизведении музыки или синуса напряжение меняет знак, ток, прикованный к напряжению законом Ома, меняет знак одновременно, и их произведение остается положительным.
Реактивная нагрузка запасает энергию, чтобы потом вернуть ее обратно в цепь. Чисто реактивным импедансом обладают идеальная (сверхпроводящая) катушка индуктивности и идеальный же конденсатор. В АС энергия может запасаться не только в элементах фильтров, но также в упругости подвеса и в виде кинетической энергии подвижной системы. Но как энергия может вернуться обратно в усилитель? Дело в том, что при подаче на реактивную нагрузку напряжения синусоидальной формы ток также будет изменяться по синусоиде, но с опережением или отставанием по фазе. Иными словами, ток пересекает 0 раньше или позже напряжения, и есть участок, на котором ток и напряжение имеют разные знаки, а их произведение отрицательно. Отрицательная мгновенная мощность, потребляемая нагрузкой, как раз и означает, что нагрузка возвращает запасенную энергию. Чем больше сдвиг фаз, тем большая часть энергии поступает обратно в усилитель. Не в коня корм! Эта энергия не идет на добрые дела, а бездарно рассеивается в выходных транзисторах.
Чтобы перейти к конкретным цифрам, возьмем гипотетический усилитель с выходной мощностью 100 Вт на нагрузке 8 Ом. Это соответствует максимальным значениям выходного напряжения и тока около 28 В и 3.5 А эффективного значения, или ровно 40 В и 5 А амплитудного. Чтобы выдать на выходе +/-40 В, наш усилитель должен иметь питание в районе +/-50 В. Если усилитель работает на активную нагрузку 8 Ом, ток и напряжение изменяются синфазно, то есть максимальное значение тока 5 А достигается одновременно с максимальным выходным напряжением 40 В; падение напряжения на выходном транзисторе составляет 10 В. Мощность, потребляемая от источника питания, равна 50 В * 5 А = 250 Вт, из них 40 В * 5 А = 200 Вт идут в нагрузку, остальные 50 Вт рассеивает выходной транзистор.
Теперь рассмотрим для пущей наглядности малореальный случай, когда усилитель работает на нагрузку с модулем импеданса те же 8 Ом, но чисто реактивную. В этом случае сдвиг фаз между током и напряжением составит 90 градусов, и то же максимальное значение тока 5 А будет достигаться, когда выходное напряжение проходит через 0. В этот момент от источника питания по-прежнему потребляется 250 Вт, но нагрузке не достается ничего, ведь напряжение на ней равно 0, все 250 Вт рассеивает выходной транзистор. Опаньки! А он не сгорит? Не сгорит, и вовсе не потому, что акустики со сдвигом фаз 90 градусов не бывает.
Дело в том, что ситуация 'ноль вольт - много ампер' для усилителя штатная, и называется она короткое замыкание, или КЗ. При принятом методе подключения АС вероятность КЗ довольно велика, и давать гарантию на аппарат без защиты от КЗ было бы неосторожно.
А ведь как хорошо все начиналось! Если бы наш усилитель работал на резистор 8 Ом, выходным транзисторам в худшем случае пришлось бы рассеивать всего 65 Вт на оба плеча. Взяли бы мы популярную пару 2SA1943+2SC5200 (каждый рассеивает 90 Вт при температуре 75 градусов, 60 Вт при 100 градусах), и в ус бы себе не дули. А если КЗ? Пусть ток срабатывания защиты 7 А, это что ж получается, при КЗ одно плечо должно сеять 350 Вт? А источник питания должен их давать? Придется поставить по четыре транзистора в параллель в каждое плечо, тепловую защиту градусов на 75-80, да выпрямитель покондовее, да трансформатор пожирнее, да у нас 2 канала, ой мамочка, это ж почти на 100 баксов дороже выйдет.
Нельзя ли как-то подешевле? Что ж, подешевле так подешевле. Сделаем токовую защиту так, чтобы при выходном напряжении 40 В порог срабатывания был те же 7 А, но понижался бы, например, на 1 А на каждые 10 В снижения выходного напряжения. Тогда при выходном напряжении 0 ток срабатывания защиты, он же ток КЗ, будет равен 3 А. Теперь нам нужно рассеять всего 150 Вт, источник питания потянет, а вот по одному транзистору в плечо поставить не удастся, как минимум два нужно. Тепловая защита тоже необходима. Ладно, хоть что-то сэкономили.
А не забыли ли мы о предмете разговора? Желание производителя сэкономить на нас с вами вполне естественно, но при чем тут работа УМЗЧ на комплексную нагрузку? А при том, что если производитель пошел более дорогим путем, и ток срабатывания защиты не зависит от выходного напряжения, то такой усилитель будет работать и на нашу реактивную нагрузку, по крайней мере до тех пор, пока не сработает тепловая защита. Во втором же случае усилитель не сможет выдать полный размах напряжения в чисто реактивную нагрузку. Помните, нужно было отдавать ток 5 А при выходном напряжении 0? Разумеется, если ток КЗ усилителя 3А, 5А он не даст. Из-за срабатывания токовой защиты форма выходного напряжения будет искажена (а потом все равно сработает тепловая защита).
Но не торопитесь говорить, что второй усилитель 'не может работать' на нашу нагрузку. Если мы повернем регулятор громкости на -10 dB, амплитуда выходного напряжения уменьшится с 40 до примерно 12 В, ток будет равен 12 В / 8 Ом = 1.5 А, и трехамперная защита нам не помеха. А 10 Вт на канал в обычной комнате - не так и мало. Поэтому многие владельцы акустики сидят и не знают, что их усилитель не может 'раскачать' их АС, и не узнают никогда, и будут слушать музыку и получать удовольствие, и будут жить счастливо ever after, и умрут в один день.