Вот здесь новые исследования на эту тему.

И ещё одно более новое исследование в статье Реальный блок питания на реальном звуке.

Необходимое дополнение
Прошел почти год, и возникла необходимость в дополнении. По правилам его нужно помещать в конце, но для того, чтобы оно было более заметно, я помещаю его в начале. За этот год я продолжал убеждаться в правильности моего подхода. Но все же нужно отметить два важных момента (спасибо моим корреспондентам!).
Очень важно: этот расчет предназначен для воспроизведения музыки, а не для исполнения! При воспроизведении музыки всегда есть предел — максимальное выходное напряжение источника сигнала (магнитофона, CD-плеера, винилового проигрывателя), больше которого просто не бывает. Поэтому и максимальная выходная мощность усилителя ограничена. Громче никак не сделаешь. И, соответственно, мощность, потребляемая от источника питания, никак не может превысить своего максимума. А это очень важно — ведь у нас трансформатор облегченный, к нему бережней относиться надо… При исполнении музыки (например рок-группой), всегда должен быть изрядный запас по мощности — вдруг гитарист «уйдет в запил», причем решит, что его плохо слышно, и будет прибавлять и прибавлять громкость. Значит мощность, потребляемая от блока питания, будет расти и расти. И блок питания ее должен свободно выдавать, так что никакого облегчения ему делать нельзя, наоборот — тут запас должен быть.
Да, и еще — это блок питания для транзисторных усилителей (у ламп все немного иначе, им такой расчет не очень подойдет), работающих в классе АВ, В, супер-А. Для УМЗЧ, работающих в классе А, этот расчет не годится!
Написанию этой программы предшествовал долгий период «вызревания» (около 10 лет), экспериментов, расчетов. И все эти идеи я проверял на себе. Тем не менее, был задан вопрос: «А что будет, если кто-то захочет устроить дискотеку и будет долго гонять усилитель на полной громкости?» И я решил проверить, а что же, в самом деле, будет? Взял свой усилитель на микросхеме TDA7293 (TDA7294) мощностью 2х40 Вт на нагрузке 6 Ом, блок питания для которого рассчитан по этой программе. То, что такое «облегчение» блока питания не приводит к росту искажений, описано в статье Работа УМЗЧ на TDA7294 (TDA7293) на «трудную» нагрузку. А вот насколько живуч такой блок?Я провел эксперимент. К трансформатору приклеил термопару (с использованием термопасты) корпус блока питания закрыл и даже закрутил винты — чтобы все было по-настоящему, к выходу обоих каналов усилителя подключил резисторы 6 Ом 50 Вт, поставил в CD проигрыватель диск группы Queen (включив на бесконечный повтор диска), установил такую громкость, чтобы происходил некоторый клиппинг (отчетливо заметный на экране осциллографа, при этом Кг был порядка 5…10%) на амплитуде выходного сигнала 22…24 вольта (это соответствует максимальной выходной мощности 40…48 Вт). Пик-фактор сигнала (для разных песен) находился в пределах 9…15 дБ, средний пик-фактор получился 11 дБ (клиппирование уменьшает пик-фактор).Итак, запустил я музыку на «полную громкость» на 1,5 часа, контролируя температуру каждые 5…7 минут. Целый час трансформатор разогревался. Даже чуть больше. А потом температура трансформатора стабилизировалась, и держалась в пределах 68…73 градусов. На более «тихой» фонограмме температура снижалась, на более «громкой» — росла.В пособии по ремонту телеаппаратуры указана максимальная температура поверхности трансформатора 85 градусов. Вывод: все в пределах нормы. В данном случае температура окружающей среды была 21 градус, следовательно, можно предполагать, что даже в жару трансформатор не перегреется. Метод правильный, все отлично работает!!! Выдерживает даже дискотеку, на которую в общем-то даже и не очень и рассчитан!
НО! В моем блоке питания использован тороидальный пропитанный трансформатор. Непропитанные трансформаторы охлаждаются хуже, поэтому температура внутри него больше, чем у пропитанного. Точно также обмотки броневых трансформаторов охлаждаются хуже, и внутри горячее, чем снаружи. То есть, если вы планируете часто и надолго устраивать дискотеки на всю громкость и использовать при этом непропитанные броневые трансформаторы, их мощность лучше брать с запасом 20…30%. Если дискотеки не планируются, можно не заморачиваться и пользоваться результатами расчета по программе!

Расчет блока питания усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) достаточно сложен для радиолюбителей:

• малодоступна нужная литература;
• расчет производится графоаналитическим методом, который довольно трудоемок и требует хорошего понимания математики и физики процессов, тогда как начинающим радиолюбителям больше подходят «кулинарные рецепты»;
• существующие методики ориентированы на нагрузку, потребляющую все время только максимальный по величине ток, а усиление звуковых сигналов наоборот, требует небольшой средней и большой кратковременной пиковой мощности. Т.е. звуковой сигнал в корне отличается от того, на что ориентирован «классический» расчет.

Вот программа для расчета блока питания усилителя

Предлагаемая программа предназначена для широкого круга радиолюбителей и позволяет полностью рассчитать источник питания для усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Она учитывает особенности потребления энергии при звуковоспроизведении и обладает достаточно высокой точностью (в пределах разброса параметров трансформаторов). Ее достоинства:

• учитывает пик-фактора звукового сигнала, что позволяет выбрать реальную, а не избыточную мощность трансформатора;
• учитывает мощность, потребляемую как самим усилителем, независимо от его КПД, так и предусилителем;
• учитывает «просадки» напряжения на трансформаторе и емкостном фильтре под нагрузкой;
• учитывает пульсации напряжения питания;
• учитывает зависимость «просадки» напряжения и величины пульсаций от емкости конденсатора фильтра;
• учитывает, что емкости фильтра заряжаются импульсным (и довольно коротким) током;
• позволяет самостоятельно выбрать напряжение питания усилителя;
• учитывает особенности сабвуферов для питания их усилителей;
• выдает значения получаемой выходной мощности усилителя с расчитанным блоком питания;
• выдает параметры диодов для выпрямителя и требуемое рабочее напряжение конденсаторов фильтра.

ВАЖНО! Расчет ведется для двухполярного источника питания с «классической» (т.е. не мостовой) схемой усилителя

Воспроизведение звука – это передача энергии из источника питания в нагрузку. Усилитель лишь управляет этим процессом и следит за тем, чтобы форма сигнала в нагрузке как можно точнее совпадала с формой входного сигнала. Чем усилитель лучше, тем это ему лучше удается. Но даже самый распрекрасный усилитель не сможет правильно передать звук, если блок питания не выдаст ему нужное напряжение или ток.

Обычно расчет требуемой мощности трансформатора производят следующим образом: берется максимальная выходная мощность УМЗЧ, к ней прибавляется мощность, выделяемая на активных элементах усилителя, и получившееся число умножается на количество каналов усиления.

Рассчитаем для примера таким «неправильным» способом источник для усилителя на микросхеме TDA 7294:

Число каналов = 2;

Выходная мощность Рвых, Вт = 40;

Мощность, рассеиваемая микросхемой при выходной мощности 40 Вт на нагрузке 6 Ом, Вт = 40.

Не так уж мало! Почему так получилось? Во-первых, расчет упрощенный. Во-вторых, в качестве выходной берется максимальная мощность. Это верно для синусоидального сигнала, но на реальном звуке максимум мощности достигается сравнительно редко. В-третьих, из-за того, что мощность, потребляемая самим усилителем взята неправильная — она не постоянна, а зависит от амплитуды сигнала (именно поэтому в таких расчетах абсолютно неприменимо понятие КПД усилителя).

Можно ли использовать в усилителе такой трансформатор? Можно! Ведь он рассчитан на самые жесткие условия, поэтому можно быть уверенным, что его перегрузки не произойдет.

А нужно ли делать такой блок питания? А вот тут я отвечу — нет! Потому, что на реальном звуковом сигнале блок питания будет работать с большой недогрузкой. А зачем тогда нам нужен такой большой, тяжелый и дорогой трансформатор, если он будет загружен максимум на 30%?! (Я в этот усилитель ставлю трансформатор мощностью 53 Вт!!! И его достаточно!)

Для пояснения на рисунке 1 слева показан синусоидальный сигнал, справа — музыкальный. Общего у них — только масштаб по вертикали на осциллограмме. Причем максимальные значения обоих сигналов совпадают. Почему? Это важное условие и краеугольный камень всей теории. Максимальное значение – это единственная вещь, зависящая только от усилителя (а не от сигнала). Мы же знаем, что Uвых.макс= U питания — dU , где dU: минимальное остаточное напряжение на выходных транзисторах. Значит, выкрутив громкость на максимум (но без ограничения – клиппинга), мы получим или левый сигнал, или правый (в зависимости от того, что подаем на вход).

Рассмотрим внимательно музыкальный сигнал. В отличие от синусоиды, которая быстро растет и регулярно достигает максимума, звуковой сигнал имеет амплитуду где-то в половину максимальной и меньше, и лишь изредка (на этой осциллограмме одно деление по горизонтали равно 1 сек) выбрасывает большие всплески-пики . То есть, максимальное напряжение и у синуса и у музыки одинаковое, а вот среднее у музыки гораздо меньше (это видно невооруженным глазом, но на всякий случай я провел желтые линии, показывающие средние уровни сигнала).

На первый взгляд не очень верится, что средний уровень музыкального сигнала так мал. Но это потому, что осциллограмма сильно сжата по горизонтали. Если ее «растянуть», то будет хорошо видно, что амплитуда почти все время «болтается» около нуля (на рис.2 показана «растяжка» сигнала по оси времени в несколько приемов). Это несмотря на то, что для «растяжки» каждый раз выбиралась часть сигнала с максимальной амплитудой. Если бы можно было изобразить в таком растянутом виде весь сигнал, то он почти все время имел бы маленькую амплитуду с довольно редкими всплесками.

И действительно, пик-фактор (отношение максимального значения к среднему) для музыки лежит от 8…10 дБ (2,5…3 раза) для «ди-джейской» музыки, до 18…24 дБ (8…16 раз) для классики. Это для громких мест. А самые тихие места имеют уровень еще от 3 (сильно компрессированная поп- и DJ — музыка) до 100-1000 (симфоническая классика) раз меньше!

Вот что написано в журнале «Автозвук» про то, насколько средняя мощность музыки меньше максимальной (с некоторыми непринципиальными купюрами):

«Я пропустил через компьютер некоторое количество музыкальных фрагментов и выбрал довольно показательные с точки зрения соотношения средней и пиковой мощности.

Первая картинка — это 60 секунд «Шествия гномов» (6-я дорожка «Let’s Test!»). Если система настроена так, чтобы самые большие пики сигнала не вышли за пределы выходной мощности усилителя, то в целом за минуту акустике будет доставаться около полутора процентов этой мощности.

Минута деятельности барабанщиков Yamato (помните, приезжали в Москву?). Уровень сигнала выбран так, чтобы беспрепятственно пропустить пик деятельности на 21 секунде. В результате средняя мощность всего фрагмента — меньше процента от максимальной, а самой его напряжённой части — одна десятая от максимума.

Третий пример: «In the Pocket» (Kai Eckhardt, «NAIM Sampler», дорожка 8). Средняя мощность 13% от максимума, а прибавить громкость будет означать — обрубить многочисленные пики, вызванные умелой работой барабанщика.»

Возникает искушение сделать музыкальный сигнал погромче, чтобы повысить его средний уровень. А нельзя! Вы еще не забыли, что в нагрузку идет напряжение из источника? Поэтому больше, чем он дает, напряжение получить невозможно! Здесь громкость уже установлена максимальная — такая, чтобы в точности воспроизвести пики сигнала. Если прибавим громкость — пики обрежутся, т.к. у источника нет столько вольт, сколько нужно для их воспроизведения. Что бывает при обрезании верхушек пиков, описано в статье Ограничение сигнала усилителем – можно ли работать в клиппинге? Одним словом, это плохо — искажения.

Итак, что же у нас получается? А получается, что средняя мощность музыкального сигнала как минимум в 4…8 раз меньше, чем максимальная, и в 3…6 раз меньше, чем средняя у синусоиды. И это при максимальной громкости! А что будет, если сделать тише? А если еще учесть динамический диапазон музыки — не всегда же она громкая, есть и средние, и тихие места. То есть, кроме влияния пик-фактора, на среднюю выходную, а значит, и потребляемую от источника, мощность влияет динамический диапазон самой музыки, и уровень громкости, с которым мы ее слушаем. И все это влияет только в одну сторону — в сторону уменьшения потребляемой мощности!

Так зачем нам тогда такой большой и толстый силовой трансформатор?

Дальше мне проще выразить свои мысли в виде диалога: Вопрос – Ответ.

В. На чем основан принцип расчета блока питания?

О. На том, что усилитель с «облегченным» блоком питания должен выдавать точно такую же максимальную выходную мощность, что и с обычным, но кратковременно. При этом средняя выходная мощность, а значит и мощность блока питания, намного ниже максимальной. Реально оценив эту среднюю мощность, получаем реальную мощность блока питания (главным образом силового трансформатора).

В. Насколько точен этот расчет? Можно ли ему доверять?

О. Доверять можно – расчет построен на общепризнанной теории, дополненной экспериментальными исследованиями. Величина ошибки не превышает погрешности изготовления трансформатора (а разброс параметров трансформаторов очень велик!).

В. Не получится ли так, что рассчитанный по этой методике блок питания «не справится» с питанием реального усилителя?

О. Справится. И этому способствуют сразу два обстоятельства: 1) расчет выполняется для работы на максимальной громкости. При обычном прослушивании на меньшей громкости, работа блока питания еще сильнее облегчается; 2) в расчете практически не учтен динамический диапазон звукового сигнала, т.е. расчет «думает», что вся музыка состоит только из самых громких мест. А в реальности есть места и тихие и средние. Кроме того, «облегченый» трансформатор хорошо выдерживает небольшие перегрузки, если вдруг мы все же подадим очень-преочень «тяжелый» звуковой сигнал.

В. Всегда ли применим этот подход?

О. Только для усиления звуковых сигналов. Если источник должен питать нагрузку, потребляющую неизменную мощность, или усилитель, усиливающий какой-нибудь сигнал незвукового характера (например, синусоидальный или шумовой для исследования АЧХ колонок), то этот расчет неприменим. Повторяю, метод «заточен» под свойства реального звука – человеческой речи и музыки.

В. Выдаст ли усилитель в нагрузку заявленную мощность, если на вход подать синусоидальный сигнал?

О. Очень непродолжительно (доли-единицы секунды) – пока не разрядятся конденсаторы фильтров. Поскольку средняя мощность синусоидального сигнала, намного больше, то блок питания не сможет поддерживать нужное напряжение питания (оно «просядет»). Поэтому максимальная мощность на синусоидальном сигнале будет несколько меньше (на 10…30%). Программа выдает ориентировочное значение максимальной синусоидальной мощности, которую можно получить с этим блоком питания.

В. За счет чего усилитель будет выдавать в нагрузку большУю импульсную мощность?

О. В основном за счет запасения энергии конденсаторами фильтра. Эти конденсаторы выполняют две функции – сглаживают пульсации напряжения питания, и подпитывают усилитель на пиках сигнала.

В. Так ли важна большая емкость конденсаторов фильтра?

О. Как уже было сказано, конденсаторы выполняют две функции – сглаживают пульсации напряжения питания, и подпитывают усилитель на пиках сигнала. Причем обе эти функции очень важны! Но зачастую им не придают должного значения. Особенно это касается сглаживания пульсаций. Вот осциллограмма напряжения питания реального усилителя с разными величинами емкостей:

С емкостью фильтра 4700 мкФ напряжение питания «просаживалось» до 18 вольт, поэтому на нагрузку приходило максимум 18-4=14 вольт неискаженного сигнала (здесь dU=4В). При увеличении емкости получили минимум 22 вольта питания и 18 В на нагрузке. Это соответствует увеличению выходной мощности в 1,6 раз! Кроме того, подавление пульсаций по питанию самим усилителем не бесконечно, поэтому во втором случае кроме роста максимальной выходной мощности еще и искажения уменьшаются.

В. В чем особенность расчета питания усилителей для сабвуферов?

О. В том, что сабвуферы воспроизводят только низкочастотные сигналы, поэтому продолжительность пиков сигнала у них больше. Соответственно больше должна быть и емкость конденсаторов фильтров и несколько больше мощность трансформатора, чтобы эти конденсаторы заряжать. Это все программа учитывает сама.

В. Какие особенности у усилителя домашнего кинотеатра?

О. Тут большой разницы нет (кроме сабвуфера). Обычно в кино речь (которую делают погромче, следовательно, и мощность нужна больше) имеет очень большой пик-фактор и динамический диапазон. Поэтому увеличение громкости компенсируется пик-фактором и в среднем мощность источника нужна та же. Разница в том, что перепады громкости несколько больше, чем в музыке, поэтому циклы трансформатора «нагрев-охлаждение» (при сильном и тихом сигнале) проявляются в несколько большей степени. Но трансформатор это никак не беспокоит.

В. А сабвуфер для ДК?

О. А вот от сабвуфера ДК иногда требуется бОльшая мощность. Например, громкий взрыв с продолжительным грохотом обвала взорванного моста — в музыке такого количества низких частот просто не бывает. Поэтому при расчете блока питания сабвуфера ДК автоматически берется определенный запас по мощности и емкости конденсаторов фильтра питания.

В. А почему же некоторые производители заявляют для своих усилителей блоки питания огромной мощности?

О. Одну цель – рекламную – мы опустим. Другая цель – максимально снизить просадки напряжения питания и получить максимально возможную выходную мощность не только в музыке, но и вообще всегда. Третья цель – максимально снизить пульсации напряжения питания, чтобы выжать максимум качественного звучания («грязный» источник питания – одна из причин роста интермодуляционных искажений). Однако создание качественного источника питания большой мощности тоже непросто. Там появляется много противоречий, которые трудно разрешить. Вот мнение Владимира Перепелкина (специалиста компании НОЭМА) » …слишком низкое внутреннее сопротивление трансформатора (избыточная габаритная мощность) сильно осложняют режим выпрямительных диодов и конденсаторов фильтра и очень сильно увеличивает помехи генерируемые в сеть питания из-за резко несинусоидального потребления тока…»

На мой взгляд, для высококачественной техники (а такие источники используются именно в классе Hi-End ) правильнее использовать стабилизированное питание. А трансформатор для него рассчитать по предлагаемой методике, добавив к Uпитания дополнительно падение напряжения на стабилизаторе.

В. Какие исходные данные нужны для расчета?

О. Назначение (для сабвуфера или нет) и выходная мощность усилителя, число его каналов, сопротивление нагрузки, предпочитаемый жанр музыки (по нему оценивается пик-фактор), ток покоя усилителя и ток, потребляемый от этого блока питания предусилителем. А также dU – минимальное остаточное напряжение на выходных транзисторах усилителя.

В. Можно подробнее про эту самую dU ?

О. Напряжение питания должно быть несколько больше чем наибольшее выходное напряжение. Дело в том, что усилитель не может выдать в нагрузку все то напряжение, что дает ему источник. Часть напряжения ( dU =3…5 В) остается на выходных транзисторах, как бы они не пытались открыться и пропустить максимум тока. Значит, берем напряжение питания на эти 3…5 вольт больше максимального выходного. Это значение и учитывается в расчете.

В. А почему ввод данных разбит на два этапа?

О. Вначале по мощности усилителя и сопротивлению нагрузки определяется требуемое напряжение питания и емкость конденсатора фильтра. Но если по какой-то причине разработчик хочет взять другое напряжение (например, усилитель на микросхеме не позволяет подать на нее столько) и емкость – мы обязаны предоставить ему такую возможность. Или программа предложит напряжение 30 вольт, а мы можем свободно подать все 36 (с запасом, чтобы наверняка избежать клиппинга). Тогда вводим значение 36 вольт. И мощность трансформатора будет считаться из введенного нами значения. Нужно понимать, что снизив напряжение питания, снижаем и выходную мощность. Поэтому полностью расчет выполняется после ввода выбранных напряжения питания и емкости для этих заданных пользователем значений.

Важно! Напряжение питания задается на холостом ходу блока питания. Т.е. без усилителя.

В. А эта мощность усилителя, что мы вводим – что она означает? Ведь мы договорились использовать источник сравнительно малой мощности…

О. Ну, в данном случае вводимая мощность усилителя – довольно условная величина. Правильно будет сказать так: «Усилитель с этим блоком питания воспроизводит музыку точно так же, как и усилитель мощностью ХХ ватт». Здесь ХХ ватт – это та самая мощность, которую мы ввели в исходных данных. (Еще раз говорю: именно музыку, тут они равны, а вот на синусе им не сравняться).

В. Что получаем в результате?

О. Габаритную мощность трансформатора, напряжение и ток на вторичной обмотке (одной из двух – источник-то двухполярный), рекомендуемую емкость конденсаторов фильтра (по ней подбираются конденсаторы для расчета). Максимальное обратное напряжение, максимальный прямой импульсный и максимальный средний (длительный) токи диодов выпрямителя (чтобы их можно было подобрать подходящий трансформатор и диоды). А также максимальную синусоидальную и мгновенную импульсную выходные мощности усилителя. Это уже необязательная информация. Просто она может быть кому-то интересна.

В. А как быть, если пик-фактор сигнала неизвестен, или если «любимых» жанров больше одного?

О. В принципе это не так важно. Музыка даже одного жанра имеет большой разброс пик-фактора. Кроме того, поскольку мощность считается «с запасом» (не учитывается динамический диапазон и прослушивание на «немаксимальной» громкости), можно выбрать стандартное значение « Common » — ошибка будет невелика. Кстати, фирма SGS Thomson считает пик-фактор музыки равным 15 дБ — у меня выходит с запасом!

В. А как быть, если неизвестно значение dU , или тока покоя?

О. Обычно значение dU лежит в пределах 3…6 вольт. А вот ток покоя имеет большой разброс: 30…300 мА. Это уже нужны технические данные усилителя. Или взять максимальные значения из приведенных.

В. А можно ли использовать трансформатор большей габаритной мощности и диоды с напряжением/током большим, чем получилось по расчету?

О. Конечно. Можно ли для перевозки груза весом 1 тонну использовать грузовик, рассчитанный на 5 тонн?

В. А почему бы не добавить ввод мощности реального трансформатора? Например, программа выдала рекомендуемую мощность 40 Вт, а в наличии имеется трансформатор, мощностью 70 Вт. Тогда можно было бы ввести эту мощность в программу, и увидеть насколько стало лучше.

О. Во-первых, лучше станет не на много — см. сам принцип снижения мощности источника питания. Во-вторых, для того, чтобы рассчитать как будет что-то работать с реальным трансформатором, нужно в точности знать все параметры этого трансформатора (а их измерить не так-то просто). И вводить в программу придется не только мощность, но еще полдюжины других параметров (все параметры полной Т-образной схемы замещения трансформатора). Поверьте, их измерить намного сложнее, чем просто сделать хороший блок питания. В-третьих, расчеты-то приблизительные! У одного музыкального произведения одни статистические характеристики, у другого — другие. Я сделаю расчет и введу в программу формулы для первых, а включат другую музыку, у которой все немного не так. И что тогда? Кому тогда нужны будут точные цифры, точно вычисленные, но для другой задачи?!

Хочу напомнить, что напряжение на вторичной обмотке от мощности трансформатора не зависит. Оно зависит от того напряжения питания постоянного тока, которое выбрано изначально. А вот если сердечник позволяет получить мощность больше, чем выдает расчет, то ток вторичной обмотки можно повысить. Но повторяю — большого смысла в этом нет.

ПРОДОЛЖЕНИЕ…

08.12.2006