Реальный блок питания на реальном звуке

Здесь я хочу показать, как в реальности работает блок питания при воспроизведении усилителем звукового сигнала. И чем воспроизведение реальной музыки отличается от воспроизведения тестового синусоидального сигнала.

Для этого я использовал одноканальный монофонический усилитель с «безупречным» блоком питания, причём ёмкость накопительных конденсаторов была несколько завышена – эта ёмкость рассчитана на два стереоканала, а работал только один. Усилитель был подключён к проигрывателю CD в режиме «моно», то есть воспроизводил сразу оба стереоканала. Так было проще реализовать эксперименты (у меня двухканальный осциллограф, а надо было кроме сигнала ещё показывать напряжение питания), да и нагляднее. В качестве нагрузки использовались мощные резисторы сопротивлением 6 ом, чтобы громкий звук из колонок не мешал мне работать (максимальная мощность достигала 80 Вт). Кроме того, я мог подавать на вход усилителя тестовый синусоидальный сигнал. И применять для питания  усилителя различные трансформаторы.

Все электронные блоки, участвовавшие в экспериментах, показаны на рисунке 1. На фотографию не попал клип-детектор, так как он не является необходимым для работы усилителя.

Усилитель и блок питания, использовавшиеся в эксперименте.
Рис. 1. Усилитель и блок питания, использовавшиеся в эксперименте.

Для начала рассмотрим, как работает усилитель на тестовом синусоидальном сигнале. Я подавал на вход усилителя синусоидальное напряжение разной величины, и при помощи осциллографа измерял выходное напряжение усилителя и напряжение положительного плеча источника питания. Результат показан  на рис. 2 в виде gif-анимации. Жёлтая линия – выходное напряжение, голубая линия – напряжение источника питания (положительное плечо) в том же масштабе.

Блок питания усилителя. Синусоидальный сигнал.
Рис. 2. Воспроизведение тестового синусоидального сигнала. Анимированный GIF. Для правильной работы в браузере должна быть разрешена анимация.

Из рисунка 2 хорошо видно, что при увеличении амплитуды выходного сигнала напряжение питания уменьшается. Это происходит просадка напряжения. Величина просадки равна разности между исходным напряжением питания при отсутствии входного сигнала и напряжением питания в данный момент. Так и должно быть. Ток нагрузки на самом деле потребляется от источника питания, усилитель лишь регулирует его величину в соответствии с усиливаемым сигналом. Чем больше этот ток, тем сильнее разряжаются накопительные конденсаторы. И напряжение питания уменьшается. При этом напряжение питания изменяется довольно медленно. Оно не пульсирует вместе с изменением выходного напряжения. Голубая линия остаётся прямой. Это следствие правильно выбранной большой ёмкости накопительных конденсаторов блока питания. При частоте сигнала, равной 1 кГц, конденсаторы не успевают заметно разрядиться за период сигнала.

При сильном увеличении громкости происходит ограничение сигнала – клиппинг. Величина выходного напряжения приближается к значению напряжения питания и дальше увеличиваться не может. При этом форма сигнала искажается, следовательно, искажается и информация, передаваемая усилителем.

Затем я подавал на вход усилителя реальный музыкальный сигнал  и регистрировал осциллограммы. Длительность каждой осциллограммы 700 миллисекунд. Масштаб по вертикальной оси – 10 вольт на деление (одно деление – это одна клетка), рис. 3. Видно, что в режиме молчания (покоя) напряжение питания составляет 34 вольта.

Входной сигнал отсутствует. Выходная мощность = 0.
Рис. 3. Входной сигнал отсутствует. Выходная мощность = 0.

На осциллограммах указана мгновенная максимальная выходная мощность. Та, которая возникает на очень короткий промежуток времени. Она соответствует самому максимальному значению осциллограммы. Такое измерение не вполне соответствует средней слышимой громкости, но является самым важным для работы усилителя совместно с блоком питания – именно в этот момент возможен клиппинг. С другой стороны, максимальное значение выходной мощности связано с общей громкостью звука. Я так и проводил этот эксперимент: вращал регулятор громкости и смотрел, что получается, когда делаешь звук всё громче и громче.

Все измерения производились примерно на одном и том же участке фонограммы, поэтому условия работы усилителя и его блока питания были примерно одинаковыми, не считая величины выходного напряжения.

Итак, при отсутствии сигнала напряжение и мощность на выходе усилителя нулевые, а напряжение питания максимально. Пульсации напряжения питания отсутствуют.

Красная линия на осциллограммах – то напряжение, которое усилитель получает от источника питания (положительное плечо), синяя линия – то напряжение, которое усилитель отдаёт в нагрузку. Больше, чем выдаёт источник, усилитель отдать не может, поскольку он только перенаправляет энергию из блока питания в нагрузку. Кроме того, некоторое напряжение теряется в усилителе, поэтому максимально возможное напряжение на выходе всегда немного меньше, чем напряжение питания.

Для того чтобы правильно понимать результаты эксперимента, давайте разберёмся, что нам показывает осциллограмма, рис. 4. Это один из результатов моих экспериментов.

Блок питания усилителя. Свойства напряжения питания.
Рис. 4. Свойства напряжения питания.

При увеличении выходного напряжения увеличивается ток нагрузки. В реальности нагрузкой являются громкоговорители, но сейчас вместо них используется резистор. Этот ток усилитель получает от источника питания, так что и ток источника питания увеличивается. Накопительные конденсаторы  разряжаются, и напряжение  на них уменьшается. При уменьшении амплитуды выходного сигнала напряжение питания снова увеличивается. Этот процесс протекает достаточно медленно, поэтому на осциллограмме видно, как красная линия то опускается, то поднимается. Изменение напряжения питания немного запаздывает относительно выходного напряжения: выходное напряжение уже максимально, а напряжение питания только начинает уменьшаться. Это полезное свойство – самое начало любого реального звука имеет наибольшую величину, и усилитель имеет хорошую возможность правильно воспроизвести этот максимум напряжения. Такую ситуацию мы увидим ниже.

Также на осциллограмме видны пульсации напряжения питания. Они происходят с удвоенной частотой питающей электрической сети. Пульсации достаточно малы – так и должно быть. Пульсации большой величины недопустимы – они не только уменьшают напряжение питания, доступное усилителю, но и проникают в усиливаемый сигнал.

Начнём наши эксперименты. Включаем воспроизведение на небольшой громкости, рис. 5.

Максимальная выходная мощность = 3 Вт.
Рис. 5. Максимальная выходная мощность = 3 Вт.

Напряжение сигнала на выходе усилителя очень маленькое, поэтому напряжения и мощности источника питания хватает с избытком. В этом режиме работа усилителя никак не сказывается на величине напряжения питания. Блок питания работает в очень лёгком режиме. Пульсации и просадки напряжения практически отсутствуют.

Увеличиваем громкость. Максимальная выходная мощность 12 Вт, рис. 6. Красная линия, показывающая напряжение питания, перестаёт быть прямой. На ней заметны очень маленькие волны. Это означает, что разряд накопительных конденсаторов блока питания таким сигналом уже возможно различить. Однако, запас по напряжению и мощности источника питания большой, поэтому о работе блока питания и о качестве питания усилителя можно  не беспокоиться.

Блок питания усилителя. Малая мощность.
Рис. 6. Максимальная выходная мощность = 12 Вт.

Снова увеличиваем громкость.  Максимальная мгновенная выходная мощность стала в три раза больше и равна 36 Вт, рис. 7.

Максимальная выходная мощность = 36 Вт.
Рис. 7. Максимальная выходная мощность = 36 Вт.

Звуковой сигнал имеет большой динамический диапазон, он то становится меньше, то становится больше. И здесь уже заметнее просадка напряжения питания, связанная с изменением амплитуды сигнала. Но запас по напряжению и мощности источника питания всё  ещё большой, поэтому несмотря на заметное влияние выходного сигнала на напряжение питания, никакого ухудшения качества работы усилителя не происходит. За то время, пока длится максимальный уровень выходного сигнала, накопительные конденсаторы блока питания не успевают значительно разрядиться. Поэтому минимальное значение напряжения питания больше, чем при воспроизведении синусоиды с такой же максимальной амплитудой.

Ещё больше увеличиваем громкость.  Максимальная выходная мощность теперь 48 Вт и 66 Вт, рис. 8 и 9.

Максимальная выходная мощность = 48 Вт.
Рис. 8. Максимальная выходная мощность = 48 Вт.
Блок питания усилителя. Большая мощность.
Рис. 9. Максимальная выходная мощность = 66 Вт.

Видно, что напряжение выходного сигнала усилителя приближается к напряжению питания. «Волны» напряжения питания хорошо различимы – просадка напряжения становится очень заметной. Кроме того, красная линия перестаёт быть ровной, на ней заметны небольшие «зубья» – это пульсации напряжения питания.

Рисунки 8 и 9 хорошо иллюстрируют работу блока питания при усилении реального звукового сигнала. Хорошо видно, как напряжение питания повышается на более тихих участках фонограммы. Это заряжаются накопительные конденсаторы, чтобы в нужный момент отдать дополнительную энергию на пике громкости. Напоминаю, что длительность звукового фрагмента на осциллограмме составляет 0,7 секунд. То есть, это не громкое и тихое место фонограммы (на самом деле это всё — одно громкое место). Это структура сигнала реальных звуковых инструментов и человеческого  голоса при исполнении музыки с неизменной громкостью.

Просадки и пульсации напряжения питания при этом остаются достаточно маленькими, что связано с правильным выбором мощности трансформатора и ёмкости накопительных конденсаторов фильтра питания.

Ещё немного увеличиваем громкость. Здесь следует быть осторожным, амплитуда выходного напряжения усилителя близка к пределу, возможен клиппинг. И получаем два интересных рисунка — рис. 10 и рис. 11.

Максимальная выходная мощность = 75 Вт.
Рис. 10. Максимальная выходная мощность = 75 Вт.
Блок питания усилителя. Максимальная выходная мощность.
Рис. 11. Максимальная выходная мощность = 80 Вт.

Эти осциллограммы интересны тем, что они сделаны при одном уровне громкости но на разных участках фонограммы. На этих максимальных значениях выходного сигнала изредка происходит лёгкий клиппинг. Он практически незаметен на слух, но легко регистрируется клип-детектором. Собственно, я так и устанавливал этот уровень громкости, чтобы клип-детектор давал редкие единичные срабатывания. При этом получается максимально возможное выходное напряжение (и выходная мощность), но качество звучания ещё не снижается.

Во втором случае выходная мощность больше, чем в первом. Это скорее всего связано с тем, что на первом участке фонограммы (рис. 10) в промежутке между «громкими моментами» амплитуда «тихого сигнала» довольно большая. Поэтому накопительные конденсаторы продолжают разряжаться довольно интенсивно, и «не успевают накопить заряд» для питания очередного громкого момента. На втором участке фонограммы (рис. 11) в промежутке между максимумами выходного напряжения сигнал имеет меньшую амплитуду. И накопительные конденсаторы успевают зарядиться примерно на 0,5…1 вольт больше, чем в первом случае. И эта небольшая разница позволяет получить заметно большее значение выходной мощности.

При дальнейшем увеличении громкости происходит ограничение амплитуды выходного сигнала – клиппинг, рис. 12. Клиппинг можно  распознать по появлению небольших горизонтальных участков в тех местах, где происходит обрезание пиков выходного сигнала усилителя. На осциллограмме эти места выглядят как жирные синие точки.

Клиппинг.
Рис. 12. Клиппинг.

Мне удалось запечатлеть участок фонограммы, очень похожий на тот, который показан на рис. 11. Сравните эти два рисунка. При появлении клиппинга происходит ряд интересных явлений:

  1. Снижается напряжение питания, это растёт просадка напряжения питания.
  2. Растут пульсации напряжения питания.
  3. Снижается максимальная выходная мощность.

Снижение максимальной выходной мощности – это следствие влияния первых двух факторов. Впервые в этих экспериментах напряжение питания становится меньше 30 вольт. Снижается минимальное напряжение питания – снижается максимальная выходная мощность. Уменьшению  напряжения питания способствуют два фактора:

  • Из-за ограничения, увеличивается длительность пиков громкости (эти пики становятся шире). Поэтому увеличивается время разряда конденсаторов максимальным током. То есть, конденсаторы разряжаются гораздо интенсивнее, чем в ситуации на рис. 11.
  • «Тихие» участки фонограммы имеют заметно большую амплитуду, по сравнению с ситуацией, показанной на рис. 11. Следовательно, накопительные конденсаторы не успевают как следует зарядиться в «паузе» между «громкими участками».

Я контролировал на слух звучание усилителя при помощи контрольного громкоговорителя, включённого через резистор, чтобы ограничить громкость. В таком включении правильно оценить на слух качество звука было невозможно. Тем не менее, попробую субъективно оценить звук. При лёгком клиппинге (рис. 10 и рис. 11) ухудшения звука вообще не слышно. По идее, так и должно быть – единичный клиппинг на слух незаметен. Его можно диагностировать только при помощи клип-детектора.

Но и в ситуации, показанной на рис. 12 заметного снижения качества звучания я не ощутил. Несмотря на то, что клип-детектор срабатывал очень часто. Скорее всего, это следствие плохих условий прослушивания. Контрольный громкоговоритель был недостаточно высокого качества, а я больше внимания уделял проведению измерений, чем прослушиванию музыки. При высококачественном прослушивании такой клиппинг уже недопустим.

Ну и наконец, давайте сравним работу усилителя и его блока питания про воспроизведении тестового синусоидального сигнала и реального звука. Осциллограмма, показанная на рисунке 2, получена в других условиях, поэтому её нельзя сравнивать с остальными рисунками. Именно по этой причине я её сделал в другой цветовой гамме. Реальное сравнение музыка – синусоидальный сигнал, сделанное в одинаковых условиях, показано на рисунке 13. Амплитуда в обоих случаях устанавливалась максимальной, но такой, чтобы клип-детектор вообще не срабатывал.

Сравнение музыка – синус
Рис. 13. Сравнение воспроизведение музыка – синус в одинаковых условиях.

Как видите, и напряжение питания усилителя, и максимальная амплитуда выходного сигнала на реальном звуке существенно больше. В данном конкретном случае максимальная мгновенная мощность музыкального сигнала примерно 94 Вт, а синусоидального сигнала 77 Вт. Разница достаточно велика, чтобы о ней говорить.

На рис. 14 показана разница максимального выходного напряжения при воспроизведении синусоидального тестового сигнала и реальной музыки при питании  усилителя от разных трансформаторов.

Максимальное выходное напряжение при воспроизведении синусоидального тестового сигнала и реальной музыки.
Рис. 14. Максимальное выходное напряжение при воспроизведении синусоидального тестового сигнала и реальной музыки.

Не следует рассматривать  рис. 14 как руководство по выбору трансформатора для усилителя. Реальный блок питания на реальном звуке И далеко не все из этих трансформаторов являются оптимальными для данного усилителя. Смысл рисунка в том, чтобы показать, что разница в максимальном выходном напряжении – это не случайность, а закономерность. Присущая всем без исключения.

Успешного питания вашим усилителям!   Реальный блок питания на реальном звуке

01.11.2021

Total Page Visits: 180 - Today Page Visits: 1