Если знаешь величину минимального остаточного напряжения на выходных транзисторах усилителя, то можешь определить максимально возможное напряжение на выходе этого усилителя. А значит, и его максимальную выходную мощность. Или наоборот: определить, какое напряжение питания надо использовать, чтобы получить на выходе заданную выходную мощность.

Минимальное остаточное напряжение на выходных транзисторах – это то минимально возможное напряжение, которое «теряется» на выходных транзисторах. Именно на эту величину напряжение на выходе усилителя меньше, чем напряжение питания.

Я измерил экспериментально величину минимального остаточного напряжения на выходных транзисторах микросхемы TDA7293. Я использовал именно микросхему TDA7293, а не TDA7294 по двум причинам:

• У меня был готовый усилитель на микросхеме TDA7293, пригодный к измерениям.
• Микросхема TDA7293 немного лучше, чем TDA7294 при той же цене, поэтому я рекомендую использовать именно её.

Измерения производились с источником питания напряжением на холостом ходу 44 вольта. На вход усилителя подавался синусоидальный сигнал такой величины, чтобы возникало небольшое ограничение выходного напряжения. Цифровым осциллографом измерялись максимальное значение выходного напряжения и минимальное значение напряжения питания. Разность этих значений и дает остаточное напряжение на полностью открытых выходных транзисторах.

График зависимости минимального остаточного напряжения от сопротивления нагрузки при выходном напряжении показан на рисунке.

По мере уменьшения сопротивления нагрузки снижалось напряжение питания и максимальное значение выходного напряжения. Выходное напряжение лежало в пределах 26…44 вольта. Выходная мощность усилителя при этом также принимала максимально возможные (для этого блока питания) значения:

Имейте в виду, что мощность, показанная на графике, достигается в легком клиппинге при подаче синусоиды на вход усилителя. Так что в случае высококачественного звуковоспроизведения ей будет соответствовать так называемая мощность PMPO – мощность, развиваемая кратковременно на самых больших (и коротких) пиках громкости. Но это будет «честная» мощность, так как за такое короткое время напряжение питания не успеет заметно уменьшиться и пики громкости будут воспроизведены полностью, без ограничения.

В моих измерениях, которые длились несколько секунд, напряжение питания успевало как следует просесть.

Как пользоваться полученными значениями?

Усилитель регулирует количество энергии (напряжение, ток, мощность), поступающей из источника питания в нагрузку. Для этого он пропускает в нагрузку определенную часть напряжения питания от нуля и до максимума. А максимумом как раз и является это самое напряжение питания, ведь больше, чем в источнике питания, в нагрузке быть не может. Напряжение на нагрузке не может быть больше, чем напряжение питания.

Что будет, если мы попытаемся подать на вход такое большое напряжение, что выходное напряжение должно получится больше, чем напряжение питания?

А произойдет ограничение сигнала – ведь напряжения больше, чем питание не бывает. Форма сигнала исказится, усилитель выйдет из линейной области. Такое явление называют «ограничение сигнала усилителем» (также широко распространен английский термин клиппинг — clipping), и его допускать нельзя.

То есть, напряжение на выходе усилителя может быть меньше напряжения питания, но не больше.

Отсюда вытекает первая, самая грубая и приблизительная формула для определения максимально возможной выходной мощности усилителя. Поскольку максимальное выходное напряжение (т.е. амплитуда) в идеале равно напряжению питания, то:

где:

Uпитания – напряжение источника питания. Здесь за напряжение питания берется одно плечо источника. Потому что каждое из плеч задает лишь свое направление тока в нагрузке.

 Rн – сопротивление нагрузки.

На самом деле, максимальная выходная мощность усилителя будет заметно меньше, чем получается по этой формуле. И тому есть две причины:

1. У нестабилизированного источника питания возникают просадки напряжения питания под нагрузкой. То есть при увеличении тока, потребляемого от источника питания, напряжение питания уменьшается.
2. Выходное напряжение усилителя всегда меньше напряжения питания на величину, которая называется «остаточное напряжение на выходных транзисторах». Это заложено в конструкцию усилителя и величина остаточного напряжения у каждого усилителя своя. Я буду обозначать ее dUmin. Остаточное напряжение зависит от тока нагрузки: для низкоомной нагрузки, потребляющей больший ток, оно выше. Но для каждого конкретного сочетания усилитель + нагрузка dUmin имеет одно и то же определенное значение.

Чем больший ток от источника питания потребляется, тем больше растет просадка напряжения питания. И тем больше значение остаточного напряжения на выходных транзисторах dUmin. Все это можно наглядно представить при помощи диаграммы: чем больше ток нагрузки (меньше  сопротивление нагрузки и больше выходная мощность), тем больше просадки напряжения питания и dUmin. То есть при попытке получить большой ток, а значит и мощность, природа сопротивляется этому, снижая максимально возможное выходное напряжение усилителя.

Тогда получаем более правильную формулу для вычисления максимально возможной выходной мощности усилителя:

1. Если нам дан усилитель и блок питания для него, то вычислить, какую максимальную выходную мощность получим, можно так:

2. Если же нам нужно определить, какое напряжение должен выдавать источник питания на холостом ходу, чтобы максимальная выходная мощность усилителя была равна заданной, то:

α – относительная величина просадки напряжения питания под нагрузкой:

Как это происходит на практике?

Я построил диаграмму максимальное напряжение – ток по результатам своих измерений. Напоминаю, что эти результаты зависят главным образом от силового трансформатора, и в меньшей степени от емкости конденсаторов фильтра блока питания.

Синяя линия – напряжение источника питания (пульсации напряжения учитывались так: использовалось минимальное значение  напряжения), красная – максимально возможное выходное напряжение усилителя на TDA7294 / TDA7293. Синусоида внутри изображена условно. Она показывает, какое максимальное напряжение на  нагрузке можно получить в этих условиях.

Можно рассчитать  и выходную мощность по формуле – ведь известно максимальное напряжение на нагрузке (напряжение измеряется от нуля, а не пик-пик):

Помните, что эта мощность соответствует легкому клиппингу, поэтому клип-детектор уже будет срабатывать. Но это на синусоидальном сигнале. В реальном музыкальном сигнале можно получить примерно такую максимальную выходную мощность на коротком импульсе из без срабатывания клип-детектора.

Еще одно применение минимального остаточного напряжения на выходных транзисторах – расчет источника питания усилителя на микросхеме TDA7294 или TDA7293. В программе расчета указано наиболее типовое напряжение dUmin, равное 4 вольта.

Задав более точное значение dUmin, можно более точно рассчитать источник питания. Хотя на самом деле погрешность расчета до 10% абсолютно не страшна: разброс параметров трансформаторов и музыкального сигнала настолько большой, что точные вычисления просто невозможны. Поэтому расчеты блоков питания реальной аудиоаппаратуры высокого класса всегда делаются с запасом.

11.07.2020 г.