Результаты большого числа экспериментов показали, что одни и те же громкоговорители при работе с УМЗЧ, имеющими одинаковые параметры при работе на активную нагрузку, звучат по-разному. Одна из возможных причин этого явления может быть связана с различной реакцией усилителей на изменения модуля и фазы комплексного сопротивления реального громкоговорителя от частоты. Стандартами МЭК допускается уменьшение модуля сопротивления громкоговорителя относительно номинальной величины на 20%. Допустимые изменения фазы комплексного сопротивления нестандартизированы.

В 1985-1987 гг. в США и Японии проводились специальные измерения зависимости комплексных сопротивлений от частоты для громкоговорителей, предназначенных для систем высококачественного звуковоспроизведения Модули их комплексных сопротивлении по рекламным данным составляли 8 Ом. В результате измерений было установлено, что минимальная величина сопротивления для 60% громкоговорителей составляла 5 Ом, для 25% — 4 Ом, в редких случаях оно уменьшалось даже до 2 Ом. Кроме того, было отмечено, что наиболее часто встречаются громкоговорители, у которых сдвиг фазы (φ) не превышает ±50° в более редких случаях — ±60° и в совсем редких — ±80°.

рис. 1

Рекомендуемая МЭК эквивалентная схема громкоговорителя по стандарту IHFA202 (рис.1,а) в достаточной мере учитывает реальные нагрузки при изменении модуля комплексного сопротивления (рис. 1.б) и в недостаточной — при изменении его фазы (рис 1,в)

Наиболее полно результаты исследований влияния изменения параметров громкоговорителей на характеристики УМЗЧ приведены в [1].

Чтобы иметь более наглядное представление об особенностях работы выходного каскада УМЗЧ при комплексной нагрузке, сделаем несложный расчет, задавшись следующими исходными данными: амплитудой выходного напряжения (U_m = 40 В), модулем комплексного сопротивления нагрузки (Z_н=80 Ом), фазой сопротивления нагрузки (φ=0°, φ=60°) и напряжением питания для каждого плеча (Е = 45 В). Выходной каскад УМЗЧ, с которым работает громкоговори-

тель, выполнен по схеме с общим коллектором на комплементарных транзисторах, источник питания со средней точкой, выход каскада соединен с нагрузкой непосредственно, без разделительного конденсатора, нагрузка имеет емкостный характер.

При расчете требуется определить: зависимости от времени (cot) мгновенных мощностей: потребляемой Р_o, выходной P_вых рассеиваемой Р_к; область совмещенного режима (U_кэ, I_к) транзисторов выходного каскада; тип и количество транзисторов выходного каскада.

Для расчета воспользуемся следующими соотношениями: u = U_m•sinωt; i = I_m•sin (ωt + φ).

Тогда мощности:

рис. 2

рис. 3

рис. 4

Результаты расчетов по формулам (1—3) иллюстрируют рис.2 и 3, причем рис. 2 соответствует сдвигу фаз φ= 0° (активная нагрузка), а на рис.3 —сдвигу фаз φ = 60° (комплексная). Как следует из рис.2, графики Р_о, Р_вых, Р_к симметричны для положительной (φt = 0°... 180°) и отрицательной (ωt = 180° ... 360°) полуволн выходного сигнала. В области ωt = 90° и ωt =270° кривая зависимости Р_к = f(ωt) имеет провалы, которые могут опускаться до 0 при выполнении равенства Е = U_m. Максимальная величина Р_к составляет в данном случае приблизительно 63 Вт.

Кривая зависимости Р_вых = f(ωt) представляет собой косинусоидальную функцию с двойной частотой (2ωt). Величина P_вых, изменяется от 0 до 200 Вт, т.е. средняя мощность Р_вых =100 Вт.

Из рис.3 видно, что включение комплексной нагрузки приводит к резкому увеличению мощности рассеяния Р_к ≈ 198 Вт по сравнению с режимом работы на активную нагрузку Р_к ≈ 63 Вт. Кроме того, из-за появления участков ωt =300°... 0° и ωt = 120°... 180°, где величина Р_вых имеет отрицательное значение, уменьшается средняя выходная мощность Р_вых = 50 Вт. В это время происходит отдача энергии, накопленной в реактивной (емкостной) нагрузке, что является причиной резкого увеличения мощности рассеяния Р_к.

Аналогичные величины имеют мощности Р_о Р_вых, Р_к при использовании комплексной нагрузки индуктивного характера.

Для правильного выбора типа транзисторов и их количества в выходном каскаде УМЗЧ следует руководствоваться не только максимальной величиной мощности рассеяния, но и учитывать их работу в совмещенном режиме, т.е. при одновременном воздействии тока и напряжения, величины которых определяются по формулам:

I_К = l_m•sin(ωt + φ),                           (4)

в данном случае I_к=U_m /Z_н = 40sin(ωt + φ)/8 = 5sin(ωt + φ),

U_кэ = P_к/I_к.                    (5)

где Р_к определяется по формуле (3).

Результаты расчетов по формулам (4) и (5) иллюстрирует рис.4, из которого видно, что при комплексной нагрузке (кривая 2) область совмещенного режима значительно превышает эту область при активной нагрузке (кривая 1).

В правильно рассчитанном выходном каскаде УМЗЧ область совмещенного режима при комплексной нагрузке должна находиться внутри области безопасной работы транзисторов выходного каскада при колебаниях величины напряжения источника питания, модуля и фазы сопротивления нагрузки (громкоговорителя) при допустимой температуре корпусов транзисторов. Для данного примера в качестве выходных транзисторов можно использовать в каждом плече по три транзистора КТ864А и КТ865А. При меньшем числе выходных транзисторов трудно обеспечить эксплуатационную надежность работы УМЗЧ, особенно на низких частотах, и получить малые искажения при комплексной нагрузке.

Следует отметить, что мощность рассеяния Р_к при комплексной нагрузке достигает максимальных величин только при максимальных амплитудах выходного напряжения и резко падаете уменьшением

сигнала. Кроме того, одновременное уменьшение модуля сопротивления нагрузки и значительное изменение его фазы от частоты обычно наблюдается в достаточно узких диапазонах частот. Поэтому влиянием реактивности нагрузки при расчете тепловых режимов выходного каскада УМЗЧ можно пренебречь при работе с реальными источниками звуковых программ.

Для оценки искажений в УМЗЧ при их работе на комплексную нагрузку МЭК принят стандарт [2], методика пользования которым описана также в [3].

рис. 5

1Гц Zн(Rн),Oм 41 55 82 27 4(2) 1000 750 500 1500 8(4) 500 375 250 750

При упрощенных испытаниях УМЗЧ на реакцию комплексной нагрузки можно воспользоваться эквивалентом нагрузки, схема которого приведена на рис.5. Величины R1 и С1, С2 определяются по формулам: Z_н = R² + Х_с²; tgφ = X_сR1, где Z_н— модуль комплексной нагрузки, а φ — ее фаза.

Для примера в таблице приведены значения емкостей конденсаторов С1-С2 в микрофарадах для различных частот сигнала при постоянной величине модуля сопротивления комплексной нагрузки Z_н и сдвиге фаз φ = 60°.

Если величины емкостей конденсаторов С1 и С2 отличаются от указанных, то следует соответствующим образом изменить частоту сигнала, что не изменит соотношение активной и реактивной составляющей нагрузки.

Конденсаторы С1 и С2 могут быть оксидными и рассчитаны на напряжение не менее амплитуды выходного сигнала. Максимальный ток диодов VD1, VD2 должен быть не менее максимального тока нагрузки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Otala M., Sekiya M. Mehr Schein als Sein. — Funkschau, 23/87, p.45-47.
2. Международный стандарт IEC 263-3. Гл. 1, п. 6.
3. Baxandal P.J.ATechniquefor Displaying the Current and Voltage Output Capability of Amplifiers and Relating This to the Demands of Loudspeakers. — JAES, 1988, vol.36, p.3—16.

Радио № 1 1994г.