RadioCat: Měření výstupního výkonu audio frekvenčních zesilovačů.

V moderním světě automobilové elektroniky je již běžné vidět obrovské výkony pro automobilové zesilovače. Jak jednoduchým způsobem zjistit, jaký je skutečný výkon v zesilovači bez profesionálního vybavení (proudové kleště a osciloskop), je velmi jednoduché.

Metoda výpočtu

Metoda určení jmenovitého výkonu není 100%, ale přibližně se blíží poctivému tvrzení o výkonu zesilovače.
Tento způsob výpočtu vám pomůže vybrat zesilovač při nákupu a prozradí, jak kvalitní výrobek výrobce vyrábí.

1. Shrneme jmenovité hodnoty pojistek na zesilovači
   • Pokud na samotném zesilovači nejsou žádné pojistky, pak je třeba se podívat do manuálu, kde by měl výrobce uvést doporučenou kapacitu pojistek.
2. Toto číslo vynásobíme napětím 14,4V
3. Získanou hodnotu vynásobíme účinností zesilovače
   • Účinnost pro třídu AB je přibližně 50 %
   • Účinnost pro třídu D je přibližně 70 %
4. Získanou hodnotu vydělíme počtem kanálů a získáme výkon 2 Ohmy každého kanálu.
5. Dělíme 1,5 a získáme výkon každého kanálu při 4 Ohmech.
6. Jmenovitý výkon můstkového spojení je součtem výkonu 2 kanálů ve 2 ohmech.

Tento jednoduchý výpočet je více než dostačující pro výběr zesilovače.

Příklad výpočtu č. 1.

Vezměme čtyřkanálový zesilovač značky KICX — HeadShot-45

• Vysoce kvalitní a výkonný zesilovač třídy AB.
• Celková hodnota pojistky je 160 A.
• RMS výkon do 4 ohmů: 200 wattů na kanál.
• RMS výkon do 2 ohmů: 300 wattů na kanál.
• RMS výkon (přemostěný) do 4 ohmů: 550 wattů na kanál.

Podle kalkulačního vzorce:

1. 160A x 14,4V=2304 W — maximální spotřeba energie zesilovače.
2. 2304 Š x 0.5 Účinnost =1152 W — skutečný výstupní výkon zesilovače, kde účinnost byla brána jako 50 %.
3. 1152 W ÷ 4 kanály =288 W — jmenovitý výkon zesilovače při 2 ohmech na kanál.
4. 288 W ÷ 1.5=192 W — jmenovitý výkon zesilovače při 4 ohmech na kanál.
5. 288W x 2 kanály=576 W — jmenovitý přemostěný výkon zesilovače ve 4 ohmech.

Jak vidíme, čísla jsou velmi blízko továrním specifikacím a jsou více než dostačující pro posouzení výkonu zesilovače při výběru.

Příklad výpočtu č. 2.

Vezměme čtyřkanálový zesilovač značky Elektronika ORIS — Armada PA-250.4 LE

• Vysoce kvalitní a výkonný zesilovač třídy D.
• Celková hodnota pojistky je 250 A.
• RMS výkon do 4 ohmů: 250 wattů na kanál.
• RMS výkon do 2 ohmů: 420 wattů na kanál.
• RMS výkon do 1 ohmů: 650 wattů na kanál.
• RMS výkon (přemostěný) do 4 ohmů: 850 wattů na kanál.

Podle kalkulačního vzorce:

1. 250A x 14,4V=3600 W — maximální spotřeba energie zesilovače.
2. 3600 Š x 0.7 Účinnost =2520 W — skutečný výstupní výkon zesilovače, kde účinnost byla brána jako 70 %.
3. 2520 W ÷ 4 kanál =630 W — jmenovitý výkon zesilovače při 1 ohmech na kanál.
4. 630 W ÷ 1.5=420 W — jmenovitý výkon zesilovače při 2 ohmech na kanál.
5. 420 W ÷ 1.5=280 W — jmenovitý výkon zesilovače při 4 ohmech na kanál.
6. 420W x 2 kanály=840 W — jmenovitý přemostěný výkon zesilovače ve 4 ohmech.

Jak vidíme, opět jednoduchý vzorec dokazuje, že zesilovač je ve výpočtu téměř identický s reálnou aplikací. Ale nezapomeňme, že jsme vzali hodnotu účinnosti 70 %. Ve skutečnosti může být účinnost zesilovače úplně jiná.

Příklad výpočtu č. 3.

Vezměme si jednokanálový zesilovač značky URAL — Bojová hlavice 1.1800

• Zesilovač třídy D.
• Celková hodnota pojistky je 175 A.
• RMS výkon do 1 ohmů: 1800 wattů na kanál.
• RMS výkon do 2 ohmů: 1200 wattů na kanál.
• RMS výkon do 4 ohmů: 650 wattů na kanál.

Podle kalkulačního vzorce:

1. 175A x 14,4V=2520 W — maximální spotřeba energie zesilovače.
2. 2520 Š x 0.7 Účinnost =1764 W — skutečný výstupní výkon zesilovače, kde účinnost byla brána jako 70 %.
3. 1764 W ÷ 1 kanál =1764 W — jmenovitý výkon zesilovače při 1 ohmech na kanál.
4. 1764 W ÷ 1.5=1176 W — jmenovitý výkon zesilovače při 2 ohmech na kanál.
5. 1176 W ÷ 1.5=784 W — jmenovitý výkon zesilovače při 4 ohmech na kanál.

Výkon

Zda se budete držet tohoto jednoduchého pravidla pro výpočet síly, je samozřejmě na vás.
Jak jsme psali výše, metoda detekce výkonu není 100%, ale přibližně se blíží poctivé aplikaci.

Dávejte pozor! Přesnější výsledky napájení lze získat nikoli z ideálního napětí 14.4 V, ale z každodenního napětí ve vašem autě, které je obvykle 13.5 V.

Měření výstupního výkonu audio frekvenčních zesilovačů.

Autor:
Zveřejněno 14.04.2006

Vezměme si běžný nízkofrekvenční zesilovač s napájecím napětím +12 Voltů, odporem zátěže 4 Ohmy, k zátěži připojíme osciloskop a na vstup generátor sinusových vln, (pic.1)

vše zapneme a na obrazovce osciloskopu pozorujeme „vtipné obrázky“ – sinusovku, dokud nedosáhne viditelných zkreslení (Obr.2a). (Poznámka od Učené kočky: zkreslení menší než 3 % není pouhým okem patrné. O tom, co jsou zkreslení, si povíme v jiném článku.)

Plochu, kterou zabírá sinusoida, lze vypočítat (nebo změřit) a nahradit ekvivalentním stejnosměrným napětím stejné oblasti (obr.2b).

Toto napětí se nazývá Root Mean Square Voltage — RMS (anglická zkratka — RMS), v běžné řeči — „efektivní“. Tímto způsobem je možné najít ekvivalentní napětí pro jakýkoli průběh proudu (Obr.2c,g,d).

Pro trojúhelníkový, obdélníkový, sinusový, exponenciální proud existují matematické výrazy pro ekvivalentní transformaci. Pro snazší pochopení obrázky ukazují poloviční periody symetrických signálů. Nástup počítačové registrace umožňuje provádět numerickou integraci libovolné funkce bez hledání jejího matematického vyjádření. K čemu to všechno je? Nalezený ekvivalentní stejnosměrný proud bude produkovat stejnou tepelnou práci jako náš studovaný proud.

Jakýkoli střídavý proud lze charakterizovat následujícími typy napětí:
Amplituda – modré šipky (jasné z názvu a obrázků);
průměrný — aritmetický průměr všech okamžitých hodnot signálu za měřenou dobu (nezobrazeno na obrázcích);
Root Mean Square — červené šipky (diskutované výše).
Pro snazší pochopení výše uvedených typů napětí si je můžete nakreslit na milimetrový papír a sami sečíst číselné hodnoty napětí (pro sinusové, obdélníkové a trojúhelníkové napětí). Většina střídavých voltmetrů má střídavý usměrňovací obvod odpovídající průměrnému napětí – jako nejjednodušší a stupnice indikace je v RMS. Při měření sinusových proudů a napětí to nezpůsobuje žádné potíže, ale pokud se proud nebo napětí liší od sinusoidy, bude nutné zavést korekční faktory.

Nyní si připomeňme začátek začátků – Ohmův zákon: I=U/R, stejně jako vzorce pro výpočet stejnosměrného výkonu – P=U*I=I2R=U2/R.
Pro sinusový proud (a napětí) bude vzorec pro výpočet výkonu na základě amplitudového napětí naměřeného osciloskopem vypadat takto:
P = (0,707 U)2/Rn = U2/2Rn
kde 0,707 je převodní faktor amplitudového napětí U sinusového proudu na ekvivalentní stejnosměrné napětí.
Přišli jsme na praktický způsob, jak měřit výstupní výkon zesilovače měřením amplitudy signálu na obrazovce osciloskopu (obr.2b). Mechanická síla je práce vykonaná za 1 sekundu. Elektrická energie neobsahuje explicitně parametr času; Předpokládá se (ale nepozorováno, zejména při měření výkonu nízkofrekvenčních zesilovačů), že je to také 1 sekunda. Například pro meandr s frekvencí 100 Hz po dobu 10 ms se RMS napětí v každém okamžiku rovná jeho hodnotě amplitudy (Obr.2b)
A kdo nám brání rozšířit tento přístup na sinusový signál? Pro 100Hz sinusovou část v čase 1 ms (Obr.2e) získáme prakticky obdélník, pro který je převodní faktor amplitudového napětí na RMS roven 1 a podle toho je okamžitý výkon dvakrát větší než za celou půlperiodu 10 ms.
Ale to není vše! Je možné měřit kolísání napětí při změně z minimální na maximální hodnotu (Obr.2g) ve velmi krátké době a získejte ještě větší výkon! Tady jsou – desítky wattů z boomboxu a stovky wattů z domácího zesilovače!

Shrňme získané výsledky do tabulky.

Odmocnina napětí Urms=2V. Výkon při Rн 4 ohmy Pout = 1 watt

Amplituda U=2.83v. Výkon při Rн 4 ohmy Pout=2 watty

Amplituda od vrcholu k vrcholu U=5.66V. Výkon při Rн 4 ohmy Pout = 8 wattů

Střední kvadratická hodnota Urms = 3,54 V. Výkon při Rн 4 ohm Pout = 3.12 wattů

Amplituda U=5V. Výkon při Rн 4 ohm Pout = 6,25 wattů

Amplituda od vrcholu k vrcholu 10 voltů. Výkon při Rн 4 ohmy Pout=25 wattů

Odmocnina kvadrát Urms=10v. Výkon při Rн 6 ohm Pout = 16,7 wattů

Amplituda U=14,14v. Výkon při Rн 6 ohm Pout = 33,3 wattů

Amplituda od vrcholu k vrcholu 28,3 voltů. Výkon při Rн 6 ohmy Pout=133,2 wattů

Podívali jsme se na měření výkonu v aktivní zátěži (jako je vysokovýkonný drátový odpor), běžně používané při testování zesilovačů. Pozorný radioamatér, měřící odpor reproduktoru digitálním ohmmetrem, zjistí, že je menší než 4 ohmy, například 3,8 ohmu. “Aha, tak dostanu víc, než je uvedeno v tabulce!” – zvolá – a bude mít pravdu, ale ne tak úplně. Jde o to, že reproduktor má dvě složky odporu – aktivní, kterou lze měřit jakýmkoli ohmmetrem, a indukční – která závisí na počtu závitů cívky reproduktoru a jejích magnetických vlastnostech (měřeno RCL metrem). Vezměme si jako příklad reproduktor 3GD-32-75 s nominálním odporem cívky pro stejnosměrný proud R=4 Ohm; indukčnost L=150 microHenry. Celková impedance Z reproduktoru se skládá ze dvou složek – aktivní R x a indukční XL . Pojďme je vypočítat pro dvě frekvence:

Frekvence

1000 Hz

10 кГц

Indukční reaktance se vypočítá pomocí vzorce

Celkový odpor – podle vzorce

Vidíme, že při 10 kHz se odpor skutečné zátěže zvýšil 2,5krát a výkon dodávaný této zátěži se odpovídajícím způsobem snížil stejným 2,5krát (Obr.3b). Nyní si připomeňme, že na vstupu (a výstupu) zesilovače je kondenzátor.

Předpokládejme, že R in = 100 kOhm, kapacita kondenzátoru C in = 0,1 μF. Při frekvenci 1 kHz bude jeho odpor 1,6 kOhm; při frekvenci 100 Hz – 16 kOhm; při frekvenci 10 Hz – 160 kOhm, tzn. napětí přiváděné na vstup prvního stupně zesilovače se sníží 0,38krát a výstupní výkon se úměrně sníží (Obr.3b).
Podobný výpočet pro vliv výstupní kapacity C out = 1000 μF dává: 1 kHz – 0,16 Ohm; 100 Hz – 1,6 Ohm; 10 Hz – 16 Ohm. V druhém případě bude do zátěže 4 Ohm dodáváno pouze 0,2 výstupního napětí a výstupní výkon bude snížen na 1/25 maximální možné (Obr.3g). Nebuďte proto líní vypočítat minimální požadovanou kapacitu vstupních a výstupních kondenzátorů pro získání dané frekvenční odezvy v nízkofrekvenčním rozsahu.
Ale to není všechno! Pokud je náš reproduktor dvou- nebo třípásmový, je chování celkové impedance reproduktoru vlivem tlumivek, kondenzátorů a rezistorů výhybkových filtrů poměrně těžko předvídatelné, je jednodušší provádět měření (Obr.3e). (Poznámka od moudré kočky. Ano, obecně to není opravdu nutné.)
Pojďme si to shrnout.

1.Nejlepší způsob, jak změřit výstupní výkon, je pozorovat sinusový, neomezený signál na obrazovce osciloskopu a přepočítat naměřenou hodnotu amplitudového napětí na RMS (pro získání sinusového výkonu), nebo jej nechat tak, jak je (pro špičkový výkon). Měření napětí střídavým voltmetrem není žádoucí, protože při výkonu blízkém maximu neuvidíme zkreslení signálu a většinou nevíme, podle jakého obvodu je voltmetr sestaven a zkalibrován. Pochybnosti vzbuzuje měření špičkového amplitudového výkonu – lze jej získat i čistě výpočtem. Vzorec pro přibližný výpočet výkonu sinusového signálu vypadá takto: P = (Un:3)2/Rn , kde Up je napájecí napětí, R n je odpor zátěže při dané frekvenci. Ti, kteří mají rádi přesnost, mohou odečíst úbytek napětí na výstupních tranzistorech od Up a vzít v úvahu pokles Up, když napájení není stabilizované.

2.Nyní víme, jak zacházet s výkonem deklarovaným na štítku „cool“ domácího kina: „celkový výkon všech kanálů je 400 wattů“ se spotřebou energie ze sítě 100 wattů.

3.Nejsprávnější způsob, jak to říct, by byl: měřený výkon zesilovače – X wattů s faktorem harmonického zkreslení Y% a frekvencí Z hertz na zátěži R Ohm. (Pro zvědavé, staré GOST implikovaly harmonický koeficient 1% při jmenovitém výkonu a 10% při maximálním). O harmonickém koeficientu (promluvíme si později, teď potřebuji jídlo ve formě ryb, ne elektrický proud! – poznámka od hladové kočky).

4.“Ale to není všechno!” (Mistře, můžete mluvit bez použití reklamních sloganů? (poznámka od gramotné kočky). Výkon rozptýlený na výstupních tranzistorech zesilovače není konstantní (u nejběžnějších zesilovačů třídy AB) a dosahuje svého maxima v rozsahu 0,25. 0,5 výstupního výkonu. Na základě toho je nutné vypočítat požadovanou plochu radiátorů.

V příštím článku se podíváme na to, co jsou zkreslení a jak se měří.

Všechny otázky ve fóru, vstupte.
Hodně štěstí.
pane Murre