Это сайт о моем хобби – аудио оборудовании на Лампах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "I was the Walrus, But now I'm John" – John Lennon 1970
“…Вновь я посетил тот уголок земли…” (А.С. Пушкин)
Ям и кочек сильно прибавилось, они стали глубже и шире – но дорожники (“не взирая на плохую погоду” (с) М.Жванецкий) интенсивно работают над решением проблем. И да – на этот раз в туннеле имени Памелы Андерсон было темно и влажно. 🙂
Итак, пожалуй у меня есть ответы на вопросы, заданные себе в августе 2020:
Звучат ли сегодняшние мега-аудиосистемы по-настоящему “живо” или они звучат просто “впечатляюще”, но искусственно? – Однозначно второе. За прошедшие три года мне удалось услышать только одну “естественно” звучащую систему на современном наборе оборудования (DartZeel NHB + Aurum Cantus Grand Supreme, DCS Vivaldi). И еще приятно удивил – Apollo DAC от Чернов Аудио.
Заставляют ли они вас часами погружаться в любимую музыку или они лучше подходят для демонстрации коротких аудиофильских треков друзьям? – Системы, собранные из серийно выпускаемого оборудования – нет, не заставляют. Я считаю, что только custom системы способны приглушить “зуд переключения треков”.
Можете ли вы без усталости и скуки слушать целый альбом, симфонию или даже оперу? – Я – да. На своей системе и еще на системах нескольких знакомых аудиофилов.
Приводит ли применение новейших цифровых электронных компонентов и сложных сплавов в материалах корпусов, которые заявляются в новых моделях – только к большей маркетинговой шумихе и более высоким ценам? – У серийно выпускаемых изделий – исключительно “шумиха и цены” при в общем-то посредственной “начинке” и порой весьма причудливой топологии монтажа.
Среди сотен чрезвычайно дорогих аудиокомпонентов, представленных на рынке сегодня – сколько действительно хороших? – Из очень дорогих – могу назвать два-три. Удивительно, но в среднем ценовом сегменте приятных открытий существенно больше.
Почему при прослушивании музыки их звучание зачастую не приводит к эмоциональной вовлеченности и не создает впечатление “музыкального реализма”? – Потому что современные Hi-End аудиосистемы очень хорошо, практически идеально воспроизводят “звуки и послезвучия”, а вот музыкальная, эмоционально-духовная составляющая произведения остается за кадром.
То есть ->> коллеги, создавайте свои музыкальные системы самостоятельно! (Или с помощью знакомых мастеров) 🙂
Если рассуждать о том, каков будет “разумный максимум” комплекта оборудования для аудиосистемы, то на мой взгляд, нужно вспомнить, что аудиосистема состоит не только из источника, усилителя и акустики, но и из помещения 🙂
Только в подготовленном помещении возможно услышать и оценить те изменения, которые вносятся в оборудование аудиосистемы. Если усилитель собран из отличных комплектующих, то только акустическая система соответствующего ему уровня качества, расположенная в подготовленном помещении позволит раскрыть качество усилителя. Ну, и конечно – источник сигнала должен как минимум уметь извлечь из записи все ее явные и тайные звуковые особенности и подать их наиболее интересным для слушателя образом.
В городских условиях в большинстве случаев максимум того, что может себе позволить аудиофил – это отдельная комната в квартире.
Комната настоящего аудиофила должна быть хотя бы минимально акустически подготовлена. Из-за особенностей архитектуры наших квартир – некоторые (небольшие) пики и провалы на итоговой АЧХ останутся и после подготовки комнаты. Конечно, в максимальном (а.к.а. “правильном”) варианте можно все перестроить как полагается- но это уже будет комната-студия, а не жилое помещение.
Слух легко адаптируется к стационарным неравномерностям АЧХ и к особенностям общего тонального баланса. А вот к “эху” и амплитудно-зависимым резонансам слух практически не адаптируется, это раздражающие факторы, приводящие к усталости при прослушивании музыки.
Еще два очень важных момента – музыкальное разрешение и формирование стабильной, оформленной музыкальной сцены при сохранении “текучего”, слитного звучания. И при решении этих задач неожиданно проявляется такой фактор, как размер помещения.
Музыкальное разрешение и слитность звука, на мой взгляд, достигаются минимальной обработкой исходного сигнала. В комнате сравнительно небольшого размера есть возможность получить требуемое на очень простом, традиционном наборе-комплекте оборудования – специально подобранная акустика с пассивными фильтрами, усилитель небольшой мощности, работающий в классе А, цифровой и(или) аналоговый источник(и) сигнала, предусилитель и коммутатор источников.
Традиционный набор-комплект имеет определенные ограничения, в основном связанные с воспроизведением низких частот при работе с цифровыми источниками сигнала. При работе с аналоговыми источниками – винилом или лентой эта проблема не так актуальна, поскольку нижняя граничная частота и возможный уровень записи НЧ определенной спектральной плотности ограничены технологически.
В этом случае комплект оборудования на лампах работает идеально – входные и выходные трансформаторы являются естественными НЧ и ВЧ фильтрами и требования к акустике довольно просты – не испортить фазовые и частотные соотношения сигнала на фильтрах и создать требуемое акустическое давление. Недостатки простых пассивных фильтров акустики (а они конечно есть!) в этом случае не проявляются.
С цифровыми источниками и с широкополосными транзисторными усилителями все становится немного сложнее. Частотный состав, соотношение частот и спектральная плотность сигнала – другие и, естественно при разработке акустики для такого комплекта это нужно учитывать. И (или), как вариант – привести спектр сигнала в “норму” применив в комплекте с транзисторным усилителем мощности ламповый предусилитель с выходными (и) входными трансформаторами или – хороший вариант – пассивный трансформаторный регулятор – коммутатор. Это одно из моих любимых решений 🙂
Особые проблемы возникают при размещении комплекта оборудования в помещении большой площади, особенно (а как правило, в основном так и бывает) если оно плохо подготовлено. И да – часто это именно та комната, где раньше размещался домашний кинотеатр 🙂
В этом варианте о “слитности” и “текучести” звучания можно смело забыть, сосредоточившись на разрешении, частотном балансе и более-менее приличной сцене. Полосовое усиление, цифрокросс – наиболее оптимально-реальное и финансово приемлемое решение в этом случае.
Или, если финансы особо не ограничивают – мощное усиление + пара сабов + трех-четырех полосная акустика, отстроенная специально под большое помещение. Как хороший вариант облегчить требования к усилению будет акустическая система рупорного типа.
Эти варианты можно сочетать в нужных пропорциях, но “душевности” и “личного эмоционального контакта”, эффекта погружения в музыку который дает “небольшая” система – “большая” система не даст, она не для этого.
Поэтому, между очередными покупками-продажами найдите время на простые опыты с комнатой. Как минимум – уберите лишнюю мебель, поставьте хорошие, изолирующие от “звука улиц” окна, установите в углы басовые ловушки, в местах отражений звука закрепите на стены звукопоглощающие панели. И вот, что самое интересное – что такие простые и в общем-то недорогие изменения в комнате – выведут вашу систему на совершенно другой уровень.
Если комната изначально более – менее подготовлена для звуковоспроизведения – то совершенствование и выбор итогового состава комплекта оборудования происходит быстро и сравнительно недорого.
Но, как правило, обычно все происходит следующим образом – в поисках “своего звука” покупаются все новые и новые комплекты оборудования, на покупку нового и продажу “старого” затрачивается значительное время и очень значительные средства, годы проходят в суете и в поисках так называемого “своего” звука. Многие аудиофилы в этой суете забывают о конечной цели – что в общем-то началось все с того, что просто хотелось нормально послушать музыку в благоприятной обстановке.
“Маня Ларинчева она же Анна Ефидоренко, она же Элла Кацнельбоген, она же Людмила Огуренкова, она же Изольда Меньшова, она же Валентина Панеяд“- к/ф “Место встречи изменить нельзя” 🙂
“Виктор, ну объясните (же) уже, как “оно” работает ?”– очень часто задаваемый вопрос по этой теме.
Удивительно, что такая простая схема вызывает множество вопросов. 🙂
Для начала определимся – для чего, собственно нужны фильтры напряжения питания. Во-первых, фильтры напряжения питания используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Во-вторых, фильтры напряжения питания используются для развязки каскадов усиления с общим источником питания. Под “развязкой” подразумевается сведение к минимуму проникновения напряжения сигнала между каскадами усиления по цепям питания. Простейшим фильтром является электролитический конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя, но в этом простом варианте степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.
Для дальнейшего улучшения сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы и (или) транзисторы.
Сглаживающие транзисторные фильтры
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения от нескольких единиц до сотен вольт широко применяются фильтры с транзисторами. Одна из схем такого фильтра показана на рисунке.
Замечание – на схеме нарисован некий “обобщенный” транзистор – это может быть MOSFET, IGBT или обычный биполярный транзистор. Пусть его выводы будут называться “база, коллектор, эмиттер”, в случае MOSFET это будут “затвор, сток, исток”, а в случае IGBT – “затвор, коллектор, эмиттер”.
Защитный диод D2 и стабилитрон ZD1 могут быть уже установлены в корпус транзистора, но часто защитный стабилитрон является отдельным элементом схемы. Он нужен для того, чтобы в случае MOSFET или IGBT транзистора ограничить максимальное напряжение между затвором и истоком (эмиттером), для большинства MOSFET и IGBT это напряжение не должно превышать 20V.
Конденсатор С1 – конденсатор фильтра выпрямителя, С3 – выходной конденсатор фильтра, R3 – “балластный” резистор, можно считать, что это некая нагрузка на выходе фильтра.
Итак, блок питания выключен, напряжения на элементах схемы = 0.
При включении блока питания кондесатор С1 довольно быстро зяряжается от выпрямителя. Напряжение на кондесаторе С1 предсталяет собой постоянную составляющую выпрямленного переменного напряжения (Ui) и “поверх” нее некоторое несимметричное пилообразное переменное напряжение пульсаций Up с частотой 100 Hz (предполагается, что выпрямитель двухполупериодный). В более-менее правильно расчитанном выпрямителе напряжение пульсаций Up не превышает 5…10% от уровня постоянной составляющей Ui, для конструкций на лампах постоянная составляющая Ui может быть несколько сотен, а напряжение пульсаций Up может быть несколько десятков вольт.
Итак, сразу после включения блока питания транзистор T1 все еще закрыт, так как напряжение на его базе (пока) = 0 и напряжение на эмиттере (и на нагрузке) тоже = 0, а напряжение на коллекторе уже = Ui + Up. Конденсатор С2 начинает медленно заряжаться через резистор R1. Напряжение на базе транзистора начинает расти (при этом напряжение на эмиттере пока все еще = 0), транзистор начинает постепенно открываться и через него начинает протекать ток, который постепенно зяряжает конденсатор на выходе фильтра С3. По мере заряда С3 напряжение на эмиттере транзистора растет, то есть разность напряжений между эмиттером и базой транзистора уменьшается и транзистор начинает закрываться, ток через него уменьшается и скорость заряда конденсатора С3 становится меньше. Помимо этого, так как на нагрузке R3 уже появилось некоторое напряжение, то она начинает потреблять ток, еще больше разряжая конденсатор С3. Таким образом, напряжение на С3 становится меньше, а разность напряжений между базой и эмиттером транзистора становится больше и он снова открывается и конденсатор С3 продолжит заряжаться – и так происходит до тех пор, пока конденсатор С2 (в базе транзистора) не зарядится до напряжения примерно равному Ui и транзистор не откроется полностью. При этом максимально возможное напряжение на выходе фильтра (на эмиттере транзистора) будет равно напряжению на базе транзистора минус напряжение, необходимое для его открытия (Uбэ). Для биполярных транзисторов Uбэ = 0.6…0.7V, для MOSFET или IGBT = 4….15V и это напряжение зависит от тока нагрузки. Точнее – максимальный ток нагрузки зависит от этого напряжения 🙂 – но эти величины взаимосвязаны.
Таким образом, через некоторое время напряжение на выходе фильтра установится, а так как нагрузка потребляет ток, то конденсатор С3 будет разряжаться и напряжение на нем будет уменьшаться, в результате чего транзистор будет периодически приоткрываться и протекающий через него ток будет подзаряжать конденсатор С3. В “динамике”, если напряжение между коллектором и эмиттером транзистора всегда остается больше напряжения пульсаций Up, а напряжение между базой и эмиттером свободно от пульсаций то и ток, протекающий через транзистор, остается постоянным. При соблюдении этих условий кондесатор С3 на выходе фильтра зяряжается практически постоянным током и таким образом транзистор как бы “препятствует” прохождению пульсаций на выход фильтра. В итоге получается, что выходное напряжение “отслеживает” уровень постоянной составляющей входного напряжения Ui без напряжения пульсаций Up. Таким образом, в установившемся режиме максимальное напряжение на выходе фильтране может быть больше уровня постоянной составляющей Ui выпрямленного напряжения на входе фильтра минус напряжение Uбэ, необходимое для открытия транзистора фильтра, кроме того некоторая часть напряжения Ui будет падать на сопротивлении открытого транзистора T1.
Помимо этого, есть еще ряд особенностей работы схемы фильтра в “динамике”. Как упоминалось ранее, амплитуда напряжения пульсаций может быть довольно велика – до 5…10% от уровня постоянной составляющей Ui и для блока питания конструкций на лампах – это десятки вольт. RC фильтр R1C2 не может полностью сгладить напряжение пульсаций и если номинал резистора R1 выбран слишком большим, то конденсатор С2 периодически (с интервалом в несколько секунд) может заряжаться до уровня, превышающего Ui, при этом напряжение на базе транзистора на время минимума пульсаций Up становится больше, чем на коллекторе, в результате чего транзистор лавинообразно открывается и короткий “пакет” пульсаций входного напряжения проникает на выход фильтра. Подобный дисбаланс напряжений может возникнуть например и при резком уменьшении напряжения питающей сети, когда конденсатор С1 разряжается быстрее, чем С2 и С3. Для ускорения разряда С3 в схему добавлен диод D2, который открывается если напряжение на С1 по какой-то причине станет меньше, чем на С3. А для ускорения разряда С2, чтобы ограничить длительность проникания “пакетов” пульсаций при дисбалансе напряжений – в схему добавлен диод D1, который открывается, если напряжение на С2 становится больше Ui на 0.6…0.7 V.
Таким образом напряжение на С2 никогда не может больше Ui + 0.7V. Во многих случаях этих мер достаточно – но имеется еще одна проблема, связанная с особенностями MOSFET и IGBT транзисторов.
Дело в том, что емкость перехода “затвор-исток” (затвор-эмиттер) может составлять несколько сотен пикофарад, плюс к ней добавляется емкость p-n перехода стабилитрона ZD1. При слишком большом сопротивлении R2 емкость перехода не успевает разрядиться достаточно быстро, транзистор закрывается с задержкой и короткий “пакет” пульсаций все-таки проникает на выход фильтра.
На слух этот “пакет” проявляется как короткое “Ж–ж” или “З–з” с интервалом в 10…20 секунд, особенно хорошо это слышно в наушниках 🙂
Справиться с этой проблемой можно, уменьшая сопротивление R2, но ниже 330…470 Ом его уменьшать не стоит, так как фильтр может потерять устойчивость при резком увеличении тока нагрузки. Если вдруг напряжение на С3 “просядет”, то С2 начнет разряжаться через ZD1 и R2 в этой цепи необходим в том числе и для ограничения тока через ZD1.
Вместо борьбы с динамическими времянными соотношениями и дисбалансом напряжений имеет смысл немного доработать схему, заранее задав требуемое соотношение (баланс) входного и выходного напряжений, для этого в схему добавляется делитель напряжения R1R2.
Максимальное напряжение на выходе этого варианта транзисторного фильтра будет меньше, чем у исходного варианта и задается номиналами R1 и R2, обычно R1 = 5…10% от R2. Если вместо R2 применить стабилитрон, то фильтр превращается в стабилизатор с плавным нарастанием выходного напряжения.
Критичный момент – выключение и быстрое включение блока питания
При выключении блока питания С3 будет разряжаться током нагрузки и как только он разрядится до уровня, меньшего, чем напряжение на С2 + напряжение открытия стабилитрона ZD1 – начнет разряжаться С2, а затем и С1 – через резисторы R1, R2, R3, R4 и стабилитрон ZD1. Если С3, С2 и С1 разрядятся не полностью, то при последующем включении блока питания на выходе уже будет какое-то напряжение и задержка нарастания выходного напряжения будет меньше. Это может быть критично для некоторых конструкций на редких прямонакальных лампах, где обязательна существенная задержка подачи высокого напряжения относительно напряжения накала. Для таких схем желательно предусмотреть отдельное включение и выключение напряжения накала с заданной последовательностью.
Типичные номиналы элементов схемы для блока питания лампового усилителя можно легко найти в статьях на этом сайте.
Сегодня утром, после долгого и подробного разъяснения одному увлеченному аудиосамодельщику всех особенностей расчета и практической реализации транзисторного фильтра напряжения источника питания, мне очень захотелось выпить (кофе) 🙂 К счастью, в закромах еще осталось некоторое количество оригинального Costa Rica “Volcanica”. Сварив (в турке, конечно) чашечку вкуснейшего ароматнейшего кофе я устроился в кресле и -… почему-то вдруг вспомнил стихи Маяковского в исполнении отряда понеров в шортиках из фильма “Добро Поджаловать или Посторонним вход воспрещен” (реж.Элем Климов, 1964г):
“…Довольно жить законом, данным Адамом и Евой. Клячу историю загоним. Левой! Левой! Левой!…”
История – та еще лошадка. На “короткую” ее может быть и можно “загнать”, но на длинной дистанции эта кляча сама загонит кого угодно.
Так вот, почему же вдруг Маяковский? Потому что в моей памяти он неразрывно связан с Блоком. 🙂 В конце 70-х, когда я еще был школьником, помимо электроники, химии и музыки я немного увлекался поэзией “серебрянного века” и удачно попал на встречу с одной замечательной седенькой интеллигентной дамой солидного возраста, которая когда-то была знакома с Александром Блоком. Фамилия дамы, если я правильно помню – Мещерская. Помимо многого того о Блоке, чего нет и скорее всего никогда не будет в школьной программе, мне запомнился рассказанный ею эпизод о Маяковском. Как он, будучи у них в гостях, демонстративно-эпатажно высморкался в скатерть. На молодую девушку это произвело неизгладимое впечатление. 🙂
Проектируйте оборудование избегая сложных технологий сборки, обработки и покраски материалов. Дизайн должен быть дружественным, простым и интуитивно-понятным в использовании.
Постоянно тренируйте слух, очень важно помнить, как звучат «живые» музыкальные инструменты, вокал. По возможности посещайте оперу и авторские концерты «живой» музыки. У музыки, как у очень творческого вида искусства- есть мощная внутренняя энергия, попытайтесь ее хотя бы почувствовать.
Как только вы почувствуете энергию музыки – у вас возникнет естественное стремление к тихому, естественному, тонально и интонационно разнообразному, реалистичному и комфортному звучанию без назойливой «навязчивости» и (или) преувеличения музыкальных образов. Далее очевидно-логичен п.1
Недавно на одном из форумов обсуждался некий 🙂 транзисторный усилитель, технические данные которого меня заинтересовали –
“…Усилитель ХХLABS ХХ25 работает в классе А, выполнен по трехкаскадной схеме.Ток покоя выходного каскада составляет 1 А. Общая емкость конденсаторов блока питания составляет более 100 000 мкф, мощность тороидального трансформатора в блоке питания – 200 Вт. Внутренний монтаж усилителя выполнен высококачественным проводом из бескислородной меди во фторопластовой изоляции. Усилитель комплектуется оригинальным сетевым шнуром.
Основные технические характеристики:
Максимальная выходная мощность – 25 Вт/4 Ом, 13 Вт/8 Ом
Диапазон рабочих частот – 5 Гц…200 кГц по -3 дБ
Чувствительность усилителя по входу – не менее 0.5 В
Глубина регулировки громкости – 99 дБ
Скорость нарастания выходного сигнала – не менее 50 В/мкс
Коэффициент нелинейных искажений (мощность -3 дБ от максимальной, нагрузка 4 Ом) – не более 0.5%
Уровень шумов и помех – не выше -90 дБ
Выходное сопротивление на частоте 50 Гц – не более 0.3 Ом
Потребляемая мощность – не более 100 Вт
Размеры (без ручек, ножек и разъемов) – 330 х 330 х 106 мм
Вес – не более 12 кг
Усилитель выполнен в алюминиевом, анодированном в черный цвет корпусе, боковые панели отсутствуют, для улучшения охлаждения радиаторов, расположенных по бокам корпуса. Усилитель имеет 5 линейных входов для подключения источников сигнала (4 входа – RCA, один вход – XLR). Входы могут переключаться как с пульта ДУ, так и нажатием энкодера на передней панели. Громкость в усилителе регулируется при помощи релейного аттенюатора. Управление аттенюатором осуществляется с пульта ДУ, а также вращением энкодера на передней панели. Усилитель оснащен системой подавления переходных процессов при включении и выключении усилителя – никаких щелчков в акустических системах. Усилитель может находиться в спящем режиме, вход и выход из спящего режима осуществляется с пульта ДУ, а также нажатием энкодера на передней панели усилителя….”
На вышеупомянутом форуме я обратил внимание на некоторые “нестыковки” в приведенных технических данных, а именно –
Усилитель работает в классе А, при этом Ток покоя выходного каскада составляет 1 А. Максимальная выходная мощность – 25 Вт/4 Ом, 13 Вт/8 Ом, при этом Потребляемая мощность – не более 100 Вт и это все при том, что – Вес – не более 12 кг
Простой примерный расчет показывает, что –
При выходной мощности 25Вт (RMS) P=I^2*R I=SQRT(P/R), ток черех нагрузку c импедансом 4Ом составит I= SQRT(25/4) = 2.5A В классе А пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку, не может быть больше тока покоя. Заявленный ток покоя составляет 1A – ???
Теоретический КПД каскада, работающего в классе А = 50%. 25Вт + 25Вт = 50 Вт, то есть потребляемая мощность должна быть не менее 100 Вт. Заявленная потребляемая мощность не более 100Вт. – ???
По моему мнению, выходной каскад этого усилителя работает в классе АВ и я не вижу в этом ничего “порочного”. Мне только непонятно – почему в описании конструкции был упомянут класс А?
От разработчика был получен такой ответ –
” Здравствуйте! В целом оба Ваши утверждения не соответствуют действительности. Могу объяснить подробнее в личке или в теме по усилителю. С уважением, ……”
Конечно, я попросил более подробные объяснения. Привожу их здесь с моими комментариями. Может, кого-то мое мнение заинтересует.
” …Формула верна для среднего тока. Максимальный ток для синуса будет в 1.4 раза больше – 3.5 А… “
Да, конечно это так и есть. Но зачем вы это написали? 🙂
“…Как я уже писал – основной критерий класса А – работа усилительного элемента (лампы, транзистора) без отсечки выходного тока. Отсюда вытекает важное следствие – отсутствие перехода из режима отсечки в активный режим, а следовательно отсутствие коммутационных искажений (качественный звук на низкой громкости, первый ватт и т.п.). Следовательно, любой усилитель, отвечающий этим критериям работает в классе А. Теперь про соотношение тока покоя и максимального выходного тока – формально оно может быть любым, если выполняется главный критерий. Для некоторых топологий ток покоя много больше максимального выходного тока(например каскад с резистивной нагрузкой), для некоторых они примерно равны(нагрузка на источник тока или трансформатор), для некоторых ток покоя много меньше максимального выходного тока(управляемый источник тока)…”
Как это? Нагрузка вдруг перестает потреблять ток? Если усилитель двухтактный с двухполярным питанием, то токи покоя каждого из плеч равны и в отсутствии сигнала “сбалансированы”, то есть компенсируют друг друга таким образом, что в отсутствии сигнала ток через нагрузку = 0. Пусть сигнал имеет синусоидальную форму. В процессе усиления ток сигнала через нагрузку будет менять свое направление – “втекать” при положительном напряжении на нагрузке и “вытекать” при отрицательном. В классе А каждое из плеч выдает в нагрузку всю амплитуду тока – как “втекающего”, так и “вытекающего” (относительно среднего значения, то есть тока покоя). Следовательно, если плечо работает без “отсечки” то и ток покоя никак не может быть меньше, чем ток через нагрузку, иначе ток через нагрузку неизбежно будет ограничиваться. То есть – если ток покоя меньше максимально-допустимого (расчетного) тока через нагрузку – то “отсечка” в той или иной степени присутствует, следовательно каскад работает не в классе А. То, что в топологии плеча двухтактного каскада присутствует управляемый источник тока – относительно тока сигнала через нагрузку ничего не меняет, если только выходной каскад не представляет собой управляемый источник “двухполярного” тока, то есть способен не только отдавать, но и “принимать” ток. В этом случае – да, ток покоя может быть примерно в два раза меньше тока, потребляемого нагрузкой на заданной мощности. Отличительное свойство такого каскада – высокое выходное сопротивление, то есть для получения требуемого напряжения сигнала при низком импедансе нагрузки потребуется довольно высоковольтный источник питания. Или, как вариант – можно охватить каскад петлей ООС. Или применить дополнительный буферный каскад со 100%-й ООС.
“Качество реализации любой из этих топологий может быть различным – от плохого до превосходного, но от этого они не перестают работать в классе А. Топология, которую я использую(управляемый источник тока), я неоднократно сравнивал с другими усилителями, работающими в классе А и построенными по различным топологиям, и эти сравнения подтвердили весьма высокое качество этой топологии. Но это уже так, к слову.”
Действительно “к слову”. Опять – зачем вы это написали? 🙂 Насчет “высокого качества” – возможно и так – и таки да – упростить требования к блоку питания эта топология позволяет.
“По поводу КПД и потребляемой мощности. Реальный КПД даже ниже – порядка 45% – для синуса. Но здесь есть нюанс – выходная мощность указывается для синусоидального сигнала, это общепринятое правило, если не указано иное. А потребляемая мощность, это также общепринятое правило, указывается та, которая реально потребляется. Для бытовой техники указывается активная мощность, по крайней мере в нашей стране, т.к. для физлиц реактивная мощность не тарифицируется.”
Опять – какое отношение к режиму работы выходного каскада усилителя имеют энергетические тарифы для физлиц? 🙂 Так и укажите в характеристиках реальную потребляемую мощность при работе усилителя с сигналом синусоидальной формы. То есть – на нагрузке – максимальный синусоидальный сигнал – какая при этом будет потребляемая усилителем мощность?
“Теперь вернемся к цифрам – при максимальной мощности на синусе 25 Вт, мощность музыкального сигнала с учетом его минимального пик-фактора около 9 дБ вчетверо меньше – т.е. около 6 Вт. Соответственно потребляемый ток, а следовательно и потребляемая мощность снижаются вдвое. Реально, с учетом тока покоя потребляемая мощность составляет около 40 Вт/канал, это измеренная цифра + потери мощности на диодах выпрямителя, трансформаторе – в итоге получается 100 Вт. Так что в итоге реальный КПД на музыке около 12%.”
Интересно получается. Измеряем на синусе, а потребление считаем на музыкальном сигнале… То есть получается, что методика проведения измерений меняется в процессе проведения измерений. 🙂 Очевидно, что принимая во внимание пикфактор музыкального сигнала можно сэкономить на мощности блока питания. Но ведь в этом случае мощности блока питания будет совершенно недостаточно, чтобы на синусоидальном сигнале обеспечить заявленную максимальную выходную мощность? И тогда получается несоответствие в заявленных технических характеристиках.
Я понимаю, что это связано с топологией построения выходного каскада, но в любом из вариантов получается так –
Реальный заявленный КПД = 12%. Потребляемая мощность = 100Вт. То есть долговременная «полезная» мощность, выделяемая на нагрузке = 12Вт, то есть 6Вт на канал. Если проводить измерения на синусоидальном сигнале это и будет реальная выходная мощность, но учитывая емкость конденсаторов в фильтре БП – не исключено, что в “импульсе” усилитель таки сможет выдать 25Вт на 4 Ом.
Итак – заявлено =25Вт в классе A, в реальности – в лучшем случае =6Вт долговременной мощности, которую усилитель реально способен отдать в нагрузку. Обоснование – “для воспроизведения музыкального сигнала, с учетом его минимального пикфактора – требования к блоку питания можно снизить, а цифру заявленной в характеристиках максимальной выходной мощности – можно увеличить в ~4 раза”. Замечательно 🙂
Интересно, а цифра “-3db” в диапазоне рабочих частот означает величину спада на краях диапазона? А какой был уровень выходного сигнала (относительно его максимального значения) на котором проводились измерения? Как только что было выяснено, на стационарном синусоидальном сигнале 25Вт RMS на нагрузке 4 Ом усилитель не обеспечит, то есть провести измерения полосы пропускания на заявленной максимальной выходной мощности без перегрева блока питания или транзисторов выходного каскада не представляется возможным. Так при какой же выходной мощности обеспечивается заявленная полоса пропускания? 6Вт? То есть – 6Вт на выходе и полоса 200кГц по -3dB? Это что – усилитель JLH 1969 года ? 🙂
Далее, как же тогда – “Скорость нарастания выходного сигнала – не менее 50 В/мкс”?
Как известно, скорость нарастания однозначно определяет полосу пропускания для заданной амплитуды импульса и наоборот. Итак, пусть заявленная полоса пропускания = 200 кГц. Допустим, что усилитель все таки может “выдать” в импульсе мощность P=25Вт на нагрузку R=4 Ом, в этом случае напряжение на нагрузке будет Uн=SQRT(P*R) = 10 V (RMS), амплитудное значение Umax = 14V
По известной формуле Fmax = SR/(2п*Umax), то есть SR (скорость нарастания, V/S) = 2п*Fmax*Umax . Получаем SR (V/uS) = 6.28*200000*14 =~ 17.6 V/uS.
Для реальной мощности 6 Вт на канал Umax = 7V, SR = 8.8 V/uS.
Хм… “Але Гараж! Мне тут залили дизель вместо бензина!!!” 🙂
Интересно, а что еще “не так” в заявленных характеристиках ?
Дополнение от 25-09-20:
Удалось посмотреть схему этого усилителя. Однополярное питание, конденсатор на выходе. Выходной каскад – однотакный – истоковый повторитель с управляемым источником тока в истоке. Каскад охвачен ООС по переменному току, то есть нагрузка отсоединена от общего через резистор – таким образом весь ток нагрузки протекает через резистор, напряжение на котором изменяет ток, протекающий через выходной транзистор. В этом случае ток покоя каскада можно установить равным примерно половине расчетного тока через нагрузку, а импеданс нагрузки непосредственно определяет требуемое текущее значение тока каскада. Хитро придумано 🙂
Замечание 1 – Вместе с током каскада естественно изменяется и выходное сопротивление.
Замечание 2 – Динамическое изменение выходного сопротивления скорее всего будет заметно на слух и скажется на субъективных динамических свойствах каскада.
Замечание 3 – Некая аналогия – переход “классического” двухтактного выходного каскада из класса А в класс АВ так же сопровождается изменением выходного сопротивления.
Замечание 4 – Допустим, такой каскад обеспечивает требуемый ток через нагрузку определенного (низкого) импеданса. Если отключить ООС по переменному току – то есть присоединить нагрузку к общему, минуя резистор – то, естественно, каскад не сможет выдать в нагрузку требуемый ток. Получается, что без ООС режим работы каскада скорее похож на АВ, чем на А.
Замечание 5 – В каком бы режиме не работал выходной каскад, это никак не умаляет требования к блоку питания. Очевидно, что если в процессе работы нагрузка потребляет некий ток, то блок питания все-таки должен этот ток обеспечить.
После публикации частей 1 и 2 потребовались некоторые дополнительные пояснения.
Очевидно, что “цифра”, записанная на CD – не является “точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. Это всего лишь набор цифровых данных для проведения дальнейших вычислений.
В самом простом варианте эти вычисления должен производить выходной каскад ЦАП, который по сути является аналоговой вычислительной машиной и в общем случае это интегратор – интерполятор. Проведение аналоговых вычислений с требуемой точностью – та еще задача, поэтому логично провести вычисления в два этапа. На первом этапе – сделать пересчет (передискретизацию) исходных цифровых данных, рассчитав дополнительные цифровые отсчеты и таким образом существенно облегчив задачу для второго этапа – точного интегрирования и интерполяции “аналоговой машиной” большего числа отсчетов. По ходу выясняется, что в процессе передискретизации неизбежно возникают так называемые “цифровые шумы” – ошибки в данных, вызванные конечной точностью алгоритмов вычислений, аппаратные помехи, вызванные схемотехническими особенностями построения цифровых схем и т.п. То есть – на этапе обработки цифровых данных результат вычислений желательно “фильтровать” 🙂 и только после этого преобразовывать в аналоговую форму. Цифровая фильтрация, в свою очередь, хоть и позволяет существенно очистить данные от ошибок передискретизации, но вносит свои, характерные ошибки “цифровой фильтрации”, плюс аппаратные помехи.
Оцифровка аналогового сигнала в формат DSD – пожалуй является “более-менее точной цифровой копией” исходного аналогового сигнала. И вроде как (в теории) 🙂 преобразование “цифровой копии” в аналоговую должно происходить легче – достаточно очень простой “аналоговой вычислительной машины” – обычного интегратора. Но на практике – в реальной жизни – все портят особенности схемотехники – уровень аппаратных помех при таком “простом” решении получается слишком уж большим, интеграция устройств и оптимизация трассировки дорожек платы, монтажа компонентов в некоторой степени решают проблему – но не полностью. В итоге – без предварительной обработки и фильтрации цифровых данных обойтись не получается, то есть характерные ошибки результатов вычислений и аппаратные помехи неизбежно присутствуют и в этом случае – но их характер все-таки предсказуемее, чем в случае передискретизации PCM.
И да, часто возникает подозрение, что в некоторых ЦАП помимо цифровой фильтрации происходит и DSP исходных данных. Очень уж своеобразно интерпретируется разными ЦАП вроде бы одно и то же звуковое пространство.
Котельников, его теорема, выходной каскад ЦАП и DSD
Считается доказанным, что любой стохастический (произвольный, случайной формы) сигнал, спектр которого выше определенной частоты равен нулю, может быть восстановлен по цифровым отсчетам, взятым через одинаковые промежутки времени, частота следования которых более чем в два раза должна превышать верхнюю частоту в спектре исходного сигнала. Для восстановления нужно каждый отсчет умножить на так называемый “Базис Котельникова”, который представляет собой некую интерполяционную функцию определенного вида.
Итак, еще раз – для точного восстановления сигнала необходимо производить определенные математические вычисления над имеющимися отсчетами – тем или иным способом 🙂
В случае с NOS ЦАП эти вычисления производит аналоговый выходной каскад, на вход которого с микросхемы ЦАП подается некие фиксированные уровни напряжения или тока, пропорциональные значению цифровых отсчетов, а на его выходе – изменения напряжения должны быть “гладкими”, “аналоговыми”. 🙂 Общепринятая схемотехника такого выходного каскада – интегратор напряжения (ФНЧ) с мощным буферным каскадом. Для меня совершенно очевидно, что функционально простое интегрирование отсчетов – лишь очень грубое приближение к реально требуемым математическим вычислениям по формуле Котельникова и таким образом строго говоря – ни один из ЦАП не способен 100% точно восстановить исходный аналоговый сигнал.
Попробуем хотя бы в первом приближении “По Котельникову” восстановить исходный аналоговый сигнал из цифрового, записанного в формате CD-audio. Формула восстановления сигнала:
t – текущее время, n – номер отсчета, T – период, через который берутся отсчеты 1/44.1кГц = 22.7мкс.
Предположим, что исходный аналоговый сигнал – обычный синус. Необходимо определиться, сколько нужно вычислитьпромежуточных значений междусоседними отсчетами. В практике приближенных инженерных вычислений, для уверенного восстановления синуса достаточно 15…20 отсчетов. Возьмем 15 отсчетов. Для получения любого промежуточного значения нам нужна сумма ряда от “-” до “+” бесконечности. В реальности длительность сигнала, который записан на CD ограничена по времени 🙂 , поэтому логично снизить количество учитываемых отсчетов в сумме ряда до какого-нибудь конечного числа.
Для этого произведем такую оценку: через какое время пик (максимальное значение) функции станет меньше, чем единица младшего разряда.
Сигнал у нас 16 разрядный (CD-audio). Производим оценку:
Здесь 0<t<T, синус во времени меняется от -1 до +1 (заменяем на 1, что тоже неверно с точки зрения математики, но вполне допустимо с точки зрения физики процесса). Решая неравенство относительно “n”, получаем, что надо учитывать минимум 20860 отсчетов. Формула восстановления сигнала требует брать отсчеты не только “назад”, но и “вперед”, значит надо учитывать уже 41720 отсчетов. Это значит, что относительно текущего момента времени, для достоверного восстановления текущего значения амплитуды сигнала необходимо использовать как 20860 “прошлых” отсчетов, так и 20860 “будущих” отсчетов, то есть необходим некий промежуточный буфер исходных цифровых данных, над которыми производятся вычисления, плюс некий буфер для хранения результатов. В тот момент, когда обработаны все отсчеты до времени t=T, последний отсчет из “прошедшего” времени убирается из буфера и добавляется следующий отсчет из “будущего” времени. Текущее время изменяется в пределах 0<t<T.
Это очень упрощенная математическая модель идеального ФНЧ для формата 16/44. Такой фильтр невозможно реализовать в рамках аналоговой схемотехники, но методом цифровой обработки исходных отсчетов вполне можно посчитать любой промежуточный отсчет между двумя соседними исходными.
Оценим необходимые нам вычислительные мощности. Согласно формуле восстановления сигнала очевидно, что для получения одного значения необходимо выполнить 6 действий. Для получения необходимого количества (15) промежуточных значений в реальном времени необходимо выполнить:
N=15*(6+1(сумма ряда))*41720*44100 ~ 193 млрд. операций в секунду.
Если использовать таблицу готовых sin(x)/x, вычислений нужно меньше: одно умножение и одно сложение на каждый отсчет.
N=15*2*41720*44100~ 55 млрд. операций в секунду
Конечно, алгоритм вычислений можно оптимизировать. Например – брать не 15 отсчетов, а один. В этом случае:
N = ~ 3.7 млрд. операций в секунду – что тоже довольно много.
Можно формулу Котельникова использовать в варианте интерполяционной формулы Уиттекера – Шеннона. По всей видимости, можно применить и так называемое “быстрое” преобразования Фурье. Вероятно, этот вариант наиболее реально реализовать в “железе” – и скорее всего он уже кем-то реализован.
Для меня совершенно очевидно, что в реальном масштабе времени интерполяция с необходимым уровнем точности невозможна, а ошибки, вносимые процессом пересчета и интерполяции – тем заметнее, чем менее стационарен был оцифрованный сигнал. На практике это значит, что в оцифрованном для CD звуке нет очень многого из того, что присутствует в изначально аналоговой записи. А в аналоговой записи нет многого, что можно услышать в живом звуке.
Так же очевидно, что оцифровка в формате DSD позволяет свести ошибки до минимального технически достижимого (на сегодняшний момент) минимума. По всей видимости это значит, что DSD оцифровки мастер лент и (или) “прямая” DSD запись с последующим воспроизведением через Native-DSD ЦАП позволяют в итоге получить качество звучания, наиболее приближенное к “старой доброй” аналоговой записи. Но для обработки DSD в “реальной жизни” необходимо применение цифровой фильтрации. (см. Часть 1). Очередная “петля времени” ?
