Автомобильные усилители

Центральным элементом любой системы воспроизведения звука является усилитель мощности. Принимая низкоуровневый сигнал с линейного выхода автомагнитолы, он усиливает его до уровня, приемлемого для нормального режима работы динамиков. О внутреннем устройстве усилителей, их классификации и месте в системах автозвука мы расскажем в данной статье. Согласно условной структуре, усилитель состоит из 4 основных частей: блока питания и трех каскадов усиления: блока преобразования входного сигнала, драйвера и блока генерации выходного сигнала.

Блок питания обеспечивает остальные части усилителя рабочим напряжением и выполняет функции его контроля и регулирования. Блок преобразования входного сигнала представляет собой первый каскад усилителя, который помимо непосредственного первичного усиления сигнала, полученного от предусилителя автомагнитолы, выполняет функцию обратной связи, сравнивая данный сигнал с выходным для устранения искажений, возникающих при прохождении через тракт. Второй каскад усилителя называется драйвером и помимо усиления выполняет функцию фазового разделения входного сигнала на два разнополярных. Оконечный каскад или блок генерации выходного сигнала выполняет основную работу по усилению сигнала и, по сути, по данному блоку определяется класс усилителя.

Классификация усилителей

Все усилители по КПД и уровню искажения сигнала подразделяются на пять классов:

Класс А. Усилители с самым чистым сигналом. Ламповые модели типа А встречаются в аудиосистемам Hi-End класса. При этом такие усилители обладают крайне низкой эффективностью – их КПД составляет всего 20-30%. В связи с этим, а также с их очень высокой стоимостью, такие усилители практически не применяются в аудиосистемах для автомобилей.

Класс В. Усилители этого класса демонстрируют КПД примерно 50%, что делает их почти в 2 раза эффективнее, чем устройства класса А. Однако, побочным эффектом являются значительные искажения выходного сигнала, что делает усилители класса В неприемлемыми для систем автозвука.

Класс АВ. К этому промежуточному сегменту относится большая часть усилителей класса Hi-Fi на современном рынке. Они сочетают в себе относительную чистоту звука, свойственную классу А, и хорошую эффективность – КПД таких усилителей немногим ниже аналогичного показателя устройств класса В.

Класс С. Усилители такого класса демонстрируют потрясающую эффективность с КПД, приближающимся к 75%. Однако, повышение эффективности приводит к увеличению искажений, что делает устройства класса С неприменимыми в Hi-Fi аудиосистемах.

Класс D. Компактные цифровые усилители, способные в недалеком будущем занять доминирующее положение в сегменте усилительно аппаратуры для автомобильных аудиосистем. Однако, в настоящий момент они пока уступают по популярности усилителям АВ-класса.

Коэффициент гармонических искажений (THD)

Акустический сигнал представляет собой комплексную комбинацию множества связанных частот и гармоник – полутонов основной частоты, характеризующих звучание отдельных нот. Когда звуковой сигнал проходит по тракту усилителя, он «накапливает» ненужные гармоники и искажается. Процент, характеризующий увеличение количества гармоник в выходном сигнале, называется коэффициентом гармонических искажений (THD – total harmonic distortion). Данный коэффициент определяется для каждого усилителя в нескольких рабочих диапазонах частот, а также на различных уровнях выходной мощности и для переменного значения сопротивления нагрузки. Полученные значения указываются в спецификации усилителя. При сравнении усилителей, более качественным считается тот, для которого коэффициенты THD ниже.

Разделение каналов (Stereo separation)

В силу того, что отдельные каналы усилителя питаются от одного общего источника, они могут влиять друг на друга. Данная характеристика показывает степень изолированности правого и левого стерео-каналов. Степень разделения каналов рассчитывается как интенсивность правого канала относительно уровня паразитного сигнала левого канала, и наоборот, и выражается в децибелах. Качество усилителя тем выше, чем больше значение данного показателя. Проблема «просачивания» каналов решается либо заменой стерео-усилителя на два моно-устройства, либо установкой двух независимых блоков питания, как реализовано в аппаратуре класса Hi-End.

Демпфирующий фактор (Damping Factor)

Демпфирующий фактор усилителя характеризует длительность вибрации мембраны динамика в промежутке между импульсами. В динамике, импульс, посланный усилителем на катушку, приводит в движение мембрану, которая, достигнув предельной точки, возвращается обратно. По возвращении в исходное положение мембрана продолжает некоторое время совершать инерционные колебания, тем самым генерируя в обмотке катушки динамика электрический ток обратного направления. Разработчики усилителей конструируют их так, чтобы обратный ток закорачивался, и тем самым гасил вибрацию мембраны. Чем быстрее мембрана гасит свое инерционное движение по возвращении в исходное положение после импульса, тем выше значение демпфирующего фактора усилителя. Данный фактор рассчитывается как отношение сопротивлений динамика и усилителя, соответственно, демпфирующий фактор снижается с уменьшением сопротивления динамика.

Минимальный демпфирующий фактор, в силу особенностей конструкции, имеют ламповые усилители, что позволяет им создавать «мягкий» бас. Изготовители усилителей на транзисторах, напротив, стремятся увеличить демпфирующий фактор для создания заведомо «жесткого» баса, который при необходимости можно смягчить акустическим коробом, тогда как осуществить обратную операцию – «ужесточить» «мягкий» бас – намного сложнее.

Подключение и настройка усилителей

Самой дешевой и простой схемой усиления является схема с единственным двухканальным усилителем без кроссовера. К каждому каналу усилителя подключаются по два компонентных динамика в переднюю и заднюю части салона автомобиля. Параллельное подключение задней и передней пар динамиков приводит к уменьшению их сопротивления в два раза. Это стоит учитывать при подсоединении динамиков, чтобы не получить общее сопротивление акустической системы меньше полного сопротивления нагрузки усилителя. Так, параллельное включение двух восьмиомных динамиков при сопротивлении усилителя 4 Ом, будет вполне приемлемым.

Низкочастотные динамики имеют меньший КПД относительно высокочастотных, поэтому для создания равного с ними звукового давления, первые потребляют больше мощности. Если усиление низких и высоких частот происходит в одном усилителе, первые забирают большую часть мощности, доминируя в звуковой картине. Для того, чтобы вытянуть уровень средних и верхних частот, простое увеличение громкости неприемлемо, поскольку неизбежно приведет к появлению дополнительных искажений в низкочастотной области. Поэтому логично выделять низким частотам свой усилитель, отделенный от усилителя средних и высоких частот электронным кроссовером. Использование такой схемы повышает эффективность акустической системы, усиливает четкость звуковой картины и позволяет сделать звук в высокочастотной области громким и ярким без внесения искажений в спектр низких частот.

Например, если выделенный сабвуферный усилитель имеет мощность 60 Вт, то для обеспечения качественного звука в салоне автомобиля достаточно подключить средне- и высокочастотные динамики к усилителю мощностью всего 20 Вт. При верной настройке кроссовера, когда частотный диапазон правильно распределен между усилителями, эквивалентный потенциальный уровень звукового давления (SPL) такой системы будет равен 150 Вт, а не фактической сумме 60 Вт + 20 Вт = 80 Вт.

Мостовое соединение каналов усилителя (Bridge On-Off)

Мостовое соединение используется для получения мощного моноканала из двух стереоканалов одного усилителя, например, для подключения сабвуфера. Такое соединение реализуется путем коммутации положительного провода выхода одного из каналов с отрицательным проводом другого канала. В результате, поскольку сопротивление остается неизменным, а мощность рассчитывается как квадрат напряжения, деленный на сопротивление, получим мощность моноканала в четыре раза большую мощность отдельного канала до мостового соединения. К примеру, если напряжение выхода отдельного канала равно 15 В, то мощность будет равна:

(15*15)/4 = 56.25 Вт

В мостовом режиме напряжение общего канала станет равным 2*15 = 30 В, а мощность:

(30*30)/4 = 225 Вт

Тем не менее, громкость звука в децибелах не увеличивается пропорционально увеличению мощности усилителя. Так, повышение мощности в 2 раза приводит к усилению звукового давления лишь на 3 дБ, соответственно, в рассматриваемом примере громкость звука увеличится на 6 дБ.

Для произведения корректной настройки усилителя необходимо выполнить ряд следующих действий:

1. Выставить на усилителе минимальное значение регулятора усиления (gain).
2. Выставить предельно максимальную громкость головного устройства, при которой еще не слышны искажения.
3. Медленно выкручивать регулятор усиления на усилителе пока не будет достигнут максимальный уровень без искажений – предельно чистое усиление.
4. Выставить необходимую громкость на головном устройстве.

После этих действий звуковая система будет настроена на выдачу максимально возможного уровня звукового давления. В некоторых режимах работы усилитель может кратковременно увеличивать потребление мощности, вплоть до трехкратного превышения значения мощности, потребляемой в обычном режиме. В такие промежутки времени автомобильный аккумулятор не способен выдавать для питания усилителя ток нужной силы, что приводит к падению напряжения во всей электросети автомобиля, и, как следствие, к искажению звука – басы становятся приглушенными. Такая проблема может быть успешно решена путем установки конденсаторов, которые, разряжаясь, компенсируют падение напряжения в периоды резко возрастающего потребления энергии и поддерживают питание усилителя на постоянном уровне.

Конденсаторы представляют собой электротехнические элементы, накапливающие электрический заряд и отдающие его. Основной характеристикой конденсаторов является емкость, измеряемая в фарадах. Физический смысл заключается в том, что накопленный конденсатором заряд в 1 Ф эквивалентен току силой 1 ампер, действующему 1 секунду. Разряд конденсатора происходит довольно быстро, что позволяет успешно применять их в автомобильных аудиосистемах для поддержания стабильного питания. Емкость конденсаторов для автомобильных усилителей подбирается по следующему принципу: на каждые 100 Вт мощности на выходе усилителя должен быть установлен конденсатор емкостью 100000 мФ. Обычно, в таких системах применяют конденсаторы емкостью 250000 мФ – 2000000 мФ.

Закон Вебера-Фехнера

Звук и его громкость ощущаются человеком субъективно, и такое ощущение стоит отличать от интенсивности звука – его объективной характеристики. Например, при если увеличить мощность звука в два раза, его громкость не будет казаться удвоившейся, поскольку мощность звука или интенсивность его раздражающего воздействия увеличиваются в геометрической прогрессии, тогда как интенсивность его восприятия растет только лишь в арифметической, а, значит, субъективное удвоение громкости начнет ощущаться лишь по достижении второй степени исходного раздражения.

Громкость звука измеряется в относительных единицах, называемых децибелами (дБ). Увеличение громкости в дБ можно вычислить по формуле:

n (дБ) = 10lg (I’/I),

где I’ и I – интенсивности звуков, отличающихся друг от друга по громкости на n дБ.