Как измерить выходную мощность усилителя низкой частоты? Основные параметры усилителя нч и их измерение Измерение напряжения звуковой частоты

В конструкторской деятельности многих радиолюбителей усилитель звуковой частоты (34) занимает одно из первых мест. От усилителя 34 в значительной степени зависит качество звучания радиовещательного приемника, телевизора, магнитофона.

В описаниях усилителей 34, предназначенных для электрофонов, магнитофонов, радиовещательных приемников, обычно указывают их номинальную выходную мощность, номинальное входное напряжение, коэффициент гармоник и параметры частотной характеристики. По этим основным данным уже можно судить о качестве работы усилителя и пригодности его для тех или иных целей.

Напомним вкратце, что собой представляют названные параметры усилителя 34.

Номинальная выходная мощность Р НО м, выраженная в ваттах или милливаттах,-это мощность, выделяемая на нагрузке (звуковой катушке динамической^ головки громкоговорителя, обмотке головного телефона), при которой нелинейные искажения, вносимые усилителем, соответствуют указанным в описании. При дальнейшем увеличении выходной мощности эти искажения значительно* возрастают.

В процессе усиления любого сигнала из-за нелинейности характеристик транзисторов или электронных ламп в усиливаемом сигнале появляются колебания частотой в 2, 3, 4 и более раз выше основной частоты, т. е. появляются’ вторая, третья и т. д. гармоники сигнала. Они и искажают усиливаемый сигнал. Гармонические искажения растут по мере увеличения выходной мощности усилителя 34*. Оценивают их коэффициентом гармоник. Мощность, при которой искажения (коэффициент гармоник) достигают 10%, принято называть максимальной выходной мощностью усилителя 34 (ее обозначают Ртах).

Коэффициент гармоник Кг, измеряемый при синусоидальном входном сигнале, можно выразить процентным отношением суммарного напряжения всех гармоник U r к выходному напряжению и вых:

номерность АЧХ в рабочем диапазоне, пересекает АЧХ на частотах 75 в 11 ООО Гц. Следовательно, рабочий диапазон частот усилителя простирается от 75 до И ООО Гц.

Многие усилители 34 кроме регулятора громкости оснащены еще двумя (реже - тремя и более) регуляторами тембра - по низшим и высшим звуковым частотам. АЧХ таких усилителей снимают не менее трех раз, причем при входном напряжении, пониженном примерно на 20 дБ (в 10 раз) по сравнению* с номинальным (во избежание перегрузки при подъеме усиления на краях рабочего диапазона). Сначала оба регулятора тембра такого усилителя 34 устанавливают в положения, соответствующие спаду АЧХ на краях диапазона. Полученная АЧХ может иметь вид кривой 1 (рис. 107). Затем оба регулятора тембра переводят в другие крайние положения (подъем АЧХ на краях диапазона). АЧХ усилителя в этом случае может иметь вид кривой 2. После этого регуляторы тембра устанавливают в средние положения и снимают АЧХ еще раз. Если она близка к кривой 3, то на этом измерения заканчивают, а если значительно отличается от нее, то путем проб находят такие положения регуляторов тембра, при которых АЧХ получается наиболее ровной и параллельной оси частот в возможно более широкой полосе, и на ручках регуляторов делают соответствующие отметки.

Из графиков’на рис. 107 ясно видно, что у данного усилителя 34 пределы регулирования тембра на низшей частоте 63 Гц составляют +6…-6 дБ, а на высшей, равной 11 000 Гц,-примерно +5…-10 дБ. Так с помощью простых приборов лаборатории, пользуясь изложенной методикой, можно с достаточной для радиолюбителя точностью измерить основные параметры практически любого усилителя 34.

Вряд ли будет преувеличением сказать, что тестер семейства М-83х есть у каждого радиолюбителя. Простой, доступный, дешёвый. Вполне достаточный для электрика.

Но для радиолюбителя он имеет изъян при измерениях переменного напряжения. Во-первых, малую чувствительность, во-вторых, предназначен для измерений напряжений частотой 50 Гц. Часто у начинающего любителя нет других приборов, а хочется измерить, например, напряжение на выходе усилителя мощности и оценить его АЧХ. Можно ли это сделать?

В интернете все повторяют одно и то же – «не выше 400 Гц». Так ли это? Давайте посмотрим.

Для проверки собрана установка из тестера М-832, звукового генератора ГЗ-102 и
лампового вольтметра В3-38.

Судя по имеющимся данным, многочисленные приборы семейства М-83х или D-83x собраны практически по одной схеме, поэтому высока вероятность того, что результаты измерений будут близки. Кроме того, в данном случае меня мало интересовала абсолютная погрешность данного тестера, интересовали только его показания в зависимости от частоты сигнала.

Уровень был выбран около 8 Вольт. Это близко к максимальному выходному напряжению генератора ГЗ-102 и близко к напряжению на выходе УМЗЧ средней мощности.

Лучше было бы сделать ещё серию измерений с мощным УНЧ нагруженным на повышающий трансформатор, но не думаю, что результаты изменятся разительно.
Для удобства оценки АЧХ в дБ выбран уровень 0 дБ на пределе 10 В вольтметра В3-38. При изменении частоты сигнала уровень чуть подстраивался, но изменения не превышали долей дБ, ими можно пренебречь.

Результаты

В приведённой таблице К - коэффициент, на который надо умножить результат измерений тестера на данной частоте с учётом спада АЧХ.

Для получения табличных результатов в дБ на выходе генератора устанавливался уровень напряжения, полученного для каждой частоты, а разность в дБ считывалась и заносилась в таблицу. Некоторые неточности из-за округления в 0,5 дБ показаний лампового вольтметра и округления последней цифры показаний тестера. Считаю, в данном случае систематическую ошибку в 1 дБ вполне допустимой т. к. на слух она неощутима.

Вывод

Итак, что же получилось?

Частотная характеристика тестера верна не до 400 Гц, а до 4…6 кГц, выше начинается спад, который можно учесть при помощи таблицы и, значит, получить относительно достоверные результаты в диапазоне 20…20000 Гц и даже выше.

Для того чтобы утверждать, что поправки годятся для всех тестеров, нужно собрать статистику. К сожалению, мешком тестеров не располагаю.

Не надо забывать, что тестер измеряет переменное напряжение по схеме однополупериодного выпрямителя с его недостатками, такими как возможность измерений только синусоидального напряжения без постоянной составляющей, при малом измеряемом напряжении погрешность будет расти.

Как можно улучшить тестер М-832 для измерений переменных напряжений?

Можно поставить дополнительный переключатель пределов «200-20 В» и ещё один резистор шунта. Но это требует разборки и доработки тестера, надо разбираться в схеме и иметь прибор для калибровки. Считаю, что это нецелесообразно.

Лучше сделать отдельную приставку, усиливающую и выпрямляющую напряжение. Выпрямленное напряжение подавать на тестер, включённый на измерение постоянного напряжения.
Но это тема для другой статьи.

Под выходной мощностью УНЧ понимают наибольшую мощность, отдаваемую усилителем нагрузке при нелинейных искажениях, не превышающих заданной для данного усилителя величины.

В любительских условиях выходную мощность УНЧ определяют косвенным путем: сначала измеряют сопротивление нагрузки и переменное напряжение на ней, а затем вычисляют мощность по формуле:

Рвых=Uн2RнВт,

Где Uн – переменное напряжение на нагрузке, В.

Rн – сопротивление нагрузки, Ом.

Напряжение Uн измеряют высокоомным вольтметром, а с измерением сопротивления Rн будет посложнее. Полное сопротивление катушки на заданной частоте чаще всего определяют с помощью звукового генератора (ЗГ) и электронного вольтметра (В), иногда используют осциллограф, о чем написано чуть ниже. Измерительные приборы присоединяют к громкоговорителю так, как показано на рисунке ниже:

Сопротивление резистора R, выбираем в пределах 10-20 Ом, должно быть известно. Определение полного сопротивления катушки (Zк) заключается в измерении двух напряжений.

Сначала измеряют падение напряжения на катушке Uк. Затем переносят верхний (по схеме) проводник вольтметра из точки В в точку А, измеряя таким образом падение напряжения Uвых на последовательно соединенных резисторе R и звуковой катушке.

Так как падения напряжения на последовательно соединенных элементах пропорциональны их сопротивлениям, то можно написать:

UвыхUк=R+ZкZк,

Откуда полное сопротивление катушки:

Zк=RUвыхUк-1.

Определить сопротивление катушки динамика, если при включении последовательно с ней резистора сопротивлением 15 Ом стрелка вольтметра отклонилась в первый раз до отметки шкалы «0,85», а во второй раз, то есть при измерении напряжения на выходе генератора – до отметки шкалы «3»

РЕШЕНИЕ. В соответствии с формулой полное сопротивление звуковой катушки:

Zк=1530,85-1=5,9 Ома.

C сопротивлением Rн разобрались, Zк и есть нужное нам Rн. (Zк= Rн).

Теперь измерим переменное напряжение на нагрузке Uн.

Для этого устанавливаем ручку регулятора громкости усилителя в положение, соответствующее максимальному усилению, и присоединяю к нагрузке вольтметр. Затем подают на вход усилителя от звукового генератора напряжение такой величины, при которой громкоговоритель не перегружается и громко, но без искажений, воспроизводит звук, соответствующий установленной частоте генератора. По достижении максимально неискаженного звучания записывают показания вольтметра, которое и принимают равным максимально допустимому напряжению (Uн) на нагрузке.

Подставив полученные Rн и Uн в самую первую формулу, получим выходную мощность усилителя.

При измерении Rн и Uн оказалось:

1.Сопротивление нагрузки равно Rн = 5,1 Ом,

2.Эффективное значение напряжения на нагрузке Uн = 2,3 В,

3.Просматриваемая на экране осциллографа синусоидальная кривая выходного напряжения начинает искажаться при U’н = 2,35 В.

В таком случае выходная мощность равна:

Рвых=2,2525,11 Вт

В последнем измерении был использован осциллограф, но его можно не применять. Начало искажений можно определить на слух, но с осциллографом будет точнее.

Для измерения чувствительности , выходной мощности и коэффициента гармоник усилителя нужны осциллограф, вольтметр переменного тока, звуковой генератор (ЗГ ) и эквивалент нагрузки исследуемого усилителя. Последний представляет собой проволочный резистор, сопротивление которого равно полному сопротивлению звуковой катушки динамической головки (или громкоговорителя) усилителя. Его мощность рассеяния должна быть не меньше мощности динамической головки (если в громкоговорителе усилителя несколько головок, то их общей мощности).

Измерение коэффициента гармоник, вносимые усилителем в сигнал, оценивают по методике, используя любой низкочастотный осциллограф. В этом случае измерения начинают со снятия амплитудной характеристики усилителя - зависимости выходного напряжения U вых усиливаемого сигнала частотой 1000 Гц от входного напряжения U вх при постоянной нагрузке R н , равной сопротивлению ее эквивалента R .

Схема соединения измерительных приборов с усилителем, амплитудную характеристику которого надо снять, приведена на рис. 1, а. Усилитель и звуковой генератор должны питаться от отдельных источников. К выходу усилителя вместо динамической головки (или громкоговорителя) подключают эквивалент нагрузки R э , а к нему вход «Y» осциллографа. Регулятор громкости устанавливают на максимум и подают на вход усилителя от звукового генератора сигнал частотой 1000 Гц напряжением 30-40 мВ. Развертку горизонтального отклонения луча осциллографа устанавливают такой, чтобы на его экране хорошо просматривалось изображение одного колебания. Измерив входное напряжение U вх , вольтметр переменного тока PU переключают на эквивалент нагрузки R э и измеряют выходное напряжение усилителя U вых . Результаты измерений фиксируют (см. табл.).

Амплитудная характеристика усилителя (условия измерения)

Uвх , мВ
Uвых , м В	1200	1600	2000	2400	2800	3200	3600	3800	4000	4100

Рис. 1. Схема измерения основных параметров усилителя ЗЧ

Не изменяя частоту сигнала ЗГ , увеличивают ступенями через каждые 10 мВ его напряжение, заносят в таблицу результаты измерений. Входное напряжение увеличивают до тех пор, пока на экране не появится заметное на глаз срезание «верхушек» синусоиды (рис. 2, б). Это явление происходит из-за симметричного ограничения напряжения выходного сигнала и сопровождается увеличением коэффициента гармоник усилителя примерно до 10%. Оно означает, что выходная мощность достигла максимальной Р макс . После этого входной сигнал ЗГ уменьшают до пропадания заметных на глаз искажений синусоиды и считают, что при этом усилитель отдает нагрузке номинальную выходную мощность P ном . Выходные напряжения на эквиваленте нагрузки, соответствующие максимальной Р ма х и номинальной Р ном выходным мощностям, в таблице следует выделить.

Рис. 2. Построение амплитудной характеристики усилителя 3Ч

Далее по результатам измерений, занесенным в таблицу, строят амплитудную характеристику усилителя (рис. 2). До точки «а» она прямолинейна, а затем начинает отклоняться вниз, что говорит о нарушении пропорциональности между входным и выходным напряжениями усилителя и появлении искажений усиливаемого сигнала. Теперь, пользуясь формулой Р вых = U вых 2 /R н , можно подсчитать выходную мощность усилителя для различных значений U вых . На рис. 2 параллельно оси U вых слева помещена вторая вертикальная ось Р вых , на которой отмечены расчетные выходные мощности усилителя в ваттах.

Рис. 3. Схема измерения коэффициента гармоник

Точка «а» на графике, с которой начинается перегиб амплитудной характеристики, обычно соответствует номинальной выходной мощности усилителя. По амплитудной характеристике можно определить и численное значение чувствительности усилителя - оно соответствует значению U вх при Р ном .

Численное значение коэффициента гармоник К г усилителя ЗЧ можно измерить с помощью заградительного фильтра L1C1C2 (рис. 3), настроенного на основную частоту 1000 Гц, который включают между выходом усилителя, нагруженного на эквивалент нагрузки R9, и вольтметром переменного тока PU . Катушку L1 этого фильтра, содержащую 290 витков провода ПЭВ-2, наматывают на ферритовом кольце 2000НМ типоразмера К20х12х6 с помощью челнока. Конденсаторы С1 и С2 фильтра типа МБМ или КБ.

Сначала переключатель «S» устанавливают в положение «1», соответствующее отключенному фильтру, и вольтметром PU измеряют напряжение U вых . Допустим, U вых равно 3 В (3000 мВ). Затем, переведя переключатель «S» в положение «2», включают заградительный фильтр и измеряют напряжение гармоник U г . Предположим, что это напряжение будет 70 мВ. Коэффициент гармоник К г подсчитывают по приведенной ранее приближенной формуле:

К г ≈ U г / U вых ∙ 100% ≈ 70 ∙ 100 / 3000 ≈ 2,3%,

где:

К г – коэффициент гармоник, [ %];

U г – напряжение гармоник, [мВ];

U вых – выходное напряжение [ мВ ] .

По такой методике можно с достаточной точностью измерить чувствительность, выходную мощность и коэффициент гармоник практически любого усилителя ЗЧ. Для стереофонического усилителя параметры каждого канала измеряют раздельно, сравнивают и, если надо, выравнивают соответствующим подбором деталей и режимов работы транзисторов.