Как померить мощность усилителя

Содержание

Как измерить мощность усилителя звука
Как проверить мощность усилителя звука

Усилители звука используются как во многих бытовых приборах, автомобилях, так и профессиональной работе звукорежиссеров. Каждое устройство усиливающее звуковые колебания, передаваемые в нагрузку (в акустическую систему) имеет свою расчётную мощность, которая зависит от мощности радиодеталей используемых в ней.

Перед тем как узнать мощность усилителя звука нужно понимать от чего она зависит. В первую очередь, это сопротивление нагрузки, которой служит акустическая система или звуковоспроизводящие динамики. Сопротивление их бывает 2, 4, или 8 Ом. Чем меньше эта величина тем выше ток проходящий по цепи катушки динамика, а значит выше и мощность. Перед тем как подключать акустическую систему к усилителю звука, необходимо знать её параметры, для того чтобы продолжительность эксплуатации была максимальной.

Как измерить мощность усилителя звука

Существует два способа измерения выходной мощности усилителя звука, это выполняется с помощью следующих измерительных устройств:

Для проведения таких измерений обязательно понадобиться нагрузка, которой в стандартном применении является динамик или акустическая система. Ток без нагрузки не появится, а значить измерить мощность не получится. В качестве динамика, в случае его отсутствия под рукой, используется проволочное сопротивление (резистор) типа ПЭВ, мощностью от 10 до 100 Вт и величиной сопротивления от двух до 8 Ом. Не стоит обращать внимания, что мощность нагрузки всего 100 Вт, а заявленная мощность усилителя 200 или 300 Вт, такой резистор способен кратковременно рассеивать мощность в несколько раз превышающую номинальную.

Перед тем как подключать резистор в цепь, обязательно необходимо проверить значение его сопротивления с помощью омметра, чтобы избежать ненужной погрешности. Если в наличии нет резистора типа ПЭВ, то используется резистор с переменным значением сопротивления типа ОПЭВ. Если величина его полного сопротивления равна 8 Ом, то появляется возможность подключения его по следующей схеме и тем самым получить или 2, или же 4 Ома.

После подключения осциллографа и нагрузки как показано на рисунке, на вход усилителя подаётся обычный слабый звуковой сигнал, который необходимо усилить. Для более точных, лабораторных измерений рекомендуется использовать генератор синусоидального сигнала, частота которого от 100 до 200 Герц. Затем включить усилитель и постепенно, очень плавно увеличивать громкость, поворачивая встроенный регулятор. На осциллографе появиться усиленный сигнал, амплитуда которого будет увеличиваться до максимального значения выдаваемого усилителем. После достижения максимальной громкости и ограничения выходного сигнала по амплитуде, измеряется напряжение, которое потом подставляется в формулу:

P = (U x U) : (2 x R)

где P – выходная мощность усилителя в Ваттах;
U – выходное напряжение усилителя в Вольтах;
R – сопротивление нагрузки (колонки) в Омах.

На первом рисунке изображён усиленный синусоидальный сигнал, а на втором от обычного музыкального MP-3 плеера. Стрелкой указана та часть синусоиды, которую стоит учесть при расчёте мощности. Нельзя подавать на вход усилителя для измерения мощности выходного каскада сигнал высокой частоты, если вместо сопротивления будет использоваться многополосная акустическая система. Это приведёт к перегрузке среднечастотного или высокочастотного динамика, что вызовет разрыв мембраны или обрыв их катушки.

Теперь узнаем, как узнать мощность усилителя звука мультиметром? При отсутствии осциллографа используется обычный вольтметр, имеющийся в наличии в каждом, даже дешевом мультиметре. Однако, для того чтобы увидеть на нём пиковую величину напряжения выходного каскада усилителя низкой частоты, соберем простейшую схему, состоящую из диода (рассчитанного на напряжение 50 Вольт) и конденсатора (от 0,47 до 1 µF, и напряжение выше 50 В).

Согласно закона Ома, зная напряжение и сопротивление вычисляется ток, который будет равен напряжению делённому на величину сопротивления. Мощность при этом равняется произведению напряжения и силы тока.

Как проверить мощность усилителя звука

Теперь знаем как определить мощность усилителя звука, тогда заявленные производителем характеристики легко вычислить вышеописанными методами. Часто несоответствие информации о мощности усилителей встречается у китайского изготовителя, привлекающего покупателя высокими показателями, которые в реальности сильно занижены.

включим всё и наблюдаем на экране осциллографа «весёлые картинки» — синусоиду, пока она не достигнет видимых искажений (рис.2а). (Примечание Учёного кота: менее 3% искажения простым глазом не заметны. О том, что такое искажения, поговорим в другой статье.)

Площадь, занимаемую синусоидой, можно вычислить (или измерить) и заменить эквивалентным напряжением постоянного тока той же площади (рис.2б).

Это напряжение называется СреднеКвадратичным напряжением — СКВ (англоязычная аббревиатура — RMS), в просторечии — «эффективным». Таким образом можно найти эквивалентное напряжение для любой формы тока (рис.2в,г,д).

Для треугольного, прямоугольного, синусоидального, экспоненциального тока есть математические выражения для эквивалентного преобразования. Для простоты понимания на рисунках изображены половины периодов симметричных сигналов. Появление компьютерной регистрации позволяет выполнить численное интегрирование любой функции без поиска его математического выражения. Для чего всё это надо? Найденный эквивалентный постоянный ток будет производить ту же тепловую работу, что и наш исследуемый ток.

Любой переменный ток можно характеризовать следующими видами напряжения:
Амплитудное — синие стрелки (понятно из названия и рисунков);
Среднее — среднеарифметическое всех мгновенных значений сигнала за измеряемый период (на рисунках не показано);
Среднеквадратичное — красные стрелки (рассмотрено выше).
Для облегчения понимания указанных видов напряжения можно нарисовать их на миллиметровке и самостоятельно просуммировать численные значения напряжения (для синусоидального, прямоугольного и треугольного напряжения ). Большинство вольтметров переменного напряжения имеют схему выпрямления переменного тока, соответствующую среднему напряжению — как самую простую, а градуировку показывающей шкалы — в СКВ. При измерении синусоидальных токов и напряжений это не вызывает никаких затруднений, а если ток или напряжение отличаются от синусоиды — придётся вводить поправочные коэффициенты.

Теперь вспомним начала начал — Закон Ома: I=U/R, а также формулы для вычисления мощности постоянного тока — P=U*I=I2R=U2/R.
Для синусоидального тока (и напряжения) формула вычисления мощности по измеренному осциллографом амплитудному напряжению будет выглядеть так:
P = (0,707U) 2 /R н = U 2 /2R н
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока.
Мы пришли к практическому способу измерения выходной мощности усилителя с помощью измерения амплитуды сигнала на экране осциллографа (рис.2б). Механическая мощность — это работа за 1 секунду. Электрическая мощность не содержит параметра времени в явном виде; подразумевается (но не соблюдается, причём именно при измерении мощности усилителей низкой частоты), что это — тоже 1 секунда. Например, для меандра частотой 100 Гц за время 10 мс в любой момент СКВ напряжение равно его амплитудному значению (рис.2в)
А кто мешает распространить такой подход и к синусоидальному сигналу? Для части синуса 100Гц за время 1мс (рис.2е) получим практически прямоугольник, для которого коэффициент перевода амплитудного напряжения в СКВ равен 1, и соответственно мгновенную мощность в два раза больше, чем за целый полупериод 10 мс.
Но это ещё не всё! Можно измерить размах напряжения при переходе от минимального до максимального значения (рис.2ж) за очень небольшой период времени и получить мощность ещё больше! Вот они — десятки ватт от бумбокса и сотни ватт от бытового усилителя!

Сведём полученные результаты в таблицу.

Среднеквадратическое напряжение Uскв=2в. Мощность на Rн 4 ом Рвых = 1 ватт

Амплитудное U=2.83в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=2 ватта

Размах (двойная амплитуда)U=5.66в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=8 ватт

Среднеквадратическое Uскв= 3,54в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=3.12 ватт

Амплитудное U=5в. Мощность на Rн 4 ом Рвых=6,25 ватт

Размах (двойная амплитуда) 10 вольт. Мощность на Rн 4 ом Рвых=25 ватт

Среднеквадратическое Uскв=10в. Мощность на Rн 6 ом Рвых=16,7 ватт

Амплитуда U=14,14в. Мощность на Rн 6 ом Рвых=33,3 ватт

Размах (двойная амплитуда) 28,3 вольт. Мощность на Rн 6 ом Рвых=133,2 ватт

Мы рассмотрели измерение мощности на активной нагрузке (например, на мощном проволочном резисторе), обычно применяемой при испытании усилителей. Внимательный радиолюбитель, измеряя сопротивление динамика цифровым омметром, обнаружит, что оно окажется меньше, чем 4 ома, например, 3,8 ом. «Ага, значит, я получу больше, чем указано в таблице!» — воскликнет он — и будет прав, но не совсем. Дело в том, что динамик имеет две составляющие сопротивления — активную, которую можно измерить любым омметром, и индуктивную — зависящую от числа витков катушки динамика и его магнитных свойств (измеряемую измерителем RCL). Возьмём для примера динамик 3ГД-32-75 с номинальным сопротивлением катушки по постоянному току R=4 Ома; индуктивностью L=150 микроГенри. Полное сопротивление Z динамика состоит из двух компонент — активной R x и индуктивной X L . Рассчитаем их для двух частот:

Частота

1000 Гц

10 кГц

Индуктивное сопротивление рассчитывается по формуле

Полное сопротивление — по формуле

Видим, что на 10 кГц сопротивление реальной нагрузки выросло в 2,5 раза, а мощность, отдаваемая в эту нагрузку, соответственно уменьшилась в те же 2,5 раза (рис.3 б). А теперь вспомним, что на входе усилителя (и на выходе) присутствует конденсатор.

Предположим R вх =100 кОм, ёмкость конденсатора С вх = 0,1 мкФ. На частоте 1 кГц его сопротивление будет 1,6 кОм; на частоте 100 Гц — 16 кОм; на частоте 10 Гц — 160 кОм, т.е. напряжение, поступающее на вход первого каскада усилителя, уменьшится в 0,38 раза, а пропорционально этому — и выходная мощность (рис.3в).
Аналогичный расчёт для влияния выходной ёмкости С вых = 1000 мкФ даёт: 1 кГц — 0,16 Ом; 100 Гц — 1,6 Ом; 10 Гц — 16 Ом. В последнем случае на нагрузку 4 Ом будет поступать всего 0,2 выходного напряжения, и отдаваемая мощность снизится до 1/25 от максимально возможной (рис.3г). Поэтому не ленитесь рассчитать минимально необходимые ёмкости входного и выходного конденсаторов для получения заданной частотной характеристики в области низких частот.
Но это опять таки ещё не всё! Если наш громкоговоритель -двух- или трёхполосный- поведение полного сопротивления громкоговорителя из-за влияния индуктивностей, конденсаторов и резисторов разделительных фильтров предсказать достаточно сложно, проще провести измерения (рис.3е). (Примечание премудрого кота. Да, в общем, это не слишком то и нужно.)
Подведём итоги.

1.Измерение выходной мощности лучше всего проводить, наблюдая синусоидальный не ограниченный сигнал на экране осциллографа, и пересчитать измеренное значение амплитудного напряжения в СКВ (для получения синусоидальной мощности), либо оставить как есть (для пиковой мощности). Измерение напряжения вольтметром переменного тока нежелательно, поскольку мы не увидим искажения сигнала при мощности, близкой к максимальной, и обычно не знаем, по какой схеме собран и проградуирован вольтметр. Измерение амплитудной пиковой мощности вызывает сомнение — её можно получить и чисто расчётным путём. Формула для прикидочного расчёта мощности синусоидального сигнала выглядит следующим образом: Р = (U п :3) 2 /R н , где U п — напряжение питания, R н -сопротивление нагрузки на заданной частоте. Ревнители точности могут вычесть из U п падение напряжения на выходных транзисторах и учесть просадку U п при нестабилизированном питании.

2.Теперь мы знаем, как относиться к мощности, заявленной на шильдике «крутого» домашнего кинотеатра: «суммарная мощность всех каналов составляет 400 ватт» при мощности, потребляемой от сети -100 ватт.

3.Наиболее правильно будет говорить так: измеренная мощность усилителя — Х ватт при коэффициенте гармоник Y% и частоте Z герц на нагрузке R Ом. (Для любознательных — старые ГОСТы подразумевали коэффициент гармоник 1% при номинальной мощности и 10%- при максимальной). О коэффициенте гармоник (будем говорить позже, сейчас мне нужно питание в виде рыбы, а не электрического тока! — примечание голодного кота).

4.«Но это опять таки ещё не всё!» (Хозяин, можешь говорить без употребления рекламных слоганов? примечание грамотного кота). Мощность, рассеиваемая на оконечных транзисторах усилителя, величина непостоянная (для наиболее распространённых усилителей класса АВ), и достигает максимума в диапазоне 0,25..0,5 выходной мощности. Исходя из этого, и надо рассчитывать необходимую площадь радиаторов.

В следующей статье рассмотрим, что такое искажения, и чем их измеряют.

Все вопросы в Форум, заходите.
Удачи.
Сэр Мурр

Очень простой способ быстро оценить потенциал усилителя без вольтметра, токовых клещей и осциллографа. Метод не претендует на 100% точность, но такой расчет будет максимально близок к честной номинальной мощности усилка и поможет выявить недобросовестного производителя до покупки железки.

Пример №1. Усилитель Kicx KAP-49. 4 канала, AB-класс, преды 3х40 ампер. Качественный усилитель, проверенный временем.
Заявка производителя:
4 ом — 150 Вт на канал
2 ом — 250 Вт на канал
4 ом мост — 500 Вт
Реальный замер чистого сигнала с осциллом:
4 ом — 134 Вт на канал
2 ом — 254 Вт на канал
4 ом мост — 448 Вт.
Как видим заявка честная, теперь проверяем нашу формулу.
Преды 3х40=120 ампер
120*14,4=1728 Вт — это максимум, что может потребить усилитель
1728*0,5=864 Вт — это реальная выходная мощность за вычетом КПД блока питания и усилителя (т.к. это класс AB, то КПД брался 50%)
864/4=216 Вт — номинальная мощность на канал в 2 ома
216/1,5=144 Вт — номинальная мощность на канал в 4 ома
216*2=432 Вт — номинальная мощность в мосту на 4 ома.
Цифры достаточно близки к заявке и замерам, чего достаточно для беглой оценки мощности усилителя.

Пример №2. Усилитель Supra SBD-A4270. 4 канала, AB-класс, преды 2х25 ампер. Китайский усь с преувеличенными циферками на коробке.
Заявка:
4 ом — 75 Вт на канал
2 ом — 120 Вт на канал
4 ом мост — 240 Вт
Считаем:
2*25=50 А
50*14,4=720 Вт
720*0,5=360 Вт
360/4=90 Вт на канал в 2 ома
90/1,5=60 Вт на канал в 4 ома
90*2=180 Вт мост на 4 ома
Комментарии излишни.

Пример №3. Усилитель Ural AK 1.500. 1 канал, D класс, преды 3х30 ампер.
Заявка:
4 ом — 500 Вт
2 ом — 800 Вт
1 ом — 1200 Вт
Считаем:
3*30=90 А
90*14,4=1296 Вт (уже здесь мы видим не стыковку, усилитель работает со 100% КПД!)))
1296*0,7=907 Вт — номинал в 1 ом
907/1,5=604 Вт — номинал в 2 ома
604/1,5=403 Вт — номинал в 4 ома.
Вот так более правдоподобно.

Таким же образом могу расстроить людей, которые убеждены что их магнитола валит по 50 вт на канал (ведь на лицевой панели написано именно так 50х4 и не меньше!))) — реальная мощность любого ГУ не превышает 18 вт.

Как видим способ рабочий и очень быстрый. Если хотите получить результаты еще более близкие к реальности, то в самом начале берите не идеальное напряжение 14,4 вольт, а учитывайте просадки и дополнительные потребители энергии в вашем авто.

«>

Оценка статьи:

(Пока оценок нет)

Загрузка...