Глава 8 Усилители
Усилители
Из всех электронных систем концертного комплекса максимальная нагрузка приходится на систему усилителей мощности, основным назначением которой является преобразование напряжений электрических звуковых сигналов в токи, достаточно сильные, чтобы раскачивать огромные массы воздуха в зале.
Традиционной формой исполнения усилителей мощности являются прямоугольные ящики, достаточно большие и тяжелые, которые укрепляются в специальных рэковых стойках при помощи четырех болтов. Усилители мощности, предназначенные для использования в составе профессиональных систем звуковоспроизведения, должны иметь специальную защиту от влаги и вентиляционную систему, обеспечивающую их непрерывную работу в течение длительного времени при максимальной мощности нагрузки. Необходимость выполнить все эти условия приводит к увеличению размеров и массы профессиональных усилителей мощности.
Тем не менее, с развитием технологии производства электронной техники, масса и размеры усилителей мощности постепенно снижаются, а их электрическая мощность возрастает. Постоянно увеличиваются точность и надежность работы усилителей, в состав которых включаются все более сложные средства защиты. Масса и размеры источников питания усилителей постепенно понижаются, а схемотехнические решения совершенствуются.
Обычный профессиональный усилитель мощности занимает пространство в 4 рэка высотой, т.е. около 18 см, и весит до 35 кг. Однако самые последние модели усилителей имеют высоту в 2 рэка, а их вес понизился до 15-20 кг. Несмотря на такие относительно небольшие размеры, компактность усилителей продолжает повышаться, что способствует снижению затрат на их перевозку и установку.
Усилители мощности системы звуковоспроизведения постоянно находятся под большой нагрузкой, поэтому им необходим соответствующий уход и контроль. Необходимо строго соблюдать порядок и правильность подключения усилителей, т.к. случайно выведенный из строя усилитель мощности может попутно испортить любое подключенное к нему оборудование.
Включение и выключение усилителей мощности. Усилители мощности всегда включаются в последнюю очередь, а выключаются в первую.
При включении питания усилителей мощности нужно придерживаться следующего порядка:
убедитесь, что все усилители мощности системы звуковоспроизведения выключены, а регуляторы уровней устройств, подающих сигнал на входы усилителей, выведены
включите питание микшерного пульта и устройств обработки звука.
выдержав паузу в 10 сек, включите питание усилителей мощности
подайте входные сигналы поочередно на каждый из усилителей, выдерживая паузы длительностью около 5 секунд
убедитесь в том, что все вентиляторы системы охлаждения усилителей функционируют, и проверьте звучание каждого из усилителей в отдельности, подавая сигнал на вход каждого из усилителей в течение некоторого промежутка времени. После этого можно подавать сигналы на входы всех усилителей сразу.
Усилители мощности, применяемые в системах воспроизведения звука концертных комплексов, обычно не имеют регуляторов уровней входных сигналов и всегда работают на полную мощность. Регулировка уровней их сигналов производится с помощью регуляторов уровней выходных сигналов микшерного пульта, а максимальное значение этих уровней устанавливается с помощью регуляторов уровней кроссовера.
Включение питания усилителей мощности должно производиться только после включения питания всех остальных систем комплекса, потому что при включении эти системы могут создавать сильные броски выходного напряжения. Если такой сигнал попадает на вход включенного усилителя мощности, то этот усилитель преобразует этот сигнал в очень мощный бросок тока, который может превысить предельно допустимый ток нагрузки этого усилителя, что может привести к перегоранию его защитных предохранителей. По этой причине поочередное включение отдельных усилителей производится при отсутствии входного сигнала и с паузами, длительность которых достаточна для полного прекращения переходных процессов включения в источниках питания усилителей.
Выключение питания усилителей мощности системы звуковоспроизведения производится в порядке обратном включению.
При длительной непрерывной работе под нагрузкой усилители сильно нагреваются. Поэтому необходимо использовать каждый удобный случай, чтобы дать им охладиться. Работающие усилители нуждаются в притоке большого количества холодного воздуха, поэтому их надо располагать так, чтобы обеспечить беспрепятственный доступ воздуха к их вентиляционной системе. Нельзя располагать стойки с усилителями вплотную около стен, накрывать их или загораживать их вентиляционные отверстия драпировочной тканью, которую может засосать в эти отверстия. Если в усилителях мощности предусмотрена защита от перегрева, то неправильное размещение усилителей может привести к их отключению во время концерта. После отключения эти усилители, как правило, не удается включить до тех пор, пока они не остынут.
Проводя концертные выступления на открытом воздухе, располагайте усилители в тени и защищайте их от попадания любой влаги. Не давайте им намокнуть ни при каких условиях, т.к. влага превосходно проводит электрический ток. Помните также, что человеческое тело, особенно при попадании влаге, тоже является хорошим проводником тока.
Правила обращения с усилителями мощности
постоянно следите за исправностью работы вентиляторов системы охлаждения.
производите очистку вентиляционных фильтров как можно чаще.
постоянно проверяйте состояние и надежность разъемных соединений усилителей.
производите периодическую замену предохранителей.
непременно заземляйте все усилители мощности.
старайтесь иметь в стойке усиления хотя бы один запасной усилитель мощности.
берегите усилители от перегрева и попадания влаги.
Порядок устранения простейших неисправностей усилителей мощности
Выключите усилитель и отсоедините его от сети электропитания. Не прикасайтесь к частям и деталям включенного усилителя, т.к. питание электрических схем и блоков усилителя мощности имеет высокое напряжение, которое может достигать 120 вольт.
Обращайтесь с только что отключенным усилителем осторожно, т.к. некоторые из его конденсаторов могут хранить опасное для жизни напряжение в течение очень длительного промежутка времени. Старайтесь не ремонтировать усилитель самостоятельно, обращайтесь к квалифицированному специалисту.
Проверьте исправность всех предохранителей. В усилителях предусматриваются отдельные предохранители для сетевого питания и для цепей постоянного тока, которые обычно располагаются с левой и с правой стороны на задней стенке усилителя. При неожиданном перегорании одного из предохранителей усилителя, произведите замену всех его предохранителей. Если предохранители постоянно находятся под длительным воздействием сильного тока, они постепенно становятся менее надежными и более хрупкими, и рано или поздно начинают неожиданно перегорать. Поэтому, чтобы исключить случайное перегорание предохранителей во время концерта, меняйте их заблаговременно. Если извлеченный предохранитель выглядит целым, проверьте надежность закрепления его контактных площадок, подвижность которых может вызвать их отсоединение от предохранительного элемента. В прочих сомнительных случаях проверку предохранителей нужно производить при помощи омметра.
Вряд ли вы можете считаться хорошим звукооператором, если во время концерта у вас случайно не окажется запасного предохранителя. Однако, если такое все-таки произойдет, вышедший из строя предохранитель можно временно восстановить. Для этого нужно припаять к обеим контактным площадкам неисправного предохранителя с его наружной стороны один проводник из экранирующей оплетки микрофонного соединительного кабеля. Разумеется, самодельный предохранитель после концерта должен быть немедленно заменен стандартным.
Заменяя неисправный предохранитель в усилителе мощности, никогда не применяйте 35-амперные предохранители из цепей питания дальнего света транспортных грузовиков. Большинство предохранителей усилителей мощности рассчитаны на ток от 3 до 5 ампер. Если величина тока, на которую были рассчитаны сгоревшие предохранители, вам неизвестна, а предохранители, рассчитанные на ток в 5 ампер, перегорают, можно попробовать поставить вместо неисправных предохранители, рассчитанные на больший ток. Однако в этом есть определенный риск, т.к. сгорание предохранителя может быть вызвано внутренней неисправностью усилителя, и попытка установить предохранитель, имеющий более высокий предельный ток, чем требуется, может привести к полному разрушению усилителя. Чтобы этого избежать, лучше воспользоваться запасным усилителем мощности и предоставить возможность выяснить причины неполадки специалисту.
В случае, если вышел из строя один из усилителей основной системы звуковоспроизведения, его можно заменить усилителем из мониторной системы, при условии, что это не нарушит работы всего комплекса. В большинстве случаев мониторная система может выдержать некоторое увеличение ее нагрузки, а отсутствие среднечастотного канала в основной системе звуковоспроизведения скомпенсировать почти невозможно.
Проверьте исправность и целостность разъемных соединений усилителя в цепи питания, а также в цепях его входного и выходного сигналов. Особенно внимательно следует проверять джековые соединители, потому что Джеки не всегда достаточно прочно держатся в гнездах. Нарушение надежности соединения может иногда произойти и в соединителях типа XLR, часто применяемых для выходов усилителей. Обжимные контакты этих соединителей со временем расшатываются и перестают удерживать штыри соединителей. Если провода, подсоединяемые к выходу усилителя, зажимаются гайками, убедитесь, что оголенные концы этих проводов не касаются друг друга и корпуса усилителя. Проверьте работоспособность вентилятора системы охлаждения усилителя и чистоту воздушного фильтра.
Если все предпринятые вами попытки закончатся неудачей, используйте запасной усилитель и обращайтесь в техническую службу.
Предельная мощность усиления
Для того, чтобы усилитель производил усиление с минимальным количеством искажений, он должен иметь максимально большой запас по мощности выходного сигнала. Этот запас мощности обычно ограничен предельной мощностью усилителя. Каждая из частотных полос системы звуковоспроизведения должна иметь свое значение предельной мощности, т.к. мощность между различными частотными полосами звукового сигнала распределяется неравномерно. Теоретические расчеты показывают, что предельная мощность усилителей низкочастотной полосы должна быть вдвое выше предельной мощности усилителей среднечастотной полосы, которая должна быть в два раза выше предельной мощности усилителей высокочастотной полосы. Однако эти расчеты не принимают во внимание множество практических обстоятельств.
В таких расчетах звуковым сигналом считают ровный музыкальный сигнал, параметры которого всегда находятся примерно в одном и том же диапазоне значений. Звуковые сигналы, используемые в рок-музыке, имеют огромный разброс параметров, крайние значения которых образуют чрезвычайно широкие диапазоны. Для того, чтобы обеспечить неискаженное усиление этих сигналов, требуются очень высокие значения предельной мощности усилителей системы звуковоспроизведения.
Например, чтобы обеспечить качественное усиление звука в зале средних размеров, мощности усилителей полос средних и низких частот должны составлять около 400 вт при нагрузке 8 ом. В системе звуковоспроизведения концертного комплекса канал усиления средних частот занимает особое положение. Мощность усилителей этого канала должна позволять воспроизводить пики и броски уровней, которыми насыщено звучание рок-музыки, без ограничений и искажений. Мощность усилителей канала средних частот для среднего зала должна быть не менее 200 вт. Ее верхнее значение также определяется из условия неискаженной передачи пиковых значений амплитуд. Высокочастотные составляющие, усиливаемые этим каналом, должны звучать ясно и чисто, а щелчки и удары – предельно естественно.
Когда выходной сигнал усилителя достигает максимального значения, возрастание его амплитуды прекращается. Поэтому дальнейшее увеличение уровня входного сигнала приведет не к увеличению громкости выходного сигнала, а к ограничению его максимальных амплитуд. В результате этого ограничения выходной сигнал усилителя искажается, и его форма начинает приближаться к прямоугольной. Подобное искажение формы выходного сигнала усилителя вынуждает работать к нему акустические системы в тяжелом переходном режиме. При высоком уровне выходного сигнала подвижная система громкоговорителей акустических систем приобретает очень мощный импульс движения. Если ограничение выходного сигнала происходит достаточно резко, то сила торможения подвижных систем громкоговорителей, вызванная ограничением выходного сигнала, может быть очень большой. Т.к. процесс торможения подвижных систем громкоговорителей занимает некоторое время, после начала ограничения подвижная система громкоговорителей останавливается не сразу, пытаясь продолжить дальнейшее движение. Из-за этого амплитуда колебания подвижной системы громкоговорителей превышает предельно допустимую, в цепи громкоговорителей начинает течь сильный переходный ток, а звуковой сигнал дополнительно искажается. Т.о., режим жесткого ограничения выходного сигнала усилителя мощности способствует выходу из строя громкоговорителей акустических систем.
При максимальном неискаженном выходном сигнале усилителя, имеющего выходную мощность 200 вт., мощность выходного сигнала также будет составлять 200 вт. Звучание такого выходного сигнала будет чистым и естественным.
При условии амплитудного ограничения выходного сигнала усилителя, мощность выходного сигнала не увеличивается, составляя те же 200 вт. Однако крутизна нарастания сигнала возрастает, и форма выходного сигнала начинает приближаться к прямоугольной. За счет роста этой крутизны амплитуда колебаний подвижных систем громкоговорителей увеличивается, превышая предельно допустимую мощность громкоговорителей.
Кратковременное пиковое превышение мощности, амплитуда которой может в несколько раз превышать предельно допустимую мощность громкоговорителей, может привести к разрушению громкоговорителей. Если ограничение выходного сигнала, производимое усилителем при превышении его предельной мощности, происходит плавно, то пиковая мощность сигнала громкоговорителей имеет гораздо меньшее значение. Тем не менее, такое ограничение также опасно для громкоговорителей, если их предельно допустимая мощность меньше пиковой мощности, вызванной ограничением. В этом случае ограничение приводит к снижению срока службы громкоговорителей. Для иллюстрации этого явления можно провести аналогию между режимом работы громкоговорителей в режиме ограничения и движением автомобиля по ухабистой дороге. Определенное состояние по дороге, состоящее из одних выбоин, вы, конечно, проедете, но рано или поздно ваш автомобиль разломится надвое.
МОЩНОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ И СОПРОТИВЛЕНИЕ НАГРУЗКИ
Способность усилителя создавать сигнал определенной мощности характеризуется величиной тока, который усилитель может создать в подключенной к нему нагрузке. Для того чтобы не привязываться к численному значению этого тока, для характеристики мощности усилителей используют комплексный параметр среднеквадратичной мощности, создаваемой усилителем в нагрузке, имеющей определенное сопротивление. Этот параметр является единственной характеристикой усилителей, позволяющей точно сравнивать между собой мощности различных типов усилителей. Т.к. далеко не каждый потребитель усилительной техники имеет точное представление о процедуре измерения мощности усилителя, различные производители приводят в технических описаниях усилителей такие значения выходной мощности, которые наблюдаются только при соблюдении определенных условий, характерных для данного типа усилителя. Эти условия обычно подбираются так, чтобы численное значение выходной мощности усилителя было максимальным. Сравнить мощности усилителей по этим параметрам достаточно сложно, т.к. для этого необходимо полностью учесть все факторы процедуры измерения.
В связи с различными условиями измерения различают номинальную мощность, максимальную мощность, пиковую и мгновенные мощности, музыкальную мощность, мгновенную пиковую музыкальную мощность и т.п. Все эти параметры мощности характеризуют работу усилителей с самых разнообразных сторон, однако реально мощность усилителя можно оценить только по параметру среднеквадратичной мощности. В Соединенных Штатах контроль за стандартизацией процедуры измерения осуществляется Федеральной Торговой Комиссией. Эта комиссия периодически публикует отчеты с результатами стандартных измерений, среди которых можно найти параметры среднеквадратичной мощности различных усилителей, определенные по уровню гармонических искажений 0,1%.
Сопротивлением нагрузки усилителя мощности является внутреннее сопротивление подключенных к его выходу акустических систем. Чем выше это сопротивление, тем меньшую мощность усилитель может отдать в нагрузку. Величина сопротивления нагрузки стандартизируется. Обычно усилители мощности рассчитаны для работы с нагрузкой, имеющей сопротивление 8 и 4 Ом.
На нагрузке, имеющей внутреннее сопротивление 4 Ом, усилитель отдает большую мощность, чем при нагрузке с сопротивлением 8 Ом. Для идеального усилителя эта мощность в два раза выше, что определяется отношением сопротивлений различных нагрузок. Однако, т.к. реальный усилитель обладает своим собственным сопротивлением, при уменьшении сопротивления нагрузки в два раза отдаваемая реальным усилителем мощность возрастает в несколько меньшей степени. Например, если усилитель отдает мощность 300 Вт на нагрузке с сопротивлением 8 Ом, то на нагрузке с сопротивлением 4 Ом тот же усилитель будет отдавать около 500 Вт.
Внутренне сопротивление усилителя создает еще одну проблему. Чем выше сопротивление его выхода, тем большую часть выходной мощности усилитель будет превращать в тепло. Доля рассеиваемой усилителем выходной мощности также сильно возрастает с уменьшением сопротивления нагрузки. Например, тепловые потери мощности усилителя с нагрузкой 4 Ом в два раза выше, чем с нагрузкой 8 Ом. С нагрузкой сопротивлением 2 Ом тепловые потери мощности будут в 4 раза превышать потери того же усилителя, если к нему подключена нагрузка, имеющая сопротивление 8 Ом. Это явление приводит к тому, что при низких сопротивлениях нагрузки работа усилителя становится малоэффективной, а сам усилитель быстро перегревается. Поэтому подключать к выходу усилителя нагрузку, имеющую сопротивление меньше номинального, не рекомендуется. Повышение эффективности работы усилителя является очень сложной технической задачей. Производителям радиоэлектронной аппаратуры приходится увеличивать сложность конструкций усилителей – разрабатывать громоздкие системы охлаждения и отвода тепла, применять стабилизаторы температуры и специальные высокоэффективные источники питания – только для того чтобы увеличить отдаваемую усилителями мощность.
СОГЛАСОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ С ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ УСИЛИТЕЛЯ
Сопротивление нагрузки усилителя всегда должно соответствовать номинальному сопротивлению нагрузки усилителя. Поэтому различные нагрузки, подключаемые к усилителю и имеющие различные сопротивления должны соединяться так, чтобы их общее сопротивление было равно номинальному.
-- правильное соединение двух нагрузок с сопротивлением 8 Ом образует нагрузку с сопротивлением 4 Ом.
-- параллельное соединение четырех нагрузок, каждая из которых имеет сопротивление по 8 Ом, даст нагрузку с сопротивлением 2 Ом.
Не подключайте к выходу усилителя нагрузку с сопротивлением 2 Ом, если усилитель не рассчитан на работу с такой нагрузкой. Слишком низкое сопротивление нагрузки опасно для усилителя и может привести к его повреждению.
-- последовательное соединение двух нагрузок с сопротивлением 8 Ом образует нагрузку с сопротивлением 16 Ом.
-- последовательное соединение четырех нагрузок, каждая из которых имеет сопротивление по 8 Ом, даст нагрузку с сопротивлением 32 Ом.
Если нагрузку, имеющую сопротивление 32 Ом, подключить к усилителю, мощность которого на сопротивление 8 Ом является 300 Вт, то отдаваемая этим усилителем мощность понизится до 75 Вт. Если вам нужно подключить к выходу усилителя несколько маломощных нагрузок, внутреннее сопротивление каждой их которых равно номинальному сопротивлению нагрузки усилителя, можно поступить следующим образом.
-- при последовательном соединении двух пар параллельно соединенных нагрузок внутреннее сопротивление системы остается равным внутреннему сопротивлению одной из нагрузок, при условии, что сопротивление всех нагрузок одинаково.
Сопротивление системы нагрузок можно рассчитать следующим образом. При последовательном соединении нагрузок их сопротивления складываются. Если сопротивление всех нагрузок одинаково, то при их параллельном соединении общее сопротивление нагрузки равно сопротивлению одной нагрузки, деленному на число нагрузок.
Основные правила эксплуатации усилителей мощности
следите за правильностью подключения усилителей и акустических систем
предохраняйте усилители от перегрева
предохраняйте усилители от попадания влаги
предохраняйте усилители от ударов
строго соблюдайте условие согласования выхода усилителя с сопротивлением его нагрузки
перед концертом подготавливайте комплект запасных предохранителей, рассчитанных на соответствующий предельный ток, и запасной усилитель