Обмер, обвес и (возможно) – недолив

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.

Август 2020 г.Владивосток

5 thoughts on “Обмер, обвес и (возможно) – недолив

  1. Здравствуйте, Виктор!
    Мне почему то вспоминается В. Невинный:
    ………..
    Скажем, в работе нашей друг незабвенный мой,
    Пиво всего однажды взял и развел водой.
    И, улыбнувшись криво, крикнул он в день суда:
    Губит людей не пиво, губит людей вода!
    ,,,,,,
    🙂

    • Ха 🙂 Да, все примерно так. Усилитель сейчас в туре и многие отзывы намекают на “недолив” 🙂

  2. Виктор добрый день. Это же усилитель по мотивам решения Игоря Семынина. В народе экономичный класс А. Он способен отдовать в нагрузку ток больше тока покоя. Я думал вы с такими вещами знаком.
    Вот тема по данному усилителю.
    http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=40283

    • Александр, добрый день.

      Спасибо за ссылку на тему с обсуждением особенностей конструкции усилителя.
      Я немного знаком со схемотехникой и с интересом прочитал все 87 страниц темы. “Народная” классификация классов усиления безусловно заслуживает внимания и изучения, как и весь фольколор. 🙂
      Но ведь мои заметки не об этом. Основная проблема не в классе усиления, а в публично заявленных автором характеристиках изделия.

      С Уважением,
      Виктор

  3. Тур идет к завершению. 🙂

    Вот типичный отзыв –

    “…Звуку не хватает слитности и пластичности. Саксофон Сурмана в “Portait of a romantic” не поёт, а рассыпается на тысячу мелких дискретных кусочков. На некоторых треках кажется, что звук постоянно за что-то цепляется и застревает, и движется из-за этого микрорывками.

    Не хватает натуральности тембров. Не могу сказать, что моя Рега хорошо передаёт тембры, в силу её низкого разрешения, но она хотя бы их не перевирает. Скрипка у Реги звучит, как деревянный инструмент, у ХХLABS как нечто алюминиево-пластмассовое. Тембр голоса Грегори Портера должен соответствовать его внешности не слишком приятного жирноватого и губастого негра, но в исполнении ХХLABS Портер вдруг запел прокуренным голосом какого то сухощавого подтянутого латиноса.
    Ещё один недостаток: ВЧ на ХХLABS несколько крикливы на общем фоне и звучат жестковато, не хватает им деликатности и нежности.

    Самый главный недостаток – неумение работать с ритмической основой музыки и паузами. Любая мало мальски сложная музыка полна микроскопических сбивок ритма, синкоп и “играющих” пауз между фразами. В каждой фразе идёт развитие, нарастание, кульминация, потом спад и пауза, в которой копится напряжение для начала следующей фразы, и всё начинается снова. В целом музыка движется такими волнами, захватывая и затягивая в них слушателя.
    Вот всю эту тонкую структуру музыки ХХLABS полностью игнорирует, двигаясь по музыке с монотонностью и прямолинейностью гружёного товарного поезда, делая только акценты на стыках рельс (сильных долях) и более ничего. В результате любая музыка превращается в этакий грубый солдатский марш. Рраз-два, рраз-два, левой… правой… Это хорошо заметно на треке Love (Mambo Noir Trio): литературный по характеру музыкальный рассказ, полный образов и неожиданных поворотов сюжета, превращается в казённый марш и повествование вообще теряет смысл.
    “Театральные паузы” проскакиваются этим усилителем вообще без остановки, он их даже не замечает. Попробовал скормить ему настоящий марш (The Padstow Lifeboat), но и его усилитель отыграл плоско и неинтересно. К тому же на оркестровых вещах, при всём высоком разрешении усилителя, ВЧ часто стремятся свалиться в кашу.

    И, какими бы треками я не кормил ХХLABS, нигде он не смог выдать сколько нибудь интересной интерпретации музыки. Разве что некоторые треки Arve Henriksen, состоящие большей частью из звуковых и шумовых эффектов, отыгрались достаточно убедительно. Оркестр (The ride of valkyries) прозвучал, как ансамбль китайцев: выучили ноты, усердно дуют в трубы, бьют со всей дури в барабаны, прилежно возят смычками, а музыки не получается, потому что смысла европейской музыки китайцы, воспитанные совсем в другой культуре, просто не понимают. И да, валькирии вообще-то должны махать крылами (те самые волны звука), а не изображать из себя дельтапланы. Электроника тоже отыгралась грубо и поверхностно. Бах “Christ lag in Todes Banden” вообще превратился в компот слабо связанных звуков и голосов, музыкальный смысл произведения был утерян…”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *