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功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

文章出处:网络整理 发布时间: 2017/05/11 | 930 次阅读

  对于主要作用是向负载提供功率的放大电路通常称为功率放大电路,其主要特点如下:一是输出功率是指交变电压和交变电流的乘积,即交流功率;二是交流功率是在输入为正弦波、输出波形基本不失真时定义的;三是输出功率大,因而消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大;四是晶体管常常工作在极限应用状态,由此要考虑必要的散热措施和过电流、过电压的保护措施。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  功率放大器的阻抗匹配

  在所有电子音像设备中,都有一个功率输出的最佳方案问题,即为了获得最大的功率输出而又不增加电路的投资经费,这就是功率放大器与扬声器系统的最佳组合。

  功率放大器组合的目的是为了达到最小的设备投资而获得最大的功率输出,以图1互补型功率放大电路为例:和为功放朱级,工作于低偏置甲乙类互补状态。它的输出功率近似于乙类状态。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  为了达到最大输出功率,所以负载的大小应该使功率管的电流输出和电压输出的乘积最大,这时的状态称为功率匹配状态。在音响设备的扬声器系统中音响的输出阻抗应为扬声器组合状态的总阻抗,这样音响的输出功率才是标明的额定标准功率,否则音响的输出功率就达不到要求。

  例如:音响标准接头上标明是4Ω、100W,那么该接头上的阻抗就是两个8Q扬声器的并联,每个扬声器可得到50W,这样综合扬声器系统,就是4Ω、100W,否则不能实现100w的功率输出。

  功率放大器的防护

  功率管是功率放大电路中最容易受到损坏的器件,损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值。另外,若功率放大器与扬声器失配或扬声器使用中长期过载,也极易损坏扬声器(或音箱),因此,在音响设备中,防护的目的是保护昂贵的功放和扬声器,所以对电源、功放、音箱的过载和短路保护是完全必要的。

  (1)电源保护:图2是分立元件稳压电路,电路中Ri的是过载电流取样电阻,当其电压大于0.7V时,V13导通,集电极电位下降,调整管V11断开,限制电源输出电流。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  图3是可调输出电压模块,功耗达70W,电流可达10A,电压调整率为20.8%,输出电压为1.25~15V,且有短路保护。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  当使用开关电源时(例如芯片CWl225),则有专门的保护控制端第⑩脚,只要输入过电流或过电压信号,即可达到保护目的。

  (2)功放级晶体管保护:功率放大晶体管除在使用中必须注意环境温度及选用合适的散热器外,主要是考虑过电流和过电压保护问题,目前应用的集成电路都设有限流保护和热切断保护功能(如HAl350、HA2211、LM2879等),所以在自制功放时须注意过压保护,如图4所示。依靠R内(电源内阻)和Vl、V2的击穿,使过电压不能升高而保护Vl、V2。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  (3)音箱扬声器系统保护:音响系统的保护有两种意义:一种是音响扬声器的过载;另一种不是音频功率的过大、而是直流电位的偏移,导致无电容隔离的OCL或BTL电路扬声器烧毁。过载时,功放电路已经有保护无须另外考虑,这里仅介绍直流偏移组合音响保护电路。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  图5为组合音响保护电路。从图中可以看出,当左、右声道送入音箱的声音信号,经过R1、R2被电容C2、C3旁路而无直流偏移时,整流桥无直流输出,V11截止,V12、V13导通,继电器K吸合,左、右声频信号经保险丝F输出;当存在直流偏移时,整流桥输出使V11导通,V12、V13截止,继电器K释放切断了音频信号,保护音箱。

  电路中C2、C3是滤波电容,C4具有开关机时延时接通音箱功能,避免开机时的冲击噪声,V则具有短路K的断电反电动势作用,保护V12、V13晶体管。

  对功放电路的了解或评价,主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑

  1、为得到需要的输出功率,电路须选集电极功耗足够大的三极管,功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值,所以功放电流调整和使用时要小心,不宜超限使用。

  2、从能耗方面考虑,功放输出的功率最终是由电源提供的,例如收音机中功放耗电要占整机的2/3,因此要十分注意提高电路效率,即输出功率与耗电功率的比值。

  3、功放电路的输入信号已经几级放大,有足够强度,这会使功放管工作点大幅度移动,所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当,输出会有严重失真。

  功率放大器的使用:

  功率放大器在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

  对于很多人来说,对放大器并不是十分的了解,不清楚在功放音箱中,都需要哪些的配件进行配置,才能将功放的效果播放到一个最佳的状态。第一种:就是在喇叭下面装个电阻做电流取样,实际上反馈回去的还是电压信号,是模拟的电流反馈,做的人最多,但是这个电路有缺陷的,有2个方面的原因:

  1、是他的输出增益会随着阻抗的变化而变化。结果使加在喇叭2端的不是恒压了,好象这样可以使加到喇叭上的功率恒定。由于扬声器的声压特性曲线是在恒压输出下测试的,所以单纯的这种电路并不好声,听感不佳,好玩而已,不过有改进型的电路,以电压负反馈为主,加适量的这种类型的电流负反馈,倒是可以做出不错的声音,但此时电流负反馈的作用是改变功放的阻尼系数,对幅频特性影响不大。

  2、是取样点在喇叭的下面,喇叭是个电感,电流流过电感其相位会变化,低频还好,高频可以移相90度,相位特性极差。第二种:负阻放大器,除了在一些特别的场合,第一个用于音响上并取得成功的是YAMAHA,其主要的作用是对低频的延伸有很好的改善作用,但是对200Hz以上的频率却会起到劣化音质的效果,所以一般是用在超低频有源音箱上。实际上,这种电路是和音箱搭配使用的,单独没有什么实际使用的意义。其工作原理是:如果音箱是一个刚体,那么加上一个管子,就可以变成一个理想的霍尔莫滋共鸣箱,那么不管这箱子大小如何,管子的粗细怎样,只要符合霍尔莫滋共振计算公式。哪怕20Hz的谐振点也可以做的到,箱子的大小,只是效率高低而已,由于音箱上有喇叭的存在,喇叭在发声的时候是在运动的,音箱就不是一个刚体,那么箱子就不会产生霍尔莫滋共鸣。

  因此,如果在发声的时候喇叭的振膜是静止不动的。那么,箱子就接近刚体,就可以满足霍尔莫滋共振的条件,可以任意的设计这个箱子的谐振点。发声的时候让喇叭不动的工作就是负阻功放的任务了。负阻功放的工作原理是当喇叭在低频段工作的时候,其阻抗特性急剧变化,放大电路通过电流取样将这种变化取出来反馈给功放,使得功放以电流的形式进行控制喇叭,如果对放大电路进行等效分析,可以发现功放的内阻在计算上成负阻特性。在动态放大的时候使得喇叭加放大器的内阻接近于0。结果这种电路使得在喇叭不管朝哪个方向都受到很强的阻尼。只要发声以结束,喇叭就不动了,箱子也就变刚体了。

  第三种:电流模反馈放大电路,这个才是实用的电流放大电路,也是真正的电流型负反馈,其反馈的信号是电流,不是电压,就是说在负反馈端不是加上,而是加入,有电流流入的。这种电路最早是在视频传输,或则仪器设备象示波器什么的上用的很多。

  由于是低阻负电流反馈输入这种电路的高频特性极佳,容性负载的驱动能力超强,只要进过改进,发现做功率放大器很是不错,可以弥补电压型放大器的一些先天不足,象开环频响低,闭环的瞬态频响失真,极弱的容性负载驱动能力。缺点是这种电路的开环增益比较低,闭环后的失真会比电压型放大器高一个数量级。不过,做的好总失真也不会过0.01%。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  功率放大器的主要特点:

  功率放大器简称功放,以其主要用途来说,功放可以分做两个主要类别,即专用功放与民用功放。在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅、公共场所扩声,以及录音监听等处所使用的功放,一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求,这类功放通常称之为专用功放或是专业功放。

  而用于家庭的Hi-Fi音乐欣赏,AV系统放音,以及卡拉OK娱乐的功放,通常称为民用功放或是家用功放。专用功放与民用功放尽管在一些特性参数上有所差别,但也很难说有一条泾渭分明的界线,比如用于音乐录音监听的功放很可能就是一台可用于家庭Hi-Fi甚至是Hi-end功放。

  Hi-Fi功放与AV功放:

  Hi-Fi功放与AV功放是家用功放中的两个主要类别。这两类功放用于不同的用途,设计的侧重也不相同。Hi-Fi功放用于欣赏音乐,使用者追求的是尽可能的“原汁原味”。而AV功放的使用者追求的是与画面相配合的“现场”效果,甚至是夸张了的“现场”效果。这两类功放不太好直接比较孰优孰劣,比如价位同为三千多元的Hi-Fi功放与AV功放,Hi-Fi功放的成本投入只在两个声道上,而AV功放的成本投入则要兼顾5-6个声道,还要具有一定的效果处理功能。如果仅看其两个主声道的投入,肯定低于Hi-Fi功放两个声道的投入。其放音效果的差异是显而易见的。但是无论是Hi-Fi功放还是AV功放,都有高档精品型与超值普及型之分。

  一般来说,很难能有一台可以对Hi-Fi、AV全兼容的AV功放,AV功放兼顾Hi-Fi音乐欣赏是有条件的,这一条件就是使用者欣赏音乐时的要求与标准,如果使用者仅是用来欣赏一些休闲音乐,或是只要求能够听到乐曲的旋律,AV功放是比较容易满足的,但是要是对音乐欣赏有较高的要求,一般的AV功放就难于满足了。

  晶体管功放与电子管功放:

  用于Hi-Fi欣赏的功放可以分作晶体管功放和电子管功放两大类,以前还有用集成电路或是模块电路的Hi-Fi功放,但现已经不多见。音响技术超级论坛 晶体管功放和电子管功放并不存在着优劣的差异,只不过应用的器件不同(一是晶体管,一是电子管),由于两类器件不同,其物理基理与电路特点也不相同。

  电子管的电流是电子在真空中受电场力的吸引,运动形成的。而晶体管的电流是半导体元素的外层电子在电场力的作用下转移位置形成的。这种物理基理的不同,造成在实际应用中电路特点也不同。相对来说,电子管功放的工作电压较高,但工作电流比较小,而晶体管功放的工作电压较低,工作电流都比较大。 电子管功放与晶体管功放的音色确是有一定的差异,两者对瞬态信号的响应也不相同。这种不同都又分别适应了不同类别的音乐和不同的音乐欣赏者,所以Hi-Fi功放中形成了晶体管功放和电子管功放并存的情况。不过,若是以品牌、型号、数量而言,晶体管功放所占的份额仍是绝对大于电子管功放。

  甲类功放与乙类功放:

  晶体管功放输出级晶体管的工作状态,可以分做甲类与乙类。所谓甲类,简单地说就是使输出级晶体管在正弦交流信号的正负半周时均工作在线性区,而乙类则是仅使输出级的晶体管在正弦交流信号的正半周(或是负半周)工作在线性区。由于输出级晶体管的工作状态不同,使得输出级的电源利用效率(即输出功放与耗电功率之比)也不同。在实用的输出电路中,乙类的效率要比甲类的效率高2-3倍。

  甲类功放不存在交越失真,而且不论实际输出功率大小,输出级晶体的内阻均为恒定。而乙类功放总会有一定的交越失真(尽管这种失真可能极小),另外,在大输出时输出级晶体管的内阻较小,但在小输出时输出级晶体管的内阻却比较大。这些不同,造成听感上也有不同,甲类功放的声音相对乙类功放而言比较柔和,另外对音箱的低频控制力也比乙类功放强,尤其是在小音量时低音的质感要好一些。甲类功放的这些特点,使得甲类功放在实际应用中不需要很大的输出功率余量,一台20W-30W的甲类功放已经能够把大多数的音箱推动得很不错了。

  前面提到了甲类功放的电源效率低,这一原因造成甲类功放工作时要散发大量的热量。为了使晶体管的工作温度不超过一定限度,需要较大体积和面积的散热器,这使得甲类功放的体积、重量都比较大。

  纯后级功放与单声道功放:

  常见的功放都是把放大小信号的前置放大器(前级)与功率放大器(后 级)做在一个机壳中,这种功放常被称为“合并功放”,合并功放使用方便,又有比较好的性能价格比。但这种合并功放有它一些固有的缺点,其中最不好克服的就是前级与后级之间的相互干扰问题了。为了解决这一问题,于是便把前级与后级分别做在两个机壳中,这样就有了纯后级功放。大多的纯后级功放都是双声道的结构形式,但这种结构形式使得两个声道相互干扰问题又不太好解决,为了解决两个声道相互间的干扰便又出现了把两个声道分开的单声道纯后级功放。

  把功率放大器这样一块块地分割开,最主要的意义是要提高功放的素质,而不是追求这种形式。如果仅仅在形式上实现了相互分开,尽管可以解决相互干扰问题,但其它参数并未明显改善,那么这种分开对功放提高整体素质来说还是有限的。功率放大器有晶体管与电子管之分,前级同样也有晶体管和电子管之分。对于音响爱好者与音乐爱好者而言,在选用前级与后级上有多种的组合形式,而不同的组合形式又有不同的音效特点,这使得使用者又多了一些选择的空间。

  与纯后级功放配接的前级对整个音响系统的优劣影响比较大。首先它必须具有一定的素质,否则,纯后级或是单声道的优点便发挥不出来,甚至有可能把一台劣质前级的“毛病”突出出来,整体音效反而更差了。再有,不同的前级后级配合其音色特点不同,使用者可以根据个人的偏爱选择不同的组合形式。比如,很多音响与音乐爱好者就喜欢用“胆前、石后”(即电子管前级,晶体管后级)的组合方式,觉得这样组合既发挥了晶体管后级功率输出大,瞬态响应好的特点,又领略了电子管前级音色甜美、醇厚的“韵味”,不过这种搭配也并不是“金科玉律”,因为具体的前级与后级都有各自的特点,而对音色的偏爱又因人而异,使用者可以依据具体的情况找出自己所喜爱的组合方式。

  功率放大器的阻抗匹配、防护措施、使用技巧及特点

  Hi-Fi功放应有多大的输出功率:

  Hi-Fi功放应有的输出功率受很多因素影响,首先这一输出功率与所配接的音箱关系较大,其次还与功放的自身素质有关,再有就是与所使用的环境,也就是房间的空间体积有关。

  音箱有一项参数叫作灵敏度,它的单位是dB/m?W,所代表的意义是当音箱得到1W的电功率时距离音箱1m处产生的声压(dB)。如果某款音箱的灵敏度是90dB,那么在1m处得到90dB的声压需有1W的功率来推动。要得到100dB的声压, 那就需要10W的功率来推动了。但如果音箱的灵敏度是80dB(如ATC的SCM-10)要想达到100dB的声压则需要100W的功率来推动了。大多数音箱的灵敏度约为85dB-90dB,对这些音箱来说,有10W-30W的不失真功率已经能够有足够的声压了。

  功放自身的素质,与功放应有的输出功率关系较大。功放的参数中有一项称为阻尼系数,这是表示对音箱控制能力的一项参数,但这一参数有一个适度范围,而且又和具体的音箱有直接关系。一般说来,如果一台功放的素质很好,在30 W输出时仍能保持其性能参数在一定的水准。那么就没有必要去要求功放有更大的功率输出。可是如果功放的素质不很理想,当输出功率增加时会引起其性能参数的劣化,那么就应当使功放的输出功率有一定的余量,以保证在实用的输出功率下仍有一定的良好参数。通常情况下,当功放为甲类输出或是电子管功放,则不需要有过多的输出功率余量,20W-30W的输出功率已经够用了。但如果是乙类功放或是素质较差的功放,这时应使功放的输出功率有较大的余量。另外,如果配接的音箱是大型倒相式,也应使功放有较大的输出功率余量。在从功放自身的素质考虑功放应有的输出功率时,将功率余量选得大些确实能改善功放与音箱的适配情况。

  选择输出功率较大的功放主要的意义,不是因为需要那样大的声压,而是要改善功放对音箱的适配状态。如果一台输出功率适度的功放已经能够把音箱控制的得心应手,那么就没有必要对这台功放提出更高的输出功率要求。使用环境,也就是房间的空间体积与功放应输出的功率也有一定的关系,以上所谈及的输出功率大小,是以房间的空间体积在40以下而言,如果房间的空间体积较大,那么功放的输出功率则应加大一些。

  电子管功放输出级的特点:

  电子管功放的功率输出级有三种电路类型,一类是有输出变压器的推挽输出电路。这类输出电路类型在电子管功放中占了绝大多数。在推挽电路中的输出变压器中直流成分很少,二次谐波失真也很小,这类电路的输出功率可以做得比较大,所以适用范围也比较大。一般说对胆机音色有兴趣的音响爱好者来说,这类输出级的胆机很合适。不过这类功放的,输出变压器的设计与工艺至关重要,如果输出变压器的设计与工艺上有不足之处,往往这类功放的频率响应,瞬态响应就不太理想。另外由于输出变压器的制约,所以配接音箱的适应范围较小。

  另一类功率输出级的电路类型是单端甲类电路。这类电路也有变压器,但这类电路的输出变压器中有很大的直流成分,对输出变压器的要求比推挽输出电路中输出变压的要求要高。另外对供电电源的要求也比较高。这类输出电路的特点是二次谐波成分比较多,尽管这是一种谐波失真,但对音乐信号来说,二次谐波是高度的谐合音,所以听起来很入耳。这一特点使得这种输出电路的功放在声音的音色上很有特点,尤其是当功放级采用三极管时,人声听起来很甜美,室内乐中的弦乐听起来也很细腻,或者说,这类功放的声音很有味道。但是这类功放的输出功率不容易做得大,所以如果配用的音箱灵敏度较低,在放送大型管弦乐曲时就比较勉强了。这类电子管功放都很受一些音响玩家的欢迎,往往在备有一台大功率晶体管功放之外,又备有一台此类功放,想来是在音色上互有所补,不过,这也说明此类功放的音色特点确有动人之处。

  还有一类电子管功放的输出级电路是OTL电路,所谓OTL电路就是无输出变压器电路。现代的晶体管功放输出级几乎全是OTL电路或是OTL电路的改进型。电子管和晶体管的特性参数与工作状态不同,晶体管功放很容易适合配阻抗为4- 8的音箱,而电子管功放要想不需要输出变压器去适配4-8的音箱就要费些周折了。电子管OTL功放由于去掉了输出变压器,所以在技术参数上比前面提到的那两类电路有很大的提高,这类输出电路的功放声音极有特色,和前面两类输出电路相比,它有宏伟的气势和宽阔的声场,和晶体管功放相比它的音色又温暖、细腻。这类功放由于没有输出变压器,所以能够适应较宽范围的音箱阻抗。但是这类输出级的功放电源效率低,设计、工艺、调试都比较复杂,这类输出电路的功放仅见于一些高档机种中,很难见到低价位的普及型机种。

  电流特点:

  对功放电路的了解或评价,主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑。

  1、为得到需要的输出功率,电路须选集电极功耗足够大的三极管,功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值,所以功放电流调整和使用时要小心,不宜超限使用。

  2、从能耗方面考虑,功放输出的功率最终是由电源提供的,例如收音机中功放耗电要占整机的2/3,因此要十分注意提高电路效率,即输出功率与耗电功率的比值。

  3、功放电路的输入信号已经几级放大,有足够强度,这会使功放管工作点大幅度移动,所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当,输出会有严重失真。

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