Medição da potência de saída de amplificadores de frequência de áudio. Esquema, descrição

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Vamos pegar um amplificador normal de baixa frequência com tensão de alimentação de +12 Volts, resistência de carga de 4 Ohms, conectar um osciloscópio à carga e um gerador de sinal senoidal à entrada, (arroz 1)

(clique para ampliar)

Vamos ligar tudo e assistir “imagens engraçadas” na tela do osciloscópio - uma senóide até atingir distorção visível (arroz. 2a). (Nota do Gato Cientista: Menos de 3% de distorção não é perceptível a olho nu. Falaremos sobre o que é distorção em outro artigo.)

Medição da potência de saída de amplificadores de frequência de áudio. sinusóide

A área ocupada por uma onda senoidal pode ser calculada (ou medida) e substituída por uma tensão CC equivalente da mesma área (arroz. 2b).

Medição da potência de saída de amplificadores de frequência de áudio. sinusóide

Essa tensão é chamada Tensão eficaz - SCR (abreviatura em inglês - RMS), coloquialmente - “eficaz”. Desta forma pode-se encontrar a tensão equivalente para qualquer forma de corrente (arroz. 2c, d, e).

Onda senoidal

Medição da potência de saída de amplificadores de frequência de áudio. sinusóide

Para corrente triangular, retangular, senoidal e exponencial, existem expressões matemáticas para a conversão equivalente. Para facilitar a compreensão, as figuras mostram meios períodos de sinais simétricos. O advento da gravação computacional possibilita realizar a integração numérica de qualquer função sem buscar sua expressão matemática. Para que serve tudo isso? A corrente contínua equivalente encontrada produzirá o mesmo trabalho térmico que a corrente em estudo.

Qualquer corrente alternada pode ser caracterizada pelos seguintes tipos de tensão:

Amplitude - setas azuis (limpas no nome e nas fotos);

média - média aritmética de todos os valores instantâneos do sinal para o período medido (não mostrado nas figuras);

RMS - setas vermelhas (discutidas acima).

Para facilitar a compreensão desses tipos de tensão, você pode desenhá-los em papel milimetrado e somar de forma independente os valores numéricos da tensão (para tensão senoidal, retangular e triangular). A maioria dos voltímetros CA possui um circuito de retificação CA correspondente à tensão média - como o mais simples, e a escala indicadora é calibrada em VMS. Ao medir correntes e tensões senoidais, isso não causa nenhuma dificuldade, mas se a corrente ou tensão for diferente de uma senóide, será necessário inserir fatores de correção.

Agora vamos relembrar o começo do começo - Lei de Ohm: Eu=U/R, bem como fórmulas para calcular a potência DC - P=U*I=I2R=U2/R.

Para corrente (e tensão) senoidal, a fórmula para calcular a potência a partir da tensão de amplitude medida por um osciloscópio será semelhante a esta:

P = (0,707U)2/Rн = U2/4Rн

onde 0,707 é o coeficiente de conversão da tensão de amplitude U de uma corrente senoidal em uma tensão de corrente contínua equivalente.

Descobrimos uma maneira prática de medir a potência de saída de um amplificador medindo a amplitude do sinal na tela do osciloscópio (arroz. 2b). A potência mecânica é o trabalho realizado em 1 segundo. A energia elétrica não contém um parâmetro de tempo explícito; está implícito (mas não observado, especialmente ao medir a potência de amplificadores de baixa frequência) que também é de 1 segundo. Por exemplo, para um meandro com frequência de 100 Hz durante um tempo de 10 ms em qualquer momento do SCR, a tensão é igual ao seu valor de amplitude (arroz. 2c)

E quem está impedindo você de estender essa abordagem ao sinal senoidal? Para uma parte senoidal de 100 Hz em um tempo de 1 ms (arroz. 2º) obtemos praticamente um retângulo, para o qual o fator de conversão da tensão de amplitude em SCR é igual a 1 e, portanto, a potência instantânea é duas vezes maior que para todo o semiciclo de 10 ms.

Medindo a potência de saída de amplificadores de áudio

Mas isso não é tudo! Você pode medir a oscilação de tensão durante a transição do valor mínimo para o valor máximo (arroz. 2zh) em um período muito curto de tempo e obtenha ainda mais potência! Aqui estão eles - dezenas de watts de um boombox e centenas de watts de um amplificador doméstico!

Medindo a potência de saída de amplificadores de áudio

Vamos resumir os resultados em uma tabela.

Tensão quadrática média Uskv=2v. Potência em Rn 4 ohm Pout = 1 watt	Amplitude U=2.83v. Potência em Rn 4 ohm Rout = 2 watts	Balanço (amplitude dupla) U \u5.66d 4v. Potência em Rí 8 Ohm Pout = XNUMX watts
Usv RMS = 3,54v. Potência em Rí 4 Ohm Pout = 3.12 watts	Amplitude U=5v. Potência em Rn 4 ohm Pout = 6,25 watts	Pico a pico (p-p) 10 volts. Potência em Rí 4 Ohm Pout = 25 watts
Raiz quadrada média Uskv = 10v. Potência em Rí 6 Ohm Pout = 16,7 watts	Amplitude U=14,14v. Potência em Rn 6 ohm Pout = 33,3 watts	Pico a pico (p-p) 28,3 volts. Potência em Rí 6 Ohm Pout = 133,2 watts

Analisamos a medição de potência em uma carga resistiva (como um resistor de fio enrolado de alta potência) comumente usada em testes de amplificadores. Um radioamador atento, medindo a resistência do alto-falante com um ohmímetro digital, descobrirá que será inferior a 4 ohms, por exemplo, 3,8 ohms. “Sim, isso significa que receberei mais do que está listado na tabela!” - exclamará ele - e terá razão, mas não inteiramente. O fato é que o alto-falante possui dois componentes de resistência - ativo, que pode ser medido com qualquer ohmímetro, e indutivo - dependendo do número de voltas da bobina do alto-falante e de suas propriedades magnéticas (medidas com medidor RCL). Tomemos, por exemplo, um alto-falante 3GD-32-75 com resistência nominal da bobina DC de R=4 Ohms; indutância L=150 microHenry. A impedância Z do alto-falante consiste em dois componentes - ativo Rx e indutivo XL. Vamos calculá-los para duas frequências:

freqüência	1000 Hz	10 кГц
A reatância indutiva é calculada pela fórmula	0,94 Om	9,4 Om
Impedância - de acordo com a fórmula	4,11 Om	10,21 Om

Vemos que em 10 kHz a resistência da carga real aumentou 2,5 vezes, e a potência fornecida a esta carga diminuiu correspondentemente nas mesmas 2,5 vezes (arroz. 3 b). Agora lembre-se que existe um capacitor na entrada do amplificador (e na saída).

Medição da potência de saída de amplificadores de frequência de áudio. Agendar

Vamos supor Rin = 100 kOhm, capacitância do capacitor Swx = 0,1 μF. Na frequência de 1 kHz sua resistência será de 1,6 kOhm; a uma frequência de 100 Hz - 16 kOhm; a uma frequência de 10 Hz - 160 kOhm, ou seja, a tensão fornecida à entrada do primeiro estágio do amplificador diminuirá 0,38 vezes e, proporcionalmente a isso, a potência de saída diminuirá (arroz. 3c).

Um cálculo semelhante para a influência da capacitância de saída Cout = 1000 μF fornece: 1 kHz - 0,16 Ohm; 100 Hz - 1,6 Ohm; 10 Hz - 16 Ohm. Neste último caso, a carga de 4 Ohm receberá apenas 0,2 tensão de saída e a potência de saída cairá para 1/25 do máximo possível (arroz. 3g). Portanto, não tenha preguiça de calcular as capacitâncias mínimas necessárias dos capacitores de entrada e saída para obter uma determinada resposta de frequência na região de baixa frequência.

Mas isso não é tudo! Se o nosso alto-falante for de duas ou três vias, o comportamento da impedância do alto-falante devido à influência de indutâncias, capacitores e resistores de filtro cruzado é bastante difícil de prever; é mais fácil realizar medições (arroz. 3º). (Nota de um gato sábio. Sim, em geral, isso não é muito necessário.)

Resumir

1.É melhor medir a potência de saída observando um sinal senoidal não fixado na tela do osciloscópio e recalcular o valor medido da tensão de amplitude em RMS (para obter potência senoidal) ou deixá-lo como está (para potência de pico). Medir a tensão com um voltímetro CA não é aconselhável, pois não veremos distorção do sinal próximo à potência máxima e geralmente não sabemos como o voltímetro é montado e calibrado. A medição da amplitude da potência de pico é questionável - também pode ser obtida puramente por cálculo. A fórmula para cálculo aproximado da potência de um sinal senoidal é a seguinte: Р = (para cima:3)2/Rн, onde Up é a tensão de alimentação, Rн é a resistência da carga em uma determinada frequência. Os entusiastas da precisão podem subtrair a queda de tensão nos transistores de saída de Up e levar em consideração o rebaixamento de Up quando a fonte de alimentação está desestabilizada.

2.Agora sabemos como tratar a potência declarada na placa de identificação de um home theater “legal”: “a potência total de todos os canais é de 400 watts” quando a potência consumida da rede é de 100 watts. 3.A forma mais correta seria dizer: potência medida do amplificador - X watt com distorção harmônica Y% e frequência Z hertz em uma carga R Ohm. (Para os curiosos, os antigos GOSTs implicavam um coeficiente harmônico de 1% na potência nominal e 10% no máximo). Sobre o coeficiente harmônico (falaremos mais tarde, agora preciso de comida em forma de peixe, não de corrente elétrica! - nota de um gato faminto).

4."Mas isso não é tudo!" (Chefe, você consegue falar sem usar slogans publicitários? Nota de um gato alfabetizado). A potência dissipada pelos transistores finais do amplificador não é constante (para os amplificadores classe AB mais comuns), e atinge um máximo na faixa de 0,25 a 0,5 potência de saída. Com base nisso, é necessário calcular a área necessária do radiador.

Publicação: radiokot.ru

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