Науки, чуждые музыке, были постылы мне... - эти слова Пушкинского Сальери могли бы стать эпиграфом к целому ряду статей на аудиотемы, кстати имеющих широкий круг поклонников. Эксперты от скрипичного ключа (кисти, пера и т. д.) верят лишь своим ощущениям и ревниво косятся на всякую попытку скрестить Фуртвенглера со вторым началом термодинамики.
Мы же, техники, люди паяльника и логарифмической линейки, столько раз убеждавшиеся в бессилии современной науки, тем не менее беззаветно верим в ее могущество.
Попытаемся уравновесить научно-техническую чашу весов, в последнее время стремительно взлетевшую вверх, с противоположной чашей, ломающейся от музыкальных событий. Главное тут не перегрузить ее, иначе беда: технического запала большинства читателей хватает на десяток-другой формул, дальше им кажется, что формулы повторяются.
Сегодняшнее повествование – это, во-первых, иллюстрация того, что даже элементарных знаний может хватить на борьбу с «призраками оперы». Во-вторых, это попытка (надеюсь, не последняя) пополнить запас знаний читателя в той области, которая очерчена в заглавии статьи и с которой так или иначе граничат все разделы аудиотехники.
И, наконец, в-третьих: внимательный читатель, быть может, найдет у нас то, что поможет ему выжать из своей аппаратуры еще капельку… Чего? Это пусть каждый решает сам. Начнем с простого и понятного положения: системы электропитания (СЭП) присутствуют везде, где есть электричество. Что звучание аппаратуры зависит от электропитания - это известно давно.
Но раньше считалось, что лишь грубые ошибки в построении СЭП могут резко ухудшить качество звучания, сейчас же складывается впечатление, что «аудиофильные» технологии проникли и в область электропитания. Иначе откуда бы взяться фильтрующим емкостям величиной чуть ли не с фараду, рафинированной меди, захватившей силовую разводку вслед за сигнальной и нацелившейся на обмотки трансформатора СЭП, прямонакальным кенотронам, ринувшимся в аппаратуру со страниц учебников и музейных полок?
По большому счету, хотелось бы разобраться, что в системе электропитания и по какой причине действительно может влиять на звук, а что имеет лишь второстепенное значение. На какой форме изложения остановиться мне с моим неизменным соавтором собачкой Лушей?
С одной стороны, даже элементарные на первый взгляд процессы в СЭП при строгом рассмотрении достойны диссертации. С другой стороны, писать об этом академично - значит, усыпить читателя на подходе к третьей странице. Поэтому - да простят меня обремененные учеными степенями коллеги - мы выбираем жанр вольный и стиль непринужденный.
Последовательное изложение будет прерываться разного рода отступлениями и экскурсами вглубь и вбок. Правда, одну мысль мы попытаемся пронести через все сегодняшнее повествование: важно не само по себе электропитание, а то, к каким последствиям для звука оно приводит. Что такое СЭП?
По большому счету, СЭП бывают двух типов: мощные, то есть те, энергия которых в конце концов доберется до динамика, и вспомогательные. В основном мы будем беседовать о мощных СЭП, иногда вспоминая и об остальных. Любая СЭП, мощная или не очень, решает несколько задач:
Обеспечивает гальваническую развязку первичной сети (розетка) и вторичной (той, что в усилителе, проигрывателе компакт-дисков и т. д.). При наличии гальванической развязки, каких бы двух проводников (один в розетке, второй, скажем, в усилителе) мы ни коснулись щупами омметра на постоянном токе, прибор покажет очень большую величину: десятки, а то и сотни мегаом (сопротивление изоляции).
Теперь можно смело копаться пинцетом и паяльником в схеме, сидя на батарее центрального отопления или держась за водопроводный кран.
Луша. Проверять не надо. Вдруг мы или конструкторы СЭП что-нибудь напутали? Да и ток в розетке переменный…
КК-2 СЭП играет для вторичной сети роль генератора напряжения с определенными параметрами (форма, величина и пр.), обладая при этом набором собственных свойств (выходное сопротивление и др.). Обеспечивает подавление помехи - как проникающей из первичной сети во вторичную, так, возможно, и наоборот.
Для того чтобы понять, как СЭП может воздействовать на звук, придется начертить простейшую схему и подумать над принципом ее работы.
Большинство УНЧ питаются от двуполярного напряжения, но для понимания сути процессов нам хватит и однополярного источника). Сеть 220 В 50 Гц, трансформатор, выпрямительные диоды, ИЛ, нагрузка, конденсатор сглаживающего фильтра (рис. 1). Простейшая схема СЭП. Напряжение: на р, импульс тока дозаряда конденсатора С. Амплитуда напряжения на выходе трансформатора U1 (рис. 2). Токи и напряжения на элементах СЭП.
Спешу предупредить читателя, что мы делаем максимальное число допущений. Для начала будем считать трансформатор, диоды, конденсатор словом, все, что есть, - идеальным.
Понятно, что в отсутствие конденсатора емкостного фильтра Сφ, переменное синусоидальное напряжение на выходе трансформатора с частотой сети f превратится в «арки», изображенные на рис. 2: диоды моста, открываясь попарно, «выпрямят», как принято говорить, переменное напряжение.
Наличие Сφ все заметно осложняет. После того, как конденсатор Сφ зарядится до амплитуды U (в идеальном случае этому ничто не мешает), напряжение на нем запрет диоды (На самом деле - чуть позже, если учесть ток нагрузки. Но будем считать, что он мал, по сравнению с чем)! Далее конденсатор будет медленно разряжаться через нагрузку (участок АС), к моменту (точка С) напряжение на нем упадет на величину ∆U, где ∆U=It/2Сφ, где t=1/f=0,02 с - период сетевого напряжения при f=50 Гц.
Это понятно: мы приравняли электрические заряды, ушедшие с Сφ, к зарядам, обеспечившим I (снова все упростив: мы сочли ток нагрузки постоянным, а угол открытия диодов α - малым).
В точке С откроются два диода, и напряжение на Сφ вновь возрастет.
Опять-таки, увидим чуть позже. Протечет ток дозаряда емкости амплитудой I, ток конденсатора и напряжение на нем связаны просто: dU/dt= I/ Сφ, а U=Usin2πft/1.
Поэтому амплитуда I=2πf Сφ U(1-sinφ) достигается скачком, а затем ток спадает по косинусоидальному закону, что видно на рис. 2. Заметив, что cosφ=sinφ=1-∆U/U, после несложных вычислений находим: I=2U√(2πf Сφ U)sinφ. Интересно проанализировать эту зависимость. Возьмем конкретный пример. Пусть Сφ =10000 мкФ, U=100 В, I=1 А. Тогда I=44 А (!): ∆U=1 В; sinφ=0,15 (радиан), то есть около 1/20 от полупериода.
Вообще говоря, пришло время удивляться. Вместо того чтобы потреблять постоянный ток, а комбинация на выходе диодного моста поедает короткие и очень мощные импульсы, почти на два порядка превышающие средний ток нагрузки. Страшно представить, какие импульсы резвятся в СЭП мощных УНЧ, где и Сφ больше, и ток нагрузки в пике звучания достигает десятков ампер!
Последнюю зависимость можно записать еще так: I/1-2√7, где t=rc. Иначе говоря, чем лучше фильтрующие свойства Сφ (чем больше t), тем больших импульсов тока следует ожидать. Периодически повторяющиеся мощные остроконечные импульсы имеют весьма широкий линейчатый спектр (см. рис. 3), расстояние между линиями 100 Гц.
Спектр одиночного импульса (1): g(ω) является огибающей линейчатых составляющих (рис. 3). Скорость убывания g(ω) мала, так как импульс тока очень короткий и с крутым фронтом.
Высокочастотные составляющие, в особенности при наличии длинных проводов, способны к созданию эфирной помехи, вредно сказывающейся на работе прецизионных узлов комплекса. Проникновение импульсов тока в питающую первичную сеть способствует усугублению вредоносного влияния помехи.
Ближе к реальности
Идеальная схема хороша только тем, что в этом случае легко считать. Первыми, неидеальностями, которые вкрадываются в схему (см. рис. 1), оказываются паразитные сопротивления и индуктивности, встающие на пути протекания импульсного тока.
Паразитное сопротивление R. (сеть, розетка, контакты, пайки, провода, обмотки трансформатора, диоды, обкладки и т.п.) может быть незначительным (доли ома), но все равно оказывает свое влияние. Рассмотрим простой пример.
Пусть R, приведенное к первичной сети, составит 0,2 ом. Если бы не было диодного моста Сφ, а от сети питался, скажем, киловаттный утюг, то на R выделилась бы мощность около 5 вт. Это может, например, заметно нагреть розетку.
А мощный усилитель в пике громкости при той же мощности, что и утюг, употребит импульсы, составляющие в первичной сети около 100 а! (Желающие могут прикинуть - все формулы имеются.) При этом на 0,2 ом выделится 2 квт. Правда в импульсе, да и пики громкости встречаются нечасто, так что розетка выдержит, если не заискрит. А вот 20 вт (0,2 ом х 100 а) ей придется подарить (Опять упростили. Наличие L изменит все ранее полученные нами формулы, и по ним можно будет считать лишь в «нулевом» приближении. Да и очень хороший мощный трансформатор имеет L около 0,5 ом, но что-то похожее все равно случится).
Паразитная индуктивность L (вызванная, в первую очередь, неидеальностью трансформатора) изменяет форму тока (см. рис. 4).
Площадь фигур, ограниченных кривой тока, сначала медленно, а затем все быстрее уменьшается. Нетрудно понять, что и среднее напряжение на нагрузке с ростом L заметно уменьшается (см. рис. 5) (Нетрудно понять, «нетрудно показать» - стандартные уловки хитрых технарей; обычно это «нетрудно» выливается в 5-6 страниц убористого текста, к тому же часто «показывающего» обратное).
Вот что действительно непросто показать: добавление даже небольшой L способно существенно понизить выходное напряжение сети. Однако надо учесть, что мы с вами, коллеги, проводили наши исследования исходя из синусоидальной формы напряжения сети, более того - мы ориентировались на синусоидальную верхушку» полуволны 50 Гц.
А верхушка эта, как правило, оказывается обглоданной. Ведь таких потребителей, как сеть нашего усилителя, немало, и каждый норовит, «помолчав» почти весь период, отхлебнуть напоследок от души, то есть ухватить импульс покрупнее. Тут-то сеть и «проседает»!
Заграница, давно смекнула, что пресловутый косинус «фи» далеко не самый опасный враг, что по сравнению с описанным явлением он просто овечка, запретила эксплуатацию мощных устройств с импульсным потреблением.
Наличие импульсов там не дросселями по типу L, а специальными коммутационными устройствами, кстати совсем не дешевыми.
Как это отразится на звуке?
Суть физических процессов ясна. Приступим к рассмотрению их последствий - и начнем с ближайших. Нетрудно показать, что, во сколько раз амплитуда импульса тока больше среднего токопотребления, во столько же раз возрастает тепловыделение везде, где имеются омические потери: в подводящих проводах, трансформаторе, отчасти в диодах, на паразитном сопротивлении и т.п. Это приводит к совершенно нелепым последствиям.
На трансформаторе написано «200 вт», например, а уже при 150 вт потребления он раскаляется, как утюг. Диодам тоже несладко, им в таких условиях могут потребоваться радиаторы. И так далее. Причем совершенно бесполезно делать хороший трансформатор: L и R падают, поэтому / растет. В общем, потери не уменьшаются.
О помехах мы уже говорили. Наличие 4 и Г в несколько раз сужает эффективную ширину спектра помехи, но все равно ее с избытком хватает на то, чтобы осложнить жизнь узлам, чувствительным к наводке. Можно поставить трансформаторы «похуже» (у которых, скажем, 1 побольше), но теперь это немодно, и на входе трансформатора ставят дополнительный дроссель 4.
Пока этот дроссель мал («Мал - этот как?» - спросит читатель. А вот как: суммарная энергия, запасаемая в 4 и 4, при этом заметно меньше, чем энергия, поступающая в систему его подзарядке), ток его прерывист, и где он стоит, до трансформатора или после (естественно, с пересчетом), - все равно, по крайней мере с точки зрения формы тока. Пониженный КПД трансформаторов и диодов в таком режиме - довод в пользу «бестрансформаторных» преобразовательных схем.
Потери снижаются, помехи ослабевают, трансформаторы и радиаторы остывают. Казалось бы, все великолепно. Но и напряжение, питающее усилитель, теперь сильно зависит от потребления тока: усилитель молчит - на выходе схемы амплитудное напряжение U. Кто-то ахнул по барабану - напряжение упало процентов на двадцать, или меньше, или больше.
Считать бесполезно - всего не учтешь. Еще парадокс: чем лучше сеть, тем больше просадка. Последствия таковы. Если 1 вставили на заводе - есть надежда, что усилитель благосклонно отнесется к просадке. А если это наше с вами самодеятельное творчество (тот же фильтр «пилот»), напряжение питания усилителя может уменьшиться недопустимо.
Действительно, далеко не все усилители любят даже медленные изменения напряжения питания: меняются смещения, режимы по постоянному току, межэлектродные барьерные и диффузионные емкости, а с ними и условия устойчивости и т.д. Особо умелые ручки запитывают от «пилота» все - и усилитель и КПД…
Теперь сеть, быть может, сама по себе и неплохая, на выходе «пилота» начисто «обгладывается» системой электропитания усилителя. Напряжение на входе линейных стабилизаторов, которые идеологи high-end так любят ставить в «особо ответственных» узлах (например, в проигрывателе компакт-дисков), опускается ниже всяких норм.
Стабилизаторы не только отказываются работать, но могут и возбудиться (то есть стать генераторами, как это нередко делает в подобных условиях всеми любимая микросхема 142П5). Сказать, что это способно отразиться на звуке, значит не сказать ничего. В общем, намек ясен. В одних случаях субъективное ощущение искажений подобного рода очевидно: эксперт отмечает призвуки, фон, в других проявляются более замаскированно.
Для их идентификации потребуется анализ стереопанорамы, ощущения «воздуха зала» и пр. Лирическое отступление. Полупроводниковый диод или кенотрон? Цифра хуже, чем аналог. Лампа лучше, чем транзистор. Лошади кушают овес и сено. А кенотрон - он и есть кенотрон! Чем полупроводниковый диод-то хуже?
К. к. Действительно, если некоторым коллегам удалось доказать, что вакуумный усилительный прибор имеет преимущество перед полупроводниковым, то сделать это применительно к выпрямительным приборам в СЭП, думаю, будет чуть труднее. Конечно, можно накидать десяток формул, не забыв волшебное, нетрудно показать\», и в общем, в очередной раз убедить доверчивого читателя в превосходстве кенотрона над полупроводниковым диодом. Однако на этот раз начнем издалека…
Первые неплохие УНЧ, которые старшее поколение помнит по довоенным немецким приемникам, конечно, были ламповыми, а СЭП - кенотронными. Иначе и быть не могло - не селеновым же столбом выпрямлять сотню-другую вольт! Кстати, ламповый усилитель работал в классе а.
Двухтактная (пуш-пульная) схема была изобретена позже (Это было так давно, что иногда мне кажется, что сам \»пуш-пул\» (push-pull, сказочный зверь тянитол-кай) был изобретен позже). То есть усилитель потреблял ток почти постоянный, лишь на большой громкости становившийся пульсирующим. Величина Lφ, устанавливаемая после выпрямителя, могла быть очень большой: ниже средневыпрямленного выходное напряжение упасть не может. Но теперь напряжение было постоянным, не зависящим ни от потребления в очень широких пределах, ни от пульсации.
Ток дросселя тоже был практически постоянным и замыкался то через один диод, то через второй (Расчет, который оказывается не таким уж простым, показывает, что величина дросселя должна быть достаточно большой, чтобы его ток не прерывался в течение отрезка времени, где напряжение на нагрузке будет больше, чем на выходе моста (участок АС, рис. 1): I больше, чем alfa Rн / f, где альфа=0,1-0,12. Для мощного лампового усилителя этот дроссель порядка сотен миллигенри на единицы ампер. Заметим, что масса дросселя пропорциональна запасаемой энергии Li2/2 и составляет немалую величину: около одного килограмма на джоуль. Любители посчитать заметят, что конденсатором запасать энергию легче. Появление непрерывного тока дросселя LCφ заставляет Ц-компоненту работать как нормальный фильтр, что легко решает проблему пульсации при сравнительно малых величинах Сφ). Кенотрон практически безынерционен.
И между моментами включения-выключения диодов нет ни зазора, ни перехлеста. Теперь заменим кенотрон на два полупроводниковых диода.
Высоковольтный полупроводниковый диод, да еще давнего образца, вещь не шустрая, и мгновенно он закрыться не может, так как в его базе накоплен заряд неравновесных носителей. Этот заряд может рекомбинировать либо рассосаться, но при этом диод проводит и в обратном направлении, чего у кенотрона отродясь не бывало: электроны летят от катода к аноду.
Вторичная обмотка трансформатора на короткое время окажется закороченной, и в обмотках будет протекать значительный по величине сквозной ток. К счастью, напряжение при этом невелико - в сети ведь синус, а не прямоугольник.
Многие пытаются объяснить преимущество кенотронного выпрямителя именно отсутствием сквозного тока. В пользу этой версии говорит следующий факт: инерционность полупроводникового диода своеобразна. Пока рассасываются носители, он действительно проводит в обратном направлении, и через обмотку течет сквозной ток. Но как только носители исчезают, диод запирается почти мгновенно, буквально \»с хлопком\». Току, накопленному в индуктивности рассеивания трансформатора, некуда при этом деться. Это приводит к возникновению дополнительной помехи, именно она способна испортить звук. Мы же проработаем другую версию. Тенденция к повышению выходной мощности УНЧ возникла давно и отнюдь не связана с high-end.
Просто понадобилось озвучить большие площади. Кто может, вспомните усилитель для сельского радиоузла\». Важно, что ламповый усилитель стал двухтактным, работающим чаще всего в режиме АВ. Казалось бы, какие преимущества несет новое решение: возрос КПД, выходной трансформатор упростился, погасли вечно светящиеся в классе, а аноды!
Но ток потребления перестал быть почти постоянным: мы вынуждены уменьшить дроссель и вернуться к тому, с чего начинали, к импульсам дозарядного тока. Только вот форма этого тока в случае полупроводникового диода и кенотрона будет принципиально различной.
Диод способен пропустить практически любой ток: ток дозаряда емкости практически ничем не ограничен. Действительно, из институтского курса электронных приборов известно, что напряжение на диоде пропорционально логарифму протекающего тока, то есть мало меняется с ростом последнего. Вредоносные импульсы встают во весь рост, выходное напряжение СЭП сильно зависит от потребления и паразитных параметров. Кенотрон типичный ограничитель тока.
Это лишь поначалу его вольтамперная характеристика идет вверх - величина тока не превысит ток эмиссии катода! Импульсы тока сглаживаются, расширяются, выходное напряжение СЭП заметно снижается и в какой-то мере стабилизируется, меняясь вместе с током потребления по иному закону (см. рис. 8 и 9).
Рис. 8. «неострые» импульсы тока кенотронной СЭП (4, не велико) диод кенотрон рис. 9. снижение выходного напряжения СЭП с ростом тока нагрузки расширяется диапазон токов потребления, при которых напряжение питания усилителя изменяется в узких пределах.
В большинстве двухтактных ламповых усилителей легко удается обеспечить режим, при котором «молчащий» усилитель уже потребляет некоторый ток / (рис. 9), величина которого обеспечивает требуемые условия работы кенотронного выпрямителя. С диодами этого достичь почти невозможно.
Итак, кенотрон действительно обладает преимуществами: стабильное питание и отсутствие импульсной помехи весомый доход в пользу качества звука. Наша с К. К. задача - указать на возможные последствия изменения режима электропитания. В чем конкретно это проявляется в УНЧ, думаю, напишет М.А. (Сергеев). Вот, похоже, и все. Как работает трансформатор?
Слушай, вот как ты, К. К., думаешь: почитает ли читатель наши рассказы о кенотронах, трансформаторах, выпрямителях и прямиком побежит в магазин покупать аппаратуру? Или по-новому взглянет на имеющийся комплект, отыскав в нем скрытые доселе способности к выявлению музыкальных событий? Или вооружится паяльником и влезет под крышку аппарата?
К. К. Такая уж жизнь у нас пошла нынче, что слушать музыку, не задумываясь о технике, можно только в филармонии. А имеющий дома хоть какой-то hi-fi вынужден откуда-то черпать эти самые знания. Так пусть уж лучше из первых рук, а не от продавца в магазине.
По большому счету все трансформаторы одинаковые - каждый содержит провод и магнитопровод. Одна обмотка провода включена в электросеть, протекающий по ней ток создает переменное магнитное поле в магнитопроводе. А это поле возбуждает ЭДС во второй обмотке, так что при замыкании обмотки нагрузочной цепью в ней потечет ток.
Это всем известно еще со школы, однако для анализа звуковых свойств трансформатора потребуется более тесное знакомство с основами его работы.
Попробуем разобраться в этом подробнее.
Намотав на магнитопровод нужное количество витков, мы получим ток I = 1 / 2π/үш2 (выбор конкретного магнитопровода равносилен заданию постоянной у), а также магнитное поле в магнитопроводе H = 3 / W = Bυ / 2NyFw, соответствующее режиму холостого хода (в - тоже некоторая константа).
Смысл последней формулы очевиден: так как магнитное поле H должно быть малым (иначе сердечник «намагничивается», а точнее, насыщается), то число витков N должно быть большим.
Радиолюбители со стажем знают, что еще в тридцатые годы справочники рекомендовали брать по 45 витков первичной обмотки на каждый вольт (а их 220!) при площади сечения магнитопровода S = 1 см2.
Такое количество витков займет на магнитопроводе довольно много места, иначе говоря, частично заполнит окно магнитопровода (в случае тороидального магнитопровода, например, окно представляет собой дырку от бублика (рис. 11а)).
Частично, потому что место нужно еще и для вторичной обмотки. Понятно, что при заданных размерах «окна» придется взять провод определенного сечения: не толще - иначе не влезет, и не тоньше - останется часть дырки, а это обидно.
Итак, число витков есть, сечение известно, значит, и сопротивление обмотки G, найти не проблема. Перейдем от режима холостого хода к рабочему режиму. Теперь во вторичной обмотке течет рабочий ток I. Естественно, что в токе первичной обмотки появится составляющая I = 1, где P = W1 / W - коэффициент трансформации.
Заметим, что и PI создают близкие по величине (в идеальном случае - равные) и разнонаправленные магнитные поля: поле в сердечнике работающего трансформатора не отличается, таким образом, от поля на холостом ходу. Но самое важное - это то, что появятся потери энергии. В первичной обмотке выделится мощность:
P = I^2R_in
Аналогично во вторичной обмотке:
P = I^2R_n
Попробуем разобраться в этом подробнее.
Намотав на магнитопровод и витков, мы получим ток I=1/2πfN (выбор конкретного магнитопровода равнозначен заданию постоянной у), а также магнитное поле в магнитопроводе B=μI/2πNf, соответствующее режиму холостого хода (μ - тоже константа).
Смысл последней формулы очевиден: так как магнитное поле B должно быть малым (иначе сердечник «намагничивается», а точнее, насыщается»), то число витков N должно быть большим:
N=μI/2πB/h
«Экстаз»
Радиолюбители со стажем знают, что еще в тридцатые годы справочники рекомендовали брать по 45 витков первичной обмотки на каждый вольт (а их 220!) при площади сечения магнитопровода S=1 см2!
Такое количество витков займет на магнитопроводе довольно много места, иначе говоря, частично заполнит окно магнитопровода (в случае тороидального магнитопровода, например, окно представляет собой дырку от бублика (рис. 11а)). «Частично», потому что место нужно еще и для вторичной обмотки.
Понятно, что при заданных размерах «окна» придется взять провод определенного сечения: не толще - иначе не влезет, и не тоньше - останется часть дырки, а это обидно.
Итак, число витков есть, сечение известно, значит, и сопротивление обмотки R, найти не проблема. Перейдем от режима холостого хода к рабочему режиму. Теперь во вторичной обмотке течет рабочий ток I. Естественно, что в токе первичной обмотки появится составляющая I1=I, где p=V2/V1 - коэффициент трансформации.
Заметим, что и B1 создают близкие по величине (в идеальном случае - равные) и разнонаправленные магнитные поля: поле в сердечнике работающего трансформатора не отличается, таким образом, от поля на холостом ходу. Но самое важное - это то, что появятся потери энергии. В первичной обмотке выделится мощность:
P=I1R in pI
Аналогично во вторичной обмотке:
P=I2R
Не отстает и перемагничиваемый с частотой 50 Гц сердечник в нем даже на холостом ходу выделится мощность P0. Суммарная выделяемая мощность P, с одной стороны, при заданной конструкции будет однозначно связана с перегревом трансформатора (ΔT, разница между температурой трансформатора и температурой окружающего воздуха).
С другой стороны, эта мощность однозначно связывается с передаваемой трансформатором мощностью P2=1,2U2. Вот и все: P и ΔT оказываются связанными известным соотношением. Большей передаваемой мощности будет соответствовать больший перегрев.
Главный вывод: выбор конструкции трансформатора (включая материал сердечника, обмоток, изоляции) и его размеров при заданных режиме охлаждения и величине перегрева однозначно определяет передаваемую мощность P2.
Всевозможные тороидальные сердечники, отнесенные нами к 1 типу, поражает разнообразие ферроматериалов: пермаллой металлический и порошковый, феррит, альсифер - типичный представитель сердечников II типа. Ш-образный сердечник относится к тому же типу, правда, чтобы это понять, требуется немного фантазии.
Так и хочется намотать на такую штуку пару обмоток - замечательный представитель семейства тороидальных трансформаторов. При массе 7 кг он отдает 500 Вт мощности.
Чем лучше трансформатор, тем большую (при прочих равных) мощность он передает. Хочешь передать большую мощность, либо увеличивай размеры трансформатора, либо улучшай конструкцию (а это дорого), либо усиливай охлаждение.
Чудес не бывает. Кстати, трансформатор оказался наиболее «консервативным» звеном СЭП: если за последние 40 лет удельный габарит, скажем, электролитических конденсаторов снизился в десятки и даже сотни раз, то трансформаторы похудели от силы вдвое-втрое, да и то лишь самые лучшие.
Последствия Луша. А теперь о звуке!
К. к. Пожалуйста. Только надо иметь в виду, что непосредственное влияние на звук. Причем самостоятельное, трансформатор оказывает, когда…
Луша. Гудит! Это я поняла. А во всех остальных случаях, наверное, его надо рассматривать в комплексе с прочими узлами СЭП и усилителя.
К. к. Посмотрим. Не так давно мы потребовали, чтобы магнитное поле в сердечнике было малым. Большое магнитное поле насытит магнитный материал, после чего трансформатор перестанет соответствовать своему назначению. Током в 50 Гц большого поля не создать - на эту частоту трансформатор рассчитан. А вот если частоту взять пониже…
Луша. Где ж у нас в розетке другую частоту сыскать? Разве что 49.
К. к. Искать надо не в розетке, а в непостоянстве токопотребления УНЧ, особенно работающих в классе А, столь любимом всеми транзисторными усилителями. Итак, при постоянном потреблении ток вторичной обмотки постоянен по амплитуде.
Конечно, он не синусоидальный, а импульсный, как мы только что договорились. Но сейчас, как это принято в физике, мы рассмотрим процесс по первой гармонике». Суть при этом не меняется, а математика упрощается.
Но когда появляется усиливаемый сигнал, этот ток оказывается промодулирован по амплитуде. В качестве модулирующего воздействия выступает отфильтрованный (фильтр С. R.) модуль то ка АС - понять это несложно.
Луша. Студент первого курса нарисовал бы вот такую картинку (см. рис. 12):
Спектр сигнала с амплитудной модуляцией состоит из несущей (50 Гц) и боковых частот, которые, как известно, как справа, так и слева. Что касается «справа» - это не беда. А вот к «слева» трансформатор отнесется крайне настороженно.
К. к. Кстати, уважаемый читатель, заме
Начал ли ты, что иногда в усилителе вылетают предохранители? Иной раз погромче включишь и ничего, а иногда даже при малом уровне раз и вылетел. Вставишь предохранитель - все нормально, а дойдет дело опять до того самого коварного фрагмента - и все повторится опять. Луша.
Кто не замечал, может проделать весьма показательный опыт. Возьмите чужой усилитель и на частоте 25 Гц дайте громкость побольше!
К. к. Если величина фильтра СφRн не точна, что-нибудь сгорит обязательно. Даже если ее достаточно, «подмагничиваемый» трансформатор уже не орел! (см. рис. 13.)»
Рис. 13. Спектр тока вторичной обмотки при усилении сигнала 25 Гц. Получен в результате амплитудной модуляции, несущей с частотой 50 Гц сигналом, частота основной гармоники которого вдвое выше, чем у тока нагрузки. Имеется постоянная составляющая во вторичной обмотке трансформатора.
Самое обидное, что лучшие трансформаторы, тороидальные, например, наименее стойки к подмагничиванию.
Лучше. Оно и понятно: идеальный трансформатор вообще нестоек - в силу своей идеальности.
К. к. а слушатель отмечает что-то вроде: «пропала глубина и артикуляция баса»; «звучание натуральных инструментов на фоне глубокого баса теряет естественность» и т. п.
Между прочим, поэтому (хотя и не только поэтому) измерительные диски делают так, чтобы 25 Гц и около там вообще не встречалось. Постоянное подмагничивание - далеко не единственный враг трансформатора.
Мы уже отмечали, что мощные импульсы подзаряда конденсатора резко осложняют его жизнь. Про потери и подсадку напряжения мы уже говорили, теперь разберемся с одним из следствий неидеальности трансформатора.
Как-то мы заметили, что рабочие магнитные поля первичной и вторичной обмоток почти равны и противоположны. Почти, но не равны. Это следствие неполной магнитной связи обмоток. Другое следствие реально существующая паразитная Ln, третье - наличие внешнего магнитного поля трансформатора. Так вот, оказывается, что до поры до времени, пока импульсы Ic имеют терпимую величину, трансформатор выступает как линейное» устройство: вдвое громче звук - вдвое больше внешнее магнитное поле.
А затем все резко меняется, и далеко не в лучшую сторону. Трансформатор превращается в передатчик, работающий на гармониках частоты 50 Гц! Разлетаясь по помещению прослушивания, последние создают тот же эффект, что осколки Ф1 или РГД-42.
Лучше. Кто не спрятался - он не виноват!
К. к. а спрятаться от низкочастотной составляющей помехи можно лишь в стальном бункере.
Лучше. Только УНЧ выставить наружу. А интересно, изучал ли кто-нибудь влияние мощной магнитной помехи на какой-нибудь модный «Burr-Brown»?
Про собаку можно было бы и не упоминать!
К. к. делают, скажем, УНЧ. И вместо того, чтобы сразу как-то снизить помеху, ее лишь потом чем-нибудь компенсируют. Здесь проводок переместят, там экранчик примерят и т. п. Короче говоря, под какую-то норму подгонят.
Лучше. А пользователь, который, естественно, всех умнее, что-нибудь свое добавит - дросселек в розетку, фильтр «Пилот» или экранчик дополнительный.
Всю хозяйскую компенсацию разрушит, да к тому же напишет в очередной раз в редакцию о том, какой плохой фильтр «Пилот». А ты, к. к., еще пытаешься критиковать наших экспертов за их опыты (поменять кабель, засыпать колонку).
Выход усилителя.
Песком (лучше - кварцевым), заткнуть бас- рефлекс фазоинвертор, заточить шипы или придавить все это чем-то тяжелым…). До силовой проводки!
К. к. пришло время поговорить о рафинированной меди и о том, до чего ее тянуть от источника - до выхода усилителя, до конденсатора с. до входа или выхода трансформатора…
Луча. до четырнадцати и старше, до и после полуночи…
К. к. или все-таки до днепрогэса? Итак, участок усилитель - ас». Правда, для начала полезно вообще подумать, чем провод является помимо провода.
Понятно, что на высоких частотах любая двухпроводная линия выступает в качестве четырехполюсника, битком набитого всякими паразитными индуктивностями и конденсаторами, к тому же нелинейными (см. рис. 14).
Такой четырехполюсник - разрезной ленточный сердечник, будучи несимметричным (а комбинация «вилка - розетка» уже несимметрична), может быть невзамен: на кабеле вход ас.
Мы с Лушей открыли верхние крышки четырех усилителей. Пожалуй, только «Sony TA-F270» нас не смог поразить ничем: обычная «бюджетная» разработка. Данные его СЭП, как и других, мы поместили в таблицу.
«Корвет УМ 088» сделан в типичном отечественном стиле. Замысел - как в балете или ракетостроении. Что нам бюджет, и что нам «Ямаха»! Мы сами с усами. Ничего для нас не пожалели: два великолепных силовых трансформатора на разрезных ленточных сердечниках; по два лучших на начало 90-х годов конденсатора К50-37 (15000 мкФ х 63 В) на каждый канал; отдельные канальные выпрямители на неплохих диодах КД213!
Казалось бы, качество обеспечено. Однако эксперимент показывает, что огромной величины СО недостаточно для поддержания на стабильном уровне напряжения питания под нагрузкой. Теперь мы и сами понимаем, что этого недостаточно. Значительная величина тф=RнСφ не спасает ленточные трансформаторы от подмагничивания - об этом уже говорилось ранее.
Поразительное сходство «Корвета» и двухблочной «Ямахи» отмечают все но лишь пока не снята крышка!
Разрезной ленточный сердечник хорош, но дорог. Наборный сердечник из ш-образных пластин дешевле, но связь между обмотками он обеспечивает хуже.
Иногда набор проваривают» с целью улучшения связи, но магнитопровод при этом начинает греться. Замечу, что в большинстве импортных изделий ленточные сердечники не применяются, их мы не видим и в этих усилителях.
Увы, на СЭП красоты «Корвета» заканчиваются. Длинные сильноточные провода («сильные» по выполняемой функции, а никак не по виду: 0,35, в лучшем случае 0,5 мм2) к выходным разъемам, отсутствие фильтрации непосредственно у потребителя (то есть на плате усилителя), дурацкая разводка - и звука как не бывало. 40 (!) мощных выходных транзисторов пропадают даром.
Полная противоположность - «Yamaha AX-1050». Единственный трансформатор внушает доверие и уважение. Сопротивление его первичной обмотки (косвенный показатель «энерговооруженности») заметно меньше, чем у корветовских.
Мощная сборка - диодный мост - имеет, в отличие от корветовского, неплохой радиатор. Общая емкость конденсатора меньше (см. таблицу), но стабильность напряжения питания выше.
Система электропитания «Marantz 53» - пример того, как нужно экономить деньги и массогабарит. Маленький трансформатор, с трудом отыскиваемые конденсаторы установлены прямо на плате УНЧ. По «идеологии» «Корвета», такое вообще не должно работать! Но вновь и вновь вспоминаешь старую истину: важно не что сделано, а как сделано.
А сделано в «Marantz» все с умом! Мощные и импульсные токи текут по коротким толстым проводам, «силовая» проводка раза в четыре короче корветовской. В результате там, где железа и меди вложено на целый симфонический оркестр, мощности и фундаментальности звучания, особенно на басах, не хватает.
А легковесный «Marantz» при первом же прослушивании доказывает преимущества уравновешенных, технически обоснованных решений.
Не оказывается указатель к «АС-19».
Вспомним, что ток АС может быть гораздо широкополоснее, чем сигнал в полосе 20-20000 Гц.
На низких частотах могут проявиться следующие физические факторы:
1) Нелинейность проводника, то есть зависимость R(i);
2) Анизотропия - различие сопротивлений в разных направлениях (неравные R+ и R-). О ней уже писали (см. АМ №5 (16) 97, с. 12).
Проанализировать влияние этих факторов на звучание трудно, потому что физическое различие процессов в положительной и отрицательной полуволне может быть очень небольшим, однако неясно, как на искажения подобного рода реагирует слух. Формирование полуволн усилителем в классе В - тоже процесс нелинейный.
По крайней мере, на данный момент в необходимости высококачественных проводников для УНЧ мало кто сомневается.
Участок токового тракта с - УНЧ почти ничем не отличается от предыдущего: ток АС протекает там практически в неизмененном виде.
Далее идет участок, включающий вторичную обмотку силового трансформатора. Заявления некоторых специалистов о том, что и по этому участку протекает ток АС, можно принять лишь отчасти.
Как мы убедились, импульсный ток в этой цепи не только мало похож на ток АС, но и влияет на него лишь опосредованно - через изменение режимов работы УНЧ.
Так что, «нерафинированная» (нелинейная, анизотропная, локально согревающаяся и пр.) медь в СЭП влияет на звук в той мере, в какой ей удается воздействовать на саму СЭП (изменение режима подзаряда с изменение режима «подмагничивания» трансформатора и пр.) и УНЧ (изменение напряжения питания).
Чтобы убедиться в том, что анизотропия может воздействовать на работу СЭП, вставьте простейший имитатор анизотропии в цепь между диодами выпрямителя (см. рис. 15: r1 ≠ r2).
Система электропитания УНЧ «Poputa-F270»: обычный трансформатор на ш-образном сердечнике; никаких излишеств.
Система электропитания «Yamaha AX-1050» внушает доверие и уважение. Эталон габаритов (спичечная коробка) просто затерялся на фоне ее элементов «Marantz 53». Звучит гораздо солиднее, чем выглядит (сравните с «Корветом»).
Прочитав эту статью, наверное, мало кто будет сомневаться в том, что система электропитания влияет на главный параметр аудиокомплекса - качество звучания. В следующем номере читайте продолжение статьи (электролитические конденсаторы: «пассивный элемент» или соратник АС?
Линейный стабилизатор: решение проблем стоит больших денег; импульсный вторичный источник питания: близок локоть! Как обстоят дела с маломощниками? И многое другое).
Спасибо М. А. за ценные советы.
Система электропитания УНЧ «Ѕопу ТА-F270»: обычный трансформатор на Ш-образном сердечнике; никаких излишеств
Система электропитания «Yamaha AX-1050» внушает доверие и уважение. Эталон габаритов (спичечный коробок) просто затерялся на фоне ее элементов
«Marantz 53». Звучит гораздо солиднее, чем выглядит (сравните с «Корветом»).
АудиоМагазин №1.1998г.
P.S. Заранее извиняюсь за ошибки или даже отсутствие многих формул и символов (журнал сканируется очень плохо, некоторые символы уже даже не разглядеть невооруженным взглядом). Если вы считаете это критичным, то сообщите в комментариях. С уважением!
