Messung der Ausgangsleistung von Tonfrequenzverstärkern. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Transistor-Leistungsverstärker

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Nehmen wir einen herkömmlichen Niederfrequenzverstärker mit einer Versorgungsspannung von +12 Volt, einem Lastwiderstand von 4 Ohm, schließen Sie ein Oszilloskop an die Last und einen Sinussignalgenerator an den Eingang an (Abb. 1)

(zum Vergrößern klicken)

Schalten Sie alles ein und beobachten Sie „lustige Bilder“ auf dem Oszilloskopbildschirm – eine Sinuskurve, bis sie eine sichtbare Verzerrung erreicht (Reis. 2a). (Anmerkung des Wissenschaftlers Cat: Weniger als 3 % Verzerrung sind für das bloße Auge unsichtbar. Wir werden in einem anderen Artikel darüber sprechen, was Verzerrung ist.)

Die von einer Sinuskurve eingenommene Fläche kann berechnet (oder gemessen) und durch eine äquivalente Gleichspannung derselben Fläche ersetzt werden (Reis. 2b).

Diese Spannung heißt RMS-Spannung - SLE (englische Abkürzung – RMS), umgangssprachlich – „effektiv“. Somit können Sie die äquivalente Spannung für jede Stromform ermitteln (Reis. 2c, d, e).

Für dreieckige, rechteckige, sinusförmige und exponentielle Ströme gibt es mathematische Ausdrücke für die entsprechende Umrechnung. Zum besseren Verständnis sind in den Abbildungen halbe Perioden symmetrischer Signale dargestellt. Das Aufkommen der Computerregistrierung ermöglicht die numerische Integration jeder Funktion, ohne nach ihrem mathematischen Ausdruck suchen zu müssen. Wozu dient das alles? Der gefundene äquivalente Gleichstrom erzeugt die gleiche thermische Arbeit wie unser untersuchter Strom.

Jeder Wechselstrom kann durch folgende Spannungsarten charakterisiert werden:

Amplitude - blaue Pfeile (ersichtlich aus dem Namen und den Bildern);

Durchschnitt - arithmetisches Mittel aller momentanen Signalwerte für den gemessenen Zeitraum (in den Abbildungen nicht dargestellt);

Effektivwert - rote Pfeile (oben besprochen).

Um das Verständnis dieser Spannungsarten zu erleichtern, können Sie sie auf Millimeterpapier zeichnen und die Zahlenwerte der Spannung (für Sinus-, Rechteck- und Dreiecksspannung) unabhängig zusammenfassen. Die meisten AC-Voltmeter verfügen über eine AC-Gleichrichterschaltung, die der Durchschnittsspannung – im einfachsten Fall – und der Teilung der Anzeigeskala – in Effektivwert – entspricht. Bei der Messung sinusförmiger Ströme und Spannungen bereitet dies keine Schwierigkeiten, und wenn der Strom oder die Spannung von einer Sinuskurve abweicht, müssen Sie Korrekturfaktoren eingeben.

Erinnern wir uns nun an den Anfang vom Anfang – das Ohmsche Gesetz: I = U / Rsowie Formeln zur Berechnung der Gleichstromleistung - P=U*I=I2R=U2/R.

Für einen sinusförmigen Strom (und eine sinusförmige Spannung) sieht die Formel zur Berechnung der Leistung aus der vom Oszilloskop gemessenen Amplitudenspannung wie folgt aus:

P = (0,707U)2/Rn = U2/4Rn

Dabei ist 0,707 der Umrechnungsfaktor der Amplitudenspannung U des Sinusstroms in die äquivalente Gleichspannung.

Wir haben eine praktische Möglichkeit gefunden, die Ausgangsleistung eines Verstärkers zu messen, indem wir die Amplitude des Signals auf dem Oszilloskopbildschirm messen (Reis. 2b). Mechanische Kraft ist Arbeit, die in 1 Sekunde verrichtet wird. Elektrische Energie enthält nicht den expliziten Zeitparameter; es wird vorausgesetzt (aber nicht beobachtet, und gerade bei der Messung der Leistung von Niederfrequenzverstärkern), dass diese ebenfalls 1 Sekunde beträgt. Beispielsweise ist für einen Mäander mit einer Frequenz von 100 Hz für eine Zeit von 10 ms zu jedem Zeitpunkt des SLE die Spannung gleich seinem Amplitudenwert (Reis. 2c)

Und wer verhindert, dass ein solcher Ansatz auf ein Sinussignal ausgeweitet wird? Für einen Teil des Sinus 100Hz für eine Zeit von 1ms (Reis. 2) erhalten wir fast ein Rechteck, für das der Umwandlungskoeffizient der Amplitudenspannung in den Effektivwert gleich 1 ist und dementsprechend die Momentanleistung doppelt so groß ist wie für die gesamte Halbwelle von 10 ms.

Aber das ist noch nicht alles! Sie können den Spannungshub beim Übergang vom minimalen zum maximalen Wert messen (Reis. 2g) in kürzester Zeit und erhalten Sie noch mehr Leistung! Hier sind sie – Dutzende Watt von einer Ghettoblaster und Hunderte Watt von einem Haushaltsverstärker!

Fassen wir die Ergebnisse in einer Tabelle zusammen.

Wir haben uns mit der Messung der Leistung an einer ohmschen Last (z. B. einem schweren Drahtwiderstand) befasst, die üblicherweise bei Verstärkertests verwendet wird. Ein aufmerksamer Funkamateur, der den Widerstand des Lautsprechers mit einem digitalen Ohmmeter misst, wird feststellen, dass dieser weniger als 4 Ohm beträgt, beispielsweise 3,8 Ohm. „Ja, ich bekomme also mehr als auf der Karte steht!“ - wird er ausrufen - und er wird Recht haben, aber nicht ganz. Tatsache ist, dass der Lautsprecher über zwei Widerstandskomponenten verfügt – aktive, die mit jedem Ohmmeter gemessen werden kann, und induktive – abhängig von der Anzahl der Windungen der Lautsprecherspule und ihren magnetischen Eigenschaften (gemessen mit dem RCL-Messgerät). Nehmen Sie zum Beispiel einen 3GD-32-75-Lautsprecher mit einem Nennwiderstand der Gleichstromspule R = 4 Ohm; Induktivität L=150 MikroHenry. Die Impedanz Z des Lautsprechers besteht aus zwei Komponenten – aktiv Rx und induktiv XL. Berechnen wir sie für zwei Frequenzen:

Frequenz		1000 Hz	10 кГц
Die induktive Reaktanz wird nach der Formel berechnet		0,94 Ohm	9,4 Ohm
Impedanz - nach der Formel		4,11 Ohm	10,21 Ohm

Wir sehen, dass bei 10 kHz der Widerstand der realen Last um das 2,5-fache zunahm und die an diese Last abgegebene Leistung jeweils um das gleiche 2,5-fache abnahm (Reis. 3 b). Denken Sie nun daran, dass sich am Eingang des Verstärkers (und am Ausgang) ein Kondensator befindet.

Angenommen Rin = 100 kOhm, Kondensatorkapazität Cin = 0,1 μF. Bei einer Frequenz von 1 kHz beträgt sein Widerstand 1,6 kOhm; bei einer Frequenz von 100 Hz - 16 kOhm; bei einer Frequenz von 10 Hz - 160 kOhm, d.h. Die dem Eingang der ersten Stufe des Verstärkers zugeführte Spannung verringert sich um das 0,38-fache, und proportional dazu verringert sich die Ausgangsleistung (Reis. 3c).

Eine ähnliche Berechnung für den Effekt der Ausgangskapazität Cout = 1000 μF ergibt: 1 kHz – 0,16 Ohm; 100 Hz – 1,6 Ohm; 10 Hz - 16 Ohm. Im letzteren Fall wird der 4-Ohm-Last nur 0,2 der Ausgangsspannung zugeführt und die Ausgangsleistung sinkt auf 1/25 der maximal möglichen (Reis. 3g). Seien Sie daher nicht faul, die minimal erforderlichen Kapazitäten der Eingangs- und Ausgangskondensatoren zu berechnen, um einen bestimmten Frequenzgang im Niederfrequenzbereich zu erhalten.

Aber das ist noch nicht alles! Handelt es sich bei unserem Lautsprecher um einen Zwei- oder Drei-Wege-Lautsprecher, ist das Verhalten der Lautsprecherimpedanz aufgrund des Einflusses von Induktivitäten, Kondensatoren und Crossover-Widerständen eher schwer vorherzusagen, einfacher zu messen (Reis. 3). (Anmerkung der weisen Katze. Ja, im Allgemeinen ist dies nicht allzu notwendig.)

Summieren

1.Die Messung der Ausgangsleistung erfolgt am besten, indem man ein sinusförmiges unbegrenztes Signal auf dem Oszilloskopbildschirm beobachtet und den gemessenen Wert der Amplitudenspannung in RMS umwandelt (für Sinusleistung) oder ihn unverändert lässt (für Spitzenleistung). Das Messen der Spannung mit einem AC-Voltmeter ist unerwünscht, da bei einer Leistung nahe dem Maximum keine Signalverzerrung auftritt und wir normalerweise nicht wissen, wie das Voltmeter zusammengebaut und kalibriert wird. Die Messung der Amplitudenspitzenleistung ist zweifelhaft – sie kann auch rein rechnerisch ermittelt werden. Die Formel zur ungefähren Berechnung der Leistung eines Sinussignals lautet wie folgt: P = (Up: 3) 2 / Rn, wo Up - Versorgungsspannung, Rl - Lastwiderstand bei einer bestimmten Frequenz. Präzisionsfanatiker können den Spannungsabfall an den Ausgangstransistoren von Up abziehen und den Spannungsabfall von Up bei einer instabilen Stromversorgung berücksichtigen.

2.Jetzt wissen wir, wie man mit der auf dem Typenschild eines „coolen“ Heimkinos angegebenen Leistung umgeht: „Die Gesamtleistung aller Kanäle beträgt 400 Watt“ bei einer Leistungsaufnahme von -100 Watt aus dem Netz. 3.Der korrekteste Weg wäre zu sagen: gemessene Verstärkerleistung - X Watt bei einem harmonischen Koeffizienten von Y % und einer Frequenz von Z Hertz bei einer Last von R Ohm. (Für Neugierige: Die alten GOSTs implizierten einen harmonischen Koeffizienten von 1 % bei Nennleistung und 10 % bei Maximalleistung). Über den harmonischen Koeffizienten (wir reden später, jetzt brauche ich Futter in Form von Fisch, keinen elektrischen Strom! – Anmerkung einer hungrigen Katze).

4.„Aber das ist noch nicht alles!“ (Meister, können Sie sprechen, ohne Werbeslogans zu verwenden? Anmerkung einer gebildeten Katze). Die Verlustleistung an den Endtransistoren des Verstärkers ist nicht konstant (für die gängigsten Verstärker der Klasse AB) und erreicht ein Maximum im Bereich von 0,25 bis 0,5 Ausgangsleistung. Auf dieser Grundlage muss die erforderliche Heizkörperfläche berechnet werden.

Veröffentlichung: radiokot.ru

Siehe andere Artikel Abschnitt Transistor-Leistungsverstärker.

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