Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?

О том, что надпись «4 Ома» на шильдике   АС   вовсе не означает, что так оно и есть, слышали все. Данная статья написана для увеличения числа знающих, что из этого следует.

Входное сопротивление отдельно взятого динамика в оформлениях ЗЯ и ОЯ имеет чисто активный характер всего на двух частотах: механического (основного) и электромеханического резонансов. На всех остальных частотах полное сопротивление имеет реактивную составляющую, причём её модуль вблизи основного резонанса и на верхней границе рабочего диапазона может в разы превышать активное сопротивление и пренебрегать ею – бывает себе дороже. У двух- и трёхполосных АС, и в оформлениях ФИ и ПИ характеристика сложнее. Так, например, выглядит ЧХ сопротивления мощного 50-сантиметрового динамика в оформлении ФИ:

Вертикальная ось слева – в Омах, тонкая красная линия снизу – 4 Ома. Верхняя цветастая линия – участки с разным характером комплексного сопротивления АС.

Существует мнение, что индуктивность звуковой катушки – вещь реальная, проявляющая себя в полной мере, а реактивность вблизи частоты основного резонанса – типа виртуальная, не влияющая на подключённые устройства (фильтр или усилитель). Для проверки я проводил эксперимент (Чалов Денис довёл)). В результате оказалось, что реактивное сопротивление динамика 75 ГДН-1 является основной причиной горба в районе 80-100 Гц, взаимодействуя с деталями ФНЧ АС S-90. Но давайте послушаем умных людей.

Шкритек (см. литературу) приводит стандартный эквивалент нагрузки для проверки усилителей мощности (УМ):

Как видим, это эквивалент 6-омной АС, тип оформления – ЗАС с резонансной частотой около 50 Гц. Но что это? В схеме – живые катушка и конденсатор! Индуктивность звуковой катушки опущена, но всё же правильнее было бы добавить её последовательно с резистором 5,4 Ом. Вариант полной схемы эквивалента восьмиомного динамика от Селфа:

Первый и главный вывод: усилитель работает вовсе не на активную нагрузку, и все R в формулах надо менять на Z, комплексное сопротивление. Шкритек это давно сделал, я лишь приведу основные важные результаты. Увеличение пикового значения тока выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку – максимум в 5,6 раза:

Отала оценивает запас по пиковому значению в 6,6 раза «для наихудшего случая» (мой перевод с книги Селфа), а сам Селф рекомендует для дома как минимум двойной запас (2-3 раза). Отсюда растут ноги у схем, где по пять выходных транзисторов в параллель.

Второй вывод: комплексное сопротивление вблизи частоты основного резонанса динамика реально существует и влияет на характеристики подключенных устройств. В частности, горб АЧХ в НЧ звене тем больше, чем больше последовательная индуктивность в ФНЧ (в первую очередь) и чем больше конденсатор на землю после неё (влияние меньше), то есть, чем ближе частота среза ФНЧ к частоте основного резонанса ЗАС или ОЯ или к частоте верхнего горба ЧХ сопротивления ФИ. В двухполосных АС с частотой раздела выше 2 кГц эффект уменьшается до долей дБ и о нём можно забыть.

Третий вывод: при аварийных режимах типа щелчки коммутации в случае чрезмерно широкой полосы пропускания на ВЧ по входу, искрения или обрыва контактов АС запасённая в индуктивностях энергия может вызвать всплеск напряжения большого значения, выше допустимого для выходных транзисторов. Поэтому в усилителях для озвучивания часто включают два диода с шины выхода (после выходного развязывающего дросселя) на шины питания, которые в нормальном режиме под обратным напряжением и на работу не влияют. Не помешают они и домашнему.

Давайте посмотрим графики частотных характеристик (ЧХ) сопротивления разных АС.

S-30 (из Интернета). Имеем 4 зоны риска (показано красным).

Рассчитанная 15 АС-214 (доверительный интервал выше 200 Гц):

Весёлая получилась характеристика)

Рассчитанная S-50B (доверительный интервал выше 100 Гц):

Очевидно, что на ЧХ сопротивления при проектировании ЧиХали, благо, ГОСТ не был против! Кстати, западные стандарты – тоже.

Возьмём классику, S-90 без букв. Для упрощения я сделал её ЗАС с резонансной частотой около 35 Гц. Высота резонансного пика и крутизна скатов взяты приблизительно, выше 80 Гц – правда. Во всех дальнейших схемах трёхполосных АС в статье по умолчанию стоят схемы замещения динамиков, аналогичные данным. Схема для Мультисима:

Получаем частотную характеристику сопротивления:

Обратите внимание на провал при 6,5 кГц, вызванный «удачным» фильтром ВЧ полосы: там меньше 5 Ом активного сопротивления (при сопротивлении ВЧ динамика 15 Ом) при большой крутизне скатов. Теперь взгляните на совмещённые ЧХ сопротивления и АЧХ фильтров (масштаб по вертикали в децибелах, оранжевая линия – 86 дБ):

На пиках АЧХ фильтра имеем провалы Z-метровой характеристики, что вполне логично. Отсюда идея: пусть разделительные фильтры занимаются чем положено – разделением полос с минимальными выбросами АЧХ (и ФЧХ) при линейной суммарной Z-метровке, а коррекцией АЧХ пусть занимается параметрический эквалайзер, настроенный 1 раз по усреднённым в каналах проблемам в зоне прослушивания. Синтезируем схему такого чуда:

Схема монтажная, в Мультисим закладывалась с сопротивлениями катушек, конденсаторов и полными эквивалентными схемами динамиков. Его ЧХ сопротивления:

АЧХ фильтров:

Оценим остаточное влияние реактивности. Разница фаз между напряжением и током при комплексной нагрузке:

φ = arctg(XL/RL)

где XL – реактивная, а RL – активная составляющая комплексного сопротивления нагрузки.

Увеличение тока приблизительно обратно пропорционально косинус фи. Максимум XL/RL около частоты 200 Гц. В первом приближении здесь работают активное сопротивление звуковой катушки и катушки 1,2mH (2,9+0,3=3,2 Ом) и индуктивное сопротивление катушки 1,2 мГн (1,5 Ом на 200 Гц) Расчёт даёт сдвиг фазы 25 градусов и увеличение тока на 10%. Получаем тех же 3,2*0,9=2,9 Ома, это и будет АКТИВНОЕ сопротивление для расчёта усилителя под такую схему АС.

Теперь микрофоном измеряем АЧХ и настраиваем параметрический эквалайзер. Если что не понравилось в фильтре – начинаем всё сначала. Сложно и непривычно? Тогда поступим иначе: рассчитываем фильтр с нужной АЧХ и изначально хорошей Z-метровой характеристикой или же дорабатываем уже имеющийся. Вот, например, ЧХ сопротивления АС с фильтрами 1-го порядка из статьи NIVAGA больше не ENYGMA.

Как-то даже на душе потеплело… Но большинство динамиков не годится под первый порядок фильтра. Тогда вот, например, характеристика АС с фильтрами 2-го порядка из той же статьи (красная линия):

А теперь добавим 5 деталей, выделенных зелёным (результат – синяя линия, график тот же):

Ура! Теперь смело можно заявить, что у нас АС имеет сопротивление 4 Ома (±20%) в диапазоне 20-1200 Гц, а его комплексный характер не потребует увеличения запаса по току коллектора выходного транзистора больше тех же +20%, так как отношение реактивной составляющей к активной во всём звуковом диапазоне невелико. Рассчитываем усилитель на активное сопротивление 3,2 Ома (если не предполагается работа на неизвестные АС, конечно), что позволит сэкономить энное количество транзисторов + радиаторов и/или улучшить показатели усилителя и (спать) слушать спокойно, ибо +20% это Вам не 5 раз! Итак, есть несколько вариантов не наступить на грабли реактивного сопротивления, и все они осуществимы. Если Вам удалось уменьшить реактивную составляющую до приемлемой величины, то – получите Ваши бонусы: 1. Меньше требования к толщине соединительных проводов, в т. ч., внутри АС и УМ. 2. Ниже требования к величине номиналов и расположению блокировочных конденсаторов по шинам питания. 3. В случае применения датчика тока (для цепи ЭМОС, ПОСТ для создания отрицательного выходного сопротивления УМ или создания в УМ режима источника тока) выходное напряжение датчика гораздо меньше зависит от частоты, а при работе от УМ с высоким выходным сопротивлением (ламповым или ИТУН) – меньше и плавнее изменения АЧХ. 4. Меньше требования к запасу по перегрузке блока питания. 5. Стабильный коэффициент демпфирования на максимальной мощности. 6. Сопротивление на ультразвуковых частотах стабильно 20 Ом (для последней схемы). 7. Убирается горб на АЧХ в НЧ звене.

Касательно бонуса №7. Привожу расчётные АЧХ ФНЧ типа S-90, оформление ЗАС, Fр=35 Гц. Схема фильтра:

Зелёный цвет – с последовательным контуром, красный – без него (подписан выброс, возникающий из-за отсутствия резистора последовательно с 110 мкФ, есть в огромном количестве фильтров, поскольку – «и так сойдёт»):

Если же усилитель уже имеется и рассчитан, к примеру, с тройным запасом, то теперь можно будет либо оставить его как есть (все искажения, связанные с режимами больших токов, уменьшатся), либо сократить число выходных транзисторов до одного (при этом искажения уменьшатся у предвыходных каскадов, а выходной и предвыходной станут шустрее за счёт уменьшения ёмкостей => появится больший запас по фазе общей ООС). Кстати, об искажениях. Предполагаю, что такое выражение как «такой-то УМ с такой-то АС играет хорошо, а с вот такой – плохо» может объясняться отсутствием запаса по току выходного каскада при работе на разные АС, у которых разные ЧХ сопротивления. Уважаемый А.Сырицо в статье «Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку» выражает сходные мысли и приводит интереснейшую статистику по комплексному сопротивлению АС. Полезно сравнить нелинейные искажения готового усилителя при работе на активную нагрузку и на эквивалент громкоговорителя на разных частотах. Ведь все те 0,00…% измеряются НА РЕЗИСТОРАХ. Только не сожгите УМ.

Какие же значения перегрузок УМ по импульсному току и импульсной мощности для реальных схем АС?

  1. При подаче непериодического прямоугольного сигнала с временем нарастания фронта 100 мкс (и меньше) на цепь 6,8 Ом + 0,29 мГн последовательно (XL/RL=2,68 на частоте 10 кГц, 8-омная ШП головка мощностью порядка 20 Вт, без учёта основного резонанса) – 2,4 раза по току (Селф). При длительности фронта 500 мкс (сигнал без ВЧ составляющих) – 2,1 раза по току. Правда, Селф замечает, что вертикальные перепады уровня в музыке (он наблюдал рок) очень редки. В то же время, при синусоидальном сигнале в установившемся режиме на частоте 20 кГц наблюдалось уменьшение КГ до 5 раз! Остаётся сожалеть, что музыка – не непрерывный свист.)))
  2. Максимальное значение XL/RL для схемы эквивалента нагрузки с параметрами: активное сопротивление катушки 3 Ом, конденсатор 1000 мкФ, индуктивность 20 мГн, сопротивление параллельно контуру 25 Ом, рассчитанное коллегой в Маткаде, равно 1,48, сдвиг фаз 56о. При сопротивлении параллельно контуру 100 Ом – соответственно 2,9 и 71о. Рост пиковых значений предсказать не берусь, но он существенен даже в первом случае.
  3. В статье А.Сырицо при сдвиге фаз 60о увеличение пиковой мощности рассеяния транзисторов выходного каскада при синусоидальной форме сигнала составляет 3,1 раза, без увеличения пикового значения тока. Правда, он разрешает не увеличивать площадь теплоотводов, так как «одновременное уменьшение модуля сопротивления нагрузки и значительное изменение его фазы от частоты обычно наблюдается в достаточно узких диапазонах частот. Поэтому влиянием реактивности нагрузки при расчете тепловых режимов выходного каскада УМЗЧ можно пренебречь при работе с реальными источниками звуковых программ.» Если посмотреть статистику по зарубежным АС из его статьи, то можно сделать вывод: запас по пиковому току 2 раза и по пиковой мощности 3 раза для большинства АС западного производства того периода достаточен. Таким образом, критерием надёжности выступает пиковая мощность, а не ток.

Ну хорошо, RC-цепь поставить или сразу разработать фильтры с приятной ЧХ сопротивления на СЧ и ВЧ не очень сложно. Но последовательный контур на НЧ… Да, в небольшой корпус засунуть батарею в 300-500 мкФ и конский дроссель… Но если литров побольше + умеете снимать ЧХ сопротивления = можно пробовать Итак, начнём:

  1. Измеряем ЧХ сопротивления АС на НЧ, находим резонансную частоту, оцениваем крутизну скатов и высоту пика. Для ФИ и ПИ берём более высокий по частоте пик. Если ЧХ плавная или пик невысокий (если для этого специально ничего не делали, то для хорошего низа это может быть плохое предвестие!), то и выравнивать особо нечего, иначе п.2.
  2. Если есть симулятор (или знакомый-симулянт)), то подобрать параметры эквивалента НЧ головки до достаточного совпадения его ЧХ сопротивления со снятой ЧХ в районе пика. После чего добавляем в симуляторе последовательный контур и подбираем R, L и С. Практически линейная ЧХ не нужна, достаточно, чтобы она шла плавно и монотонно. Резистор при этом будет около 1,5*R катушки НЧ динамика, что облегчает задачу по созданию дросселя. На этом этапе стоит ещё раз подумать, надо ли оно Вам…
  3. Дроссель желателен с плавной регулировкой индуктивности. Номинал большой, но спасает значительное допустимое сопротивление = активному сопротивлению катушки НЧ головки. Есть два варианта: на железе с переменным зазором и две катушки, приближающиеся торцами, включенные согласованно. Первая предпочтительнее, так как можно мотать меньше витков более тонким проводом.
  4. Конденсаторы можно брать электролитические неполярные или полярные встречно включенные (потренировав их пару дней при номинальном напряжении для гарантии наличия диэлектрического слоя), их потери учтутся при настройке. Реактивная мощность важна, ток через них будет приличный, значит, габариты не должны быть мизерными. Помним, что они плывут со временем и при нагреве. Полярные периодически рекомендуется тренировать.
  5. Подключаем батарею конденсаторов, резистор, догоняющий активное сопротивление дросселя до расчётного, и настройкой дросселя выходим на нужную ЧХ. Заканчиваем подгонкой номинала добавочного резистора.
  6. Если симулятора или знакомого йок, подбор величин R, С и L – вручную методом приближения, долго.

Общие выводы:

  1. При расчёте УМ для работы на неизвестную нагрузку запас транзисторов выходного каскада по пиковому току принимать не меньше 2 раза, по пиковой рассеиваемой мощности – не меньше 3 раз.
  2. При расчёте УМ для работы на одиночный ШП динамик или на АС для озвучивания очень желательно устанавливать диоды с выхода УМ на шины питания.
  3. При работе на ШП динамик для выравнивания сопротивления на ВЧ эффективна RC-цепочка параллельно АС с номиналами порядка 2-3 мкФ и 20-30 Ом, можно прямо в корпусе УМ. Шикарно компенсирует индуктивность звуковой катушки до 1 мГн при номинальных 4 Ом (динамик порядка 50 Вт). Выравнивание сопротивления и на СЧ потребует подбора номиналов RC-цепочки.
  4. Разумное ограничение диапазона входных частот УМ – выгодно!
  5. При выравнивании ЧХ АС нет необходимости добиваться полной независимости сопротивления от частоты, достаточно, чтобы изменения с частотой были плавными. Так, в приведённом выше примере (синяя линия) сопротивление на СЧ и ВЧ плавно стремится от 4 Ом к 8 Ом, но это не скажется на работе УМ.
  6. При расчёте АС всегда обращайте внимание на её ЧХ сопротивления, не допуская резких пиков и провалов во всём звуковом диапазоне.
  7. Фильтры с ломаной АЧХ имеют, как правило, такую же ЧХ сопротивления, если не применялись особые меры по спасению.
  8. Неточности ±15% в номиналах цепочки для компенсации резонансного пика НЧ динамика дадут волнистость ЧХ, но практически не ухудшат соотношение XL/RL.
  9. Все проблемы с реактивностью АС начинают проявляться при мощности УМ не менее 50-75% от максимальной. Если так не слушаете – проблем не будет (кроме случая с ШП динамиком, тут пункты 2-4 актуальны).

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Международный стандарт IEC 263-3. Гл. 1, п. 6.
  2. А. Сырицо. Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку. Радио, №1 за 2004 год.
  3. M. Otalа, P. Huttunen, Peak current requirement of commercial loudspeaker systems, JAES (June 1987) 455. See Chapter 12, p. 294.
  4. Douglas Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. Fifth Edition.
  5. П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Москва, «Мир», 1991.

Автор работы: Николай Марков

25 комментариев: Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?

  1. Александр Бокарёв Ростов-на-Дону пишет:

    Проделанный труд вызывает уважение и благодарность. В самом деле, сколь угодно случаев, когда любимый домашний усилитель, радующий слух, совершенно отказывается работать в чужой домашке, на всяких экзотических джибиэлях . Да и хозяин экзотики сетует на нехватку мощности у его усилителей.
    Встречал не раз вариант колонки с RCL цепью на клеммах, обязанной выравнивать импедансный горб на стыке полос нч и вч в двухполоске. По идее, такая цепь устраняет выраженный окрас при работе от усилителя с ненулевым выходным сопротивлением( ламповый, например)На деле включение такой цепочки к уже настроенной акустике приводит к просадке отдачи на стыке и ухудшению звучания, оно становится тухлым и безжизненным.
    Эквивалент нагрузки по Шкритеку или Селфу вещь мудрая и нужная при сочинении и настройке усилителя, а подробный анализ аварийных ситуаций будет весьма полезен сочинителю схем , за что Николаю огромная благодарность. Другое дело, обретая знания, обретаешь скорбь и зная новые подводные камни, уже не хочется вообще что-то делать, все равно получится плохо.
    Кстати, кроме привычной проверки и измерения “на бревне” типа резистор, делаю проверку усилителя на вшивость на реальной акустике, подавая любимый тон 315 гц до появления искажений. И оказывается, что звук начинает портиться и менять тональность задолго до расчетного ограничения . Все это прекрасно слышно. К счастью, музыкальный сигнал прощает многие грехи усилителя и колонок, иначе постройка чего-то звучащего превратилась бы в кошмар и скорбь.

  2. Аудиостроитель пишет:

    “Цобель” на весь диапазон!
    А оно действительно нужно? Лично я так не думаю. Да и проблема “тугой” акустики и слабеньких (по току) усилителей не вчера возникла.

  3. Александр Ростов-на-Дону пишет:

    ШП цобель не нужен, там медная нахлобучка на керне делает дело, а взбрык импеданса внизу как бы мало кого колышет.
    А вообще, цобель нужен разве что успокоить лишнюю средину у басовика с тяжелой подвижкой, чтобы вторым порядком не получить конскую задержку и отстающий бас . Просто катушки не всегда хватает убрать шипение у этого басовика, а цобелёк делает это аккуратно и без выброса на верхнем срезе.

    • Аудиостроитель пишет:

      Но почему Динаудио цепочку Цобеля с готовыми параметрами “пихает” везде. Даже в чистые НЧ головы, да ещё и со своей фирменной “ПАС”?
      Рекомендация производителя с абсолютной репутацией на чём-то да основана ведь.
      И подвижка там лёгкая. Алюминиевые катушки, диффузор лёгкий с колпаком на “все деньги”,…..
      И играют “в полный рост”.

    • Andy_P пишет:

      Ну не у всех шириков медная нахлобучка, и даже с ней импеданс наверху далеко не равномерный, даже у крутых и недешевых.

    • Николай Марков пишет:

      Цобель для ШП нужен не для звука, а для защиты УМ.

  4. Александр Бокарёв Ростов-на-Дону пишет:

    Динаудио ни фига не лёгкие, потому цобель им по душе, сам пару лет назад выруливал двухполоску на 17см Динаудио, там ачх с ровным естественным спадом, а цобель лишь добирает спад на верхнем крае, сохраняя спокойную ясную средину. Вообще, офигенные динамики, им надо лишь пищалу низко работающую и диаметр басовика не разгонять, иначе получатся старшие модели с никаким звуком.

  5. Сергей Гудков пишет:

    Новый дизайн сайта? Есть такое дело настроил в усилителе защиту срабатывает при 90 Вт, настраивал на резисторе при синусоидальном сигнале. Но на колонках она срабатывает значительно раньше около 30 Вт, вот думаю из-за этого явления – реактивной составляющей и противо ЭДС в динамиках

    • Александр Бокарёв пишет:

      Мало того, что у динамика есть минимум импеданса на частоте электромеханического резонанса, так впридачу к нему бездарный НЧ фильтр с малой индуктивностью и конским конденсатором обваливают импеданс ниже плинтуса. Поэтому защита срабатывает раньше. Противоэдс тут не при чем.

      • ZLOIVOVAN пишет:

        Расскажите поподробней про: “у динамика есть минимум импеданса на частоте электромеханического резонанса”

        • Александр Бокарёв пишет:

          В учебнике его зовут омега э . Пик резонанса -электрический резонанс, параллельный, а провал импеданса- электромеханический резонанс, причем, сдвиг фазы на обоих частотах нулевой. У динамика частота электромеханического резонанса приходится герц на 150-250. она совпадает с ямой на Z -кривой правее пика

          • ZLOIVOVAN пишет:

            Скиньте ссылочку где именно прочитать про электромеханический резонанс в динамике.

            • Александр Бокарёв Ростов-на-Дону пишет:

              Про это есть в книге Ирины Аркадьевны Алдошиной Громкоговорители. Нужно искать страницу и чемоданную формулу с этим параметром. Получится- дам координаты. ))))

              • ZLOIVOVAN пишет:

                Спасибо! Скачаю – почитаю. Честно сказать не подозревал о существовании еще и этого вида резонанса в динамиках . С механическим более или менее понятно, а с этим одни вопросы.

        • Чалов Денис пишет:

          Вкратце – это резонанс наоборот. На основном резонансе пик импеданса, на эм резонансе – минимум. Частота, выше основной резонансной, на которой у головы минимальное сопротивление. Это происходит по той причине, что основной резонанс – это резонанс параллельного контура, а эм резонанс – последовательного.

          • Александр Бокарёв пишет:

            именно так, потому что эквивалентная электрическая схема динамика это два соединенных LC контура, параллельный и последовательный и у каждого свой резонанс и значение импеданса на резонансе.

    • LDS пишет:

      Нет, только пробую новые комментарии, пока все тестово. Скорее всего вернемся на стандарт.

      • Opt1mist пишет:

        Мне как регулярному посетителю понравилось новое оформление) прошу не рубить с плеча

        • LDS пишет:

          Спасибо, но вернемся на старое. Не смотря на удобство, все плагины имеют проблемы и меня, как админа, полностью не устраивают.
          Добавлена возможно вставки картинки в коммент, остановимся пока на этом.

          • Александр Бокарёв пишет:

            Как я есть махровый ретроград, то и старое оформление мне совершенно по душе. Строго, конкретно, без этих ваших.
            Хотя, по нашей стремительно меняющейся действительности, к какой только лабуде не приходится привыкать……А куда денешься?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *