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:
Оценим остаточное влияние реактивности. Разница фаз между напряжением и током при комплексной нагрузке:
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?
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:
Общие выводы:
46 комментариев: Реактивное сопротивление АС: с чем едят и что делать?
“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.
Тема: Изменить сопротивление АС
Опции темы
Возможно-ли изменить сопротивление АС? Ресивер 6-12Ом,а у акустики 4ома.
Если не топить на полную мощность,то усил потянет,в ином случае менять НЧ динамики с большим сопротивлением и переделывать фильтра.
Дык лучше походу новую ссобрать.
А какую нить катушку намотать или прилипить навходе?
да че ты паришься. говорят же усилок потянет. если же тебе надо слишком громко и много, тогда прийдется купить другой или другие
У меня схожий вопрос. В моей стереосистеме четыре колонки (две фронтальные и две тыловые) и надо приглушить тыловые, чтобы они не заглушали основные. Оммическое сопротивление у всех четырех одинаковое, 8 Ом, но чувствительность у тыловых повыше, потому и звучат громче. Просто поменять колонки местами нельзя, т.к. они разные не только по качеству и стоимости (фронтальные, понятно, лучше), но и по габаритам: одни не встанут на место других.
А каким образом к Стерео (ДВУХканальному) усилителю (если «система» действительно только «стерео») подключены ЧЕТЫРЕ колонки? Каждая фронтальная в параллель с соответствующей тыловой?
Да элементарно: усилитель имеет четыре выхода на колонки, два стереоканала запареллелены. И каждая фронтальная колонка в параллели с соответствующей тыловой.
Это вредный совет, много раз уже осужденный.
Звучит, кстати, прикольно! Делал когда-то, но о-о-о-чень давно это было.
Да я тоже так делал с последовательно включенным реостатом Ом на 30.
, не забывайте что вообще-то акустика расчитывалась на очень маленькое сопаротивление усилителя. А вы его резко в сотни раз повышаете.
У меня не ресивер, а классический интегральник. Регулировки фронт-тыл нет, а есть обыкновенная: левый-правый каналы. А установка резисторов может привести к ухудшению демпфирования и, следовательно, к бубнению басов.
Пробовал я так. Мне не очень понравилось. Всё таки АВС мне больше душу греет. Индуктивность и сопротивление от минусов тылов на массу. Да и расположение слушателя более свободное относительно излучателей.
