Зазвичай для тестування підсилювачів використовується синусоїдальний сигнал. Він же часто застосовується і для вимірювання максимальної вихідної потужності. Реальний музичний (і взагалі звуковий) сигнал має одне важлива відмінність: він дуже динамічний. На рис. 31 показані осцилограми синусоїдального (ліворуч) та музичного (праворуч) сигналів. Добре видно, що музичний сигнал більшу частину часу має маленьке значення, зате в деякі моменти часу проходить великий імпульс напруги. Показаний на малюнку сигнал – самий справжній. Насправді він був спеціально вибраний саме через його такою гарною наочності. У інших музичних сигналів осцилограма інша, але принцип і основні параметри такі ж. Важливий момент – цей музичний фрагмент має однакову (максимальну) гучність. Зазвичай гучність музики максимальна не весь час, тому те, що я про неї зараз розповім, проявляється в ще більшій мірі. На перший погляд навіть не дуже віриться, що середній рівень музичного сигналу так малий. Але це тому, що осцилограма сильно стиснута по горизонталі. Якщо її розтягнути (рис. 31 внизу), то стає добре видно, що амплітуда майже весь час “бовтається” біля нуля. Якщо б можна було зобразити в такому розтягнутому вигляді весь сигнал, то він майже весь час мав би маленьку амплітуду з досить рідкісними сплесками.

Загального у цих синусоїдального та музичного сигналів – тільки масштаб по вертикалі на осцилограмі. Причому максимальні значення обох сигналів збігаються. Чому? Це важлива умова і наріжний камінь всієї теорії. Максимальне значення

– це єдина річ, що залежить тільки від підсилювача (а не від сигналу). Ви ж пам’ятаєте, що максимальна вихідна напруга підсилювача обмежена напругою живлення? Ось під це значення вихідної напруги сигнал і масштабувати. Сенс такий: регулятором гучності ми встановили максимально можливу гучність (і вихідну, а значить і споживану підсилювачем потужність), щоб не відбувалося обмеження сигналу.

Після того, як зрівняли максимальну амплітуду сигналів, порівняємо їх середньоквадратичне значення. Середнє значення кожного з сигналів показано на осцилограмі пунктирною лінією (для звукового сигналу – На нижньому малюнку, щоб було краще видно). Очевидно, що середнє значення звукового сигналу набагато менше, ніж синусоїдального.

Для оцінки таких ось сильно змінних сигналів використовується поняття пік-фактора (crest-factor в англомовній літературі). Це відношення максимального по модулю значення до середньоквадратичного (тобто чинному). У випрямлячах використовується не чинна, а середнє значення, але з допустимою похибкою для них можна застосовувати пік-фактор, вважаючи його рівним відношенню максимальної амплітуди до середнього значенням. Саме в такому сенсі я і буду його використовувати.

Для цього музичного фрагмента пік-фактор дорівнює 16 дБ, що означає, що максимальне значення більше середнього в 6,3 рази.

Децибел – одиниця вимірювання співвідношення величин, рівна 20 lg (X1/X2). Вимірювання відносин не в “разах”, а в децибелах дуже зручно – тоді як “рази” перемножуються, децибели складаються.

І дійсно, пік-фактор для музики лежить в межах від 8 … 10 дБ (2,5 … 3 рази) для “ді-джейський” музики, до 16 … 20 дБ (6. .. 10 разів) для класики. Це для гучних місць. А самі тихі місця мають рівень ще в 2 … 3 (сильно компрессированний поп-і DJ-музика), а то і в 100 разів (симфонічна класика) менше!

Виникає спокуса зробити музичний сигнал голосніше, щоб підвищити його середній рівень. А не можна! Ви ще не забули, що в навантаження йде напруга з джерела живлення? Тому отримати в навантаженні напруга більше, ніж він дає, неможливо! Тут гучність вже встановлена ​​максимальна – така, щоб в точності відтворити піки сигналу. Якщо додамо гучність – ці піки обріжуть, так як напруги джерела живлення стане недостатньо для їх відтворення. А обрізання піків сигналу – це спотворення, які нам зовсім не потрібні.

Отже, що ж у нас виходить? А виходить, що середня потужність музичного сигналу як мінімум в 4 … 8 разів менше, ніж максимальна, і в 3 … 6 разів менше, ніж середня у синусоїди. І це при максимальній гучності! А що буде, якщо зробити тихіше? А якщо ще врахувати динамічний діапазон музики – не завжди ж вона гучна, є і середні, і тихі місця. Тобто, крім пік-фактора, на середню вихідну, а значить, і споживану від джерела, потужність впливає і динамічний діапазон самої музики, і рівень гучності, з яким ми її слухаємо. І все це впливає тільки в одну сторону – в сторону зменшення споживаної потужності!

Тому робота блоку живлення, навантаженого на підсилювач, принципово відрізняється від роботи блоку живлення, навантаженого на резистор. Та й робота підсилювача на музичному сигналі відрізняється від посилення синусоїди.

На такому сигналі ролі елементів блоку живлення у формуванні просадки кілька перерозподіляються. На трансформатор доводиться середнє значення струму, і падіння напруга на обмотках в середньому невелике. І відповідно невеликі і просадки напруги на трансформаторі (це в порівнянні з посиленням синусоїди і в порівнянні з навантаженням блоку живлення резистором). Як і нагрівання обмоток, який більшою мірою визначається середнім струмом. А ось роль конденсаторів зростає – ці могутні імпульси струму в навантаженні підтримують саме вони. Тому енергія, запасається в конденсаторах фільтра повинна бути достатньою для імпульсного живлення навантаження.

І бюджет просадок напруги на музичному сигналі тепер інший (рис. 32). Великі просадки на конденсаторі – це наслідок його розряду на піках гучності. Така робота конденсатора є нормальною при посиленні музики. А частка трансформатора дещо знизилася.

речі, зверніть увагу, що втрати напруги на діодах досить великі, щоб мало сенс про них піклуватися.

Джерело: Рогов І.Є. Конструювання джерел живлення звукових підсилювачів. – Москва: Инфра-Інженерія, 2011. – 160 с.