Прийнято вважати, що вихідний опір підсилювача потужності має бути мінімальним, по можливості нульовим. Навіть існує такий параметр підсилювача - коефіцієнт демпфірування Кд, рівний відношенню опору навантаження до вихідного опору підсилювача. У деяких з них цей коефіцієнт сягає десятків і навіть сотень, але відноситься він виключно до підсилювача. Якщо ж розглянути систему підсилювач + гучномовець в цілому, то слухач не помітить різниці в звучанні при Кб = 100 і Кд = 1000 підсилювача потужності, так як при цьому не враховується опір акустичних проводів і контактів роз'ємів, яке в сумі рідко буває менше 0,1 Ом. Якщо ж врахувати ще й відвертий спротив розділення каналів (кросовера) АС, стає ясно, що, починаючи з деякого значення, з ростом Кд, збільшення демпфірування не буде, і звучання в цілому не зміниться. Тому прагнення за всяку ціну підвищити зазначений коефіцієнт вище розумної межі - ніщо інше, як маркетинговий хід.
Підвищений вихідний опір підсилювача має ряд переваг:
- Зниження гармонійних і інтермодуляціонних спотворень у багатьох недорогих головок.
- Зменшення впливу термокомпрессіі головок гучномовців.
- Поліпшення роботи УМЗЧ на комплексну навантаження, якою є АС.
- Зменшення впливу з'єднувальних проводів і контактів на звучання АС.
Крім достоїнств виявляються і деякі недоліки:
- При вихідному опорі підсилювача, порівнянному з опором навантаження, внаслідок неузгодженості фільтрів сумарна АЧХ многополосной АС зазвичай погіршується (про це докладніше в продовженні: УМЗЧ з регульованим вихідним опором).
- Більшою мірою виявляються всілякі локальні резонанси, наприклад при випромінюванні звуку дифузором в зонному режимі.
- Потрібно забезпечення запасу по вихідній напрузі УМЗЧ поблизу резонансної частоти НЧ головки [4].
- Ймовірно поява «бурмотіння» на НЧ через підвищення електричної добротності гучномовця на частоті основного резонансу.
Зазначені недоліки не є суттєвими. Перший з них принципово відсутній в многополосних підсилювачах, другий впливає слабо в разі, якщо вихідний опір невелика, і дозволяє при необхідності розширити зону спільної роботи в многополосной АС. Третя вада легко врахувати на етапі проектування підсилювача.
Цікаво відзначити вплив вихідного опору на нерівномірність АЧХ АС. При русі звукової котушки в магнітному полі в ній наводиться ЕРС Евн (рис.1). Оскільки ланцюг є замкнутої через опір звукової котушки і вихідний опір підсилювача, в ній виникає струм Iдем. Цей струм взаємодіє з магнітним полем і з'являється гальмівна сила, яка демпфує рухливу систему, протидіючи руху дифузора. Збільшення вихідного опору підсилювача зменшує демпфуючий струм, роблячи рух дифузора більш вільним, і в результаті змінюється сумарна АЧХ. Добре це чи погано, залежить від повної добротності головки НЧ, оптимальне значення якої - в межах 0,6 ... 0,8. При меншій добротності спостерігається спад АЧХ на нижчих частотах, при більшій - підйом АЧХ, що викликає «бурмотіння» (рис.2). Графіки на цьому малюнку побудовані для акустичного оформлення «закритий ящик» (ЗЯ). Для фазоінвертора або, наприклад, смугового резонатора залежність АЧХ від зміни добротності НЧ головки виглядає не так однозначно, оскільки є функцією великого числа змінних, але принцип зберігається. Тому має сенс прагнути до підйому АЧХ АС з нізкодобротного головкою, а такі АС поширені серед саморобних конструкцій. Крім того, при конструюванні активної АС корисно використовувати управління електричної добротністю головки для оптимізації АЧХ в ящику заданого обсягу [5].
Таким чином, зовсім необов'язково вихідний опір підсилювача має бути нульовим. Але воно не обов'язково має бути і нескінченно великою, як у випадку застосування Ітун (джерела струму, керованого напругою). Зазвичай істина десь поруч: для кожного комплекту підсилювач + гучномовець існує оптимальне значення вихідного опору підсилювача; тільки потрібно його визначити.
Тому дуже зручно мати можливість регулювати вихідний опір підсилювача в широких межах; зазвичай ж вихідний опір або дуже мало в звичайних підсилювачах, або дуже велике в УМ - Ітун. Для цієї мети можна використовувати комбіновану - по напрузі і по струму - негативний зворотний зв'язок. Таке рішення має ряд важливих переваг:
- Необхідне вихідна опір можна підібрати для будь-якого підсилювача, незалежно від його схемотехніки, (промислового або саморобного) після невеликого доопрацювання.
- Вихідний опір не залежить від АЧХ підсилювача з розімкнутої петлею ООС, так як обидві зворотні зв'язки працюють одночасно і спільно.
- Вихідний опір підсилювача може приймати будь-які розумні значення, дозволяючи знайти той самий оптимум, що дає найкращу якість звучання. Зазвичай цей оптимум відповідає порівняно невеликому вихідного опору, приблизно рівному опору навантаження [6].
- Доопрацювання підсилювача для підвищення вихідного опору доступна радіоаматорам будь-якої кваліфікації, що дозволить їм ближче познайомитися з цією цікавою стороною взаємодії УМЗЧ з навантаженням.
Цікаво, що при конструюванні високоякісної акустичної системи, призначеної для роботи від Ітун [7], реальне вихідний опір, чинне по відношенню до голівок, склало 5. 15 Ом, і саме таке (невелике) опір було визнано оптимальним!
Побудова ланцюгів комбінованої ООС для неинвертирующего і инвертирующего підсилювачів показано на рис.3. Тут резистор R1 формує ланцюг ООС по напрузі (ООСН). Резистор R - датчик струму, що протікає через опір навантаження Rн. Напруга з резистора R, пропорційне току навантаження, подається на інвертується вхід підсилювача через резистор R2, здійснюючи ООС по току (ООСТ). Від співвідношення опорів всіх цих резисторів залежить вихідний опір Rвих підсилювача і його коефіцієнт посилення Ку. Опір резистора R має бути якомога менше, щоб не знижувати ККД підсилювача (підвищення вихідного опору з допомогою комбінованої ООС майже не впливає на ККД підсилювача). Очевидно, що значення Rвих в будь-якому випадку не може бути менше опору R.
Таким чином, легко отримати потрібний вихідній опір в будь-якому підсилювачі. Для цього його необхідно доповнити резисторами R і R2 з потрібним опором. Приклад залежності коефіцієнта посилення Ку і вихідного опору Rвих підсилювача від глибини ООСТ показаний на рис.4 для неінвертуючий підсилювача, і на рис.5 - для инвертирующего.
Рис.4. (Неинвертирующий підсилювач)
Рис.5. (Інвертується підсилювач)
Цікаво, що для неінвертуючий підсилювача існує співвідношення опорів резисторів ланцюгів ООС
при якому Ку не залежить від значення R2. Цим зручно користуватися при доопрацюванні вже існуючих підсилювачів. При іншому співвідношенні опорів Ку може збільшуватися або зменшуватися з ростом R2.
Розрахунок комбінованої ООС досить трудомісткий, і для його полегшення пропонується програма combinOS.exe. Програма дозволяє розраховувати ланцюга ООС як неинвертирующего, так і инвертирующего підсилювача і виконує три варіанти розрахунку в залежності від поставленого завдання.
Варіант 1. При доопрацюванні існуючого підсилювача ланцюгом ООСТ для отримання необхідного значення Rвих всі елементи ланцюга ООСН передбачаються відомими. Також задається опір струмового датчика R, воно вибирається з міркувань допустимої потужності, що розсіюється. В результаті розрахунку виходить необхідне значення опору R2 і вийшов при введенні додаткової ланцюга ООСТ коефіцієнт посилення Ку.
Варіант 2. При конструюванні підсилювача з заданим Rвих задаються значення Ку, Rвих і обчислюються необхідні значення R1 і R2.
Варіант 3. Для оцінки параметрів підсилювача з відомою схемою задаються номінали всіх елементів ланцюгів ООС і обчислюються значення Rвих і Ку, відповідні такою схемою.
Приклад вікна програми для розрахунку неінвертуючий підсилювача показаний на рис.6.
Властивість неінвертуючий підсилювача зберігати незмінним коефіцієнт посилення при зміні глибини ООСТ, а значить і вихідного опору, можна використовувати для створення підсилювачів з оперативно регульованим вихідним опором. В [8] наведено приклад, коли для відтворення музики певного жанру підбиралось відповідне вихідний опір. Це дозволяло домогтися кращого (за суб'єктивною оцінкою) якості звучання. На рис.7 показана спрощена схема введення регулятора вихідного опору для підсилювача, описаного в [9]. З схему додано три елементи (див. Рис. 7): резистори R21 і R22, які спільно утворюють резистор R2 на рис. 3, а також датчик струму навантаження - резистор R = Roc · Rн / R1. Резистор R21 обмежує діапазон регулювання вихідного опору максимальним значенням 8 Ом (подвоєним опором навантаження) при установці движка R22 в крайнє ліве за схемою становище. Мінімальна вихідна опір підсилювача дорівнює 0,6 Ом. Для лінійного регулювання змінний резистор повинен мати плавне регулювання опору поблизу його мінімального значення. Для цього використовують змінний резистор групи B, якщо при обертанні за годинниковою стрілкою його опір збільшується, а вихідний опір підсилювача зменшується, або групи Б, якщо при обертанні за годинниковою стрілкою його опір зменшується, а вихідний опір при цьому зростає. Для стереофонічного підсилювача використовуються здвоєні резистори.
Користуючись запропонованою програмою, легко розрахувати подібний регулятор для будь-якого підсилювача.
Крім того, програма доповнена розрахунком АЧХ гучномовця в акустичному оформленні «закритий ящик» при підключенні його до підсилювача з ненульовим вихідним опором (рис.8). Такий розрахунок є особливо актуальним при конструюванні сабвуферів з нізкодобротного головками (з великим ходом рухомої системи). У прикладі використані параметри сабвуферной головки Peer less 830452. Червона лінія на рис. 8 показує, що навіть в ящику невеликого обсягу (50 дм3) нижня робоча частота становить 103 Гц (!) При резонансній частоті головки 19 Гц. З такою АЧХ цей гучномовець віднести до сабвуферам просто неможливо. Зменшення обсягу ящика збільшує добротність Qtc АС і зменшує нижню частоту. Але і ККД сабвуфера знижується пропорційно обсягу корпусу (програма ілюструє тільки зміна частотного діапазону і не враховує зміну ККД АС при корекції будь-яких параметрів). Добре видно, що застосування підсилювача з вихідним опором 6 Ом дозволяє отримати нижню межу частотного діапазону в цьому ж корпусі, що дорівнює 30 Гц!
Важливо відзначити, що розрахунок модуля АЧХ не ставить за мету повний розрахунок АС. Він носить ілюстративний характер, виробляючи розрахунок за формулами «з підручника», і враховує тільки три основних параметри головки і обсяг корпусу гучномовця, залишаючи «за бортом» всі інші параметри, а також такі фактори як заповнення корпусу звукопоглинальним матеріалом або виникнення стоячих хвиль в корпусі . Тому результати - не догма, а керівництво до дії. Як приклад дії можна порекомендувати промоделювати вплив вихідного опору підсилювача на АЧХ АС у відповідній програмі (JBL SpeakerShop, LspCAD, LEAP, і т. П.). При моделюванні вихідний опір підсилювача додається у відповідному фільтрі або просто додається до активного опору головки.
Таким чином, представляється оптимальним такий спосіб корекції. Спочатку вибором відповідного вихідного опору підсилювача забезпечується найкращий набір акустичних параметрів, а потім отримана характеристика доводиться до бажаної допомогою еквалізациі, наприклад, коректором Лінквіца. Цей висновок підтверджений експериментально - поєднання оптимально вихідного опору підсилювача з коректором Лінквіца і нізкодобротного АС було однозначно визнано найкращим (в сліпому тесті) в порівнянні з використанням одного тільки коректора; в обох випадках АЧХ гучномовця були однакова. Примітно, що в розрахунку коректора Лінквіца [11] є можливість задати вихідний опір підсилювача і тим самим підібрати дійсно оптимальну корекцію.
Залишається додати, що підвищений вихідний опір - не самоціль, і застосовувати його слід тільки там, де воно безсумнівно буде дуже корисним.
І нарешті, коротко про коефіцієнт посилення Ку, що видається програмою. Строго кажучи, його значення залежить від опору навантаження. Щоб уникнути численних «якщо» і «чому», значення Ку обчислюється як відношення напруги на навантаженні (заданого в програмі опору Rн) до вхідній напрузі.
Крім безперечних достоїнств, програма має і недолік: розрахунок проводиться для активного опору навантаження (в програму вводиться модуль його імпедансу). При реактивному характері навантаження реальне вихідний опір підсилювача виходить на 5. 15% менше розрахованого, якщо фазовий зсув досягає 30 градусів.
Програма дозволяє зберігати отримані результати в текстовому (елементи ланцюгів ООС і параметри гучномовця) і графічному (схема підсилювача і графіки АЧХ) форматах.
5. Виноградова Е. Л. Конструювання гучномовців із згладженими частотними характеристиками. - М. Енергія, 1978.