Мостовые и параллельные усилители

Несколько электронных усилителей могут быть подключены таким образом, чтобы они управляли одной плавающей нагрузкой (мост) или одной общей нагрузкой (параллельно), чтобы увеличить количество мощности, доступной в различных ситуациях. Это часто встречается в аудиоприложениях .

Обзор

Мостовой или параллельный режимы работы, обычно с использованием усилителей мощности звука, представляют собой методы использования двух или более идентичных усилителей для одновременного управления одной и той же нагрузкой. Это возможно для комплектов моно-, стерео- и многоканальных усилителей, поскольку выходы усилителей объединяются в зависимости от нагрузки. В зависимости от метода объединения отдельных усилителей, мостового или параллельного подключения, могут достигаться различные цели усиления. В результате получается усилитель, который можно дополнительно комбинировать с помощью мостового или параллельного подключения. Этот подход может быть полезен для управления нагрузками, для которых использование несимметричного усилителя невозможно, непрактично или менее рентабельно.

Мостовой усилитель

Мостовая нагрузка (BTL), также известная как мостовая бестрансформаторная схема и мостовая моносистема , представляет собой выходную конфигурацию аудиоусилителей , форму импедансного мостового соединения, используемую в основном в профессиональных аудиосистемах и автомобилях. ^{[ 1 ]} На два канала стереоусилителя подается один и тот же монофонический аудиосигнал одного канала с обратной электрической полярностью . Громкоговоритель перемыкая подключается между двумя выходами усилителя, выходные клеммы. Это удваивает доступный размах напряжения на нагрузке по сравнению с тем же усилителем, используемым без мостовой схемы. Конфигурация чаще всего используется для сабвуферов . ^{[ 2 ]}

При заданном размахе выходного напряжения чем ниже импеданс, тем выше нагрузка усилителя. Мостовое соединение используется, чтобы позволить усилителю передавать низкие нагрузки на более высокую мощность, поскольку мощность обратно пропорциональна импедансу и пропорциональна квадрату напряжения, согласно уравнению $P=V^{2}/R$ . Это уравнение также показывает, что мостовое соединение увеличивает теоретическую мощность усилителя в четыре раза, однако это верно только для достаточно низких нагрузок. Например, для нагрузок, в которых усилитель достигает своего полного потенциала в несимметричном режиме, мостовое усиление невозможно. Это связано с тем, что усилитель может иметь ограничения по току. В практических приложениях неадекватное рассеивание тепла и питание также ограничивают увеличение мощности, хотя, если в мостовых усилителях используются отдельные источники питания, что типично, предельным увеличением для высоких нагрузок является удвоение мощности, поскольку каждый усилитель выдает только половину общей мощности. .

Типовая схема

Пример: На изображении показаны два одинаковых усилителя A1 и A2, подключенных в мостовом режиме. Система устроена таким образом, что выходы усилителей инвертированы относительно друг друга. Другими словами, поскольку сигнал в одном усилителе имеет положительное колебание, сигнал в другом имеет отрицательное колебание. Когда на выходе одного усилителя будет +10 В, на выходе другого будет -10 В, и наоборот. Нагрузка подключается между «горячими» (часто красными) выходами двух усилителей и подвергается воздействию разности потенциалов между ними. Если мгновенный потенциал на выходе одного усилителя равен +10 В, то на выходе другого будет -10 В, а разность потенциалов на нагрузке составит 20 В, что вдвое больше потенциала, доступного от одиночного усилителя. усилитель.

^{[ 3 ]}

Обеспечение противофазного входного аудиосигнала может быть обеспечено несколькими способами, которые требуют соответствующих знаний и навыков.

путем внутренней модификации, такой как описанная Родом Эллиотом на https://sound-au.com/project20.htm ;
с помощью простой схемы активного фазоделителя, внешней по отношению к усилителю;
с помощью входного аудиотрансформатора с разделением фазы, внешнего по отношению к усилителю.

Преимущества и недостатки

Поскольку два усилителя используются в противоположной полярности и используют один и тот же источник питания, мостовой выход является плавающим. Это делает ненужным блокирующий конденсатор постоянного тока между усилителем и нагрузкой, что экономит затраты и пространство, а также позволяет избежать снижения мощности на низкой частоте из-за конденсатора. ^{[ 4 ]} По этой же причине выходы усилителя никогда не следует заземлять, иначе это может привести к повреждению усилителя. Коэффициент демпфирования снижается вдвое, что положительно сказывается на подаче мощности. ^{[ 5 ]}

Особенности конструкции усилителя

На форумах аудиочатов некоторые любители утверждают, что работа стереопары усилителя в мостовом режиме обеспечит в четыре раза мощность одного из каналов пары. При эквивалентной нагрузке передаваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения, а работа в мостовом режиме удваивает подаваемое напряжение. Исходя из этого, пара каналов усилителя, работающих в мостовом режиме, должна обеспечивать в четыре раза большую мощность, чем один усилитель, при той же нагрузке. Однако при этом игнорируется важное соображение: поскольку разность потенциалов на нагрузке удваивается, ток, проходящий через нагрузку (и через каждый из выходов усилителя), также удвоится.

Схемы усилителей обычно разрабатываются с использованием самых дешевых компонентов, необходимых для обеспечения желаемых рабочих характеристик. Компоненты, передающие выходной ток усилителя, будут, как правило, самыми маленькими (дешевыми), которые будут удовлетворять пиковому потреблению тока, когда усилитель работает на максимальной мощности в расчетном режиме работы. Работа усилителя, предназначенного для одиночной работы, в мостовом режиме будет означать, что пиковый ток в компонентах, управляющих выходным сигналом, может вдвое превышать тот, на который они изначально были рассчитаны.

Если компоненты смогут справиться с дополнительным током, превышающим пиковый ток, ожидаемый для автономной работы, можно будет достичь большей мощности. Но в общем случае можно ожидать, что усилитель будет работать только так, как указано, и его эксплуатация за пределами спецификации приведет к повышенному риску необратимого повреждения схемы усилителя.

Таким образом, если усилитель, предназначенный для работы в одиночном режиме, должен быть перепрофилирован для работы в мостовом режиме, сопротивление нагрузки следует удвоить. Это должно означать, что потребляемый ток остается в пределах конструкции усилителя. В этом сценарии мощность, передаваемая парой мостовых усилителей, будет в два раза превышать мощность, передаваемую одним каналом усилителя.

^{[ 5 ]}

Однако в некоторых сценариях усилители предназначены специально для работы в мостовом режиме. Такие усилители специально предназначены для выдачи необходимого тока. В таких системах мостовая пара сможет обеспечить в четыре раза большую мощность, чем один канал усилителя. Опция мостового режима часто используется в системах громкой связи и особенно в автомобильных аудиосистемах для подачи басов на громкоговорители высокой мощности.

Автомобильные усилители звука обычно имеют только условное напряжение питания 13,8 В, что обычно ограничивает размах напряжения на выходе до + и – 6,9 В. Хотя можно было бы достичь более высоких перепадов напряжения с помощью таких средств, как преобразование напряжения питания из постоянного тока в постоянный , использование мостовой конструкции позволяет увеличить размах напряжения в два раза при более простой и более дешевой конструкции. Эта конструкция также повышает эффективность за счет исключения потерь мощности преобразователя.

Параллельный усилитель

В конфигурации параллельного усилителя используется несколько усилителей, подключенных параллельно, т. е. два или более усилителей, работающих синфазно на общую нагрузку.

В этом режиме доступный выходной ток удваивается, но выходное напряжение остается прежним. Выходное сопротивление пары теперь уменьшено вдвое.

На изображении показаны два идентичных усилителя A1 и A2, подключенные параллельно. Эта конфигурация часто используется, когда один усилитель не может работать с нагрузкой с низким импедансом или необходимо уменьшить рассеивание на усилитель без увеличения импеданса нагрузки или уменьшения мощности, подаваемой на нагрузку. Например, если два идентичных усилителя (каждый рассчитан на работу с сопротивлением 4 Ом) подключены параллельно к нагрузке 4 Ом, каждый усилитель воспринимает эквивалент 8 Ом, поскольку выходной ток теперь распределяется между обоими усилителями — каждый усилитель обеспечивает половину тока нагрузки. , а рассеивание на усилитель уменьшается вдвое. Эта конфигурация (в идеале или теоретически) требует, чтобы каждый усилитель был точно идентичен другому(ам), иначе они будут восприниматься друг для друга как нагрузки. Практически каждый усилитель должен удовлетворять следующим требованиям:

Каждый усилитель должен иметь как можно меньшее выходное смещение постоянного тока (в идеале нулевое смещение) при отсутствии сигнала, в противном случае усилитель с более высоким смещением будет пытаться подать ток в усилитель с меньшим смещением, тем самым увеличивая рассеивание. Равные смещения также неприемлемы, поскольку это приведет к нежелательному току (и рассеянию) в нагрузке. Это решается добавлением к каждому усилителю схемы обнуления смещения.
Коэффициенты усиления усилителей должны быть максимально согласованы, чтобы выходы не пытались возбуждать друг друга при наличии сигнала. Простым и надежным решением является использование параллельных повторителей напряжения , которые по своей конструкции имеют единичный коэффициент усиления, управляемый общим каскадом усиления напряжения.

Кроме того, небольшие резисторы (намного меньшие, чем сопротивление нагрузки, не показано на схеме) добавляются последовательно с выходом каждого усилителя, чтобы обеспечить правильное распределение тока между усилителями. Эти сопротивления необходимы, поскольку выходное сопротивление двух усилителей не будет полностью идентичным из-за производственных различий. Введение выходных резисторов изолирует этот дисбаланс и предотвращает проблемное взаимодействие между двумя усилителями.

Другой метод параллельного подключения усилителей — использование управления током. При таком подходе точное согласование и сопротивления не требуются.

Мостовой параллельный усилитель

Топология усилителя с мостовым параллельным соединением представляет собой иерархическую комбинацию топологий мостового и параллельного усилителей, в которой для создания одного канала с параллельным мостом требуется как минимум четыре несимметричных канала. Две топологии дополняют друг друга тем, что мостовое соединение обеспечивает более высокое выходное напряжение, а параллельное соединение обеспечивает пропускную способность по току, необходимую для управления низкими импедансами, типичными для сабвуферов. Он чаще используется с усилителями мощности IC со стереовыходами, работающими в мостовом режиме. ^{[ 6 ]} Из предыдущих разделов видно, что мостовая конфигурация из двух каналов усилителя обеспечивает в четыре раза большую мощность и удваивает рассеиваемую мощность. Параллельная конфигурация двух каналов усилителя обеспечивает одинаковую мощность и вдвое снижает рассеиваемую мощность. Таким образом, когда обе конфигурации объединяются в наборе из четырех несимметричных усилителей, выходная мощность увеличивается в четыре раза, но рассеиваемая мощность каждого составного усилителя не увеличивается, и проблемы с теплом решаются легче.

Практическое применение

Стерео усилители

Два идентичных усилителя чаще всего встречаются в общем корпусе с общим источником питания и обычно рассматриваются как стереоусилитель. Любой обычный стереоусилитель может работать в мостовом или параллельном режиме при условии, что общие клеммы громкоговорителя (обычно черные) подключены к общей шине заземления внутри усилителя. Это превратит стереоусилитель в моноусилитель.

Некоторые двухканальные усилители или стереоусилители имеют встроенную возможность работать в мостовом режиме, используя переключатель и соблюдая входные и выходные соединения, подробно описанные на задней панели или в руководстве. Этот вариант чаще всего встречается в мощном акустическом оборудовании или усилителях, предназначенных для автомобильной аудиосистемы. Работа в параллельном режиме не требует специальных средств и осуществляется просто посредством соответствующего внешнего подключения.

Стереоусилители обычно имеют общий регулятор усиления и часто низких/высоких частот, а при переключении в мостовой режим автоматически идентично отслеживают каждый канал. Если двухканальные усилители имеют отдельные элементы управления и могут переключаться в мостовой режим, работать будут только элементы управления на одном канале.

Если пользователь реализует свои собственные соединения для мостового или параллельного режима, а усилители имеют отдельные элементы управления, следует позаботиться о том, чтобы оба набора элементов управления были установлены одинаково.

См. также

Ссылки

^ Эйхе, Джон Ф. (1990). Руководство по звуковым системам для богослужений . Запись и аудиотехнологии. Корпорация Хэла Леонарда. п. 87. ИСБН 0-7935-0029-Х .
^ «Стерео, параллельное и мостовое моно» . Руководство по усилителю . ДиректПроАудио . Проверено 28 сентября 2011 г.
^ Робертс, Джо (2007). «Основы работы усилителей мощности звука» . Технические заметки Джо . Проверено 28 сентября 2011 г.
^ Селф, Дуглас (2009). Справочник по проектированию усилителей мощности звука (5-е изд.). Фокальная пресса. п. 367. ИСБН 978-0-240-52162-6 .
^ Jump up to: ^а ^б Бартлетт, Брюс (1 мая 2010 г.). «Мастер-класс по мощности усилителя: не все номиналы одинаковы» . ProSoundWeb . Проверено 28 сентября 2011 г.
^ «TPA3255 стерео, 315 Вт, моно, 600 Вт, питание от 18 до 53,5 В, аудиоусилитель класса D с аналоговым входом» . Техасские инструменты.

Дальнейшее чтение

Работа в мостовом режиме мощных операционных усилителей Apex Microtechnology – рекомендации по применению AN20, октябрь 2012 г.
Документация по мостовому/параллельному усилителю (BPA-200) , National Semiconductor , 19 сентября 1997 г. заявка
Оптимизация усилителей нагрузки со связанной нагрузкой по мостовой схеме , Maxim Integrated Products, Inc., примечание по применению 1122, 24 июня 2002 г.

[1] Эйхе, Джон Ф. (1990). Руководство по звуковым системам для богослужений . Запись и аудиотехнологии. Корпорация Хэла Леонарда. п. 87. ИСБН 0-7935-0029-Х .

[2] «Стерео, параллельное и мостовое моно» . Руководство по усилителю . ДиректПроАудио . Проверено 28 сентября 2011 г.

[3] Робертс, Джо (2007). «Основы работы усилителей мощности звука» . Технические заметки Джо . Проверено 28 сентября 2011 г.

[4] Селф, Дуглас (2009). Справочник по проектированию усилителей мощности звука (5-е изд.). Фокальная пресса. п. 367. ИСБН 978-0-240-52162-6 .

[Bartlett-5] Jump up to: ^а ^б Бартлетт, Брюс (1 мая 2010 г.). «Мастер-класс по мощности усилителя: не все номиналы одинаковы» . ProSoundWeb . Проверено 28 сентября 2011 г.

[6] «TPA3255 стерео, 315 Вт, моно, 600 Вт, питание от 18 до 53,5 В, аудиоусилитель класса D с аналоговым входом» . Техасские инструменты.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]