Impedan?a de ie?ire a unui amplificator audio

[gsabac]

In documentatiile amplificatoarelor se prezint? date despre impedan?ele de intrare si impedan?ele de sarcina,

 dar nimeni nu spune nimic despre impedanta de iesire a unui amplificator.

Este oare importanta aceasta marime in functionarea unui amplificator.

Cam cit de mare ar putea fi si cum se poate masura sau aprecia.

Cum poate evolua rezistenta de iesire in zona  de limitare (clipping)

 sau in cazul intrarii in functiune a diverselor tipuri de protectii.

 

@gsabac 

 

 

[donpetru]

Cam cit de mare ar putea fi si cum se poate masura sau aprecia.

Nu cumva ati vrut sa spuneti cat de mica poate fi impedanta de iesire a unui amplificator?

De fapt, notiunea de impedanta de sarcina si impedanta de iesire e cam acelasi lucru, nu?

[gsabac]

Impedanta de intrare este proprie amplificatorului. Prin urmare si impedanta de iesire este tot

 o marime intrinseca si nu are legatura cu impedanta de sarcina.

 

@gsabac

[donpetru]

Impedanta de intrare este proprie amplificatorului. Prin urmare si impedanta de iesire este tot

 o marime intrinseca si nu are legatura cu impedanta de sarcina.

Total de acord cu dvs..

Impedanta de iesire la care faceti referire, conform structurii fundamentale de tip cuadripol a unui amplificator audio, este impedanta interna a generatorului echivalent de la iesire. Daca facem o analogie cu rezistenta interna a unei baterii, putem spune ca reprezinta chiar acest lucru, o rezistenta interna proprie amplificatorului si influentata de performantele sursei de alimentare a amplificatorului.

Pe de alta parte, am observat practic ca randamentul amplificatoarelor audio este maxim atunci cand impedanta interna a generatorului echivalent de la iesire este egala cu impedanta de sarcina conectata la iesirea amplificatorului. Spre exemplu, daca o sa urmariti testele efectuate la amplificatorul GX400 cand am folosit o sursa de alimentare care in sarcina la Pnom avea pe alimentare aproximativ +/-60Vcc si pe sarcina de 4 Ohm era aproximativ 100Vpp, rezulta o diferenta de tensiune de 20V (aproximativ), la un curent de aproximativ 5A masurat, rezulta o rezistenta de iesire a generatorului echivalent de cca. 4 Ohm. Asta e doar un exemplu reamintit acum cand am tastat acest mesaj.

[gsabac]

Desigur observatiile sunt corecte, daca ignoram reactia negativa. Este o marime variabila ca valoare statica, dar si dinamica.

Deci se pot defini 3 marimi, rezistenta de iesire statica, medie de semnal mare si una dinamica de semnal mic.

La amplificatorul cu reactie negativa impedanta de iesire trebuie sa fie mult mai mica decit la un amplificator fara.

In ambele cazuri cum se poate masura, calcula sau simula. Eu banuiesc citiva mOhm la amplificatoarele cu reactie negativa

 cu tranzistoare fara transformator de iesire iar la amplificatoarele cu tuburi cu transformator de sute de mOhm.

Bineinteles ca depinde de amplificare, structura interna si gradul de reactie negativa.

Reamintesc ca impedanta de iesire se poate masura in 2 feluri:

 - tensiunea in gol supra curentul de scurtcircuit;

 - se modifica rezistenta de iesire ca tensiune sa scada la jumatate fata de valoarea in gol.

In ambele cazuri intrarea este constanta.

 

@gsabac

Editat Iulie 29, 2017 de gsabac

[gsabac]

Un ?nceput de prezentare pentru impedan?a de ie?ire se afl? pe forum,

 ?n blogul lui @marian78 ?n sec?iunile Amplificatorul Audio => Generalitati ?i nu numai.

   http://www.tehnium-azi.ro/blog/41-lumea-lui-marian/

Materialul prezentat este accesibil oric?rui user pasionat de electronica amplificatoarelor,

 chiar ?i acelora care spun ca nu pricep nici o boab? din in?iruirea de formule ?i cifre.

In continuare se poate trece la analiza unei scheme simple de amplificator cu tranzistori,

 de exemplu amplificatorul KIT de 10W simplificat pentru studiu.

 

@gsabac

Editat Iulie 30, 2017 de gsabac

[gsabac]

Cei care au citit doar s-au perfectionat si ceilalti useri pasionati cred ca deja stiau.

Metodele practice de masurare a impedantei de iesire, la frecvente joase, sunt deosebit de pretentioase.

Metoda tensiunii in gol si curentului de scurtcircuit

 Se introduce la intrarea amplificatorului final de putere un semnal de 1KHz, astfel incit nivelul de iesire in gol, U_GOL,

  sa fie de circa 10mVvv.

 Pentru scurtcircuit se pune la iesire un ?unt cu rezistenta mai mica de 100 microOhm pentru citirea curentului I_SC

 Impedanta de iesire se calculeaza cu relatia,

    Z_IESIRE = U_GOL / I_SC, de exemplu, Z_IESIRE = 10mV / 2A = 0,01V / 2A = 0,005 ohmi = 5 milliohm

 Metoda este utila la simulare, dar destul de imprecisa datorita schimbarii rezistentei optime de sarcina.

 Este si nepractica deoarece este dificil de scurtcircuitat iesirea cu rezistente de masura asa de mici si periculoasa

  datorita posibilitatii obtinerii unui curent de iesire prea mare.

Metoda injumatatirii tensiunii de iesire in gol

 Necesita rezistente calibrate si atunci cind tensiunea de iesire se injumatateste Impedanta de iesire este cit rezistenta de sarcina.

 Aceleasi observatii ca mai sus.

Metoda sarcinii variabile in gol si nominala de iesire

 Se fac doua masuratori, una cu impedanta nominala de iesire si a doua cu iesirea in gol.

     Z_OUT = (U_GOL * R_S) / U_S - R_S, unde U_S este tensiunea cu rezistenta de sarcina

 Exemplu: ZOUT = (10V * 4ohm) / 9,992V - 4 ohm =40 / 9,992 -4 = 4,0032 - 4 = 0,0032 ohm = 3,2mOhm

 Nici aceasta metoda nu este prea precisa, datorita diferentei mari a impedantei de iesire dintre gol si sarcina.

 Deasemenea este necesar un voltmetru de masura in audiofrecventa, cu 5 sau 6 cifre.

Metoda optima presupune 2 masuratori, una cu rezistenta nominala de sarcina si a doua cu o rezistenta

  de sarcina usor diferita, poate cu 10% mai mica sau mai mare.

Acestea sunt valori obisnuite ale impedantei de iesire ale unui amplificator audio cu reactie negativa

Impedanta de iesire nu trebuie confundata cu impedanta de sarcina.

 

@gsabac 

Editat Iulie 30, 2017 de gsabac

[gsabac]

Pentu inceput am copiat din blogul lui @marian78, Amplificatorul audio => ep2 si am extras schema

 si relatia de calcul a impedantei de iesire a unui amplificator.

Bineinteles ca acesta este un inceput de studiu.

 

Impedanta de iesire se obtine din cea a generatorului de intrare Z_S impartita la beta.

exemplu pentru beta=100 in punctul static de functionare si Z_S=1Ohm, Z_Out = 10mOhm

Sa complicam putin aceasta schema, prin introducerea generatorului de semnal si parametrilor interni

ai tranzistorului, in combinatia NPN-PNP in contratimp.

 

Tranzistorii finali sunt polarizati cu 2 generatoare ideale de tensiune, pentru circa 35 mA curenti

 prin emitori. Aproape in mod egal, deoarece tranzistorii nu sunt identici, sunt doar ca pereche.

Rezistenta generatorului este R1 de 3 ohmi iar rezistenta de sarcina R2 de 4 ohmi,

 iar in emitori sunt conectate 2 rezistente de 100 mOhmi.

Tranzistorul participa cu beta si R_BB' care este rezistenta intrinseca a bazei.

Panta tranzistorului g_m se poate calcula aproximativ cu relatia g_m=39*I_C unde IC este curentul de colector.

 exprimat in amperi. Ea deriva din relatia gm= I_C/V_T, unde VT= k*T/e = 26mV. Pentru un tranzistor

 cu un generator de tensiune in baza, la curentul de 1A si beta de 100 rezulta o impedanta de

 iesire data de relatia: Z_IESIRE=1/g_m = 1/(39*1)=26mOhmi.

Daca complicam circuitul cu rezistenta R1, ca in schema si cu R_BB' impedanta de iesire devine:

   Z_IESIRE= (R1 + RBB')/beta = (3 + 3,67)/100 = 66,7 mOhm. Daca in emitor R2 are valoarea de 100 mOhmi

 rezulta o impedanta finala de iesire de circa 167 miliohmi.

Aceasta este o analiza simpla intr-un singur punct static de functionare, dar la functionarea cu semnal

 beta se modifica permanent in functie de curentul de colector, frecventa, temperatura, etc. de aceea

 un calcul matematic nu se mai poate face asa usor si in continuare ne folosim de simulare.

Aceasta schema, analizata tranzitoriu cu o adaptare speciala, inedita pentru calcule, da urmatorul

 rezultat pentru impedanta de iesire:

   

Pe diagrama se vede ca impedanta de iesire este o marime variabila, in medie poate fi considerata

 de circa 170 miliohmi si in zonele de incrucisare, de trecere de la tranzistorul NPN la PNP impedanta de

 iesire are salturi bruste pina la chiar 400 miliohmi. Ramurile datorate tranzistorilor NPN si PNP sunt diferite

 deoarece evolutia amplificarii beta este diferita ca si a altor parametri.

Reactia negativa poate micsora aceasta impedanta de iesire pina la citiva miliohmi.

 

@gsabac

Editat August 1, 2017 de gsabac

[donpetru]

Pe diagrama se vede ca impedanta de iesire este o marime variabila, in medie poate fi considerata

 de circa 170 miliohmi si in zonele de incrucisare, de trecere de la tranzistorul NPN la PNP impedanta de

 iesire are salturi bruste pina la chiar 400 miliohmi. Ramurile datorate tranzistorilor NPN si PNP sunt diferite

 deoarece evolutia amplificarii beta este diferita ca si a altor parametri.

Citind paragraful mentionat in citatul de mai sus, mi-adus aminte de cele mentionate de Bascom H King de la PS Audio cand a dezvoltat seria BHK Signature. Va recomand sa vizionati toate partile video prezentate pe site-ul PS Audio aici:

http://www.psaudio.com/bhk-signature-300-amplifier/

dar in special partea nr.3 unde, printre alte chestiuni care ar merita auzite, mai ales de cei pasionati de audio, se face un fel de comparatie intre etajele finale complementare de tip NPN-PNP, respectiv cvasicomplementare NPN-NPN. In seria BHK Signature, s-a adoptat un circuit de intrare avand la baza tuburi electronice si un etaj de amplificare tranzistorizat unde in etajul final s-a folosit MOSFET de tip N, in etaj cvasicomplementar. Urmariti video si o sa vedeti cateva precizari de la un om care proiecteaza amplificatoare audio de mai bine de 50 de ani. 

Ba mai mult, un lucru constatat si de mine, e faptul ca un etaj VAS complementar sau de intrare diferential complementar, in foarte multe situatii (topologii) produce mai multe distorsiuni THD+IMD decat o topologie clasic tip clasa A polarizata cu un curent chiar mai mic de mers in gol. 

 

@gsabac, la paragraful de mai jos puteti mentiona o bibliografie ?

Cei care au citit doar s-au perfectionat si ceilalti useri pasionati cred ca deja stiau.

Metodele practice de masurare a impedantei de iesire, la frecvente joase, sunt deosebit de pretentioase.

Metoda tensiunii in gol si curentului de scurtcircuit

 Se introduce la intrarea amplificatorului final de putere un semnal de 1KHz, astfel incit nivelul de iesire in gol, U_GOL,

  sa fie de circa 10mVvv.

 Pentru scurtcircuit se pune la iesire un ?unt cu rezistenta mai mica de 100 microOhm pentru citirea curentului I_SC

 Impedanta de iesire se calculeaza cu relatia,

    Z_IESIRE = U_GOL / I_SC, de exemplu, Z_IESIRE = 10mV / 2A = 0,01V / 2A = 0,005 ohmi = 5 milliohm

 Metoda este utila la simulare, dar destul de imprecisa datorita schimbarii rezistentei optime de sarcina.

 Este si nepractica deoarece este dificil de scurtcircuitat iesirea cu rezistente de masura asa de mici si periculoasa

  datorita posibilitatii obtinerii unui curent de iesire prea mare.

Metoda injumatatirii tensiunii de iesire in gol

 Necesita rezistente calibrate si atunci cind tensiunea de iesire se injumatateste Impedanta de iesire este cit rezistenta de sarcina.

 Aceleasi observatii ca mai sus.

Metoda sarcinii variabile in gol si nominala de iesire

 Se fac doua masuratori, una cu impedanta nominala de iesire si a doua cu iesirea in gol.

     Z_OUT = (U_GOL * R_S) / U_S - R_S, unde U_S este tensiunea cu rezistenta de sarcina

 Exemplu: ZOUT = (10V * 4ohm) / 9,992V - 4 ohm =40 / 9,992 -4 = 4,0032 - 4 = 0,0032 ohm = 3,2mOhm

 Nici aceasta metoda nu este prea precisa, datorita diferentei mari a impedantei de iesire dintre gol si sarcina.

 Deasemenea este necesar un voltmetru de masura in audiofrecventa, cu 5 sau 6 cifre.

Metoda optima presupune 2 masuratori, una cu rezistenta nominala de sarcina si a doua cu o rezistenta

  de sarcina usor diferita, poate cu 10% mai mica sau mai mare.

Acestea sunt valori obisnuite ale impedantei de iesire ale unui amplificator audio cu reactie negativa

Impedanta de iesire nu trebuie confundata cu impedanta de sarcina.

 

@gsabac 

[gsabac]

Topicul nu este realizat cu copy-paste cu poze sau videoclipuri de pe internet.

Tot ce am postat reprezinta consideratii, calcule si analize proprii. Cu siguranta ca au mai facut si altii, dar pe

  forum am incercat sa pun esenta unor fenomene din amplificatoarele audio, intr-un mod accesibil.

De fapt trebuiesc cunoscute doar legile si teoremeele fundamentale ale electricitatii si electromagnetismului.

Cele mai simple si intuitive legi si teoreme: conservarea sarcinii electrice, Ohm, Kirchoff si Maxwell,din care s-au dedus

 multe teoreme ca cele ale lui Thevenin si Norton. Pentru rezolvarea circuitelor electrice se pot folosi diverse metode,

 printre care mai importante sunt, ecuatiile lui Kirchoff, ecuatiile potentialelor la noduri si ecuatiile curentilor ciclici.

Am sa detaliez doar ultima metoda, numita de mine "Metoda optima" deoarece celelalte se deduc foarte usor.

De fapt pentru aceasta metoda sunt si filmulete intuitive pe internet, se gasesc cu usurinta.

Metoda optima presupune 2 masuratori, una cu rezistenta nominala de sarcina si a doua cu o rezistenta

  de sarcina usor diferita, poate cu 10% mai mica sau mai mare. Schema de lucru:

 

Am notat Rs1 si Rs2 cele 2 valori ale sarcinii si respectiv curentii prin sarcina I1 si I2 si pentru cele

 doua situatii cu legea lui Ohm se pot scrie relatiile:

   Ugol = I1*(Ri+Rs1)

   Ugol = I2*(Ri+Rs2)

Se egaleaza si se extrage Ri, care devine,

   Ri = ((Rs1-Rs2*(I2/I1)) / (1-I2/I1)

Relatie simpla si usor de calculat, cu observatia ca marimile I1 si I2 trebuiesc masurate

 sau calculate cu 5-6 zecimale.

Pentru calcule in timp real intr-o simulare, trebuiesc toate aceste marimi din doua simulari simultan.

Impedanta de iesire in functie de frecventa este o marime exprimata ca parte activa si reactiva

 si se poate determina prin masuratori sau simulari asa cum se arata in lucrarea

 lui Paulius_Jurkstas_investigation_of_feed_back_techniques

Dar continuarea cu scheme reale, poate intr-o postare viitoare. Poate sunt si alti useri care sa posteze

 alte metode, observatii, constatari sau pareri pentru dezvoltarea topicului.

 

@gsabac

Editat August 3, 2017 de gsabac

[leo_electro]

qsabac, eu cred ca toate teoria dumitale de mai sus nu are un fundament practic 100% real. Sau poate nu inteleg eu bine !!!

Spre exemplu, tensiunea de iesire in gol la un amplificator (Vpp) e cu vreo 1..3 volti mai mica decat aia de alimentare continua si scade la curenti mari prin dif destul de mult. Ceea ce nu inteleg eu e faptul ca nu prea poti echiva Ugol cu sarcina de 4 Ohm conectata pe iesirea amplificatorului pentru ca cand ai conectat diful, numai este Ugol, e o tensiune mult mai mica!!! 

[gsabac]

Un redresor stabilizat de calitate are tensiunea in gol de exemplu de Ugol=5V.

Cind ii punem un consumator, de exemplu o rezistenta de 1 ohm, tensiunea scade foarte putin datorita stabilizarii interne,

 poate cu 10mV. Noua tensiune de iesire va fi de Uies=4,90V si atunci rezistenta interna (Impedanta de iesire) se poate calcula

 impartind caderea de tensiune de 10mV la curentul prin rezistenta de 1 ohm, care este de 4,90A. Se observa ca nu intereseaza

 caderi de tensiune din interiorul redresorului ( pe transformator sau pe condensatori) ci numai tensiunea de iesire.

Un amplificator are o functionare electrica interna asemanatoare cu a unui redresor stabilizat, adica face in asa fel incit sa se obtina

 aceeasi tensiune la iesire in sarcina sau in gol, la tensiunea de intrare constanta.

De fapt el stabilizeaza tensiunea alternativa de iesire.

Rezultatul nu este ideal datorita amplificarii finite, dar rezulta o impedanta de iesire mica.

 

@gsabac

[donpetru]

Un amplificator are o functionare electrica interna asemanatoare cu a unui redresor stabilizat, adica face in asa fel incit sa se obtina

 aceeasi tensiune la iesire in sarcina sau in gol, la tensiunea de intrare constanta.

De fapt el stabilizeaza tensiunea alternativa de iesire.

 

Practic vorbind, din ce am constat eu la foarte multe amplificatoare audio testate, chiar daca se pastreaza o tensiune de intrare constanta, spre exemplu 1Vrms la 1kHz, excursia de tensiune pe iesirea amplificatorului la functionarea in gol sau pe o sarcina de 4 Ohm inregistreaza diferente semnificative, deci nu este aceeasi. In primul rand din cauza ca sursa de alimentare nu este stabilizata, 90% din amplificatoarelor audio fiind alimentate prin celebrul redresor clasic cu capacitoare de filtraj si transformator. Daca alimentam amplificatorul audio printr-o sursa in comutatie cu iesire stabilizata (mai rar se gasesc de puteri mari), diferenta de tensiune nu este chiar asa de mare dar exista. Deci nu putem spune ca este aceeasi.

[leo_electro]

Subliniez si eu ce a spus mai sus admin-ul. Nu este acelasi voltaj pe iesire.

 

Un redresor stabilizat de calitate are tensiunea in gol de exemplu de Ugol=5V.

Cind ii punem un consumator, de exemplu o rezistenta de 1 ohm, tensiunea scade foarte putin datorita stabilizarii interne,

 poate cu 10mV. Noua tensiune de iesire va fi de Uies=4,90V si atunci rezistenta interna (Impedanta de iesire) se poate calcula

 impartind caderea de tensiune de 10mV la curentul prin rezistenta de 1 ohm, care este de 4,90A. Se observa ca nu intereseaza

 caderi de tensiune din interiorul redresorului ( pe transformator sau pe condensatori) ci numai tensiunea de iesire.

Un amplificator are o functionare electrica interna asemanatoare cu a unui redresor stabilizat, adica face in asa fel incit sa se obtina

 aceeasi tensiune la iesire in sarcina sau in gol, la tensiunea de intrare constanta.

De fapt el stabilizeaza tensiunea alternativa de iesire.

Rezultatul nu este ideal datorita amplificarii finite, dar rezulta o impedanta de iesire mica.

 

@gsabac

10mV, putin probabil. Ceea ce spuneti dvs. aici, dupa cate am citit si eu in domeniu audio, este adevarat daca folosim un alimentator mult mult supradimensionat, ceea ce practic eu nu am vazut in puteri audio niciodata. Deci, e un caz abstract de teorie, vorba mea, fara fundament practic 100% real.

Inca o chestiune e modul cum ati determinat teoretic rezistenta de iesire. Nu combat, ca nu sunt sunt doctor in domeniu, dar eu am inteles ca rezistenta asta de iesire e mult influentata de puterea sursei de alimentare. Si pana la urma, care e smecheria ca e de cativa mOhm sau nu ? Daca un amplif audio disipa 100W in clasa AB, cum are o rezistenta de iesire de ord. mOhmilor ca nu inteleg !!! Va rog sa detaliati.

Editat August 3, 2017 de leo_electro

[gsabac]

?n func?ionarea normal?, impedan?a de ie?ire nu are nicio legatur? cu puterea

  sau tensiunile de alimentare.Este o marime intern? (intrinsec?) a unui amplificator

  ?i depinde numai de structura intern?.

Se poate m?sura sau calcula pentru orice dispozitiv electric sau electronic

 care are o iesire disponibil?,  chiar dac? ?n interior sunt nenumarate componenete,

  zeci, sute sau mii.

Normal c? nu este acela?i voltaj la ie?ire, poate fi mai mic sau mai mare,

  dup? cum impedan?a de ie?ire este negativ? sau pozitiv?.

Da, poate fi pozitiv? sau negativ?, in anumite condi?ii de structura intern?,

  la amplificatoare gre?it proiectate sau executate, din cablaj de exemplu.

Ce pot s? v? mai spun, este ca un stabilizator bun are impedan?a de iesire

  de ci?iva miliohmi, valoare prezent? ?n datele tehnice si c? studiul impedan?ei

de ie?ire se folose?te ?n acest caz la proiectarea amplificatoarelor.

Pentru userii cu cunostin?e avansate, topicul aduce un plus

  de date utile cu privire la complexitatea fenomenelor electrice dintr-un amplificator ?i pentru

  ceilal?i poate fi un ?ndemn pentru studiu aprofundat, nu numai pentru lipirea de componente

  pe un cablaj f?cut de al?ii.

 ?n cazul amplificatoarelor sunt mai multe stadii de cunoa?tere:

  - desenarea unei scheme simple din memorie;

  - desenarea schemei si calcularea unor valori;

  - descoperirea si rolul blocurilor func?ionale la un amplificator;

  - ?n?elegerea func?ion?rii unor scheme complexe inedite ?i descoperirea noilor blocuri func?ionale;

  - studiul schemelor realizate de produc?torii consacra?i ?i alc?tuirea de biblioteci proprii;

  - capacitatea de a proiecta un produs ce se poate reproduce in serie.

Pute?i adauga ?i dvs. alte stadii, dar toate aceste cuno?tinte pot fi descriptive, teoretice sau aprofundate,

 chiar la nivel de expert.

Pentru cei care posed? cuno?tinte intuitive si au realizat un amplificator func?ional,  aceast? minune

  nu va fi uitat? niciodat? ?i va fi un imbold pentru mai bine.

 

PS. Sunt destule c?rti ?i articole unde se explic? cum se disip? puterea pe tranzistorii unui

        amplificator ?i care este randamentul unui amplificator ?ntr-o anumit? clas? de functionare.

 

Succes la studiu !

 

@gsabac 

Editat August 4, 2017 de gsabac