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功率放大器的电源系统

2009-8-11 09:40| 发布者: | 查看: 3278| 评论: 0

一台高质量的功率放大器中,需要电源系统能够供给功放电路平稳纯净的 电压,因此对我们一般所见的功放电源进行探讨很有必要,研究一下音响 厂家的常用设计方法,其目的就是要知道如何才能制造出电压稳定、没有 杂讯的电源系统。

一台笨重的功放,其用料耗资是十分可观的。用料足当然有其理由,如大 的变压器和粗的导线可以减少内阻损耗,大电容器可以增加储存电荷的能 力。但怎么说呢,无止境的大会不会带来我们期望的效果?如果是功率1W 的前级,你给它2000W的电源和给它1000W的电源事实上是没有多大的差别 ,因此合理有效的用料控制是值得我们研究的。

电源系统通常由变压器、滤波电容器、滤波电感器、整流二极管、稳压及 恒流电路等构成。

变压器在程式各样的变压器中,环形变压器应该说是其中的上品,从功率、大小 、重量上来看,也最轻,再者低杂讯、无漏磁也是它的优点。

就典型甲乙类功放来说,一台每声道连续输出200W的功放机,需要有700W 的电源供应,对变压器的要求是将近有2000VA的容量,要是不到2000VA, 可能就没法达到200W的连续输出功率。有些甲乙类功放机并不是设计为连 续输出工作,那就另当别论了。如果是纯甲类的话,每声道额定功率200W 的功放机无论何时都得要有1000W的电源供应,变压器就要有3000VA才够 ,少了就不行。所以一个足够供应3000VA的变压器重量我们可想而知,大 概要有几十千克重。低杂讯同样也是变压器所追求的重点之一,有时变压 器会用铁盒屏蔽起来,用以减少漏磁,这样的做法经常可见,也很有效果 。

滤波电容器

由于大容量的需求,电源系统中的滤波电容器清一色的都使用电解电容器 ,在功放中所见的电容器标法规格常有容量(uF)、工作电压(V)、纹 波电流(A)。通常在功放中所见的单个大电容器最大容量为25000uF。一 般功放中的总容量约为100,000uF,或稍小一些。

然而,电容器就无限制地越大越好吗?当然钱是个考虑的因素,另一方面 ,越大的电容器也面临着另一个问题,几乎容量大的电解电容器都会伴随 有微小的电感量,这是因为电解电容器本身是卷成螺旋状包装在铝壳中制 造而成的,这会导致其高频特性劣化,为解决这个问题,使用具有低电感 特性的薄膜电容器并联在电解电容器上,可以减少高频阻抗并具更好的滤 波特性。通常电解电容器在10kHz以上频率时,阻抗会随频率而上升(理 想电容器的阻抗值应该随频率上升而下降),接近1欧,并上一颗小的薄 膜电容器后,大约可降到0.1欧左右。从功放处理的音频信号来看,通常 声音在5kHz之后每升高八度音就以12dB的速度衰减,而且平常听的音乐速 度也没有那么快,转换速度最多不过1V/us,100kHz的频率我们并用不到 。因此电源在高频上的问题并不是针对音频放大而来,反而是对功放的稳 定性影响较大,尤其是越复杂的线路,稳定性所受的影响更深。有趣的是 ,有些功放在设计的时候是以电源的阻抗为条件,将功放设计在稳定工作 的范围内,假如此时再并联薄膜电容器在电解电容器上,原有的平衡条件 改变了,功放反而不稳定了。不过总的来说,在滤波电容器上并联薄膜电 容器仍不失为一年好方法。滤波电感器

另一方面我们经常可见在电源上使用滤波电感器来改善电源品质,利用电 容和电感在交流电源上形成LC滤波电路可以大大降低高频杂波干扰,使进 入电源系统的交流电更洁净。其次可以使用大型的滤波电感器串联在变压 器初级一圈及次级线圈上来降低纹波,稳定电源。最常见的是在两个并联 的电容间串联一个电感,形成Л型滤波器,此举可有效改善电源。在电源 上能够舍得花大钱用电感的功放,其品质自然也有很好的保证。

整流二极管

整流二极管在电源中占有很重要的地位,它将交流电转换成直流电。虽然 许多人对快恢复整流二及管大加推崇,但如在线性电源中使用普通二极管 ,并且在每一个二极管上并联一个小电容,也同样可以大大改善噪声干扰 。

稳压及恒流电路

对功放采用稳压电路供电是一个好方法,但线性稳压器倍以上。而且安装 位置也要正确,要置于滤波电容之前,其输出直接接到滤波电容上,滤波 电容的电容量也不可减少,不能因为采用了稳压措施就减少滤波电容。变 压器也一样不能偷工减料。总之,电容、变压器得用上如同没有使用稳压 电路之前大小,才可得到稳压的效果。这样的做法,需要花不少银两,因 此比较经济的做法是将功放的前级(电压放大极等耗电少的部分)与功率 放大极分开供电,仅对前级进行稳压供电,功率放大级则不作稳压。除了稳压之外,相对应也可以做恒流电源的设计,供给放大线路固定的电 流,则可得到稳定、无波动的电压,若线路的前级再配上稳压电路的话, 更是可以得到意想不到效果。对于功率放大级可以用定电流源来构成单端 甲类线路。

另外,高频开关型稳压电源现也开始用于音响电路,具有体积小,重量轻 、效率高、成本较代等优点,不过还存在纹波、高频辐射、干扰较大等问 题。以现在的技术只要用上滤波器,做好屏蔽隔离,解决辐射干扰并不是 太大的难题,但这样一来又要花不少钱,成本跟线性稳压器相差无几了。最后再来谈一下单声道放大技术。单声道放大(Mono)就是把两个声道分 离后分别制造在两个机壳中,它们有独立的电源,不必两个声道共用一组 电源,也具有足够的空音用上更大的变压器与更大的电容,这样可将两声 道间的串扰、互扰影响减到最低。在Hi-End领域,常可见到单声道设计的 功放,这种功放的价钱非常昂贵。也有折衷的做法是将两个单声道系统放 在同一机壳中,但彼此有各自独立的变压器、滤波电容,称为“Dual-mon o”(双单声道)。

音响工程是一门有讲究的学问,每一家厂商都非常重视产品的成本跟利益 的关系。对一位消费者来说,他总希望用较实际的钱买到他认为最好的声 音,因此他可以通过试音来判断,也可以找开机壳内的元器件,你可以发 现,电源系统的部分占据了整部功放机最多的空间、最多的重量、还有最 多的钱,因此选购功放时由电源部分也可窥出机子的身从。

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