Потребляемая мощность аудиоусилителей. Часть 1

Когда речь заходит о расчете потребляемой мощности профессиональных аудиоусилителей, сложно получить простой и однозначный ответ на данный вопрос. В целом, представление о том, что такое общая потребляемая мощность (далее по тексту — ОПМ) аудиоусилителя, кажется запутанным и не таким очевидным. Эта путаница обусловлена изначальным отсутствием ясности в отношении определения мощности аудиоусилителей.

В данной статье я хочу объяснить, как рассчитать ОПМ усилителя, начав с того, какие «типы» мощности необходимо учитывать при таком расчете, а также рассмотреть некоторые другие параметры и соображения, связанные с типологией усилителей.

Зачастую, общаясь с людьми, работающими в индустрии ProAudio, можно убедиться, что неправильное представление об ОПМ усилителя исходит из неясной идеи, что любой усилитель имеет определенный коэффициент полезного действия (далее по тексту — КПД).

Интуитивное понимание термина КПД, независимо от его употребления, связано с тем фактом, что для получения какого-либо «результата» нам необходимо «что-то» затратить. Говоря об усилителях мощности, это просто означает, что в реальности не существует устройств, выдающих на выходе ту же мощность, которая отбирается от источника питания. Чтобы подавать определенное количество мощности на акустические системы (нагрузку), усилитель должен отбирать от сети большее количество мощности из-за того, что данные устройства не обладают 100%-ным КПД, и им для работы необходима дополнительная мощность, не связанная с питанием нагрузки.

К подобным дополнительным факторам относится питание схемотехники, необходимое для поддержания работоспособности усилителя, даже когда он не передает мощность на нагрузку. То есть, если усилитель не управляет нагрузкой и сигнал не подается на акустические системы (далее по тексту — АС), он все равно потребляет некоторую мощность для работы в так называемом режиме ожидания, или статическом режиме. Она также называется мощностью покоя.

КПД и мощность покоя тесно связаны с классом усилителя и сложностью интегрированных в нем технологий — дополнительной схемотехники для локальной обработки сигнала, DSP-модулей и преобразователей сигнала.

В этом кратком введении мы определили параметры, которые необходимо учитывать для расчета общей потребляемой мощности усилителя для определенной выходной мощности.

Общая потребляемая мощность

К ОПМ аудиоусилителя, которую он получает от источника питания, относятся выходная мощность, подаваемая на АС, потери, которые представляют собой мощность, рассеиваемую в виде тепла (зависит от КПД), и мощность покоя в режиме ожидания.

Ниже приведены математические определения и примеры расчета выходной мощности, КПД и мощности покоя:

Выходная мощность (P_вых.):

Среднеквадратическая мощность (RMS), подаваемая на нагрузку.

Для непрерывного или импульсного сигнала (см. далее):

где:

U — выходное напряжение усилителя (В);

R — сопротивление нагрузки (Ом).

Мощность покоя (P_покоя):

Мощность, потребляемая усилителем в режиме ожидания (входной сигнал отсутствует). Является значительной в усилителях классов A и AB, но минимальной в устройствах класса D.

КПД (η): Отношение выходной мощности к мощности на входе, потребляемой от источника питания.

КПД зависит от класса усилителя:

• Класс A: 15…30 %;

• Классы B и AB: 50…70 %;

• Класс D: 80…95 %.

Учитывая приведенные выше параметры, мы можем просто определить формулу ОПМ как сумму мощности покоя и выходной мощности, требуемой для усиления сигнала, которая также зависит от КПД усилителя.

Зная КПД (η) усилителя, мы можем получить значение мощности, которую необходимо отобрать из источника питания для подачи на АС.

Пример:

Мощность покоя: 5 Вт;

Класс усилителя: класс D (η = 90 %);

Выходная мощность: 50 Вт (средняя для музыкального сигнала).

Здесь я мог бы подытожить ответ на исходный вопрос о том, как рассчитать ОПМ усилителя, однако целесообразно привести более подробную информацию о параметрах, используемых в этом расчете.

Чтобы рассчитать ОПМ, пользователь должен располагать информацией от производителя усилителя о мощности покоя, КПД и максимальной выходной мощности. Далее мы более внимательно рассмотрим эти параметры: как они рассчитываются и как связаны с различными классами усилителей.

Выходная мощность

Выходная мощность аудиоусилителя обычно определяется как непрерывная мощность (Вт), которую усилитель может подать на подключенную нагрузку, не превышая своих проектных ограничений (например, без возникновения искажений и перегрева).

Тем не менее, мы не можем применить это определение именно к усилителям, например, класса D, которые не способны поддерживать работу с непрерывной мощностью неограниченное время, так как в основе их работы лежит принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

В этом случае производители обычно ссылаются на стандарт CEA2006/490A для измерения среднеквадратичной мощности (RMS), которая вычисляется для усилителей класса D на основе использования импульсных сигналов.

Уточнив, что для усилителей класса D стандартная мощность RMS измеряется на основе стандарта CEA2006/490A, мы можем определить выходную мощность следующим образом:

Мощность RMS (непрерывная мощность):

Среднеквадратичная мощность, которую усилитель может подать на подключенную нагрузку с использованием синусоидального сигнала или, в случае усилителей класса D, импульсного сигнала (стандарт CEA2006/490A).

где:

U_RMS — среднеквадратическое напряжение;

U_пик. — пиковое напряжение;

R — сопротивление нагрузки.

Зачастую в технической документации некоторых производителей можно встретить и другие определения мощности, которые призваны «увеличить» фактические значения выходной мощности. Например:

Пиковая мощность: максимальная мгновенная мощность, которую усилитель может подавать в течение очень короткого периода времени (например, во время резких транзиентов в музыкальном материале). Очевидно, что данный параметр не является надежным показателем для сравнения усилителей.

Динамическая мощность: мощность, выдаваемая во время коротких транзиентов (например, удары барабана). Данный параметр зависит от источника питания усилителя, его запаса по мощности и т.д.

Следует еще раз подчеркнуть, что подобные «типы» мощности не являются пригодными для определения реальной потребляемой мощности аудиоусилителя. Для этого необходимо использовать среднеквадратичное значение выходной мощности.

Ниже представлен простой пример, как рассчитать выходную мощность P_вых., зная значение U_RMS усилителя.

Если U_RMS = 20 В и R = 8 Ом, то:

Необходимо отметить, что максимальная выходная мощность усилителя указывается с учетом максимального значения U_RMS в формуле, но средняя выходная мощность усилителя, работающего с музыкальным сигналом вместо синусоиды, будет около 1/4 или 1/5 от максимальной выходной мощности.

Мощность покоя

Мощность покоя аудиоусилителя — это мощность, которую он потребляет во включенном состоянии, но при этом находится в режиме ожидания (т.е. при отсутствии входного сигнала).

Эта мощность используется для поддержания внутренней схемотехники усилителя в состоянии «готовности», гарантируя, что он может мгновенно отреагировать на подачу входного сигнала. Современные усилители оснащаются комплексными средствами DSP-обработки и сетевыми интерфейсами, которые могут быть постоянно активными, даже если усилитель не передает мощность на нагрузку. Мощность покоя имеет важное значение для понимания КПД и тепловой эффективности конструкции усилителя, особенно применительно к устройствам, работающим с малой мощностью или с непрерывным режимом работы.

Таким образом, мощность покоя можно рассчитать следующим образом:

Мощность покоя (P_покоя):

где:

U_{питания} — напряжение питания (В) постоянного тока усилителя.

I_покоя — малый ток, потребляемый схемотехникой усилителя в режиме ожидания. Измеряется в миллиамперах (мА) или амперах (А).

Здесь важно указать, что U_{питания} и I_покоя в формуле относятся к постоянному току, поглощаемому конкретной электрической цепью в усилителе. В современных усилителях может быть несколько независимых потребителей постоянного тока, например, платы DSP, платы сетевых интерфейсов или плата ЖК-дисплея на передней панели. Все эти узлы потребляют определенное количество тока.

Поэтому в уравнении мы должны рассматривать P_покоя как сумму (U_{питания} * I_покоя) для отдельных цепей следующим образом:

P_покоя = U_{питания} (для платы DSP) * I_покоя (для платы DSP) + U_{питания} (для платы ЖК-дисплея) * I_покоя (для платы ЖК-дисплея) + …

Помимо этих «типов» электрических цепей с питанием постоянного тока, в усилителях присутствуют и другие цепи, более строго связанные с архитектурой усилителя, чья требуемая мощность связана с их классом.

В таблице ниже приведен пример значений мощности покоя, относящихся к различным классам усилителей.

Значения в таблице относятся к классам усилителей, а не к внутренней схемотехнике (платы DSP, сетевые платы и т.д.), рассмотренной ранее. Соответственно, значение P_покоя в формуле для этих типов дополнительных схем необходимо добавить к значениям в таблице.

Учитывая слагаемые мощности покоя, расчет и определение ее величины являются затруднительным для пользователя. Достоверная информация о ее величине может быть предоставлена только производителем усилителя.

Если мы рассмотрим мощность покоя усилителя в кВт*ч, то увидим, что в долгосрочной перспективе мощность покоя может являться основной причиной потерь. По крайней мере, это актуально для систем трансляции и аварийного оповещения, где используемые усилители работают в режиме 24/7 (иначе обстоит дело с усилителями, используемыми для «живых» сценических выступлений, в этом случае КПД является основным фактором, отвечающим за общее энергопотребление).

Пример расчета мощности покоя за 24 часа, зная значения U_{питания} и I_покоя.

Усилитель класса AB для систем трансляции и аварийного оповещения: Uпитания = 48 В, Iпокоя = 100 мА. Pпокоя = 48 В * 0,1 А = 4,8 Вт.

За 24 часа усилитель потребляет 4,8 Вт * 24 = 115 Вт*ч (≈ 0,115 кВт*ч).

Усилитель класса D для систем трансляции и аварийного оповещения:

U_{питания} = 12 В, Iпокоя = 20 мА.

P_покоя = 12 В * 0,02 А = 0,24 Вт.

За 24 часа усилитель потребляет 0,24 Вт * 24 = 5,76 Вт*ч (≈ 0,005 кВт*ч).

Из данного примера мы видим преимущества усилителей класса D в отношении снижения мощности покоя, даже учитывая использование дополнительной схемотехники для обработки сигнала и работы в сети.

Важным моментом является то, что в усилителях для систем трансляции и аварийного оповещения, отличных от усилителей класса D, также реализованы алгоритмы, позволяющие автоматически переходить в режим ожидания и выходить из этого режима при наличии сигнала.

Подводя итог, мощность покоя — это «скрытая» стоимость электроэнергии для поддержания готовности усилителя к работе. Она различается в зависимости от конструкции усилителя. По данному параметру усилители класса A являются наименее эффективными, а класса D — наиболее эффективными.

КПД

КПД аудиоусилителя — это отношение мощности, подаваемой на нагрузку (выходная мощность), к ОПМ (входная мощность) без учета мощности покоя (т.к. усилитель активен и подает мощность на АС). Этот параметр количественно определяет, насколько эффективно усилитель преобразует входную энергию в полезную выходную энергию при потере части энергии на тепловыделение.

Формула КПД:

где:

P_вых. — выходная мощность (RMS), подаваемая на нагрузку.

P_вх. — входная мощность, отбираемая от источника питания, минус мощность покоя. Ее можно выразить следующим образом:

КПД является ключевым параметром для понимания того, какое количество мощности «тратится впустую», и этот параметр напрямую зависит от класса усилителя.

В таблице ниже представлены типовые значения КПД усилителей в зависимости от их класса.

Для получения более высокого КПД очевидным выбором является выбор усилителя класса D.

Сравним усилители класса AB и класса D с точки зрения потребляемой входной мощности, учитывая только КПД (без мощности покоя).

Для примера представим, что выходная мощность усилителей, которую необходимо подать на нагрузку, равняется 100 Вт. Ниже представлен расчет требуемой входной мощности в двух случаях:

1) Усилитель класса D (η = 90 %):

P_вх. = 100 Вт/0,9 ≈ 111 Вт

Потери: 111 Вт − 100 Вт = 11 Вт.

2) Усилитель класса AB (η = 60 %):

P_вх. = 100 Вт/0,6 ≈ 167 Вт

Потери: 167 Вт − 100 Вт = 67 Вт.

Данный пример наглядно иллюстрирует преимущество использования усилителей с высоким КПД, чтобы избежать потери мощности, значительная часть которой расходуется на тепловыделение.

Тем не менее, КПД реальных усилителей будет отличаться от теоретического значения ввиду нескольких факторов, основными из которых являются следующие.

Тип сигнала: Синусоидальный сигнал используется для испытаний КПД в пиковом режиме, но музыкальный сигнал имеет низкое значение средней мощности (пик-фактор ≈ 10…20 дБ). Усилитель мощностью 100 Вт, воспроизводящий музыкальный сигнал, может в среднем работать с мощностью 10…20 Вт, что снижает его КПД. КПД фактически связан с уровнем сигнала, который определяет выходную мощность. Учитывая, что КПД — это отношение выходной мощности к входной, необходимо помнить, что ОПМ включает в себя также мощность покоя, которая является фиксированной потерей. Мощность покоя не меняется с уровнем сигнала. Это означает, что при уменьшении выходной мощности ОПМ не будет снижаться в составляющей мощности покоя. При этом теперь составляющая мощности покоя уже не будет пренебрежимо малой, как при высокой выходной мощности.

Если мы возьмем пример усилителей классов AB и D, то в двух случаях постоянные потери в основном обусловлены смещением транзистора (класс AB) и потерями на переключение (класс D). В случае сигнала низкого уровня постоянные потери становятся доминирующим фактором в расчете КПД из-за сниженной выходной мощности.

К другим факторам, влияющим на КПД, относятся:

Сопротивление нагрузки: более низкое сопротивление (например, 4 Ом против 8 Ом) увеличивает ток, увеличивая потери на сопротивление.

Качество источника питания: плохо регулируемые источники питания теряют мощность в виде тепла, прежде чем достигнуть усилителя.

Термическое снижение: КПД снижается при перегреве компонентов (например, МОП-транзисторы в классе D).

И последнее замечание о КПД: эффективность аудиоусилителя определяется его классом и условиями эксплуатации. Усилители класса D обеспечивают наиболее высокий КПД. Это необходимо принимать во внимание, когда терморегулирование или затраты на электроэнергию имеют решающее значение.

Расчет общей потребляемой мощности

Теперь пора вернуться к исходному вопросу «Как рассчитать ОПМ аудиоусилителя»?

Мы рассмотрели все составляющие общей потребляемой мощности аудиоусилителя: выходная мощность, мощность покоя и КПД. Мы также увидели, что для сценического и концертного применения усилителей основные потери мощности обусловлены его КПД, а для применения в системах аварийного оповещения, музыкальной и речевой трансляции основные потери происходят из-за мощности покоя, которая здесь доминирует, когда усилитель не используется для подачи мощности на нагрузку.

В завершении статьи я хочу привести пример, помогающий понять, как рассчитать ОПМ аудиоусилителя, включая такие параметры, как входная мощность, выходная мощность, КПД, а также стоимость электроэнергии.

ОПМ усилителей класса AB и класса D с DSP и сетевым модулем в стандартных рабочих условиях при подаче мощности на нагрузку и в режиме ожидания.

Данные по усилителям:

Усилитель: класс AB и класс D.

Выходная мощность (RMS): 50 Вт.

Импеданс: 8 Ом.

КПД: 65 % для класса AB и 90 % для класса D.

DSP: Активен во время воспроизведения музыкального сигнала (эквалайзер, кроссовер, коррекция ИХ помещения).

Сетевой интерфейс: DANTE (активен во время использования, низкое энергопотребление в режиме ожидания).

Параметры мощности:

Рассчитаем общую потребляемую мощность.

1) Рабочие условия: активное воспроизведение.

ОПМ = усилитель + DSP + сетевой интерфейс.

2) Рабочие условия: режим ожидания.

ОПМ = усилитель + DSP + сетевой интерфейс.

Теперь поговорим о стоимости электроэнергии в двух случаях, а затем рассмотрим некоторые соображения об экономии на основе класса усилителей.

Предположим, что системы работают 4 часа в сутки в режиме активного воспроизведения и 20 часов в сутки в режиме ожидания, а стоимость электроэнергии составляет 5,5 руб./кВт*ч.

Мы можем рассчитать годовую стоимость электроэнергии для двух разных усилителей следующим образом:

Экономия при использовании усилителя класса D составляет 368,1 руб./год (60%).

Заключение

Расчет ОПМ усилителя зависит от выходной мощности, КПД, мощности покоя и сценариев использования: мы привели пример для двух противоположных случаев: использование на полной мощности и в режиме ожидания.

Тем не менее, в реальности усилители работают с музыкальными сигналами, пик-фактор которых обуславливает их работу на средней мощности, составляющей 1/4, 1/5 от максимальной.

При этом все соображения, приведенные в данной статье, по-прежнему актуальны, и определяющим фактором для общей потребляемой мощности будет класс усилителей. В настоящее время усилители класса D лидируют в отношении эффективности и экономии затрат, особенно в случае их применения с музыкальным сигналом.