Введение

Несколько электронных усилителей могут быть соединены для работы с одной плавающей нагрузкой (в мостовой схеме) или одной общей нагрузкой (параллельно), чтобы увеличить доступную мощность в различных ситуациях. Это часто встречается в аудиоаппаратуре.

Обзор

Работа в мостовом или параллельном режиме, обычно применяемая с усилителями мощности, — это методы использования двух или более идентичных усилителей для одновременного управления одной и той же нагрузкой. Это возможно для наборов моно-, стерео- и многоканальных усилителей, поскольку выходы усилителей объединяются для каждой нагрузки в отдельности. В зависимости от метода объединения отдельных усилителей – мостового или параллельного – можно достичь различных целей усиления. В результате получается усилитель, который, в свою очередь, может быть объединен в мостовой или параллельный режим. Такой подход может быть полезен для управления нагрузками, для которых использование однотактного усилителя невозможно, непрактично или экономически невыгодно.

Мостовой усилитель

Мостовая нагрузка (BTL), также известная как схема включения без трансформатора по мосту и монофонический мост, представляет собой конфигурацию выходного каскада усилителя звуковой частоты, являющуюся формой согласования импедансов, применяемой преимущественно в профессиональных аудиосистемах и автомобильной акустике. На оба канала стереоусилителя подается один и тот же монофонический аудиосигнал, при этом полярность одного из каналов инвертируется. Акустическая система подключается между двумя выходами усилителя, замыкая выходные клеммы. Это удваивает размах выходного напряжения на нагрузке по сравнению с использованием того же усилителя без включения по мосту. Данная конфигурация наиболее часто используется для сабвуферов. При заданном размахе выходного напряжения, чем ниже импеданс, тем выше нагрузка на усилитель. Включение по мосту используется для того, чтобы усилитель мог эффективно работать с низкоомными нагрузками при большей мощности, поскольку мощность обратно пропорциональна импедансу и пропорциональна квадрату напряжения, согласно следующей формуле: Эта формула также показывает, что включение по мосту теоретически увеличивает мощность усилителя в четыре раза, однако это справедливо только для достаточно низких значений импеданса. Например, для нагрузок, при которых усилитель достигает своего максимального потенциала в однотактном режиме, использование мостовой схемы не дает никакого выигрыша. Это связано с тем, что усилитель может иметь ограничения по току. В практических применениях недостаточный отвод тепла и ограничения источника питания также ограничивают увеличение мощности, хотя, если мостовые усилители используют отдельные источники питания, что является типичным, предел увеличения мощности для высоких импедансов ограничивается удвоением, поскольку каждый усилитель обеспечивает только половину общей мощности.

Преимущества и недостатки

Поскольку два усилителя используются с противоположной полярностью, питаясь от одного источника, выходной сигнал является плавающим. Это устраняет необходимость в разделительном конденсаторе постоянного тока между усилителем и нагрузкой, что позволяет сэкономить на стоимости и габаритах, а также избежать снижения мощности на низких частотах, вызванного конденсатором. По той же причине выходы усилителя ни в коем случае нельзя заземлять, так как это может привести к его повреждению. Коэффициент демпфирования уменьшается вдвое, что положительно сказывается на передаче мощности. Однако в некоторых случаях усилители разрабатываются специально для работы в мостовом режиме. Такие усилители специально спроектированы для обеспечения необходимого тока. В таких системах мостовая схема способна выдавать в четыре раза больше мощности, чем один канал усилителя. Мостовой режим часто используется в системах звукоусиления и особенно в автомобильных аудиосистемах для питания низкочастотных динамиков на высокой мощности. Автомобильные усилители обычно имеют номинальное напряжение питания всего 13,8 вольт, что обычно ограничивает размах выходного напряжения до + и −6,9 вольт. Хотя можно добиться большего размаха напряжения, например, с помощью преобразования напряжения постоянного тока, использование мостовой схемы позволяет увеличить размах напряжения вдвое при более простой и дешевой конструкции. Эта схема также повышает эффективность, избегая потерь мощности, связанных с преобразователем.

Параллельный усилитель

Конфигурация параллельного усилителя использует несколько усилителей, соединенных параллельно, то есть два или более усилителей, работающих в фазе на общую нагрузку. В этом режиме доступный выходной ток удваивается, а выходное напряжение остается прежним. Выходное сопротивление пары уменьшается вдвое. На рисунке показаны два идентичных усилителя A1 и A2, соединенных в параллельной конфигурации. Эта конфигурация часто используется, когда один усилитель не способен работать с нагрузкой с низким импедансом, или необходимо уменьшить рассеиваемую мощность на каждом усилителе, не увеличивая импеданс нагрузки и не снижая мощность, передаваемую на нагрузку. Например, если два идентичных усилителя (каждый рассчитан на работу с 4 ома) подключены параллельно к 4-омовой нагрузке, каждый усилитель будет видеть эквивалент 8 ом, поскольку выходной ток теперь распределяется между обоими усилителями – каждый усилитель обеспечивает половину тока нагрузки, а рассеиваемая мощность на каждом усилителе уменьшается вдвое. Эта конфигурация (в идеале или теоретически) требует, чтобы каждый усилитель был точно идентичен другим, иначе они будут представлять собой нагрузку друг для друга. На практике каждый усилитель должен соответствовать следующим требованиям: Каждый усилитель должен иметь как можно меньший выходной DC-сдвиг (в идеале нулевой) в отсутствие сигнала, иначе усилитель с большим сдвигом будет пытаться направить ток в усилитель с меньшим сдвигом, тем самым увеличивая рассеивание. Равные сдвиги также недопустимы, поскольку это вызовет нежелательный ток (и рассеивание) в нагрузке. Это решается путем добавления схемы компенсации сдвига к каждому усилителю. Коэффициенты усиления усилителей должны быть максимально согласованы, чтобы выходы не пытались управлять друг другом при наличии сигнала. Простым и надежным решением является использование параллельных повторителей напряжения, которые по конструкции имеют точный коэффициент усиления, равный единице, и управляются общей стадией усиления напряжения. Кроме того, небольшие резисторы (значительно меньшие, чем импеданс нагрузки, не показаны на схеме) добавляются последовательно с выходом каждого усилителя для обеспечения правильного распределения тока между усилителями. Эти резисторы необходимы, поскольку выходное сопротивление двух усилителей не будет идеально идентичным из-за производственных отклонений. Введение выходных резисторов изолирует этот дисбаланс и предотвращает нежелательное взаимодействие между двумя усилителями. Другой способ параллельного включения усилителей – использование токового управления. В этом случае точное согласование и резисторы не требуются.

Мостовой параллельный усилитель

Топология мостово-параллельного усилителя представляет собой иерархическое сочетание мостовой и параллельной топологий, требующее как минимум четыре однотактных канала для формирования одного мостово-параллельного канала. Эти две топологии дополняют друг друга: мостовая схема обеспечивает более высокое выходное напряжение, а параллельная – необходимую способность к отдаче тока для работы с низкими импедансами, что типично для применения в сабвуферах. Чаще всего она используется с интегральными усилителями мощности, имеющими стереовыходы, работающие в мостовом режиме. Как показано в предыдущих разделах, мостовая конфигурация двух каналов усилителя обеспечивает в четыре раза большую мощность и удваивает рассеиваемую мощность. Параллельная конфигурация двух каналов усилителя обеспечивает ту же мощность, но уменьшает рассеиваемую мощность вдвое. Таким образом, при объединении обеих конфигураций на наборе из четырех однотактных усилителей выходная мощность увеличивается в четыре раза, но рассеиваемая мощность каждого отдельного усилителя не увеличивается, что упрощает решение тепловых проблем.

Стереоусилители

Два идентичных усилителя чаще всего встречаются в одном корпусе, с общим блоком питания, и обычно рассматриваются как стереоусилитель. Любой обычный стереоусилитель может работать в мостовом или параллельном режиме, при условии, что общие клеммы для подключения акустических систем (обычно чёрные) соединены между собой и подключены к общей шине заземления внутри усилителя. Это преобразует стереоусилитель в моно усилитель. Некоторые двухканальные усилители, или стереоусилители, имеют встроенную функцию работы в мостовом режиме, активируемую переключателем, с указанием входных и выходных соединений на задней панели или в руководстве пользователя. Эта функция наиболее часто встречается в мощном оборудовании для концертных выступлений (PA) или усилителях, предназначенных для автомобильной аудиосистемы. Работа в параллельном режиме не требует специальных функций и реализуется простым внешним подключением. Стереоусилители обычно имеют общий регулятор усиления и часто регуляторы низких и высоких частот, и при переключении в мостовой режим автоматически поддерживают одинаковую настройку на обоих каналах. Если двухканальные усилители имеют отдельные регуляторы и могут переключаться в мостовой режим, то будут работать только регуляторы одного канала. Если пользователь самостоятельно выполняет подключения для мостового или параллельного режима, а усилители имеют отдельные регуляторы, необходимо убедиться, что оба набора регуляторов установлены одинаково.