В этой статье пойдет речь о всего одном параметре усилителей мощности звуковой частоты, который в последнее время стал очень активно пиариться в статьях, сообществах и форумах аудиофильской направленности, значимость которого очень сильно переоценена.
Что такое демпинг-фактор (далее — ДФ):
Демпинг-фактор — это характеристика усилителя, определяющая его взаимодействие с нагрузкой.
Слишком сложно и ничего не понятно... Говоря более простым языком: ДФ — это отношение сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению источника напряжения (в нашем случае - усилителя мощности).
Если с сопротивлением нагрузки все просто и понятно: сопротивление нагрузки равно сопротивление акустики (номинальному импедансу акустики), подключенной к усилителю, то, что такое внутреннее сопротивление усилителя (оно же выходное сопротивление усилителя), понятно далеко не всем.
Проще всего внутреннее сопротивление усилителя можно представить как резистор, включенный последовательно с выходом усилителя. Такой виртуальный резистор, который не видно, но он есть.
Этот «виртуальный резистор» (Rвых), как бы «вмурован» в сам усилитель, его невозможно из него вычленить. Любой реальный усилитель мощности имеет не нулевое выходное сопротивление. Другими словами: выходное сопротивление (Rвых), всегда больше нуля.
Повлиять на значение выходного сопротивления пользователь не в силах, никаким образом, кроме как кардинальным изменением схемы усилителя.
Как вы уже могли догадаться из предыдущей иллюстрации, выходное сопротивление (Rвых), включается последовательно с нагрузкой (акустической системой), через них течет один и тот же ток.
Численное значение демпинг-фактора находится как отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя (Rн/Rвых). Казалось бы — все просто, но нет… И здесь, натыкаемся на первую ловушку маркетологов. Если выходное сопротивление усилителя (Rвых) - это константа, которая не зависит ни от чего, кроме как от самого усилителя (его схемы и конструктивного исполнения), и без труда измеряется (об этом далее), то о сопротивлении нагрузки (Rн), мы абсолютно ничего не знаем.
Открыв паспорт или обзор на случайный усилитель заводского производства, там можно будет увидеть что-то в духе: «Коэффициент демпфирования = 4000». Точка. При этом производитель или "обзорщик" не удосуживается уточнить один очень важный момент: какому значению сопротивления нагрузки соответствует данное значение демпинг-фактора.
Исходя из того, что демпинг-фактор - это отношение сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению усилителя, нетрудно догадаться, что взяв для расчета сопротивление нагрузки равно 8 Ом, значение демпинг-фактора получится ровно в два раза лучше, чем, если бы для расчета взяли сопротивление нагрузки равное 4 Ом. Другими словами, при одном и том же выходном сопротивлении усилителя (Rвых), возможно получить сколько угодно различных значений ДФ.
Предположим, что выходное сопротивление усилителя равно 0,01 Ом, тогда демпинг-фактор равен:
Rн / Rвых = 16 Ом / 0.01 Ом = 1600
Rн / Rвых = 8 Ом / 0.01 Ом = 800
Rн / Rвых = 4 Ом / 0.01 Ом = 400
Rн / Rвых = 2 Ом / 0.01 Ом = 200
Остается лишь догадываться для какого именно сопротивления нагрузки указано значение демпинг-фактора в паспорте или обзоре усилителя. Маркетологи, воспользовавшись незнанием потребителя, обязательно схитрят и укажут демпинг-фактор, посчитанный для 8 Ом (а то и для 16 Ом), даже если все остальные параметры будут указаны для нагрузки 4 Ом.
С сопротивлением нагрузки вроде бы разобрались — каждый пишет, что считает нужным. Осталось разобраться с выходным сопротивлением усилителя. Давайте научимся его измерять. Это очень просто. Для этого понадобится сам усилитель, любой генератор синусоидальных колебаний (подойдет компьютер или смартфон с соответствующим софтом), любой относительно низкоомный резистор, с известным сопротивлением и какой-нибудь мультиметр.
Алгоритм измерения выходного сопротивления усилителя:
1. Подключаем генератор сигналов (смартфон или компьютер) ко входу усилителя;
2. К выходу усилителя подключаем мультиметр в режиме измерения переменного напряжения (резистор-нагрузку к выходу усилителя пока не подключаем);
3. На входе усилителя подаем синусоидальный сигнал с частотой 50 - 400 Гц (в данном частотном диапазоне мультиметры обладают наибольшей точностью измерений);
4. Регулировкой выходного уровня в генераторе (смартфоне или компьютере), либо с помощью регулятора громкости усилителя, устанавливаем на выходе усилителя какое-либо значение напряжения (оптимально - 2/3 от номинального выходного напряжения, если она вам известно). Предположим, что установленное значение 15,76 В. Данное значение напряжения - это выходное напряжение усилителя без нагрузки. Запоминаем, а лучше записываем это значение напряжения.
5. Не изменяя напряжения на выходе усилителя (не вращая регулятор громкости), подключаем к тому же выходу усилителя мощности ранее нагрузку-резистор. Важно знать его точное значение сопротивления (его можно измерять мультиметром), предположим, что в нашем случае сопротивление резистора 5,1 Ом.
6. Смотрим на показания мультиметра под нагрузкой. Под нагрузкой напряжение на выходе усилителя должно уменьшится. Пускай без нагрузки выходное напряжение усилителя было равно 15,76 В, а под нагрузкой нагрузкой стало — 15,74 В.
Далее остается рассчитать выходное сопротивление, используя очень простую математическую формулу:
Rвых = Rн * (Uxx / Uн -1)
где, Uхх — выходное напряжение усилителя на холостом ходу;
Uн — выходное напряжение усилителя с подключенной нагрузкой.
Используя вышеуказанные числовые значения:
Rвых = 5,1 * (15,76 / 15,74 — 1) = 0,00648 ~ 0,0065 Ом
Получившиеся значение выходного сопротивления усилителя (Rвых) - это очень хорошее значение, подобное значение выходного сопротивления имеют лишь самые лучшие усилители мощности с глубокой отрицательной обратной связью.
Типичное выходное сопротивление транзисторного (и микросхемного) усилителя с ООС — 0,01 Ом.
УМЗЧ не имеющие обратной связи, как правило, обладают гораздо большим выходным сопротивлением. Ламповые усилители имеют выходное сопротивление, измеряющиеся единицами Ом.
При измерении выходного сопротивления производитель тоже не редко прибегает к махинациям. Подключая к усилителю акустическую систему, пользователь подключает ее выходным клеммам усилителя. До выходных клемм имеется еще небольшой кусок провода до платы усилителя, а также реле защиты акустических систем и катушка индуктивности на плате усилителя.
Все вышеперечисленное имеет какое-то свое не нулевое сопротивление, которое тоже вносит свой вклад в величину выходного сопротивления усилителя.
Махинация заключается в том, что если выходное сопротивление усилителя, измерять непосредственно на плате усилителя, до выходной катушки, до контактов реле, до выходных клемм усилителя, то оно получится более низким, а значение демпинг-фактора - более высоким. В том и заключается махинация: измеряется демпинг-фактор в одной точке, а нагрузка подключается - в другой.
Возьмем какие-нибудь цифры с потолка, более-менее соответствующие действительности и посчитаем как влияет точка измерения выходного сопротивления на демпинг-фактор. Пускай:
Rвых = 0,005 Ом;
Lвых = 0,002 Ом;
Rпровода = 2 х 0,002 Ом;
Rклемм = 2 х 0,001 Ом.
Складываем все в кучу и получаем = 0,013 Ом.
Получается, что выходное сопротивление измерянное непосредственно на плате усилителя, до выходной катушки - 0,005 Ом, а измеренное на выходных клеммах усилителя - 0,013 Ом.
Демпинг-фактор. На плате усилителя - 4/0,005 = 800, на клеммах усилителя - 4/0,013 = 308 (хуже в 2,5 раза).
Теперь самое интересное. Почему же автор считает, что демпинг-фактор — это по большей части бесполезная, чисто маркетинговая характеристика УМЗЧ?
Все дело в том, что при вычислении значения демпинг-фактора, учитываются лишь две составляющие: выходное сопротивление усилителя и сопротивление нагрузки, но в реальности все совсем не так идеально как в теории.
Провода! Да, это тот самый случай, когда провода реально оказывают влияние на работу аудиосистемы.
Rп1 - сопротивление прямого (плюсового провода), Rп2 - сопротивление обратного (минусового провода).
Ни один производитель или "обзорщик" усилитель, говоря о демпинг-факторе, не учитывает сопротивление проводов, которыми будет подключаться усилитель к нагрузке (акустической системе), будто потребитель подключает акустику сверхпроводником, не имеющим никакого сопротивления.
В реальности же, любой проводник имеет какое-то вполне конкретное значение сопротивления, и вся соль в том, что почти всегда, сопротивление проводов больше, чем выходное сопротивление усилителя. А значит, что сопротивление проводов будет гораздо сильней влиять на реальное значение демпинг-фактора, чем сам усилитель. По-другому говоря, два разных усилителя, с очень разными значениями демпинг-фактора, подключенные к акустической системе одним и тем же проводом, будут иметь почти одинаковое значение демпинг-фактора.
С учетом только что написанного, необходимо подкорректировать формулу для расчета демпинг-фактора, теперь она будет выглядеть следующим образом:
ДФ = Rн / Rвых + Rп1 + Rп2
У кого-то может возникнуть вполне логичный вопрос: почему сопротивление проводов добавляется к выходному сопротивлению усилителя, а не к сопротивлению нагрузки? Ответ прост. Физический смысл демпфирования, не в демпфировании проводов (в проводах попросту нечего демпфировать), а в электрическом демпфировании противодействующей ЭДС (электродвижущей силы), наводящейся в катушке динамика. Данная ЭДС, замыкаясь через выходное сопротивление усилителя, создает обратный ток, противодействующий перемещению катушки. Величина этого тока обратно пропорциональна выходному сопротивлению усилителя (ниже выходное сопротивление усилителя — выше обратный ток, выше обратный ток — лучше демпфирование). В реальной жизни, между катушкой динамика и выходным сопротивлением усилителя, присутствуют соединительные провода с не нулевым собственным сопротивлением. Паразитное сопротивление проводов, на пути обратного тока противодействующей ЭДС, снижает этот самым обратный ток, тем самым ухудшая демпфирование. Соответственно, если добавить сопротивление проводов к сопротивлению нагрузки, получится обратный эффект: увеличение сопротивления проводов — улучшает демпфирование, но в жизни все как раз наоборот. Именно поэтому, сопротивление проводов прибавляется к выходному сопротивлению усилителя.
Посмотрим, как сопротивление проводов влияет на значение демпинг-фактора.
Для начала, посчитаем ДФ для какого-нибудь "сферического в вакууме" усилителя мощности. Значения возьмем с потолка. Пускай выходное сопротивление (Rвых) равно 0,01 Ом. Следовательно, ДФ для нагрузки 4 Ом будет равен: 4/0,01=400 (без учета соединительных проводов).
На этом же примере проверим вышеприведенную формулу для вычисления выходного сопротивления усилителя.
Напряжение без нагрузку - 19,999 В, напряжение под нагрузкой - 19,949 В, сопротивление нагрузки - 4 Ом. Выходное сопротивление:
Rвых = 4 * (19,999 / 19,949 — 1) = 0,01 Ом
Все верно, формула работает!
Теперь, между усилителем и нагрузкой (акустической системой), включаем провод. Для примера возьмем провод длиной 3 метра и сечением 2х0,75 мм2. Посчитаем его сопротивление.
Внимательный читатель может заметить, что в калькуляторе вместо только что оговоренных трех метров - указано шесть метров. Это не ошибка и не махинация автора статьи. Все дело в том, что провод состоит из двух жил по три метра. Выходной ток усилителя и обратный ток противодействующей ЭДС, проходит путь три метра от усилителя до акустической системы и три метра обратно - от акустической системы до усилителя.
Сопротивление провода 2х0,75 мм2, длиной 3 метра - 138 мОм (0,14 Ом).
Смотрим как повлияло введение сопротивление проводов на значение демпинг-фактора:
Было 400, стало 27....
Внезапно, всего лишь от введения между провода между усилителем и акустической системой, демпинг-фактор ухудшился почти в 15 раз.
Обращаю внимание на то, что основной вклад в значение демпинг-фактора вносит именно провод - 93,2%. Другими словами, каким бы хорошим ни был усилитель и каким низким ни был бы его демпинг-фактор, указанный в его паспорте, подключив усилитель к акустической системе самым обычным проводом, демпинг-фактор значительно ухудшится и будет определять в основном сопротивлением соединительных проводов, а не выходным сопротивлением усилителя.
Кто-то обязательно скажет, что провод 2х0,75 мм2 - это же очень тонкий провод, нужно взять хотя бы 2х2,5 мм2... Берем!
Сопротивление провода 2х2,5 мм2, длиной 3 метра - 41 мОм (0,041 Ом)
Как повлияло введение такого провода на значение демпинг-фактора:
Ожидаемо лучше, чем с проводом 2х0,75 мм2, но все еще гораздо хуже (хуже в 5 раз), чем демпинг-фактор самого усилителя. Как и в предыдущем примере, основной влияние (более 80%) на демпинг-фактор оказывает соединительный провод, даже не смотря на то, что его сечение 2х2,5 мм2.
Ничего не остается - нужно брать еще более "жирный" провод. Берем провод 2х4 мм2.
Сопротивление такого провода - 26 мОм (0,026 Ом).
Демпинг-фактор:
Всего в четыре раза хуже, демпинг-фактор усилителя! Демпинг-фактор по прежнему на 72% определяется выявлением соединительного провода.
При трехметровой длине соединительных проводов и их сечении 4 мм2, не стоит и мечтать о реальном значении демпинг-фактора более 100, вне зависимости от того, какой используется усилитель.
Попробуем уменьшить длину соединительного провода до одного метра. И в качестве первого примера возьмем провод сечением 2х2,5 мм.
Сопротивление данного провода - 14 мОм (0,014 Ом).
Демпинг-фактор с таким проводом:
166 - это уже не плохое значение демпинг-фактора, но все таки почти в 2,5 раза хуже, чем у самого усилителя. Влияние провода и усилителя - почти сравнялось, но вклад провода в демпинг-фактор по прежнему больше 50 % (58,3%).
Ничего не остается как использовать провод сечением 4 мм2 и длиной 1 метр.
Сопротивление такого провода - 8,6 мОм (0,0086 Ом).
Демпинг-фактор:
Только в этом случае, вклад провода в значение демпинг-фактора стал меньше, чем вклад самого усилителя, но демпинг-фактор по-прежнему значительно хуже, чем он мог бы быть, не будь между усилителем и акустической системой проводов (хуже, чем указанное в паспорте усилителя значение демпинг-фактора).
Промежуточный вывод: каким бы низким не был демпинг-фактор усилителя, указанный в его паспорте, в реальной жизни, демпинг-фактор по большей части будет определяться сопротивлением соединительных проводов, а само значение демпинг-фактора будет минимум в несколько раз хуже, указанного в паспорте (и только при использовании очень коротких и очень толстых проводов).
Все выше написанное относится к прямому подключению динамиков к усилителю с помощью соединительных проводов. Не стоит забывать о том, что внутри акустической системы почти всегда присутствует кроссовер, то есть - динамики подключаются к усилителю не напрямую, а через разделительные фильтры.
Низкочастотный динамик (тот, который сильнее всего нуждается в хорошем демпфировании), как правило, подключается через последовательно включенную с ним катушку индуктивности. Данная катушка индуктивности может содержать в себе от 5 до 20 метров обмоточного провода (причем не очень большого сечения), который тоже имеет определенное сопротивление (на схеме ниже - Rкат).
Учитывая, что данная катушка включена последовательно с динамиком, ее сопротивление напрямую влияет на значение демпинг-фактора, точно так же как и сопротивление соединительного провода. И если соединительные провода можно укоротить и/или использовать более толстого сечения, то с катушкой разделительного фильтра что-то сделать очень сложно, а для большинства - невозможно.
В качестве примера возьмем самый лучший из возможный случай: акустическая система подключена проводом 4 мм2, длиной 1 метр, катушка индуктивности в разделительном фильтре акустической системы состоит всего из 5 метров провода, сечением 1,5 мм2. Активное сопротивление обмоточного провода такой катушку:
Активное сопротивление обмоточного провода - 57 мОм (0,057 Ом).
Демпинг-фактор в этом случае:
В данной ситуации, влияние сопротивления провода на значение демпинг фактора составляет всего чуть более 11%, но на этот раз, основной вклад (75,4%), вносит активное сопротивление катушки индуктивности, включенной последовательно с динамиком. Значение демпинг-фактора в данном случае составляет - 53.
После прочтения данной статьи очень легко сделать ошибочные выводы, поэтому отдельно остановлюсь на этом. Вывод, который читатель должен сделать после прочтения данной публикации, заключается не в том, что для увеличения коэффициента демпфирования (демпинг-фактора), необходимо до маниакально стремится к увеличению сечения проводов и уменьшению их длины. Нет! Правильный вывод заключается в том, что демпинг-фактор с одной стороны является важной характеристикой усилителей, а с другой - абсолютно ничего не значит, поскольку вклад самого усилителя в общее значение демпинг-фактора ничтожно мало. Поэтому не стоит обращать особого внимания на паспортное значение демпинг фактора и тем более не стоит гнаться за высоким его значением.
Единственный реальный способ получить высокое значение демпинг-фактора - акустическая система со встроенным в нее усилителем и полосовым усилением. Встроенный в акустическую систему усилитель позволяет минимизировать длину соединительных проводов до 10-30 сантиметров, а полосовое усиление позволяет избавиться от пассивных фильтров между усилителем и динамиком. Только в этом случае возможно получить реальное значение демпинг-фактора измеряющееся сотнями и даже тысячами.
Спасибо за внимание!
Дата первой публикации: 13 декабря 2018
Дата изменения: 24 мая 2022