Автор Тема: ГИТАРНЫЙ АТТЕНЮАТОР С ИМИТАЦИЕЙ НАГРУЗКИ (Виктор Кемпф, авторская статья)  (Прочитано 7827 раз)

Admin

  • Administrator
  • Newbie
  • *****
  • Сообщений: 22
    • Просмотр профиля
ГИТАРНЫЙ АТТЕНЮАТОР С ИМИТАЦИЕЙ НАГРУЗКИ
Виктор Кемпф

Гитарный громкоговоритель имеет частотнозависимый импеданс с резонансом в области НЧ и индуктивным увеличением сопротивления с ростом частоты в области выше 400Гц, который принято имитировать схемой подобной изображенной на рис.1.


 
Рис.1 Схема простого имитатора-аттенюатора 1/100

Такая схема, несмотря на простоту, достаточно точно имитирует кабинет с 4-мя типовыми 12-ти дюймовыми громкоговорителями наподобие Celestion V30: формирует НЧ-резонанс в районе 100Гц и индуктивный рост полного сопротивления выше 400 Гц.
При «идеальной» аттенюации мощности имитатора нагрузки необходимо выполнение двух основных условий:
•   имитация нагрузки должна взаимодействовать с усилителем подобно реальной нагрузке;
•   форма АЧХ на нагрузке (реальном кабинете) при подключении непосредственно к усилителю мощности и при подключении к аттенюатору должна совпадать.
При необходимости снижения мощности самым логичным и простым кажется использование резистивного делителя параллельно имитатору нагрузки (как на рис.1).
В плане имитации нагрузки для усилителя такой аттенюатор ведет себя аналогично настоящим громкоговорителям, но вот с повторением формы АЧХ при подключении реального кабинета на выход ситуация менее радужна.
Мы услышим разный звук при подключении к одному и тому же усилителю гитарного кабинета напрямую и того же самого кабинета к тому же усилителю через подобный «простой» аттенюатор (мы рассматриваем ситуацию, когда регулятором «VOLUME» на усилителе мы выставляем равную громкость в обоих случаях). И дело вовсе не в том, что при подключении напрямую и работе на 1% мощности усилитель вносит гораздо меньше искажений, чем при работе на 100% мощности с лоад-боксом. Эта разница слышна и мы собственно, используя лоад-бокс и аттенюатор, ее и добиваемся. В итоге мы получаем звук «раскачанного» усилителя, но с терпимой громкостью. Но, кроме желанного нами  дополнительного обогащения спектра, возникает еще и разница в итоговых частотных характеристиках, которой радуются далеко не все.
Давайте разберемся, в чем причина этого явления?
Выходное сопротивление аттенюатора, которое будет определяться выходным сопротивлением делителя, вместе с зависимым от частоты импедансом реальной нагрузки создаст изменения в АЧХ (резонанс на НЧ и индуктивный подъем на ВЧ).
Но у нас резонанс и подъем на ВЧ уже сформирован имитатором нагрузки при взаимодействии с усилителем и эти дополнительные изменения АЧХ на выходе аттенюатора приводят к тому, что итоговая АЧХ будет с более выраженными реактивными подъемами в сравнении с той же нагрузкой, подключенной непосредственно к выходу усилителя (рис.2)




Рис.2 Разница в итоговой АЧХ (красная линия – нагрузка к выходу усилителя; желтая линия – нагрузка на выходе аттенюатора 36 Ом – 4,3 Ом) при Rвых.усил =10 Ом.

Уменьшение сопротивлений делителя (например, до значений 20 Ом и 2.2 Ом) уменьшает эту проблему, но ухудшает реактивность имитатора нагрузки и, соответственно, адекватность имитации.
Для построения «идеального» имитатора-аттенюатора предлагается решение, позволяющее практически полностью исключить разницу в АЧХ (рис.3)

 


Рис.3 Схема усовершенствованного имитатора-аттенюатора с сохранением АЧХ

Введение дополнительного резистора позволило уравновесить АЧХ по выходу усилителя и выходу аттенюатора. Причем равновесие соблюдается для любого значения выходного сопротивления усилителя.


 
Рис.4 Разница в итоговой АЧХ усовершенствованного имитатора-аттенюатора (красная линия – нагрузка к выходу усилителя; желтая линия – нагрузка на выходе аттенюатора) Rвых.усил =10 Ом.

Безусловно такие идеально совпадающие картинки получаются лишь при условии, что импедансы имитатора и нагрузки полностью совпадают. В реальности будут наблюдаться незначительные расхождения АЧХ, которые вызваны несовпадением частотной зависимости реального кабинета и имитатора, но применяя универсальную имитацию нагрузки лучшего результата нельзя добиться в принципе.

Краткое описание принципа работы

Обратите внимание, что в случае усовершенствованного аттенюатора выходной делитель R1 R2 нижней частью подключен не на «землю», а к выходу другого делителя: R4 L1 L2 C1 R3. Причем этот делитель является частотозависимым и имеет провал на частоте резонанса (у параллельного LC- контура полное сопротивление при приближении к частоте резонанса возрастает). На частотах выше 400Гц из-за влияния индуктивности L1 мы также наблюдаем увеличение сопротивления верхнего плеча делителя и, соответственно, уменьшение амплитуды сигнала на R3.
Таким образом АЧХ делителя R4 L1 L2 C1 R3 «обратна» по отношению к АЧХ связки усилитель-нагрузка. Если выбрать R3 таким образом, чтобы точно скомпенсировать влияние выходного сопротивления делителя R1 R2, то при подключении кабинета к аттенюатору мы получим на связке аттенюатор-кабинет в точности такую же АЧХ, как и на связке усилитель-кабинет, только сдвинутую вниз в соответствии с коэффициентом аттенюации. При сдвиге АЧХ вниз на -20дб мы получим на выходе 1/10 напряжения или 1/100 входной мощности.

Расчет сопротивлений аттенюатора


Для расчета номиналов резисторов такого аттенюатора достаточно проделать 4 шага.
Сначала определимся с необходимым процентом мощности на выходе аттенюатора в процентах. Назовем этот процент коэффициентом К. Если необходимо снижение мощности до 2%, то К=2. Если до 10%, то К=10.
1 шаг. Вычисляем R3 по формуле R3=K/2
2 шаг. Вычисляем R4 по формуле R4=8–R3 (8- сопротивление кабинета в Омах)
3 шаг. Вычисляем R2 по формуле R2=(43–R3)*sqrt(K/100)
4 шаг. Вычисляем R1 по формуле R1=43–R2–R3.
Приведенные формулы просты, но достаточно точны и степень совпадения АЧХ будет зависеть лишь от разброса сопротивлений применяемых резисторов. Для 16 Ом номиналы всех резисторов и катушек следует увеличить вдвое, а емкость конденсатора наоборот уменьшить в два раза.
Мощности резисторов выбираются исходя из того, что через  R4 течет 4/5 тока, через R3 течет весь ток, через R1 и R2 1/5 тока. Ток через нагрузку считается по формуле Iн=sqrt(P/Rн), где P – мощность усилителя, Rн- сопротивление нагрузки.
Необходимая мощность рассеивания каждого резистора считается по формуле Pрасс=I*I*R – где I – ток через этот резистор. Мощность резисторов лучше выбирать с запасом в 30-50%. Необходимо также учитывать, что при максимальных мощностях ток в катушке L2 и конденсаторе C1 превышает ток Iн приблизительно в 2,5 раза.
Коэффициент K описываемого аттенюатора не может превышать 16%, т.е наименьшее возможное снижение мощности P(out)=0.16*P(in).



Виктор Кемпф

« Последнее редактирование: Декабрь 04, 2015, 00:03 от Admin »
Everything is just beginning!

vasilius

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 1
    • Просмотр профиля
Какие мощности резисторов для 100Вт усилителя?
Индуктивность L2 выполнена с применением какого сердечника: ферит или обычный с зазором? Какие токи должны выдерживать катушки?
Как считается делитель на R1 и R2 ? С номиналами по схеме получается грубо 1/13. Как получается 1,5%?

Извините за безграмотность .

Admin

  • Administrator
  • Newbie
  • *****
  • Сообщений: 22
    • Просмотр профиля
Какие мощности резисторов для 100Вт усилителя?
Индуктивность L2 выполнена с применением какого сердечника: ферит или обычный с зазором? Какие токи должны выдерживать катушки?
Как считается делитель на R1 и R2 ? С номиналами по схеме получается грубо 1/13. Как получается 1,5%?

По просьбе Автора, статья (см. первое сообщение данной темы) была обновлена. Приведена методика расчета с примерами.

Надеемся, новая информация для Вас окажется полезной))

Спасибо!
Everything is just beginning!

KMG

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 1
    • Просмотр профиля
Цитировать
Мощность резисторов лучше выбирать с запасом в 30-50%.
Небольшое замечание насчет мощности резисторов. Смотрим на даташит популярных резисторов серии SQP.
Yageo_LR_SQP_NSP_2013.pdf
Там есть график перегрева в зависимости от рассеиваемой мощности (в процентах к максимальной).
2W резистор при рассеивании полной мощности имеет перегрев 100°C, резистор 15W уже имеет перегрев 230°C при рассеивании 15W мощности при конвекционном (без радиатора) охлаждении.
« Последнее редактирование: Февраль 22, 2016, 20:55 от KMG »

zzmeygor

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 1
    • Просмотр профиля
Сдраствуйте.А как эту схему подключать в линию и желательно без динамика?
А то не понятно зачем имитировать нагрузку динамика ,если динамик там уже есть настоящий,простой дилитель не подойдет разве?

ГИТАРНЫЙ АТТЕНЮАТОР С ИМИТАЦИЕЙ НАГРУЗКИ
Виктор Кемпф

Гитарный громкоговоритель имеет частотнозависимый импеданс с резонансом в области НЧ и индуктивным увеличением сопротивления с ростом частоты в области выше 400Гц, который принято имитировать схемой подобной изображенной на рис.1.


 
Рис.1 Схема простого имитатора-аттенюатора 1/100

Такая схема, несмотря на простоту, достаточно точно имитирует кабинет с 4-мя типовыми 12-ти дюймовыми громкоговорителями наподобие Celestion V30: формирует НЧ-резонанс в районе 100Гц и индуктивный рост полного сопротивления выше 400 Гц.
При «идеальной» аттенюации мощности имитатора нагрузки необходимо выполнение двух основных условий:
•   имитация нагрузки должна взаимодействовать с усилителем подобно реальной нагрузке;
•   форма АЧХ на нагрузке (реальном кабинете) при подключении непосредственно к усилителю мощности и при подключении к аттенюатору должна совпадать.
При необходимости снижения мощности самым логичным и простым кажется использование резистивного делителя параллельно имитатору нагрузки (как на рис.1).
В плане имитации нагрузки для усилителя такой аттенюатор ведет себя аналогично настоящим громкоговорителям, но вот с повторением формы АЧХ при подключении реального кабинета на выход ситуация менее радужна.
Мы услышим разный звук при подключении к одному и тому же усилителю гитарного кабинета напрямую и того же самого кабинета к тому же усилителю через подобный «простой» аттенюатор (мы рассматриваем ситуацию, когда регулятором «VOLUME» на усилителе мы выставляем равную громкость в обоих случаях). И дело вовсе не в том, что при подключении напрямую и работе на 1% мощности усилитель вносит гораздо меньше искажений, чем при работе на 100% мощности с лоад-боксом. Эта разница слышна и мы собственно, используя лоад-бокс и аттенюатор, ее и добиваемся. В итоге мы получаем звук «раскачанного» усилителя, но с терпимой громкостью. Но, кроме желанного нами  дополнительного обогащения спектра, возникает еще и разница в итоговых частотных характеристиках, которой радуются далеко не все.
Давайте разберемся, в чем причина этого явления?
Выходное сопротивление аттенюатора, которое будет определяться выходным сопротивлением делителя, вместе с зависимым от частоты импедансом реальной нагрузки создаст изменения в АЧХ (резонанс на НЧ и индуктивный подъем на ВЧ).
Но у нас резонанс и подъем на ВЧ уже сформирован имитатором нагрузки при взаимодействии с усилителем и эти дополнительные изменения АЧХ на выходе аттенюатора приводят к тому, что итоговая АЧХ будет с более выраженными реактивными подъемами в сравнении с той же нагрузкой, подключенной непосредственно к выходу усилителя (рис.2)




Рис.2 Разница в итоговой АЧХ (красная линия – нагрузка к выходу усилителя; желтая линия – нагрузка на выходе аттенюатора 36 Ом – 4,3 Ом) при Rвых.усил =10 Ом.

Уменьшение сопротивлений делителя (например, до значений 20 Ом и 2.2 Ом) уменьшает эту проблему, но ухудшает реактивность имитатора нагрузки и, соответственно, адекватность имитации.
Для построения «идеального» имитатора-аттенюатора предлагается решение, позволяющее практически полностью исключить разницу в АЧХ (рис.3)

 


Рис.3 Схема усовершенствованного имитатора-аттенюатора с сохранением АЧХ

Введение дополнительного резистора позволило уравновесить АЧХ по выходу усилителя и выходу аттенюатора. Причем равновесие соблюдается для любого значения выходного сопротивления усилителя.


 
Рис.4 Разница в итоговой АЧХ усовершенствованного имитатора-аттенюатора (красная линия – нагрузка к выходу усилителя; желтая линия – нагрузка на выходе аттенюатора) Rвых.усил =10 Ом.

Безусловно такие идеально совпадающие картинки получаются лишь при условии, что импедансы имитатора и нагрузки полностью совпадают. В реальности будут наблюдаться незначительные расхождения АЧХ, которые вызваны несовпадением частотной зависимости реального кабинета и имитатора, но применяя универсальную имитацию нагрузки лучшего результата нельзя добиться в принципе.

Краткое описание принципа работы

Обратите внимание, что в случае усовершенствованного аттенюатора выходной делитель R1 R2 нижней частью подключен не на «землю», а к выходу другого делителя: R4 L1 L2 C1 R3. Причем этот делитель является частотозависимым и имеет провал на частоте резонанса (у параллельного LC- контура полное сопротивление при приближении к частоте резонанса возрастает). На частотах выше 400Гц из-за влияния индуктивности L1 мы также наблюдаем увеличение сопротивления верхнего плеча делителя и, соответственно, уменьшение амплитуды сигнала на R3.
Таким образом АЧХ делителя R4 L1 L2 C1 R3 «обратна» по отношению к АЧХ связки усилитель-нагрузка. Если выбрать R3 таким образом, чтобы точно скомпенсировать влияние выходного сопротивления делителя R1 R2, то при подключении кабинета к аттенюатору мы получим на связке аттенюатор-кабинет в точности такую же АЧХ, как и на связке усилитель-кабинет, только сдвинутую вниз в соответствии с коэффициентом аттенюации. При сдвиге АЧХ вниз на -20дб мы получим на выходе 1/10 напряжения или 1/100 входной мощности.

Расчет сопротивлений аттенюатора


Для расчета номиналов резисторов такого аттенюатора достаточно проделать 4 шага.
Сначала определимся с необходимым процентом мощности на выходе аттенюатора в процентах. Назовем этот процент коэффициентом К. Если необходимо снижение мощности до 2%, то К=2. Если до 10%, то К=10.
1 шаг. Вычисляем R3 по формуле R3=K/2
2 шаг. Вычисляем R4 по формуле R4=8–R3 (8- сопротивление кабинета в Омах)
3 шаг. Вычисляем R2 по формуле R2=(43–R3)*sqrt(K/100)
4 шаг. Вычисляем R1 по формуле R1=43–R2–R3.
Приведенные формулы просты, но достаточно точны и степень совпадения АЧХ будет зависеть лишь от разброса сопротивлений применяемых резисторов. Для 16 Ом номиналы всех резисторов и катушек следует увеличить вдвое, а емкость конденсатора наоборот уменьшить в два раза.
Мощности резисторов выбираются исходя из того, что через  R4 течет 4/5 тока, через R3 течет весь ток, через R1 и R2 1/5 тока. Ток через нагрузку считается по формуле Iн=sqrt(P/Rн), где P – мощность усилителя, Rн- сопротивление нагрузки.
Необходимая мощность рассеивания каждого резистора считается по формуле Pрасс=I*I*R – где I – ток через этот резистор. Мощность резисторов лучше выбирать с запасом в 30-50%. Необходимо также учитывать, что при максимальных мощностях ток в катушке L2 и конденсаторе C1 превышает ток Iн приблизительно в 2,5 раза.
Коэффициент K описываемого аттенюатора не может превышать 16%, т.е наименьшее возможное снижение мощности P(out)=0.16*P(in).



Виктор Кемпф


Александр AMTsupport

  • Global Moderator
  • Newbie
  • *****
  • Сообщений: 48
    • Просмотр профиля
Сдраствуйте.А как эту схему подключать в линию и желательно без динамика?
А то не понятно зачем имитировать нагрузку динамика ,если динамик там уже есть настоящий,простой дилитель не подойдет разве?

Виктор Кемпф попросил меня передать его слова
"1) для просто сигнала в линию нужно поставить простой делитель прямо к выходу усилителя параллельно этой схеме.
2) Нагрузка динамика имитируется для имитации взаимодействия усилителя с комплексной нагрузкой. Резистивный делитель не является комплексной нагрузкой и взаимодействует с усилителем по-другому. "
« Последнее редактирование: Март 13, 2017, 17:46 от Admin »

Virkom

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 1
    • Просмотр профиля
Давно искал нечто подобное.
Подскажите, а каким образом можно сделать регулируемый аттенюатор? Я имею в виду, регулировать плавно (переменным резистором) или с помощью пятипозиционного переключателя режим усиления. Например, 1%, 5%, 10%, 30%, 50% или что-то вроде того.
Для этого достаточно рулить резисторной цепью? Или катушки тоже придется на каждый коэффициент свои ставить?

alexzuma

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 2
    • Просмотр профиля
Уважаемый Виктор, спасибо за схему! Не производили ли Вы случайно расчёт номиналов индуктивностей и емкости для имитации басового каба. Скажем 1х12, ну или какого-нибудь?

Admin

  • Administrator
  • Newbie
  • *****
  • Сообщений: 22
    • Просмотр профиля
Цитата: Virkom
Давно искал нечто подобное.
Подскажите, а каким образом можно сделать регулируемый аттенюатор? Я имею в виду, регулировать плавно (переменным резистором) или с помощью пятипозиционного переключателя режим усиления. Например, 1%, 5%, 10%, 30%, 50% или что-то вроде того.
Для этого достаточно рулить резисторной цепью? Или катушки тоже придется на каждый коэффициент свои ставить?
Виктор Кемпф просил передать ответ:

"Больше 16% от входной мощности таким образом не получить, в статье есть упоминание об этом. В плавной аттенюации особого смысла не вижу - ну сделайте в конце концов 3 градации - 10 % 3 %  1 %.. (прогрессия желательна именно геометрическая). Реактивные элементы (катушки и конденсатор) неизменны, меняются лишь значения резисторов. Формулы для расчета в статье приведены."

Цитата: alexzuma
Уважаемый Виктор, спасибо за схему! Не производили ли Вы случайно расчёт номиналов индуктивностей и емкости для имитации басового каба. Скажем 1х12, ну или какого-нибудь?
Ответ Виктора:

"Для имитации басового каба  можно просто ёмкость конденсатора увеличить вдвое (резонанс сместится к 70Гц, как у, например, басового Celestion BL10-100X). Катушки можно оставить какие есть."
Everything is just beginning!

alexzuma

  • Newbie
  • *
  • Сообщений: 2
    • Просмотр профиля
Цитировать
"Для имитации басового каба  можно просто ёмкость конденсатора увеличить вдвое (резонанс сместится к 70Гц, как у, например, басового Celestion BL10-100X). Катушки можно оставить какие есть."
Спасибо!

 

@Mail.ru