Как избавиться от клиппинга усилителя

Ограничение сигнала усилителем (клиппинг, клип) – это такая ситуация, когда от усилителя пытаются получить напряжение на нагрузке больше, чем тот может обеспечить.

Приведенный ниже рисунок наглядно демонстрирует природу клипа. Так, как коэффициент усиления – величина постоянная, то усилитель будет пытаться увеличить амплитуду выходного сигнала, пропорционально увеличению входного. Громкость будет пропорционально увеличиваться, но только до уровня на котором амплитуда выходного сигнала сравняется по величине с напряжением питания. Но Вам охота еще громче и Вы продолжаете увеличивать громкость на магнитоле. Усилитель пытается выдать на нагрузку сигнал большущей амплитуды и формы строго соответствующей исходному (пунктирная линия), но ограниченный питанием, вынужден гнать в нагрузку практически меандр. Многократно увеличившееся время импульса в максимальной точке амплитуды, превращает переменный ток в практически постоянный, что может вывести из строя как усилитель так и динамики.
Похожая ситуация происходит и на линейном выходе магнитолы при выкручивании громкости на максимум. Внутренний источник сигнала тоже имеет свой предел выходного напряжения, превышая который мы имеем на выходе клипованый сигнал, который проходя через усилитель становится не менее страшным, чем клип самого усилителя мощности.

Как влияет клип на динамик?
1.Зоны графика, являющиеся отклонениями от синуса, представляют собой много высокочастотных составляющих — гармоник, в результате на пищалки идет мощность в несколько раз превышающая их номинальный режим и они горят первыми, даже если на входе не было высокочастотного сигнала совсем! Для СЧ и НЧ динамиков высокочастотные гармоники представляют собой дополнительную нагрузку на динамик вне его рабочего диапазона. Поэтому на звуковую катушку получаем дополнительную мощность, которую сама катушка отработать не в состоянии, и которая большей частью рассеивается в виде тепла. Что конечно же приводит к перегреву каркаса звуковой катушки и сползанию витков, либо межвитковому замыканию катушки и как следствие увеличения тока и выходу из строя динамика.
2.Поскольку сигнал при клипе приближается к меандру, фронты сигнала (перепады между крайними положениями) становятся всё более резкими. Это даёт дополнительную нагрузку на каркас звуковой катушки и всю подвижную систему. И чем выше частота, тем такая нагрузка больше.
3.Поскольку движение диффузора становится более резким, возрастают ЭДС самоиндукции и вихревые токи в катушке, что ещё больше усиливает её разогрев.

Что может случиться усилителем?
Как указано выше, многократно увеличившееся время импульса в максимальной точке амплитуды приводит к предельному режиму работы транзисторов оконечного каскада, они перегреваются и возрастает вероятность теплового пробоя. При пробое даже одного транзистора оконечника мы получаем короткое замыкание на выходе преобразователя напряжения. Далее все зависит от схемы защиты усилителя. Либо она отключает преобразователь напряжения, что происходит в большинстве усилителей АВ класса и мы отделываемся легким испугом с заменой транзисторов оконечника. Либо ПН продолжает маслать на пределе и выгорают все его транзисторы — такая тенденция наблюдается в усилителях D-класса, тут уже ремонт встает в кругленькую сумму.

Как уменьшить вероятность появление клипа?
1.На магнитоле не выкручиваем громкость на всю — делаем на 5-10 делений меньше, в зависимости от модели.
2.Если при увеличении громкости на магнитоле фактическая громкость музыки на слух не увеличивается, тут появляется клип. Убовляем громкость на несколько делений назад и это значение будет являться максимумом для Вашей системы, или же следует убавить гейн на усилителе.
3.Избегаем долговременной прослушки музыки на максимальной громкости.
4.Следим за просадками напряжения питания аппаратуры, так как при низком напряжении резко увеличивается вероятность появления клипа.

Источник

AudioKiller’s site

Audio, Hi-Fi, Hi-End. Электроника. Аудио.

Материалы раздела:

Клиппинг (cliping) в усилителе

Ограничение сигнала усилителем (клиппинг) – это такая ситуация, когда от усилителя пытаются получить напряжение на нагрузке больше, чем тот может обеспечить.

В нормальном рабочем диапазоне входных напряжений, зависимость выходного напряжения от входного практически линейная (на самом деле не совсем, и эта небольшая нелинейность порождает искажения, которые призван оценить коэффициент гармоник Кг, или THD по-иноземному, и это отклонение от прямой составляет 0,001…0,1%), и форма выходного сигнала совпадает с формой входного – усилитель сигнал просто усиливает не искажая, то есть работает правильно.

Если же входное напряжение все повышать и повышать, то выходное напряжение уже не будет по форме повторять входное: оно дойдет до какого-то предела, определяемого источником питания и схемотехникой усилителя, а потом перестанет изменяться. Форма сигнала при этом начинает отличаться от исходной, причем тем сильнее, чем сильнее клиппинг. В спектре сигнала появляется много таких составляющих, которых там сроду не было, причем спектр этих помех меняется динамически вместе с сигналом. Звук кардинально ухудшается. Нелинейность амплитудной характеристики при этом колоссальная и искажений соответственно намного больше.

На рисунке вверху: пунктиром — то, что мы пытаемся получить, сплошной линией — то, что реально получаем.

Кроме того, в спектре сигнала появляется много высокочастотных составляющих, которые могут перегрузить ВЧ динамик колонки (ВЧ динамики на самом деле рассчитаны на гораздо меньшую мощность, нежели на них написано, см. например, программа для расчета соотношения мощностей динамиков ) и даже сжечь его!

Клиппинг (по-нашему он называется ограничением сигнала) — очень вредная для аналоговых усилителей вещь. В этой ситуации элементы усилителя не работают нормально. Их режимы могут быть неправильными (иногда транзистор просто неуправляем, и какое на нем будет напряжение/ток предсказать вообще невозможно). Обратная связь при этом тоже не работает, поэтому она не в состоянии скомпенсировать это безобразие.

Почему же бытует мнение (поддерживаемое аудиожурналами), что клиппинг – это совсем не страшно, даже совсем и не плохо, и в нем очень даже можно работать, особенно ламповой технике? Тут нужно окунуться в историю.

Лет 30-40 назад, когда почти вся техника была ламповой, выходная мощность аппаратуры была на уровне 0,5-1,5 Вт. 5 Вт – это было очень громко, а 20 Вт – уже для дискотеки.

Потом появились транзисторы, для которых не то, что 20, а 50-100 Вт не мощность, также как и широкий (20-20000) диапазон частот. Внимание конструкторов переключилось на динамики. Были созданы динамики с гораздо более гладкой АЧХ, большей линейностью, более широким частотным диапазоном. Но за все нужно платить – за лучшее качество расплатились КПД, который стал меньше в 10-20 раз. Сегодняшние динамики при подводимой громкости 10-20 Вт звучат также громко, как и старые при 1 ватте. Но большАя мощность не проблема, не так ли?

А потом появились аудиофилы с их однотактными в классе А ламповыми усилителями. И опять в обиход вошли маленькие мощности: Hi — End усилитель фирмы ХХХ имеет выходную мощность 4,5 Вт при цене 50 000$; а фирмы ZZZ имеет 9 Вт при цене 120 000$. Если к такому усилку подключить современные колонки, нужно будет хорошо прислушиваться, чтобы что-то услышать. А старых динамиков нет и выпускать их никто не собирается. Как быть?

Причем это еще не все. Ведь у музыки пик-фактор равен числу «пи» (до недавнего времени считалось, что «пи»/2, и даже советские стандарты на это ориентировались). Поэтому, чтобы пики сигнала оставались в линейной области амплитудной характеристики, общий уровень напряжения приходится уменьшать в 3 раза, а значит выходную мощность почти в 10 раз! Что там осталось от громкости? 0,45…0,9 Вт? Круто!

При таких ценах и таких мощностях проблема привлечения клиентов стоИт очень остро. Мощность увеличивать трудно технически, а применить другую схемотехнику нельзя – уже везде рекламой раструбили, что однотактник в классе А – это рулез, а все остальное – полный отстой. Отсюда и цены такие ломят. И тут кому-то пришла в голову светлая мысль: если увеличить громкость в 1,4 раза, то выходная мощность увеличится вдвое. Правда при этом кратковременные пики сигнала попадут в область насыщения, и их форма уже будет искажена.

А вот это оказалось и не так страшно – излом амплитудной характеристики ламповика гораздо более пологий, чем транзистора (особенно, если ламповик или совсем без общей ООС, либо с очень слабой). И эти искажения не порождают такой жуткий спектр гармоник и комбинационных частот, как у транзисторников. На самом деле, это уже халтура – искажения, хоть и сравнительно небольшие, уже появляются, напрочь убивая тем самым все преимущества сверхлинейного лампового усиления. Но фокус в том, что услышать это могут немногие люди. А подобные усилители покупают люди не столько с соответствующим слухом, сколько с соответствующим кошельком.

Поэтому идея оказалась очень кстати, только нужно было как-то ее легализовать. Ну и пошла гулять по «аудиомурзилкам» деза о том, что клиппинг – это и не страшно вовсе. Когда к этому попривыкли, пошли дальше – убедили население, что в клиппинге вообще можно работать. Общественное мнение сформировали, и после этого «подняли» уровень воспроизведения ламповиков до максимума. То, что в таком режиме он играет хуже, чем хороший транзисторный усилитель – про это все молчат (кто знает), а сравнить – ну кто же будет сравнивать суперэлитный ламповик с каким-то «каменным дерьмом»!

Зато громкость сразу получилась намного выше, и теперь, обрабатывая клиента купить усилитель вдвое дороже его «Мерседеса», можно не бояться упрека в том, что он тихо играет. А что касается качества… А качество – его и по ценнику хорошо видно, а те, кто сомневается – жлобы из глубокой провинции, ничего в аудиофильстве не понимающие!

Вот наглядная демонстрация такого подхода. Сразу оговорюсь — это цифровые сигналы. В них происходит самый страшный на свете клиппинг. Потому что в них действует только математика — четкое сравнение амплитуд: если больше нормы, то сигнал режется. В транзисторных усилителях ограничение несколько более мягкое, а в ламповых еще мягче. Но не настолько, чтобы этот пример потерял актуальность, потому что принцип — он есть везде.

Итак, исходный сигнал. Амплитуда максимальна. Хорошо видны всплески амплитуды. Масштаб по оси времени: 1 деление = 1 секунда, поэтому видно, что всплески редкие.

Кстати, психоакустика учит нас, что если эти редкие всплески обрезать, то сознание этого не заметит, то есть мы не будем слышать явных искажений. Но с субьективной стороны при прослушивании мы будем ощущать, что «что-то не то» — отсутствует легкость, воздушность, естественность и прочие «эзотерические» явления. Именно для того, чтобы показать способность усилителя воспроизвести эти редкие короткие всплески, придумали мощность РМРО — кратковременную мгновенную, которая должна быть раз в 10 больше номинальной. И именно ее взяли за основу «китайской» мощности — уж очень цифры внушительные получаются!

Далее, увеличиваем сигнал на 3 дБ (в 1,4142… раз). Хорошо видно, что весь сигнал стал «громче». Но максимальная амплитуда не изменилась — ведь больше максимума не бывает! Поэтому отностиельная высота пиков уменьшилась.

А теперь внимание, правильный вопрос! Как можно говорить о нюансах правильности и волшебной чистоты лампового звука при таких огромнейших, заметных даже на глаз искажениях? Вы этим словам верите? Я — нет.

Если исходный сигнал увеличить в 2 раза, то мне не хватает печатных слов, чтобы прокомментировать результат. Поищите-ка здесь знакомые импульсы-пики! И нас пытаются убедить в том, что такое можно слушать?! Можно. Только я лично вместо такого варианта лучше выберу этот противный транзисторный усилитель, только чтобы в нем был сигнал, как на первом рисунке.

PS. На самом деле это довольно сложная проблема – сделать соответствующие подходящие колонки с очень высокой отдачей, чтобы обеспечить громкое звучание без клиппинга усилителя. Но на самом деле, в мире довольно мало людей, которые отличат звучание хорошего лампового усилителя от хорошего транзисторного (я имею в виду, что усилитель считается хорошим не потому, что так написано на его этикетке, или в модном журнале; я имею в виду по-настоящему хороший усилитель, без всяких подтасовок). Причем здесь важен весь комплект аппаратуры, носитель и сама запись, помещение для прослушивания, и даже психологическое состояние слушателя.

Поэтому, если у вас немного не хватает денег на покупку лампового усилка за 50 000$, то не расстраивайтесь – купите хороший транзисторный и не пожалеете! Только берите его с нормальным запасом по мощности, чтобы никакого клиппинга и близко не было, и да пребудет с вами сила!

Источник

Клиппинг — или почему сгорает сабвуфер

Что такое clipping (клиппинг)

Клипп или клиппинг (от английского clipping — отсечение, срезание) — форма искажения звука из-за ограничения амплитуды сигнала.

Во время нормальной работы усилителя переменное напряжение двигает звуковую катушку динамика вверх-вниз, в момент возникновения клиппинга в вершинах амплитуды появляются по′лки или обрезы, в это время напряжение не может измениться, потому что уровень громкости заставляет его расти, а усилитель выдать больше уже не может. В эти моменты катушка залипает в крайних положениях и начинает греться от высокого напряжения и отсутствия охлаждения за счет движения. В результате чего перегревается и в конце-концов сгорает.

Откуда появляется клиппинг

Клипппинг возникает если выходное напряжение усилителя превышает предел напряжения питания, другими словами, когда вы пытаетесь выжать из усилителя то, чего он не может. Например вам мало баса и вы накручиваете гейн все больше, включаете бассбуст. В какой-то момент это превышает возможности вашего усилителя и вместо чистого сигнала начинает идти обрезанная синусоида. Усилитель честно старается, но он больше не может.

Запас по клипу зависит от мощности сабвуфера, мощности усилителя, его питания и чистоты входного сигнала.

Клипп так же может формироваться с магнитолы если ее громкость будет выкручена выше нормы, а при использовании различных улучшайзеров, бассбуста, задранных пресетов эквалайзера и т.п. эта норма очень сильно снижается.

Здесь мы рассматриваем клиппинг сабвуфера, но эта информация полностью актуальна для всех типов динамиков.

Посмотрите очень информативное видео, которое наглядно описывает процесс клиппа .

Коротко по пунктам:

Клиппинг может идти от магнитолы, в случае перекрученного регулятора громкости.
Клиппинг может появляться в усилителе в случае не правильного согласования входной чувствительности. Обычно это означает — перекрученный гейн.
Клиппинг может присутствовать уже на записи.
Использование бассбуста, различных улучшайзеров, завышенные настройки эквалайзера, а так же недостаточное питание системы — резко снижают запас по клиппингу.

Как бороться с клиппом

На слух легкий клипп определить довольно сложно, но он и не столь опасен. Если вы слышите отчетливые искажения на музыке или чувствуете паленый запах от саба, то это уже тяжелая стадия.

Для того чтобы избежать клиппинга правильно подбирайте усилитель, используйте провода для питания достаточного сечения, делайте надежные контакты и главное — правильно настройте усилитель.

Нужно отметить, что иногда клиппинг используется сознательно для повышения результатов в соревнованиях по звуковому давлению, но к музыке и повседневу это не имеет никакого отношения.

Удачи, берегите свои динамики!

Читать еще:

Жмите на кнопку чтобы поделиться материалом:Нажмите кнопку, чтобы поделиться материалом:

Источник