Современные цифровые аудио усилители

Снова DVD-Audio против Super Audio CD Нет счастья в жизни. Внутри цифровые усилители устроены чуть поразному. Есть аппараты, работающие по принципу широтноимпульсной модуляции (ШИМ, или PWM), а есть так называемые «однобитные» (не путать с «однобитным ЦАП»!). В практическом смысле разницы между ними нет, просто первые ориентированы на воспроизведение DVD и DVD-Audio, а вторые — Super Audio CD. Но не думайте, что такие аппараты споткнутся на проигрывании «чужого» формата. Конечно, нет.

Аналоговое и цифровое усиление

Как мы уже выяснили (см. «ПМ» за июль 2003 года), большую часть своей жизни современная музыка проводит в цифровом виде. И только в самый последний момент, чтобы добраться до наших ушей, она становится колебаниями звука. Тут-то аудиофила и подстерегают основные расходы — усилители за десятки тысяч долларов не редкость. Но этому неотвратимо наступает конец. И имя ему — цифровые усилители, или усилители класса «D».

Вчера: аналог

Чтобы разобраться, как работает цифровой усилитель и в чем его отличие от классического аналогового прибора, посмотрим, что сегодня происходит со звуком по пути от источника к вашему уху. Источник звука может быть цифровым — CD, DVD, DVD-Audio, цифровое ТВ или радио, Super Audio CD (SACD), а может быть аналоговым — магнитофон, виниловая пластинка, обычная теле или радиопередача. Если источник звука цифровой, он преобразуется в аналоговый вид при помощи цифроаналогового преобразователя (ЦАП, или DAC). Как работает ЦАП? В общем, очень просто — там стоит процессор, который определяет, в какие моменты на выходе должно быть напряжение, а в какие — не должно. Получается «лесенка» напряжений, которую «сглаживают» разными способами, приводя к «правильной» синусоиде. Частично из-за сложности ЦАП аудиофильская аппаратура и стоит таких неприличных денег. Если же на вход пришел аналоговый сигнал, то преобразовывать его не нужно. Разве что чуть-чуть усилить (если это сигнал с винила), чтобы он приобрел «стандартное» значение 250 милливольт.

После преобразования цифрового сигнала в аналоговый, его усиливают так же, как и сто лет назад (первые ламповые усилители появились в 20-х годах прошлого века). В процессе усиления звук сильно искажается (так уж устроен мир), поэтому изготовители аппаратуры вынуждены идти на всяческие ухищрения, чтобы искажений этих избежать. Кто-то использует лампы — аудиофилы утверждают, что «они звучат чище». Кто-то переводит транзисторы в специальный «линейный» режим, при котором искажений мало. Но КПД такой схемы настолько низок, что до 90% энергии выделяется в виде тепла. Именно для отвода тепла транзисторы ставят на гигантские алюминиевые радиаторы.

Усиленный сигнал передается в акустические системы (в простонародье — «колонки»), которые представляют собой не что иное, как кусок бумаги, движением которого управляет электромагнит. Бумага эта создает колебания воздуха. Воздух воздействует на мембрану человеческого уха. Мембрана передает импульс нерву. Нерв доносит «звук» до нашего мозга. Вот, в общем, и все.

Сегодня: цифра

Теперь посмотрим, что же такое цифровой усилитель. Для цифрового усилителя «родным» является цифровой сигнал. Так что любой аналоговый сигнал, который подается ему на вход, немедленно преобразуется в цифру. После этого над сигналом производится цифровая обработка. Например, в таких аппаратах есть цифровой эквалайзер, ревербератор и т. п. Сигнал можно «разложить» на несколько каналов. После обработки наступает самое интересное. Как мы уже знаем, динамик — чаще всего лишь кусок бумаги с электромагнитом. И получение звука — это управление этим магнитом. Так вот, процессор в усилителе просто вычисляет, в какой момент и как надолго в колонку нужно отправить напряжение из блока питания, чтобы оно «раскачало» электромагнит. И все. Просто и гениально. Не нужны никакие дорогостоящие детали (процессор, используемый в таких устройствах, стоит меньше $100), не нужен отвод тепла (КПД у таких устройств приближается к 100%, потери только в электромагните, внутри колонки), не нужно вообще ничего. В результате устройство ценой $300−400 звучит не хуже, чем аналоговый монстр за десятки тысяч.

Внимательный читатель заметит, что мы только что снова описали принцип работы ЦАП. Правильно, ничего нового под Луной нет. Разница только в том, что в цифровом усилителе нет собственно схемы усиления и, благодаря инертности динамиков в колонках, нет нужды сглаживать «лесенки» напряжений. Тут уместно заметить, что форма сигнала, которую выдает цифровой усилитель, не похожа на синусоиду. Да это и не нужно — слушатель же воспринимает музыку, а не пялится в экран осциллографа.

Цифровые усилители уже вовсю продаются. По прогнозам, в 2003 году уже до 80% продаваемых музыкальных центров, ресиверов для домашнего кинотеатра и т. п. будут снабжены цифровой схемой усиления. Делают их такие монстры, как Sony, Panasonic, Sharp. А не за горами и корейцы.

Совершенно естественно, аудиофильская индустрия тут же выпустила «улучшенные» цифровые усилители, где форма сигнала «еще более правильная» — например, система DDX. Но я лично не верю, что кто-то способен уловить разницу. Ухом.

Профессиональные усилители, работающие в классе "D" уже завоевали свою нишу, прежде всего в прокатном звуковом оборудовании. Существенная разница в весе и объеме цифровых усилителей по сравнению с классическими усилителями не может не привлекать внимание. Благодаря развитию технологий и интеграции, теперь все доступнее становится и стоимость подобных устройств.

Импульсный усилитель мощности D2400

Импульсный усилитель мощности подключение

Блок питания в усилителе также импульсный, что позволило ещё более минимизировать и без того небольшой вес усилителя.
Входной сигнал в усилителе мощности D2400 коммутируется балансными разъёмами "XLR", выход коммутируется разъёмами "Спикон".
Регуляторы уровня входного сигнала, индикаторы и кнопка включения усилителя расположены на передней панели.
В усилителе присутствует лимиттер входного сигнала (для ограничения мощности при подходе к пиковому значению), позволяющий снизить искажения при максимальной громкости и сберечь акустические системы. Кроме того, в усилителе мощности реализованы система защиты от короткого замыкания на выходе, система защиты от перегрева, система защиты звуковых колонок от постоянного напряжения, система защиты от радиопомех, система плавного включения.
Рекомендуемые акустические системы - АС350 , АС501

Модель D2400sub предназначена для работы в монофоническом режиме с одной или двумя низкочастотными звуковыми колонками (сабвуферами). В усилителе D2400sub предусмотрен фильтр со срезом на частоте 120Гц. При этом в варианте усилителя 2х400Вт сигналы правого и левого каналов сначала суммируются (сводятся в моно), затем выделяется низкочастотная часть и усиливается параллельно двумя усилительными модулями. Вариант усилителя 1х800Вт отличается тем, что два модуля работают навстречу друг другу (мостовая схема), на акустическую систему сопротивлением не менее 8ом. В усилителе 1х800Вт на задней панели только один выход для подключения акустической системы.

«Производители усилителей применяют новейшие энергосберегающие технологии для того, чтобы их продукция была максимально эффективной, экологичной и мобильной. Рассмотрим последние тенденции и предложения производителей профессиональной аудиотехники.

Среди звукового оборудования звукоусиление, бесспорно, имеет наибольшее энергопотребление. Если говорить вкратце, усилители D-класса более эффективны, а также имеют значительно меньший вес и размер, чем усилители класса AB. Если вы откроете обычный усилитель, то увидите трансформатор, сделанный из меди, - вот почему усилители, как правило, такие тяжелые. Современные усилители в сочетании с высококачественным программным обеспечением могут значительно снизить энергопотребление, при этом экономить бюджет и не наносить вреда окружающей среде. При этом производители должны быть уверены, что новации не скажутся негативно на качестве звука.

Компания KIND AUDIO уделяет пристальное внимание созданию оборудования, которое позволило бы свести к минимуму потребление электроэнергии и выделяло бы меньше углерода. В серии усилителей DD+, соответствующей требованиям Green Power, используются технологии PFC (Power Factor Correction) и PWM (широтно-импульсная модуляция).

Серия DD+ основана на схематике усилителей класса D с запатентованным модулятором. Преимуществами этой технологии являются низкое выделение тепла, компактный размер и высокая мощность: 10 кг - 2 x 4 кВт; 11,5 кг - 4 x 2,5 кВт. Отраженная энергия от громкоговорителя как активной нагрузки перерабатывается экономичным блоком питания с переключаемым источником напряжения. Потребление энергии из сети переменного тока снижается, в то время как больше энергии отдается громкоговорителю. Для максимального охлаждения в серии DD+ применяется алюминиевый радиатор. Усилители могут работать в мостовом режиме, снабжены пошаговыми регуляторами громкости и вентиляторами с изменяемой скоростью вращения.

KIND, как и другие производители, использует технологию регулировки напряжения PFC, которая позволяет усилителям мощности, студийным мониторам и активным сабвуферам развивать мощность, ранее невозможную. Это происходит благодаря тому, что новые усилители способны мгновенно реагировать на подачу пикового напряжения. Несомненные преимущества этой технологии состоят в значительном энергосбережении и в том, что в ходе работы такой усилитель греется на 40% меньше по сравнению с обычным усилителем, при той же выходной мощности.

Технология PFC чрезвычайно актуальна. Конечно, обычные усилители класса D давно уже не новинка. Но при работе с такими усилителями на больших уровнях громкости приходится выбирать: или мощность, или качество звука, так как появляется эффект пульсации, и приходится использовать специальные фильтры для коррекции выходного сигнала.

Компания Lab.gruppen всегда стремилась сделать свою продукцию более экологичной. Для примера, новая акустическая система на поле для крикета в Лондоне, в установке которой компания приняла участие, имеет энергопотребление, составляющее лишь 30% от бывшего ранее.

В основе разработки компанией Lab.gruppen известной модели PLM 20000Q, выпущенной в прошлом году, лежит абсолютно новый принцип устройства блока питания, который позволяет при необходимости выдавать большую мощность при малых токах базы. Учитывая тот факт, что во время живых концертов используется, как правило, лишь восьмая часть максимальной мощности усилителя, а то и меньше, PLM 20000Q способен накапливать достаточную мощность, которая будет требоваться в случае пикового уровня сигнала. Такая особенность может оказаться чрезвычайно полезной, например, для бас-барабана. Компания Lab.gruppen заявляет, что PLM 20000Q накапливает 400 Вт, что вдвое больше, чем любая из моделей фирм-конкурентов.

Благодаря таким характеристикам становится возможным обеспечить необходимую мощность для любых туровых акустических систем, таких как концертная АС группы U2 в туре 360°, без использования дополнительных дизельных электрогенераторов. Инсталляционные усилители серии Е, которые будут выпущены к концу 2011 года, обещают быть значительно эффективнее.

В расширенный список еще одной серии усилителей Lab.gruppen FP+ входит шесть моделей с двухканальными и четырехканальными версиями в широком диапазоне выходной мощности. Ведущая модель FP 14000 имеет оглушительную выходную мощность 14 000 Вт (при весе 12 кг и корпусе 2 U), что делает ее идеальной для подачи сигнала на большие сабвуферы. Другие модели серии обеспечивают выходную мощность и имеют конфигурацию каналов, которые подходят практически к любому мобильному приложению, от излучателей линейного массива до широкополосных мониторов и акустических систем заполнения.

Для достижения экстраординарного соотношения мощности к размеру, которым отличаются модели серии FP+, инженерам компании Lab.gruppen пришлось доработать две собственные технологии: R.SMPS (Regulated Switch Mode Power Supply - стабилизированный импульсный источник питания) и запатентованный выходной каскад Class TD. Совместно две эти технологии нового поколения позволяют вырабатывать большую мощность при меньших габаритах усилителя, не забывая и о великолепном качестве звучания, которое является визитной карточкой Lab.gruppen. Высокие частоты остаются четкими и прозрачными, средние - теплыми и естественными, а тугие басы не теряют своего привычного воздействия на слушателя.

Все усилители серии FP+ поддерживают контроль и управление в режиме реального времени по сети NomadLink благодаря тому, что встроенный сетевой модуль входит в их стандартную комплектацию. И, наконец, репутация высокой надежности оборудования Lab.gruppen подтверждается шестилетней гарантией.

Последние разработки компании EVI - многоканальные усилители Dynacord DSA и Elecro-Voice - тоже нацелены на большую эффективность. Инновационная технология бренда Dyanacord представлена в новой серии многоканальных усилителей мощности класса D, таких как DSA 8405/8410/8805. Каждый канал может быть включен самостоятельно в режиме мощности 500 Вт на 2 Ом или 1000 Вт на 4 Ом. Также возможно дистанционное включение и выключение усилителя и управление режимом его энергопотребления.

Британская компания MC2, объединенная в 2007 году с XTA, в данный момент работает над серией усилителей DSP, поступление которых в продажу намечено на 2012 год. Усилители серии Е имеют успех на рынке. E90 и E100 относятся к классу D. Они высокоэффективны, КПД составляет порядка 91%. Модель E100 рассчитана на 2 Ом, при этом все каналы имеют низкий пик-фактор, в отличие от других усилителей, которые либо снижают уровень сигнала, либо у них срабатывает защита.

Модель Е100 также имеет довольно высокий КПД - порядка 86%, поскольку каждый из трансформаторов оптимизирован для достижения максимальной эффективности, а резонансный блок питания компенсирует потери в мощности полупроводников с помощью основного блока питания.

Crest Audio представляет новую серию усилителей мощности E-Lite. Две модели этой серии, E-Lite 1800 и E-Lite 1800 DSP, отличаются легким весом, рациональной конструкцией, мощной и четкой работой с нагрузкой вплоть до 2 Ом.

Серия усилителей E-Lite создана на основе улучшенной, быстродействующей схемы класса D с импульсным источником питания, который, уменьшая вес, в то же время повышает надежность, термический КПД и выходную мощность.

Crest Audio E-Lite 1800 DSP имеет встроенный цифровой процессор, настраиваемый кроссовер, лимитер, параметрический эквалайзер, эквалайзер для ВЧ-драйвера, четыре ячейки запоминающего устройства для пресетов пользователя, хранит наборы задержек (0–120 мс на канал), работает в режимах стерео/моно с настройками безопасности. LCD-экран передней панели позволяет пользователям быстро распознавать и устанавливать пресеты, в то время как USB-порт дает возможность загружать пресеты.

Секция DSP серии E-Lite объединяется с технологиями Waves, MaxxBass, Bass Extension, которые используют психоакустику для создания четких гармонических обертонов, дающих ощущение дополнительных низких частот в миксе. Уровень MaxxBass может регулироваться от 0 до 100%.

В этом году к выставке Prolight + Sound на рынок вернулся бренд C-Audio с новым собственником, в лице Proel Group, и под управлением известного производителя акустических систем Turbosound. Возрождением C-Audio послужило появление четырех усилителей серии GB. Высота каждого 2 U. Выходная мощность GB15 - 900 Вт на канал при 4 Ом, GB20 - 1100 Вт, GB35 - 1800 Вт, GB50 - 2500 Вт. Усилители этой серии имеют легкие импульсные источники питания, возможность переключения чувствительности входа и ЖК-дисплей, где отображается громкость сигнала, температура и состояние системы защиты.

Новая серия усилителей Pema компании Ashly включает в себя две четырех- и две восьмиканальные модели мощностью 125 Вт/250 Вт на канал (при 4 Ом), имеющие встроенные DSP-процессоры и цифровые матрицы (8 x 4 или 8 x 8). Все модели серии имеют модификации 70 В/100 В, фантомное питание 15 В, телефонный/PBX-вход, входы на разъемах RCA и «евроблок», Post-DSP AUX-выходы, возможность преобразования стереосигналов в моно, оснащаются встроенными микрофонными предусилителями.

DSP-процессоры усилителей Pema имеют параметрические и графические эквалайзеры, фильтры, задержки, модули динамической обработки (компрессоры, лимитеры, гейты, дакеры), автоматический микрофонный микшер, автоматическую регулировку уровня звука, подавитель обратной связи, кроссовер, линии задержки, матричный микшер, генератор тестовых сигналов.

У всех моделей серии есть отсек для установки карт поддержки цифровых интерфейсов CobraNet и EtherSound. Усилители Pema поддерживают дистанционное управление с помощью панелей Ashly серии WR и по сети Ethernet.

Усилители компании QSC серии PowerLight 3 с мощностью от 1250 до 4000 Вт при 2 Ом на канал занимают высоту 2 U, имеют глубину 40 см и весят всего 10 кг. Их сравнительно небольшие габариты и вес - одна из причин, почему именно эти модели были установлены на новой клубной площадке Under the Bridge, которая является частью комплекса Stamford Bridge, принадлежащего футбольному клубу Chelsea. На этой площадке было задействовано 66 таких усилителей. Проектированием и установкой АС этого клуба занимался Ян Вудалл (Ian Woodall). Выбор QSC для данного проекта вполне оправданный. «Поскольку на площадке будет пять рэков по 42 U плюс рэки, имеющие чисто техническое назначение, мы всерьез задумались о количестве тепла, которое будет выделяться при работе всех приборов. Именно поэтому я выбрал серию PowerLight 3, которая приятно удивила меня малым количеством выделяемого тепла, - утверждает Ян. - Ну и, конечно же, высокая мощность усилителей этой серии стала решающим фактором для того, чтобы приобрести именно их».

Компания QSC в этом году начала выпуск усилителя GX7, который стал третьей и самой мощной моделью в серии GX. Новинку отличает сочетание высокой мощности и мобильности: GX7 при весе 7 кг обеспечивает 725 Вт на канал с нагрузкой 8 Ом и 1000 Вт на канал с нагрузкой 4 Ом.

В GX7 используются легкие и высокоэффективные блоки питания на базе технологии PowerLight, которая является собственной разработкой QSC. Охлаждение обеспечивает малошумный вентилятор с переменной скоростью вращения. Как и другие модели серии, GX7 имеет входы на разъемах XLR, 1/4″ TRS и phono, выходы на разъемах Speakon и клеммах, встроенный кроссовер, регуляторы Gain и LED-индикаторы наличия сигнала и клиппирования на передней панели. Кроме этого, как и во всех моделях GX, в GX7 используется разработанная компанией QSC технология защиты от перегрузки GuardRail.

Компания ALTO представляет профессиональные цифровые усилители мощности класса D - двухканальные и четырехканальные модели D1, D2, D3, D4. Мощность усилителей при 4 Ом: D1 - 2 x 390 Вт, D2 - 4 x 390 Вт, D3 - 2 x 540 Вт, D4 - 4 x 540 Вт. Не уступая конкурентным моделям по техническим характеристикам, эти усилители имеют очень легкий вес. При размере 2 U двухканальные модели весят всего 5,5 кг. Усилители полностью сделаны на основе итальянских технологий, что гарантирует их высокое качество. Например, использование в этих моделях на выходе инновационных цифровых цепей позволило добиться более чистого, ясного звука и расширить динамический диапазон. Эти усилители обладают всеми необходимыми профессиональными системами защиты и энергосбережения. Но что особенно отличает их от моделей других производителей, это вполне бюджетные цены, которые позволяют более широкому кругу покупателей стать активными пользователями современных высокоэффективных цифровых технологий.

15 лет назад компания Bose Professional Systems приступила к проекту, цель которого - внедрение модульного подхода в инсталляциях. В результате появился продукт под названием RoomMatch, который был представлен в мае профессионалам аудиоиндустрии в одном из театров Стамбула.

Обычно при установке в помещении используют одинаковые АС, настраивая их по-разному, чтобы покрытие звуком было равномерным. Серия RoomMatch - это 15 разных АС, каждая из которых имеет свою дисперсию. В зависимости от характеристик помещения, которое необходимо озвучить, можно подобрать индивидуальный комплект АС.

Восьмиканальный усилитель PowerMatch PM8500 занимает высоту всего лишь 2 U. Его общая выходная мощность составляет 4 кВт, по 500 Вт на канал. Здесь можно группировать каналы, получая мощность 1 или 2 кВт. Также можно запитывать линейные цепи с напряжением 100 В, благодаря встроенной цифровой обработке сигнала. PowerMatch PM8500 сочетает в себе высокое качество звука лучших представителей класса АВ и эффективность класса D. Источник питания Bose PeakBank имеет четырехквадрантный режим работы с оперативной коррекцией фактора мощности. Трансформатор PowerMatch Planar Magnetics соединяет обмотки и монтажную плату, что повышает надежность и значительно снижает вес трансформатора и самого усилителя.

Компания Crown представила свою новинку на рынке оборудования для инсталляций. На выставке InfoComm 2010 Crown продемонстрировала серию усилителей ComTech DriveCore, поступивших в продажу в мае этого года. Модельный ряд состоит из четырех усилителей, которые имеют до восьми каналов с мощностью 150 Вт на канал, занимают высоту 1 U и не требуют дополнительного охлаждения. В усилителях серии ComTech DriveCore используются чипы, изготовленные по технологии Integrated DriveCore, которые позволяют достичь эффективности более 90% без ущерба для качества звучания, с соотношением сигнал/шум, равным 110 дБ. Каждый из усилителей этой серии весит всего лишь 4,5 кг. Ее основные преимущества - надежность, небольшой вес, малый выброс тепла, высокая эффективность.

В прошлом году компания Camco приступила к производству новейшего высокомощного усилителя класса H Vortex V8 Silver Series. Этот усилитель имеет встроенную матрицу цифрового сигнала и систему управления под названием Unos. Помимо высокой номинальной мощности - более 10 кВт на 2 или 4 Ом, эта модель обладает удобным пользовательским интерфейсом. Еще одна важная особенность Vortex V8 Silver Series - отсутствие кнопок и переключателей как на передней, так и на задней панелях. Все настройки производятся с помощью сенсорного дисплея. Разрабатывая дизайн Vortex V8 Silver Series, компания полностью отказалась от движущихся частей, таких как ручки и кнопки, которые быстро изнашиваются при интенсивном использовании прибора. Звуковой тракт линейный, от входа до выхода сигнал не проходит никаких лишних преобразований. Благодаря тому, что вход системы управления (network) соединен непосредственно с каналом усиления, пользователь может выбрать режим работы: аналоговый или цифровой.

Становится очевидным, что производство усилителей класса D с возможностью управления цифровой обработкой сигнала будет стремительно развиваться, будут появляться многоканальные модели с новым набором функций. Важное значение имеет и ценовой фактор. Постепенное повышение цен на сырье - железо и медь, которые используются в обычных усилителях мощности, а также понижение стоимости усилителей класса D и технологии SMPS (импульсных источников питания) - все это свидетельствует о том, что совсем скоро на смену обычным усилителям придут усовершенствованные модели. Их преимущества будут полезны не только профессионалам, но и окружающей среде.

Информацию предоставили:

MS-MAX официальный дистрибьютор Lab.Gruppen
www.ms-max.ru

Invask официальный
дистрибьютор Alto
www.invask.ru

MixArt официальный
дистрибьютор QSC
www.mixart.ru

Iberi официальный дистрибьютор KIND Audio
www.iberi.ru

Музыкальный арсенал официальный дистрибьютор Сrest Audio
www.arsenalmusic.ru

www.camcoaudio.com
www.c-audio.net
www.crownaudio.com
www.dynacord.com
www.electrovoice.com
www.labgruppen.com
www.mc2-audio.co.uk
www.powersoft-audio.com
www.pro.bose.com
www.qscaudio.com
www.kindaudio.com
www.legacy.altoproaudio.com
www.crestaudio.ru»

Герметичный аналоговый усилитель HCPL-7851 предназначен для аналогового измерения тока и напряжения. Он призван заменить собой устройства на эффекте Холла открытого и компенсационного типа, а также токовые трансформаторы, традиционно применяющиеся для измерения тока. В статье рассматривется герметичный линейный оптрон компании Avago Technologies - HCPL-7851. В числе прочего этот компонент сравнивается по своим характеристикам с конкурирующими технологиями, такими как устройства на эффекте Холла и токовые трансформаторы.

Герметичный аналоговый усилитель с оптической развязкой

Семейство герметичных аналоговых усилителей HCPL-7851 предназначено для измерения тока или напряжения в линейном режиме в минимально гарантированной полосе частот 40 кГц. Процесс внутреннего экранирования обеспечивает подавление синфазной помехи (CMR) 5 кВ/мкс при напряжении синфазного режима 1 кВ. Максимальная нелинейность, равная 0,8%, гарантируется во всем диапазоне рабочих температур по военным стандартам (от –55 до +125 °C) и во всем динамическом диапазоне по входу, составляющем ±200 мВ. Суммарная мощность рассеяния данного аналогового усилителя весьма мала: ток смещения в рабочей точке на входной и выходной стороне не превышает 15,5 мА. Столь низкое энергопотребление позволяет применять методики с обеспечением развязки по питанию без дополнительных источников питания.

В основе всех этих аналоговых усилителей лежат сигма-дельта АЦП, оптически связанные с интегральными выходными ЦАП. Усилители характеризуются очень высокой степенью подавления синфазной помехи (CMR), которая зачастую просто необходима в современных быстродействующих электронных схемах управления электродвигателями. Кроме того, они имеют высокое напряжение развязки. Измеряемое напряжение поступает на вход усилителя с низкоомного резистора, параллельно соединенного с входными контактами. Аналоговая линейность гарантирована в максимальном диапазоне входных напряжений ±200 мВ. Выходной сигнал развязывающего усилителя представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное входному напряжению.

Блок-схема аналогового усилителя приведена на рис. 1. Входной сигнал дискретизируется на высокой частоте с помощью стабилизированного дифференциального усилителя постоянного тока с модуляцией и демодуляцией, входящего в состав сигма-дельта усилителя. Высокоскоростное измерение входного напряжения обеспечивается за счет высокой частоты дискретизации (обычно в интервале от 6 до 10 МГц). Тем самым гарантируется непрерывное соблюдение критерия Найквиста при высокочастотных входных сигналах.

Рис. 1. Блок-схема аналогового усилителя с оптической развязкой

Сигма-дельта модулятор преобразует аналоговый входной сигнал в высокоскоростной последовательный поток битов, среднее по времени значение которого прямо пропорционально входному сигналу. Затем этот поток цифровых данных шифруется и передается по оптическому каналу на детектор. Детектированный сигнал дешифруется и снова превращается в аналоговый сигнал, который после фильтрации поступает на выход. Типовая схема применения показана на рис. 2.

Рис. 2. Типовая схема применения усилителя с оптической развязкой HCPL-7851 для измерения тока

Входной сигнал снимается с прецизионного низкоомного резистора с малой индуктивностью и малым ТКС, включенного параллельно входным контактам. Установленный на входе фильтр низких частот (резистор 39 Ом и конденсатор 0,01 пФ) подавляет высокочастотные шумовые составляющие и устраняет эффекты наложения спектров. Дифференциальный усилитель преобразует дифференциальный выходной сигнал развязывающего усилителя в напряжение относительно общего провода, совместимое с АЦП микроконтроллера. Полосу пропускания дифференциального усилителя можно регулировать с помощью RC-фильтра в цепи обратной связи; установив как можно более узкую полосу пропускания, можно в случае необходимости свести к минимуму уровень шума на выходе. В таблице сравниваются некоторые характеристики усилителей с оптической развязкой компании Avago Technologies и устройств на эффекте Холла.

Таблица демонстрирует преимущества развязывающих усилителей над устройствами на эффекте Холла открытого и компенсационного типа по таким параметрам, как дрейф смещения, дрейф коэффициента усиления, подавление синфазного сигнала и цена. Вдобавок оптические устройства развязки имеют меньшие габариты и пригодны для автоматической установки и поверхностного монтажа. Эти качества обуславливают высокую конкурентоспособность аналоговых развязывающих усилителей как компонентов для построения недорогих, надежных, точных и экономичных схем управления электродвигателями.

Таблица. Сравнение характеристик усилителей с оптической развязкой и устройств на эффекте Холла

Типовые схемы применения

Развязывающий усилитель HCPL-7851 предназначен для применения в схемах измерения тока (например, тока шины и фазного тока), напряжения (например, на шине) и температуры (в форме напряжения с датчика температуры на радиаторе IGBT или интеллектуального модуля питания), а также компенсации ЭДС электродвигателя (только для бесщеточных электродвигателей постоянного тока). На рис. 2 приведен пример использования HCPL-7851 для измерения фазного тока электродвигателя. А на рис. 3 показано, как с помощью подходящего делителя напряжения на входе, устанавливающего измеряемое напряжение в пределах ±200 мВ, можно измерять напряжение на шине постоянного тока или компенсировать ЭДС бесщеточного электродвигателя постоянного тока.

Рис. 3. Типовая схема применения развязывающего усилителя HCPL-7851 для измерения напряжения

Значение R1 должно быть менее 1 кОм, чтобы входные импеданс (280 кОм) и ток (типовое значение - 1 мкА) усилителя HCPL-7851 не создавали смещений и не вносили погрешностей в результаты измерения. Входной блокировочный конденсатор емкостью 0,01 мкФ по-прежнему необходим, а резистор 39 Ом можно не устанавливать, поскольку функцию фильтра нижних частот вместо него будет выполнять резистор делителя напряжения.

Роль выхода аналогового усилителя HCPL-7851 играют контакты 6 и 7; тип выхода - дифференциальный. Основное назначение цепи за оптическим усилителем (дифференциальный усилитель на выходе HCPL-7851) - преобразование дифференциального выходного сигнала HCPL-7851 в напряжение относительно общего провода. Кроме того, дифференциальный усилитель позволяет установить требуемый коэффициент усиления и отфильтровать высокочастотный шум модуляции-демодуляции за счет выбора разумно узкой полосы пропускания.

Из-за характеристик формирования шума сигма-дельта модулятора спектр выходного шума равномерен примерно до 40 кГц, где он претерпевает излом с крутизной 12 дБ на октаву. Внутренний фильтр начинает ограничивать спектр шума на частоте примерно 200 кГц, а чуть ниже 1 МГц начинается резкий спад.

Как уже отмечалось ранее, сужение полосы пропускания цепи за усилителем снижает уровень шума на выходе. Из-за усиления шума на частотах выше 40 кГц фильтр второго порядка будет гораздо эффективнее отфильтровывать шум, чем фильтр первого порядка. Максимально узкая полоса пропускания цепи за развязывающим усилителем позволит свести к минимуму выходной шум. Типовые схемы применения, приведенные на рис. 2 и 3, обладают характеристиками фильтра нижних частот первого порядка. Добавив два резистора и конденсатор (R1a, R2a, C9), как показано на рис. 4, можно получить характеристику фильтра второго порядка. Конденсатор C9 следует выбрать так, чтобы произведение R1a и C9 равнялось произведению R3 и C5. При таком выборе сопротивлений и емкости два полюса располагаются точно на одной частоте. Практическим следствием наличия двух полюсов является вдвое большая крутизна спада - –40 дБ на декаду у фильтра второго порядка против –20 дБ на декаду у фильтра первого порядка.

Рис. 4. Цепь за развязывающим усилителем с характеристикой фильтра второго порядка

Расположенную за усилителем цепь можно также легко модифицировать для работы от одного источника питания. На рис. 5 приведен пример такой цепи, питающейся от одного источника напряжением 5 В. Понадобится один дополнительный резистор (R4a), а коэффициент усиления необходимо будет уменьшить, чтобы цепь могла функционировать во всем диапазоне входных напряжений. В результате добавления резистора опорное выходное напряжение возрастает с нуля до половины напряжения питания.

Рис. 5. Цепь за развязывающим усилителем HCPL-7851 при работе от одного источника питания

Методы измерения тока

Помимо требований к цепи управления затвором инвертора, второй существенной трудностью при разработке схем управления является измерение фазного тока электродвигателя, токов шин и других аналоговых параметров, таких как температура и напряжение. При этом, как правило, выполнять все эти измерения необходимо через тот или иной развязывающий барьер. В настоящее время применяется три основных метода с использованием развязки, а именно:

• токовые трансформаторы;
• датчики тока на эффекте Холла;
• аналоговые датчики с оптической развязкой.

Каждый из перечисленных методов обладает своими достоинствами и недостатками. Поэтому проектировщику следует выбрать решение, которое максимально снижает общую стоимость, оптимизирует производительность и надежность, уменьшает пространство монтажа на печатной плате и при этом отвечает требованиям точности и линейности.

В основе метода с использованием токового трансформатора лежит тот простой факт, что при протекании тока через проводник согласно закону Ампера возникает пропорциональное ему магнитное поле. Магнитное поле от первичной обмотки трансформатора наводит во вторичной обмотке ток, пропорциональный этому полю. Величина этого тока точно задается отношением числа витков в обмотках. Ток вторичной обмотки можно адекватно измерить с использованием линейных операционных усилителей. Пример измерения тока по данному методу приведен на рис. 6.

Рис. 6. Использование токовых трансформаторов для измерения фазных токов электродвигателя

Одной из основных технологий аналогового измерения больших токов (например, при контроле фазных токов электродвигателя), которая, будучи не новой, составляет конкуренцию современным усилителям с оптической развязкой компании Avago Technologies, являются датчики Холла открытого и компенсационного типов. Принцип работы этих датчиков базируется на эффекте, который обнаружил Эдвард Холл в 1879 г. По открытому им закону на электроны в проводнике со стороны магнитного поля действует сила, смещающая их в направлении одной из сторон проводника, в результате чего между двумя его сторонами возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла. Это напряжение можно использовать для линейного контроля фазных токов электродвигателя вместо методов с применением аналоговых устройств оптической развязки.

Эффект Холла (рис. 7) заключается в том, что при приложении магнитного поля B к металлу или проводнику, в котором протекает перпендикулярный данному полю ток Ic, в образце возникает поперечная разность потенциалов VH, перпендикулярная магнитному полю и направлению протекания тока.

Рис. 7. Эффект Холла

Это соотношение, лежащее в основе принципа работы устройств на эффекте Холла, можно сформулировать следующим образом:

где K - коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств образца.

В настоящее время на рынке представлены два типа датчиков Холла: датчики Холла открытого типа (рис. 8) и компенсационного типа (рис. 9). Датчики Холла - это устройства круглой формы, размещаемые вокруг фазных проводников электродвигателя или любых других проводников, ток в которых требуется измерять. Магнитное поле, вырабатываемое проводником, пропорционально протекающему через него току, и в этом состоит принцип линейных измерений на базе эффекта Холла.

Рис. 8. Датчик Холла открытого типа

Рис. 9. Датчик Холла компенсационного типа

Устройство на эффекте Холла имеет датчик магнитного поля, который вырабатывает напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю. Очевидно, что датчик Холла обеспечивает развязку, так как измерение производится посредством магнитного поля, без физического контакта датчика с элементами, находящимися под высоким напряжением. За счет одного только этого свойства устройства на эффекте Холла составляют потенциальную конкуренцию аналоговым усилителям с оптической развязкой компании Avago Technologies. Решение о том, какое устройство использовать - датчик Холла или усилитель с оптической развязкой - зависит от критериев, по которым производится сравнение:

• напряжение развязки;
• линейность;
• смещение нуля;
• время отклика/быстродействие;
• полоса пропускания;
• номинальный диапазон температур;
• гистерезис;
• помехоустойчивость/подавление синфазного сигнала;
• вносимые потери;
• стоимость.

Считывающий элемент в датчиках Холла обычно представляет собой полупроводниковое устройство, в котором вырабатывается напряжение из-за отклонения электронов в присутствии магнитного поля токонесущего проводника. Преобразователь имеет магнитный сердечник, в котором концентрируется магнитное поле, преобразуемое считывающим элементом в пропорциональное полю напряжение. Выходное напряжение преобразователей открытого типа пропорционально напряженности магнитного поля. Соответственно, одним из недостатков открытых датчиков является гистерезис магнитного сердечника (то есть смещение нуля). Преобразователи компенсационного типа вырабатывают ток, который через обмотку обратной связи компенсируют исходный магнитный поток. Этот ток является выходным сигналом компенсационного преобразователя и пропорционален измеряемому току. Компенсационные датчики имеют нулевой магнитный поток в сердечнике и поэтому менее чувствительны к гистерезису. Такие датчики характеризуются большей точностью и линейностью и поэтому стоят дороже открытых.

Преимуществом датчиков Холла является возможность измерения как переменных, так и постоянных токов при обеспечении гальванической развязки. Недостаток устройств на эффекте Холла - смещение нулевого тока (ненулевой выходной сигнал при нулевом измеряемом токе). Важнейшими достоинствами решения с оптической развязкой являются высокая производительность, высокая степень подавления синфазной помехи (CMR), низкий профиль, малая площадь посадочного места, отсутствие смещения нуля и крайне малый температурный дрейф.

К другим параметрам, которые не приведены здесь, но столь же важны для принятия решения, относятся время отклика/быстродействие, полоса пропускания, температурная чувствительность и линейность. Устройства с оптической развязкой обеспечивают гораздо более высокую линейность, а по быстродействию выигрывают у датчиков Холла открытого типа, но эквивалентны или проигрывают датчикам Холла компенсационного типа. Полоса пропускания устройств с оптической развязкой существенно шире, чем у датчиков Холла открытого типа, и приблизительно эквивалентна полосе пропускания датчиков компенсационного типа или уже нее. Температурная чувствительность развязывающих усилителей зависит от температурного коэффициента внешнего шунтирующего резистора, который очень мал. Датчики Холла открытого и компенсационного типа имеют большую температурную чувствительность, обусловленную материалом магнитного сердечника и его гистерезисом. Таким образом, в целом аналоговые развязывающие усилители представляют собой более эффективное, точное, линейное и надежное решение, чем датчики Холла открытого или компенсационного типа.

Был рассмотрен герметичный аналоговый усилитель с оптической развязкой HCPL-7851 компании Avago Technologies - надежный, современный специализированный аналоговый оптрон, предназначенный для измерения напряжения или тока. Аналоговые токоизмерительные усилители особенно хорошо подходят для контроля аналоговых параметров в схемах управления электродвигателями с регулируемой частотой вращения. В частности, эти аналоговые оптроны оптимально приспособлены для контроля напряжения на шинах постоянного тока электродвигателей, фазных токов электродвигателей, постоянного тока в шинах, а также преобразованной в напряжение температуры радиаторов IGBT или полевых МОП-транзисторов. В статье также рассмотрены альтернативные методы измерения токов - на базе датчиков Холла и токовых трансформаторов. Исходя из таких критериев, как линейность, смещение и температурная стабильность, показано, что аналоговые устройства оптической развязки весьма конкурентоспособны и демонстрируют преимущества перед альтернативными техническими решениями для аналогового измерения тока и напряжения.

Литература

1. Jones D. New SR Motors, Drives, and Applications in the USA and Europe // Proceedings of The Second Small Motor International Conference (SMIC), 1996.
2. Plant D. Isolation Amplifiers Compared to Hall Effect Devices for Providing Feedback in Power-Conversion Applications // Proceeding of the Second Small Motor International Conference (SMIC), 1996.
3. Khan J. N. Optocouplers for Variable Speed Motor Control Electronics in Consumer Home Appliances // Proceedings of the 52nd International Appliance Technical Conference (IATC), 2001.
4. Plant D., Walters M. Isolation Amplifiers: Isolation for Sense Resistor Applications // Principles of Current Sensors. Powersystems World, 1997.
5. Schultz W. New Components Simplify Brush DC Motor Drives. Motorola Semiconductor Application Note AN1078.

Джамшед Намдар Хан
(Jamshed Namdar Khan)