Miernik mocy wzmacniaczy elektroakustycznych
Wstęp
Każdy miłośnik sprzętu grającego zna siłę rażenia mocy wyjściowej posiadanego wzmacniacza. Jest to jedyny parametr, na który patrzymy w tabeli. Może to i dobrze, bo reszta jest zupełnie bezużyteczna. Moc wyjściowa nic nie mówi o brzmieniu wzmacniacza ale pozwala dopasować go do posiadanych kolumn głośnikowych. Efektywność kolumn i moc wzmacniacza informuje nas o potencjalnych możliwościach głośności całego systemu. Jest to szczególnie ważne w nagłośnieniu estradowym i to tam moc wzmacniacza zawsze musi być mniejsza lub równa mocy kolumn. Sprzęt estradowy prawie zawsze gra na maksa i jeśli jest źle dobrany, to po imprezie albo pakuje się go na następną albo zbiera się to co z niego zostało. Z tego też względu zawyżanie mocy wzmacniaczy jest bezpieczniejsze niż ich zaniżanie. Widziałem kilka konstrukcji podobnych mierników ale żaden nie nadawał się do praktycznego zastosowania. Dlatego postanowiłem sam skonstruować taki przyrząd.
Do czego służy
Jak sama nazwa wskazuje miernik mierzy moc wyjściową wzmacniacza w tym przypadku stereofonicznego, nie pracującego w konfiguracji mostkowej. Umożliwia pomiar mocy niezależnie w dwóch kanałach na typowym obciążeniu 4 lub 8 Ohmów. Dodatkowo mierzone jest napięcie stałe oraz temperatura za pomocą zewnętrznego termistora do umieszczenia na radiatorze. Miernik sygnalizuje dwa zagrożenia: zbyt wysoką temperaturę oraz za duże napięcie stałe na wyjściu wzmacniacza.
Jak mierzymy moc?
Muszę zacząć od podstaw, bo wiem, że do tej pory są o to kłótnie na forach. Na wyjściu wzmacniacza pojawia się sygnał zmienny o znacznej amplitudzie. Pomiaru mocy dokonujemy zawsze dla przebiegów ciągłych, czyli dla sinusoidy zwykle przy 1 kHz. Często jest to mylone z mocą ciągłą wzmacniacza. Wzmacniacz audio nie posiada mocy ciągłej! Jest przeznaczony do wzmacniania muzyki, która sama w sobie niesie nie więcej niż 30 % mocy średniej w stosunku do maksymalnej. Przy pełnej mocy ciągłej wzmacniacz powinien wytrzymać minimum 10 minut. Długotrwale obciążenie zwykle powoduje jego wyłączenie albo spalenie zasilacza!
Kontynuując, wzmacniacz musi być obciążony sztucznym obciążeniem. Sztucznym, bo nie głośnikiem tylko rezystorem o wartości znamionowej - może to być 4, 6 czy 8 Ohmów. Wysterujemy go tak aby na oscyloskopie zaobserwować delikatne obcinanie wierzchołków sinusoidy tzw. CLIP. Normy określają to dokładnie jako poziom zniekształceń. Przy przesterowaniu charakteryzującym się właśnie obcinaniem wierzchołków sinusoidy, rosną zniekształcenia. Typowy poziom pomiaru mocy wyznaczamy dla zniekształceń o wartości 1 %. Nie są to zniekształcenia wzmacniacza, jak niektórzy myślą a zniekształcenia przy których dokonywany jest pomiar mocy. 1% jest to odpowiednik delikatnego obcinania wierzchołków sinusoidy. Normy przewidują tu wartości z przedziału 0,05 % do 1 % a nawet 10 % (tzw moc muzyczna). Przy zniekształceniach rzędu 10% sinus wygląda jak trapez i do pomiaru wymaga specjalnego woltomierza AC TrueRMS. Jednak nie musimy wykonywać pomiaru przy takich zniekształceniach wystarczy, że wartość mocy dla 1% przemnożymy przez współczynnik 1,4. Norma samochodowa dopuszcza badanie nawet prostokątem, czyli zniekształcenia około 30 %! Tak więc aby poprawnie zmierzyć moc powinniśmy dysponować przynajmniej oscyloskopem a najlepiej miernikiem zniekształceń. Proponuję skupić się na mierzeniu przy zniekształceniach 1 %, gdyż jest to najbardziej praktyczne. Tylko dla wzmacniaczy lampowych stosujemy ulgę w postaci zniekształceń 3 – 5 %. Wzmacniacze tego typu nie mają wyraźnie zauważalnego przesterowania. Jak już ustawimy odpowiedni sygnał należy dokonać pomiaru napięcia zmiennego. Później wystarczy odczytaną wartość podnieść do kwadratu i podzielić przez rezystancje sztucznego obciążenia. Dla różnych impedancji obciążenia i różnej ilości wysterowanych kanałów wyniki będą znacząco się różnić. Jeśli dodamy do tego jeszcze normę pomiaru w pełnym paśmie audio czyli 20 Hz – 20 kHz (niższe wyniki) sprawa mocno się skomplikuje. Co ciekawe mało kto zwraca uwagę na to aby zapewnić idealnie stabilizowane napięcie sieci zasilającej! A to właśnie ono ma istotny wpływ na wyniki pomiarowe! Już sam pomiar napięcia zmiennego o dokładności < 1 % jest mało realny. Z tych względów amatorskie pomiary mocy nigdy nie będą dokładne! Ale i nie muszą takie być! Co za różnica czy wzmacniacz ma 27, 30 czy 35 W? Ważne czy ma 50, 100, 200, 500 a może nawet 1000 W!
Budowa
Wydawałoby się, że budowa miernika jest prosta. Zwykły woltomierz do tego procesor obliczający za nas moc plus sterowanie obciążeniem. I tak jest w rzeczywistości tylko, że skala problemu jest dość duża. Mierzone napięcia sięgają +/- 100 V, prądy 20 A a moce rozpraszane w obciążeniu ponad tysiąca wat!
Na zdjęciach widzimy schemat blokowy oraz dwa schematy ideowe. Układ podzielony został na część sterującą oraz wykonawczą. Sztuczne obciążenie w postaci ośmiu rezystorów 15 Ohmów 50 W każdy zostało przykręcone do radiatora chłodzonego dwoma wentylatorami. Włączają się one automatycznie po nagrzaniu radiatora i przyspieszają wraz z dalszym wzrostem jego temperatury. Przekaźniki załączają sekcjami obciążenie 4 (wszystkie rezystory) lub 8 Ohmów (polowa z nich). Znamionowa moc obciążenia to 2 x 4 Ohmy 200 W. W praktyce znoszą one krótkotrwałe przeciążenia do około 2 x 1000 W, co umożliwia pomiar takich mocy. Długotrwałe testy na sygnałach muzycznych nie stanowią problemu. Dodatkowe przekaźniki umożliwiają dołączenie głośników odsłuchowych oraz zwarcia wyjścia wzmacniacza w celu przetestowania jego zabezpieczeń.
Skupmy się na części pomiarowej. Pomiar napięcia zmiennego realizowany jest przez zwykły jedno połówkowy prostownik diodowy. Na jego wejściu znajduje się prosty filtr RC, przydatny przy pomiarach końcówek pracujących w klasie D. W dzielniku napięcia znajdują się PR-ki kalibracyjne. Takie rozwiązanie umożliwia kalibrację wskazań za pomocą znanego napięcia stałego. Po filtracji uzyskujemy napięcie stałe, które trafia na przetwornik ADC procesora. Zajmuje się on skalowaniem oraz kompensacją wpływu diody prostowniczej. Ze względu na tę diodę pomiary małych napięć byłyby mało wiarygodne lub wręcz niemożliwe. Dlatego wyświetlanie wyników zaczyna się dopiero > 2 V. Pomiary napięcia stałego umożliwiają dwa wzmacniacze operacyjne pracujące w konfiguracji odwracającej i wzmocnieniu 1. W sprzężeniu znajduje się kondensator silnie tłumiący składową zmienną. Dodatkowo wprowadzony jest offset o wartości około 1,27 V, co umożliwia pomiar napięcia wejściowego również w zakresie ujemnym (+/-2,5 V). Na schemacie znajdziemy jeszcze dwa termistory, wewnętrzny do pomiaru temperatury radiatora służący do sterowania wentylatorami. Odbywa się ono za pomocą sygnału PWM, po filtracji trafia on na dwu tranzystorowy wzmacniacz. Zewnętrzny termistor służy do pomiaru temperatury radiatora mierzonego wzmacniacza. Silnie nieliniowa charakterystyka termistora jest kompensowana programowo za pomocą trzech prostych. Teoretycznie dając dokładność rzędu +-1stopnia Celsjusza. Całością steruje mikroprocesor Atmega8.
Obsługa
Dołączenie sygnału prądowego realizują dwie pary terminali sprężynkowych. Do obsługi przewidziane są dwa przyciski, zmieniają one sekwencyjnie wartość obciążenia w cyklu 4 Ohmy, 8 Ohmów, odłączone. Dla odłączonego obciążenia miernik pokazuje wartość zmierzonego napięcia, dla załączonego obliczoną moc. Cały czas wyświetlane jest mierzone napięcie stałe osobno dla każdego kanału oraz temperatura termistora zewnętrznego. Dodatkowo pokazana jest animowana ikonka pracy wentylatora i stopień ich prędkości obrotowej (0 - 9). Przytrzymując wybrany przycisk lub oba załącza się odliczanie do próby zwarciowej. Krótkie wciśnięcie obu przycisków załączy zewnętrzne głośniki. Długie przytrzymanie obu przycisków włączy kalibracje (zerowanie) pomiaru DC. Informacja o tym jest wyświetlana przez chwilę, zaraz po włączeniu miernika. Później miernik zachęca do ustawienia przewidywanego napięcia sieci, domyślnie 230 V. Przy pomiarach dużej mocy zawsze dochodzi do jego spadku, co zaniży zmierzoną moc. Spadek napięcia o 10 % zaniży wynik pomiaru mocy o aż 20 %! Stąd próba kompensacji tego zjawiska. Wpisana w mierniku wartości napięcia sieci zostanie proporcjonalnie uwzględniona przy obliczeniach mocy. Wynik pomiaru napięcia zmiennego (bez obciążenia) nie jest korygowany.
Dokładność pomiarowa
Pomiarów dokonuje 10 bitowy przetwornik ADC procesora. Źródłem odniesienia jest mało precyzyjne wewnętrzne napięcie referencyjne (2,56 V). Tor pomiaru napięcia stałego nie jest kalibrowany stąd jego dość niska dokładność. Wynika to z tolerancji zastosowanych rezystorów oraz tolerancji napięcia referencyjnego. Pomiar napięcia zmiennego jest kalibrowany dwoma PR-kami. W pewnym stopniu kompensowany jest wpływ spadku napięcia na diodzie prostowniczej. Jednak z powodu małej precyzji mojej aparatury pomiarowej napięć AC jest to zrobione mało dokładnie. I tu baaaaaardzooooo przydałby mi się miernik będący nagroda w konkursie
Parametry miernika
Pomiar napięcia zmiennego: 2 – 70 V z rozdzielczością 0,1 V (>100 Hz)
Pomiar napięcia DC: +/- 1 V z rozdzielczością około 2,5 mV (alarm > 1 V)
Pomiar mocy: 0 – 999 W z rozdzielczością 1 W
Pomiar temperatury termistorem zewnętrznym: 0 – 115 stopni Celsjusza
Cool? Ranking DIY
