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功放与扬声器系统的配接(一)


功放与扬声器系统的配接<一)
口中国电子科技集团公司第三研究所崔志发
【关键词】功放扬声器
阻抗功率

众所周知,功放与扬声器系统的配接是放声(扩 声)系统中最重要的一个环节,功放是扬声器系统的 功率源,扬声器系统是功放的负载,属音频功率传输, 其功率传输效率是首要追求的,它与功放输出电路 自身的输出参数及扬声器负载的特性密切相关,这 是功放输出电路设计的一个重要环节。功放输出电 路的设计应该以扬声器负载的量值和性质作为功放 输出电路的最佳负载,功放电路的输出对于扬声器 负载应该呈现一个功率源的状态。功放输出电路设

电类比等效电路。扬声器的机电类比等效电路的建立 较复杂,建立一个特定扬声器的机电类比等效电路比 较容易。为弄清扬声器阻抗的概念,将扬声器用一个 理想化的简化机电类比电路表示(当然,实际上没有 这么简单),参见图1,其中,三为扬声器的音圈电感; c为扬声器音圈的分布电容;,为扬声器音圈的直流
电阻。
z阻抗



x.感抗 鼠容抗
,直流电阻 xFlmL Xc=一1/j∞C IXlL-L感抗的模值 Ixl,=]I/CI容抗的模值 IZI--qXl。+防I。电抗的模值



计应以阻抗8 Q扬声器系统作为最佳负载,并在输 出效率降低量的允许范围内能适应阻抗4 n扬声器 系统,以至阻抗2 Q扬声器系统,照顾到阻抗16 扬声器系统。 在此将简要论述功放和扬声器系统之间的功率供 需关系,包括功率、阻抗、电压、失真、频响等音频 信号的基本参数,提供一些基本技术理论和概念,供 系统设计者和系统操作者参考,以便大家能做到定性 设计和定性操作。






Z阻抗的矢量图

-j∞C

.:囫:....[刍
j∞£ -j∞C,等于0 当r=O时,z简化为: j∞L z的表达式

一盟竺型
在 !竺竺

压当丝:
∞Zc一1

墨 f∞zLC-1)C

扬声器的阻抗
扬声器是一个电声能量转换单元,它的机电类比等 效电路是一个复杂的过程,涉及多种学科的技术理论, 如电磁学、振动学等,在电路系统中,用机电类比的方 法,集中类比为一个含有电阻、电容、电感的阻抗电 路单元。 分析扬声器与功放的匹配,必须建立扬声器的机
5—46音响技术

(,+jm驴志
图1扬声器的简化电路、数学表达式及矢量图

实际上,扬声器的机电类比电路要比这个复杂 得多,但这个机电类比等效电路的组成,包含了扬 声器机电类比的所有电路组成成分。扬声器的阻抗 频率特性决定于4种因素:三和C并联谐振部分, 形成扬声器的谐振频率,即扬声器的共振频率;三

万   方数据

支路的感抗的频率响应;C支路容抗的频率响应; 音圈直流电阻r的损耗。三的影响要比C的影响要大 得多,毕竟三是扬声器的工作部分,c仅仅是音圈 分布参数而已,而且是在绕制音圈时应当尽量避免 的事。作为扬声器的阻抗频率特性的一例,其阻抗 频率特性见图2。扬声器的阻抗频率特性,在共振
128 64
}I


kIlI|ll

m铁芯

咖铁芯磁通量 厶次级线圈感应电流 ez次级线圈感应电动势 巩负载电压

五负载阻抗
Ⅳt初级线圈绕组圈数 Ⅳ2次级线圈绕组圈数 k初次级线圈圈数比 u。输入信号电压 ,-输入信号电流 e-初级线圈电动势

71.3n

32

《 1.
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.二二二二二:k=U。/以

















16 k

频率/Hz

七镭
(b)变压器和负载合成等效电路

图2典型的扬声器阻抗频率特性曲线

点时,阻抗达到最大,在反峰值时阻抗最小,这个 阻抗被称为扬声器的额定阻抗,见表1。国家标准
表1扬声器的阻抗频率特性
频 蛊
/Hz 16
31.5

△Pr线圈电阻损耗

互I会参龚冒鬟橥翥毳
8k 16k
17
——u_

约56

63

125

250

最d、400 500 lk 2k 4k

阻 抗
/Sq

42

10.7

71.3

65

12

8.5

8.00

8.8

13

24
————

40

63.8



谐振点

反峰点

置线圈漏感 月’凰线圈电感 五次级反射电感 墨 月线圈电阻
月’次级反射电阻

GB9396--88《扬声器主要性能测试方法》定义:扬 声器的额定阻抗是一个纯电阻的阻值固然正确,但

(c)变压器损耗等效电路 图4传输变压器的等效电路和等效参数

这个定义容易引起扬声器的阻抗是一个纯阻的误解, 这个定义应该理解为,扬声器的阻抗是一个感性的 电抗,用纯阻单位n来表示。扬声器机电类比等效 电路的频率响应,通常在200~500 Hz时,电平幅值 的模值最小,但并非纯阻,而非常接近纯阻,并用 “纯阻”来标称这个值,称为扬声器的额定阻抗。扬 声器的阻抗如果是个纯阻的话,就不会出现阻尼系 数这个参数了,阻尼系数可以理解为扬声器音圈电 感反电动势对功率放大器内阻的电能泄放速度。扬 声器的理论阻抗频率特性参见图3。

俸输变压器宥I等致电路
传输变压器的设计制造是一个复杂的过程,变压 器的设计制造中有这样几个问题需要处理得当。功率 余量要足够,铁心材料的涡流损失要少,避免变压器 发热或过热;传输频率响应要满足音频信号的频宽要 求;失真要小,效率要高,频响要足够宽。变压器绕 组的电感量要满足低频响应的要求,尽量减小绕组线 圈之间的分布电容,以避免高端频响下降。不希望有 线圈问的自感。为此,要选用好的效率高的涡流损失

/x、r
压/一“
L和C的电抗特性

l,



I‘≮||






小的铁芯材料。为

减小分布电容,线


“t圈的绕制方法也要

≮\L∥
三和C的导纳特性


三和c合成电抗特性

十分考究,采用多 分段绕制,多分层
绕制,多隔离屏蔽

图3扬声器的理论阻抗频率特性

等工艺方法,再加
音响技术5—47

万   方数据

上有效的插入损耗补偿措施,才能制造出满意的变压 器。总之,要损耗小,漏磁小。传输变压器的等效电 路和等效参数参见图4。

的电流放大倍数;p:为输出级晶体管Q。:或Q。。的电 流放大倍数;re=26/I。为输出晶体管的基极到发射极之 间的电阻;‘为输出晶体管发射极的工作电流。 通常功率放大器的输出阻抗在零点几n以内, 甚至更小。对于大于2 Q以上的扬声器作为功率放大

音频功率孜大器的输幽特性
音频功率放大器的输出特性参数,包括输出功

器的负载,可以认为是一个功率源。现在市场上销售 的功率放大器产品都不给出功率放大器的输出阻抗这 个参数,建议厂家给出这个参数,以利于用户理智的 选择和使用。 通过上述分析可以得出结论:功率放大器的输出 特性与所用的输出晶体管器件和电路设计水平密切相 关,体现功率放大器的电路设计水平和产品的质量。 笔者给出这些关系和概念,目的在于帮助分析和指导

率以聊、输出阻抗召Q)、输出电流I(mA)、输出电压
Ⅵv)等。尤为重要的是输出阻抗。功率放大器的输出 阻抗是电声系统设备中功率传输的一个非常重要的参 数。他影响功率放大器的瞬态性能,像阻尼系数等。 以下以图5无耦合电容输出式OCL功率放大器电路 为例说明。



实际工作中遇到的问题。

功率荻大器与扬声器负载的接藩分析


扬声器严禁串接在功率放大器的负载电路中,


以免当一个扬声器出现短路故障时,造成另外的扬 声器过载烧坏。也会造成功率放大器过载损坏。见
图5 OCL工)J率放大器电路及晶体管等效电路 图6。

压赢c赢+赢+譬+鲁,+
这个电路输出阻抗的表达式为:

从图6及说明中可以看出,扬声器的串接方法是 一种危险的方法。图6(a)和图6(c),本来是在非常安 全的工作状态,匹配得很好,但是如果有一只扬声 器因故短路,图6(b)造成扬声器过载烧毁,音圈开路

面———RsI+AuFu)(1+,B丽而瓦[rbb+(1+鲫假:+等)] ( 1)(1+p迎2…”卜…“”…4“



霭蓁锷


.n

邀 c: 寸 良
In

鲨IOOW/4I。]H誊 幕I苫船
l~N西 nI。‘N; 60撒W/2160W/2n№重 (不推荐l l兰
使用) (d)功放和扬声器功率 严重超载

阻鼢:



扬声器的总 渗Sl先与Rs2 羚 甲.s联,再与 R;,并联,得: ,(4+4)×4

g a 寸

6一可丽一

(a)两者功率匹配 8n/80W对8Q/80W

(b)扬声器功率 超载一倍

(c)iai者功率匹配

功放额定功率80W/8 Q,100W/4 n,不允许在 2 n负载下工作。扬声器额定功率40 W/4 n。

功放额定功率80W/8 n,100W/4 Q,不允许在 2 n负载下工作。扬声器额定功率25 W/4 Q。

2.7(n1 三只扬声器的 功率重新分配: S1和S2各取得 功率27.5 w, S3取得功率
110W.

图6串接扬声器的功率重新分配

参考图5说明式中符号意义。4u为放大器的开环 增益;Fu为放大器反馈回路的反馈系数;R。为放大 器输出级晶体管激励源的内阻;R,假,,或R,。)为激励 级晶体管的发射极电阻;R:假,,或R,。)为输出级晶体 管的发射极电阻;rbb为输出晶体管的基区电阻,数值 通常为几n到几十n;卢。为激励级晶体管Q,。或Q。,
5—48音响技术

时,功率放大器是安全的,如果音圈烧短路了,功放 保护,停止工作。图6(d)造成的后果也类似,但后果 更严重些,功率放大器自身的功率损耗增加(本例中
约5 w),会以热的形式积累,超过晶体管的结温,而

且功率放大器长期工作在超负载的状态下,保护电路 又不能启动,只能等待故障出现了。
(待续)

万   方数据

功放与扬声器系统的配接(一)
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 崔志发 中国电子科技集团公司第三研究所 音响技术 AV TECHNOLOGY 2006(5)

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