Смартфон аудиофила: гармонические и интермодуляционные искажения

Если вы оказались на этой странице, значит, вы ищите смартфон для аудиофила или выбираете качественную акустическую систему. Если не читали первую главу цикла, рекомендуем начать именно с нее: «Аудиофильский смартфон: нелинейные искажения». А тем, кто первую главу уже осилил, предлагаем углубиться в теорию и практику нелинейных искажений.

Гармонические искажения

Гармонические искажения — первый из двух типов нелинейных искажений. Разберемся, что они из себя представляют, и сделаем это на примере, без лишней теории.

Возьмем звуковой сигнал на входе в акустическую систему. Этот сигнал называется основным. Допустим, он состоит из одного тона 500 Гц. При прохождении через усилитель или наушники генерируются дополнительные тона, кратные основному сигналу. Называются они гармоники, или обертона, то есть тона, частота которых выше, чем у основного сигнала.

Первой гармоникой для тона 500 Гц будет синусоидальная волна с частотой 1000 Гц (первая цифра, кратная 500). Соответственно, гармоника второго порядка имеет частоту 1500 Гц, и так далее. Все эти гармоники формируют гармонические искажения. И для справки скажем, что музыкальный интервал между звуками с кратными частотами называется октавой.

Вопрос. Почему искажения назвали гармоническими? Дело в том, что гармоники не столько искажают, сколько дополняют исходную звуковую волну. Вместе с гармониками основной тон формирует гармонический звукоряд, который делает музыкальное произведение богаче. Конечно, при условии, что гармоники не преобладают над основным сигналом.

Гармонический звукоряд также называют натуральным, или шкалой обертонов.

Коэффициент гармонических искажений

Как определить, ухудшают гармоники основной сигнал или обогащают? Гармоники малой мощности не искажают исходный тон, но если мощность гармоник велика, они превращаются в «паразитные». Паразитные искажения заметны даже на слух, без каких-либо измерительных приборов.

Коэффициент гармонических искажений (Total Harmonic Distortion, THD) — показатель, который дает количественную характеристику «паразитным» гармоникам. Это безразмерная величина, которую принято выражать в процентах. Чем ниже КГИ, тем выше качество акустической системы.

В аппаратуре класса hi-fi коэффициент гармонических искажений (КГИ) не должен превышать 0,1%.

В элитных акустических системах КГИ падает до 0,001%, но на субъективном восприятии звука подобное уменьшение гармонических искажений может и не сказаться. Почему? Да потому что существуют еще и интермодуляционные искажения, которые, в отличие от гармоник, никак звукоряд не обогащают.

По мнению умудренных опытом аудиофилов, именно интермодуляционные искажения являются настоящим врагом кристально чистого звука. Врагом крайне опасным — невидимым, но вполне реальным.

Интермодуляционные искажения

Что такое интермодуляционные искажения? Представим реальный звуковой сигнал, который состоит из огромного количества тонов, а затем упростим его до предела. Предположим, у нас есть всего два основных тона — 500 и 600 герц.

Интермодуляционные искажения возникают на частотах, являющихся математической суммой и разницей основных тонов. Для двух-тонального сигнала из нашего примера интермодуляционные искажения будут на частотах 100 герц (600 — 500 ) и 1100 герц (500 + 600). Подобные волны не улучшают звуковой ряд, а «зашумляют». Именно их мы называем помехами и шумами.

Проблема в том, что интермодуляционные искажения появляются не только у основного тона. У гармоник второго порядка будут свои интермодуляционные искажения. Будут ИИ и у третьей гармоники. И так до бесконечности. Теперь представьте это в масштабе реального музыкального произведения, состоящего из огромного количества только основных тонов! Пример — на иллюстрации:

Интермодуляционные искажения, в отличие от гармонических, никак не соотносятся с основными частотами. Здесь уже нет ни октав, ни натурального звукоряда. Поэтому чем сильнее выражены интермодуляционные искажения, тем сильнее «шумит» выходной сигнал.

Коэффициент интермодуляционных искажений

Одной из ключевых характеристик акустической системы является коэффициент интермодуляционных искажений (Intermodulation Distortion, IMD). Этот количественный параметр может многое рассказать о качестве источника звука. В том числе и аудиофильского смартфона.

Если вы выбираете high end усилитель или колонки, в спецификации устройства обязательно будет указан КИИ. Более того, лучшие производители указывают несколько коэффициентов интермодуляционных искажений — для различных частотных диапазонов.

У аудиосистемы высокого класса КИИ должен быть меньше 0,01%. Мировые лидеры в области акустических систем предлагают аппаратуру с коэффициентом интермодуляционных искажений 0,003%.

Измерение интермодуляционных искажений — крайне сложная задача, практически не выполнимая в домашних условиях. Приходится ориентироваться на паспортные данные аудиосистемы или результаты измерения интермодуляционных искажений, предоставленные независимыми экспертами. К счастью, найти результаты таких измерений несложно, в том числе для смартфонов.

Выводы

Терпеливый читатель, который добрался до этих строк, уже понимает, что выбирать аудиофильский смартфон по наличию одного лишь выделенного аудиочипа — наивно и даже немного смешно. Нужно знать коэффициенты нелинейных, гармонических и интермодуляционных искажений акустической системы, которой является и смартфон для аудиофила. (Надо учитывать и другие характеристики, о которых мы расскажем в новых публикациях цикла «Аудиофильский смартфон».)

Хорошая новость в том, что для всех флагманов эти коэффициенты известны. Мы готовим сводную таблицу, в которой будут представлены КГИ и КИИ всех популярных смартфонов, от LG V20 до ZTE Axon 7 и iPhone 7. В качестве примера (для тех, кому не терпится узнать, кто есть кто в звуковом мире) небольшой фрагмент базы данных аудиофила, которая находится в стадии формирования.

Смартфоны-флагманы. Гармонические и интермодуляционные искажения (в наушниках)

	КГИ	КИИ
ZTE Axon 7	0.0011	0.012
iPhone 7 Plus	0.0013	0.015
LG V20	0.051	0.105
Xperia Z5 Premium	0.0057	0.227
Galaxy S7	0.0044	0.063
Galaxy S6	0.0025	0.042

Искренне надеемся, что первая часть из цикла материалов по выбору аудиофильского смартфона получилась интересной и полезной. Пишите комментарии, слушайте хорошую музыку и наслаждайтесь симфонией кристально чистого звука!

Гармонические искажения Википедия

Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ или K_Н) — величина для количественной оценки нелинейных искажений.

Определение[ | ]

Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонентов выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала

KH=U22+U32+U42+…+Un2+…U12+U22+U32+…+Un2+…{\displaystyle K_{\mathrm {H} }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{\sqrt {U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}}}

КНИ — безразмерная величина и выражается обычно в процентах. Кроме КНИ, уровень нелинейных искажений часто выражают и через коэффициент гармонических искажений (КГИ или K_Г) — величину, выражающую степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.) и равную отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

KΓ=U22+U32+U42+…+Un2+…U1{\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{U_{1}}}}

КГИ, так же, как и КНИ, выражается в процентах и связан с ним соотношением

KΓ=Kh2−Kh3{\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {K_{\mathrm {H} }}{\sqrt {1-K_{\mathrm {H} }^{2}}}}}

Очевидно, что для малых значений КГИ и КНИ совпадают в первом приближении. Интересно, что в западной литературе обычно пользуются КГИ, тогда как в отечественной литературе традиционно предпочитают КНИ.

Важно также отметить, что КНИ и КГИ — это лишь количественные меры искажений, но не качественные. Например, значение КНИ (КГИ), равное 3% ничего не говорит о характере искажений, т.е. о том, как в спектре сигнала распределены гармоники, и каков, например, вклад НЧ или ВЧ составляющих. Так, в спектрах ламповых УМЗЧ обычно преобладают низшие гармоники, что часто воспринимается на слух как «тёплый ламповый звук», а в транзисторных УМЗЧ искажения более равномерно распределены по спектру, и он более плоский, что часто воспринимается как «типичный транзисторный звук» (хотя спор этот во многом зависит от личных ощущений и привычек человека).

Примеры расчёта КГИ[ | ]

Для многих стандартных сигналов КГИ может быть подсчитан аналитически.^[1] Так, для

Обучение музыки

Что такое гармонические искажения. Хью Робджонс. Аналоговая теплота.

Любая нелинейная звуковая система (такая, как аналоговый магнитофон), до некоторой степени искажает входной сигнал. И поскольку эти искажения изменяют форму звуковой волны, то это обычно приводит к созданию дополнительных гармоник. Чтобы не углубляться в научные дебри, скажем следующее: гармоники – это набор частот, производных от какой-то фундаментальной частоты (так сказать, её копии с увеличенной частотой – высшие гармоники). Эти гармоники обогащают и «усложняют» исходный звук. И не всегда такое обогащение приятно нашему слуху. Гармоники, кратные исходной частоте в отношении 2, 4, 6, 8 и так далее раз, называются чётными. А гармоники, кратные в отношении 3, 5, 7, 9 – называются нечётными. Некоторые нелинейные системы генерируют больше чётных гармоник, чем нечётных, другие же – наоборот. И баланс между чётными и нечётными гармониками очень сильно влияет на звуковое качество.

Словесное описание искажения похоже на попытку описать аромат сыра посредством танца, но я всё-таки попробую. Гармоники (обертоны) – это то, что даёт звуку его тембр и характер. Например, благодаря им звук флейты отличается от звука кларнета. Таким образом, гармоническое искажение – это такое искажение, при котором происходит генерация новых или усиление уже существующих гармоник, что приводит к изменениям в тембре исходного сигнала. C музыкальной точки зрения частоты высших гармоник имеют вполне определенный смысл. Например, вторая гармоника — это та же нота, что и основной тон, только октавой выше, четвертая — двумя октавами выше. Таким образом, чётные гармоники придают звуку объем, делают его сочнее, так как звучат слитно с основным тоном и его подчеркивают. Если мы играем не одну, а несколько нот, то их вторые и четвертые гармоники будут также консонировать (или диссонировать) друг с другом, как и основные тоны, сохраняя читаемость аккорда (или всего комплекса инструментов). Многие приборы, сделанные на основе электронных ламп, имеют тенденцию генерировать, главным образом, чётные гармоники. Давайте теперь обратим свой взгляд в сторону нечётных гармоник. К примеру, третья гармоника — это квинта через октаву. Эта гармоника составляет консонанс с основным звуком, но объема уже не придаёт и нота может звучать слишком холодно, стерильно. Если играется более одной ноты, то эти гармоники могут диссонировать друг с другом или с основными тонами, порождая звучание, которое описывается как «скрежещущее», «грубое», «острое» или «песочное». Но умеренное количество таких гармоник часто связывается и с такими понятиями, как «богатство» и «глубина» звука. Многие ранние (1960 – 1970-е годы) транзисторные усилители имели тенденцию генерировать при перегрузке, главным образом, искажения с нечётными гармониками. И это создало для ранних транзисторных устройств не очень хорошую репутацию. В аналоговых магнитофонах главной проблемой, связанной с физическими основами записи на магнитную ленту, является третья гармоника, и потому общепринятым методом оценки нелинейных искажений в процессе записи является измерение коэффициента гармонических искажений третьего порядка. Большинство процедур настройки магнитофона перед записью использует в качестве ссылки уровень этих третьих гармоник.

Тем не менее, в действительности всё намного сложнее, потому что вид искажения только лишь частично зависит от того, какие активные элементы используются. Как уже было сказано, вид искажения очень сильно связан со схемотехническими особенностями устройства, и ничто не мешает изготовить транзисторную схему, преимущественно производящую чётные гармоники, или ламповую, генерирующую нечётные. И, кроме того, на базе обоих типов активных элементов можно изготавливать очень линейные, с очень малым количеством искажений, устройства. То же самое относится и магнитофонам. Даже если в каком-то аппарате и декларируется наличие чётных гармонических искажений, то они редко являются доминирующими. Обычно они вызываются искажениями в усилительном тракте (обычно в ламповых магнитофонах), или в результате намагниченности головок.

При настройке магнитофона звукоинженер обычно пытается оптимизировать его параметры так, чтобы минимизировать искажения. Минимальное искажение для данного типа ленты будет результатом определённой комбинации уровня записи, корректирующей эквализации и параметров подмагничивания. Из всего этого набора только один параметр легко доступен для пользователя (без углубления в недра магнитофона) – это уровень записи. При подаче на запись сигнала с высоким уровнем, Вы можете перегрузить ленту, и «поощрить» её создать больше искажений и сильнее «плющить» транзиенты. Насколько «горячо» записывать и сколько получать искажений – это, очевидно, вопрос вкуса, но я бы всё равно призвал бы Вас к некоторой осторожности.

И Вам ещё следует знать, что некоторые магнитные ленты последнего поколения обладают большой перегрузочной способностью, и чтобы добиться от них эффекта сатурации, при записи требуется подать очень высокий уровень сигнала. Однако, не в каждом магнитофоне электроника записывающего тракта способна работать с такими уровнями (да и не каждая головка справляется с ними). К примеру, такая проблема может быть с некоторыми магнитофонами от Revox. Таким образом, подбирайте тип ленты под конкретную модель магнитофона, если намеренно ищите эффекты такой перегрузки.

полный коэффициент гармонических искажений — со всех языков на русский

 

трехфазный ИБП
—
[Интент]

Глава 7. Трехфазные ИБП

… ИБП большой мощности (начиная примерно с 10 кВА) как правило предназначены для подключения к трехфазной электрической сети. Диапазон мощностей 8-25 кВА – переходный. Для такой мощности делают чисто однофазные ИБП, чисто трехфазные ИБП и ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом. Все ИБП, начиная примерно с 30 кВА имеют трехфазный вход и трехфазный выход. Трехфазные ИБП имеют и другое преимущество перед однофазными ИБП. Они эффективно разгружают нейтральный провод от гармоник тока и способствуют более безопасной и надежной работе больших компьютерных систем. Эти вопросы рассмотрены в разделе «Особенности трехфазных источников бесперебойного питания» главы 8. Трехфазные ИБП строятся обычно по схеме с двойным преобразованием энергии. Поэтому в этой главе мы будем рассматривать только эту схему, несмотря на то, что имеются трехфазные ИБП, построенные по схеме, похожей на ИБП, взаимодействующий с сетью.

Схема трехфазного ИБП с двойным преобразованием энергии приведена на рисунке 18.

Рис.18. Трехфазный ИБП с двойным преобразованием энергии

Как видно, этот ИБП не имеет почти никаких отличий на уровне блок-схемы, за исключением наличия трех фаз. Для того, чтобы увидеть отличия от однофазного ИБП с двойным преобразованием, нам придется (почти впервые в этой книге) несколько подробнее рассмотреть элементы ИБП. Мы будем проводить это рассмотрение, ориентируясь на традиционную технологию. В некоторых случаях будут отмечаться схемные особенности, позволяющие улучшить характеристики.

Выпрямитель

Слева на рис 18. – входная электрическая сеть. Она включает пять проводов: три фазных, нейтраль и землю. Между сетью и ИБП – предохранители (плавкие или автоматические). Они позволяют защитить сеть от аварии ИБП. Выпрямитель в этой схеме – регулируемый тиристорный. Управляющая им схема изменяет время (долю периода синусоиды), в течение которого тиристоры открыты, т.е. выпрямляют сетевое напряжение. Чем большая мощность нужна для работы ИБП, тем дольше открыты тиристоры. Если батарея ИБП заряжена, на выходе выпрямителя поддерживается стабилизированное напряжение постоянного тока, независимо от нвеличины напряжения в сети и мощности нагрузки. Если батарея требует зарядки, то выпрямитель регулирует напряжение так, чтобы в батарею тек ток заданной величины.

Такой выпрямитель называется шести-импульсным, потому, что за полный цикл трехфазной электрической сети он выпрямляет 6 полупериодов сингусоиды (по два в каждой из фаз). Поэтому в цепи постоянного тока возникает 6 импульсов тока (и напряжения) за каждый цикл трехфазной сети. Кроме того, во входной электрической сети также возникают 6 импульсов тока, которые могут вызвать гармонические искажения сетевого напряжения. Конденсатор в цепи постоянного тока служит для уменьшения пульсаций напряжения на аккумуляторах. Это нужно для полной зарядки батареи без протекания через аккумуляторы вредных импульсных токов. Иногда к конденсатору добавляется еще и дроссель, образующий совместно с конденсатором L-C фильтр.

Коммутационный дроссель ДР уменьшает импульсные токи, возникающие при открытии тиристоров и служит для уменьшения искажений, вносимых выпрямителем в электрическую сеть. Для еще большего снижения искажений, вносимых в сеть, особенно для ИБП большой мощности (более 80-150 кВА) часто применяют 12-импульсные выпрямители. Т.е. за каждый цикл трехфазной сети на входе и выходе выпрямителя возникают 12 импульсов тока. За счет удвоения числа импульсов тока, удается примерно вдвое уменьшить их амплитуду. Это полезно и для аккумуляторов и для электрической сети.

Двенадцати-импульсный выпрямитель фактически состоит из двух 6-импульсных выпрямителей. На вход второго выпрямителя (он изображен ниже на рис. 18) подается трехфазное напряжение, прошедшее через трансформатор, сдвигающий фазу на 30 градусов.

В настоящее время применяются также и другие схемы выпрямителей трехфазных ИБП. Например схема с пассивным (диодным) выпрямителем и преобразователем напряжения постоянного тока, применение которого позволяет приблизить потребляемый ток к синусоидальному.

Наиболее современным считается транзисторный выпрямитель, регулируемый высокочастотной схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Применение такого выпрямителя позволяет сделать ток потребления ИБП синусоидальным и совершенно отказаться от 12-импульсных выпрямителей с трансформатором.

Батарея

Для формирования батареи трехфазных ИБП (как и в однофазных ИБП) применяются герметичные свинцовые аккумуляторы. Обычно это самые распространенные модели аккумуляторов с расчетным сроком службы 5 лет. Иногда используются и более дорогие аккумуляторы с большими сроками службы. В некоторых трехфазных ИБП пользователю предлагается фиксированный набор батарей или батарейных шкафов, рассчитанных на различное время работы на автономном режиме. Покупая ИБП других фирм, пользователь может более или менее свободно выбирать батарею своего ИБП (включая ее емкость, тип и количество элементов). В некоторых случаях батарея устанавливается в корпус ИБП, но в большинстве случаев, особенно при большой мощности ИБП, она устанавливается в отдельном корпусе, а иногда и в отдельном помещении.

Инвертор

Как и в ИБП малой мощности, в трехфазных ИБП применяются транзисторные инверторы, управляемые схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Некоторые ИБП с трехфазным выходом имеют два инвертора. Их выходы подключены к трансформаторам, сдвигающим фазу выходных напряжений. Даже в случае применения относительно низкочастоной ШИМ, такая схема совместно с применением фильтра переменного тока, построенного на трансформаторе и конденсаторах, позволяет обеспечить очень малый коэффициент гармонических искажений на выходе ИБП (до 3% на линейной нагрузке). Применение двух инверторов увеличивает надежность ИБП, поскольку даже при выходе из строя силовых транзисторов одного из инверторов, другой инвертор обеспечит работу нагрузки, пусть даже при большем коэффициенте гармонических искажений.

В последнее время, по мере развития технологии силовых полупроводников, начали применяться более высокочастотные транзисторы. Частота ШИМ может составлять 4 и более кГц. Это позволяет уменьшить гармонические искажения выходного напряжения и отказаться от применения второго инвертора. В хороших ИБП существуют несколько уровней защиты инвертора от перегрузки. При небольших перегрузках инвертор может уменьшать выходное напряжение (пытаясь снизить ток, проходящий через силовые полупроводники). Если перегрузка очень велика (например нагрузка составляет более 125% номинальной), ИБП начинает отсчет времени работы в условиях перегрузки и через некоторое время (зависящее от степени перегрузки – от долей секунды до минут) переключается на работу через статический байпас. В случае большой перегрузки или короткого замыкания, переключение на статический байпас происходит сразу.

Некоторые современные высококлассные ИБП (с высокочакстотной ШИМ) имеют две цепи регулирования выходного напряжения. Первая из них осуществляет регулирование среднеквадратичного (действующего) значения напряжения, независимо для каждой из фаз. Вторая цепь измеряет мгновенные значения выходного напряжения и сравнивает их с хранящейся в памяти блока управления ИБП идеальной синусоидой. Если мгновенное значение напряжения отклонилось от соотвествующего «идеального» значения, то вырабатывается корректирующий импульс и форма синусоиды выходного напряжения исправляется. Наличие второй цепи обратной связи позволяет обеспечить малые искажения формы выходного напряжения даже при нелинейных нагрузках.

Статический байпас

Блок статического байпаса состоит из двух трехфазных (при трехфазном выходе) тиристорных переключателей: статического выключателя инвертора (на схеме – СВИ) и статического выключателя байпаса (СВБ). При нормальной работе ИБП (от сети или от батареи) статический выключатель инвертора замкнут, а статический выключатель байпаса разомкнут. Во время значительных перегрузок или выхода из строя инвертора замкнут статический переключатель байпаса, переключатель инвертора разомкнут. В момент переключения оба статических переключателя на очень короткое время замкнуты. Это позволяет обеспечить безразрывное питание нагрузки.

Каждая модель ИБП имеет свою логику управления и, соответственно, свой набор условий срабатывания статических переключателей. При покупке ИБП бывает полезно узнать эту логику и понять, насколько она соответствует вашей технологии работы. В частности хорошие ИБП сконструированы так, чтобы даже если байпас недоступен (т.е. отсутствует синхронизация инвертора и байпаса – см. главу 6) в любом случае постараться обеспечить электроснабжение нагрузки, пусть даже за счет уменьшения напряжения на выходе инвертора.

Статический байпас ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом имеет особенность. Нагрузка, распределенная на входе ИБП по трем фазным проводам, на выходе имеет только два провода: один фазный и нейтральный. Статический байпас тоже конечно однофазный, и синхронизация напряжения инвертора производится относительно одной из фаз трехфазной сети (любой, по выбору пользователя). Вся цепь, подводящая напряжение к входу статического байпаса должна выдерживать втрое больший ток, чем входной кабель выпрямителя ИБП. В ряде случаев это может вызвать трудности с проводкой.

Сервисный байпас

Трехфазные ИБП имеют большую мощность и обычно устанавливаются в местах действительно критичных к электропитанию. Поэтому в случае выхода из строя какого-либо элемента ИБП или необходимости проведения регламентных работ (например замены батареи), в большинстве случае нельзя просто выключить ИБП или поставить на его место другой. Нужно в любой ситуации обеспечить электропитание нагрузки. Для этих ситуаций у всех трехфазных ИБП имеется сервисный байпас. Он представляет собой ручной переключатель (иногда как-то заблокированный, чтобы его нельзя было включить по ошибке), позволяющий переключить нагрузку на питание непосредственно от сети. У большинства ИБП для переключения на сервисный байпас существует специальная процедура (определенная последовательность действий), которая позволяет обеспечит непрерывность питания при переключениях.

Режимы работы трехфазного ИБП с двойным преобразованием

Трехфазный ИБП может работать на четырех режимах работы.

• При нормальной работе нагрузка питается по цепи выпрямитель-инвертор стабилизированным напряжением, отфильтрованным от импульсов и шумов за счет двойного преобразования энергии.
• Работа от батареи. На это режим ИБП переходит в случае, если напряжение на выходе ИБП становится таким маленьким, что выпрямитель оказывается не в состоянии питать инвертор требуемым током, или выпрямитель не может питать инвертор по другой причине, например из-за поломки. Продолжительность работы ИБП от батареи зависит от емкости и заряда батареи, а также от нагрузки ИБП.
• Когда какой-нибудь инвертор выходит из строя или испытывает перегрузку, ИБП безразрывно переходит на режим работы через статический байпас. Нагрузка питается просто от сети через вход статического байпаса, который может совпадать или не совпадать со входом выпрямителя ИБП.
• Если требуется обслуживание ИБП, например для замены батареи, то ИБП переключают на сервисный байпас. Нагрузка питается от сети, а все цепи ИБП, кроме входного выключателя сервисного байпаса и выходных выключателей отделены от сети и от нагрузки. Режим работы на сервисном байпасе не является обязательным для небольших однофазных ИБП с двойным преобразованием. Трехфазный ИБП без сервисного байпаса немыслим.

Надежность

Трехфазные ИБП обычно предназначаются для непрерывной круглосуточной работы. Работа нагрузки должна обеспечиваться практически при любых сбоях питания. Поэтому к надежности трехфазных ИБП предъявляются очень высокие требования. Вот некоторые приемы, с помощью которых производители трехфазных ИБП могут увеличивать надежность своей продукции. Применение разделительных трансформаторов на входе и/или выходе ИБП увеличивает устойчивость ИБП к скачкам напряжения и нагрузки. Входной дроссель не только обеспечивает «мягкий запуск», но и защищает ИБП (и, в конечном счете, нагрузку) от очень быстрых изменений (скачков) напряжения.

Обычно фирма выпускает целый ряд ИБП разной мощности. В двух или трех «соседних по мощности» ИБП этого ряда часто используются одни и те же полупроводники. Если это так, то менее мощный из этих двух или трех ИБП имеет запас по предельному току, и поэтому несколько более надежен. Некоторые трехфазные ИБП имеют повышенную надежность за счет резервирования каких-либо своих цепей. Так, например, могут резервироваться: схема управления (микропроцессор + платы «жесткой логики»), цепи управления силовыми полупроводниками и сами силовые полупроводники. Батарея, как часть ИБП тоже вносит свой вклад в надежность прибора. Если у ИБП имеется возможность гибкого выбора батареи, то можно выбрать более надежный вариант (батарея более известного производителя, с меньшим числом соединений).

Преобразователи частоты

Частота напряжения переменного тока в электрических сетях разных стран не обязательно одинакова. В большинстве стран (в том числе и в России) распространена частота 50 Гц. В некоторых странах (например в США) частота переменного напряжения равна 60 Гц. Если вы купили оборудование, рассчитанное на работу в американской электрической сети (110 В, 60 Гц), то вы должны каким-то образом приспособить к нему нашу электрическую сеть. Преобразование напряжения не является проблемой, для этого есть трансформаторы. Если оборудование оснащено импульсным блоком питания, то оно не чувствительно к частоте и его можно использовать в сети с частотой 50 Гц. Если же в состав оборудования входят синхронные электродвигатели или иное чувствительное к частоте оборудование, вам нужен преобразователь частоты. ИБП с двойным преобразованием энергии представляет собой почти готовый преобразователь частоты.

В самом деле, ведь выпрямитель этого ИБП может в принципе работать на одной частоте, а инвертор выдавать на своем выходе другую. Есть только одно принципиальное ограничение: невозможность синхронизации инвертора с линией статического байпаса из-за разных частот на входе и выходе. Это делает преобразователь частоты несколько менее надежным, чем сам по себе ИБП с двойным преобразованием. Другая особенность: преобразователь частоты должен иметь мощность, соответствующую максимальному возможному току нагрузки, включая все стартовые и аварийные забросы, ведь у преобразователя частоты нет статического байпаса, на который система могла бы переключиться при перегрузке.

Для изготовления преобразователя частоты из трехфазного ИБП нужно разорвать цепь синхронизации, убрать статический байпас (или, вернее, не заказывать его при поставке) и настроить инвертор ИБП на работу на частоте 60 Гц. Для большинства трехфазных ИБП это не представляет проблемы, и преобразователь частоты может быть заказан просто при поставке.

ИБП с горячим резервированием

В некоторых случаях надежности даже самых лучших ИБП недостаточно. Так бывает, когда сбои питания просто недопустимы из-за необратимых последствий или очень больших потерь. Обычно в таких случаях в технике применяют дублирование или многократное резервирование блоков, от которых зависит надежность системы. Есть такая возможность и для трехфазных источников бесперебойного питания. Даже если в конструкцию ИБП стандартно не заложено резервирование узлов, большинство трехфазных ИБП допускают резервирование на более высоком уровне. Резервируется целиком ИБП. Простейшим случаем резервирования ИБП является использование двух обычных серийных ИБП в схеме, в которой один ИБП подключен к входу байпаса другого ИБП.

Рис. 19а. Последовательное соединение двух трехфазных ИБП

На рисунке 19а приведена схема двух последовательно соединенным трехфазных ИБП. Для упрощения на рисунке приведена, так называемая, однолинейная схема, на которой трем проводам трехфазной системы переменного тока соответствует одна линия. Однолинейные схемы часто применяются в случаях, когда особенности трехфазной сети не накладывают отпечаток на свойства рассматриваемого прибора. Оба ИБП постоянно работают. Основной ИБП питает нагрузку, а вспомогательный ИБП работает на холостом ходу. В случае выхода из строя основного ИБП, нагрузка питается не от статического байпаса, как в обычном ИБП, а от вспомогательного ИБП. Только при выходе из строя второго ИБП, нагрузка переключается на работу от статического байпаса.

Система из двух последовательно соединенных ИБП может работать на шести основных режимах.

А. Нормальная работа. Выпрямители 1 и 2 питают инверторы 1 и 2 и, при необходимости заряжают батареи 1 и 2. Инвертор 1 подключен к нагрузке (статический выключатель инвертора 1 замкнут) и питает ее стабилизированным и защищенным от сбоев напряжением. Инвертор 2 работает на холостом ходу и готов «подхватить» нагрузку, если инвертор 1 выйдет из строя. Оба статических выключателя байпаса разомкнуты.

Для обычного ИБП с двойным преобразованием на режиме работы от сети допустим (при сохранении гарантированного питания) только один сбой в системе. Этим сбоем может быть либо выход из строя элемента ИБП (например инвертора) или сбой электрической сети.

Для двух последовательно соединенных ИБП с на этом режиме работы допустимы два сбоя в системе: выход из строя какого-либо элемента основного ИБП и сбой электрической сети. Даже при последовательном или одновременном возникновении двух сбоев питание нагрузки будет продолжаться от источника гарантированного питания.

Б. Работа от батареи 1. Выпрямитель 1 не может питать инвертор и батарею. Чаще всего это происходит из-за отключения напряжения в электрической сети, но причиной может быть и выход из строя выпрямителя. Состояние инвертора 2 в этом случае зависит от работы выпрямителя 2. Если выпрямитель 2 работает (например он подключен к другой электрической сети или он исправен, в отличие от выпрямителя 1), то инвертор 2 также может работать, но работать на холостом ходу, т.к. он «не знает», что с первым ИБП системы что-то случилось. После исчерпания заряда батареи 1, инвертор 1 отключится и система постарается найти другой источник электроснабжения нагрузки. Им, вероятно, окажется инвертор2. Тогда система перейдет к другому режиму работы.

Если в основном ИБП возникает еще одна неисправность, или батарея 1 полностью разряжается, то система переключается на работу от вспомогательного ИБП.

Таким образом даже при двух сбоях: неисправности основного ИБП и сбое сети нагрузка продолжает питаться от источника гарантированного питания.

В. Работа от инвертора 2. В этом случае инвертор 1 не работает (из-за выхода из строя или полного разряда батареи1). СВИ1 разомкнут, СВБ1 замкнут, СВИ2 замкнут и инвертор 2 питает нагрузку. Выпрямитель 2, если в сети есть напряжение, а сам выпрямитель исправен, питает инвертор и батарею.

На этом режиме работы допустим один сбой в системе: сбой электрической сети. При возникновении второго сбоя в системе (выходе из строя какого-либо элемента вспомогательного ИБП) электропитание нагрузки не прерывается, но нагрузка питается уже не от источника гарантированного питания, а через статический байпас, т.е. попросту от сети.

Г. Работа от батареи 2. Наиболее часто такая ситуация может возникнуть после отключения напряжения в сети и полного разряда батареи 1. Можно придумать и более экзотическую последовательность событий. Но в любом случае, инвертор 2 питает нагругку, питаясь, в свою очередь, от батареи. Инвертор 1 в этом случае отключен. Выпрямитель 1, скорее всего, тоже не работает (хотя он может работать, если он исправен и в сети есть напряжение).

После разряда батареи 2 система переключится на работу от статического байпаса (если в сети есть нормальное напряжение) или обесточит нагрузку.

Д. Работа через статический байпас. В случае выхода из строя обоих инверторов, статические переключатели СВИ1 и СВИ2 размыкаются, а статические переключатели СВБ1 и СВБ2 замыкаются. Нагрузка начинает питаться от электрической сети.

Переход системы к работе через статический байпас происходит при перегрузке системы, полном разряде всех батарей или в случае выхода из строя двух инверторов.

На этом режиме работы выпрямители, если они исправны, подзаряжают батареи. Инверторы не работают. Нагрузка питается через статический байпас.

Переключение системы на работу через статический байпас происходит без прерывания питания нагрузки: при необходимости переключения сначала замыкается тиристорный переключатель статического байпаса, и только затем размыкается тиристорный переключатель на выходе того инвертора, от которого нагрузка питалась перед переключением.

Е. Ручной (сервисный) байпас. Если ИБП вышел из строя, а ответственную нагрузку нельзя обесточить, то оба ИБП системы с соблюдением специальной процедуры (которая обеспечивает безразрыное переключение) переключают на ручной байпас. после этого можно производить ремонт ИБП.

Преимуществом рассмотренной системы с последовательным соединением двух ИБП является простота. Не нужны никакие дополнительные элементы, каждый из ИБП работает в своем штатном режиме. С точки зрения надежности, эта схема совсем не плоха:- в ней нет никакой лишней, (связанной с резервированием) электроники, соответственно и меньше узлов, которые могут выйти из строя.

Однако у такого соединения ИБП есть и недостатки. Вот некоторые из них.
 

1. Покупая такую систему, вы покупаете второй байпас (на нашей схеме – он первый – СВБ1), который, вообще говоря, не нужен – ведь все необходимые переключения могут быть произведены и без него.
2. Весь второй ИБП выполняет только одну функцию – резервирование. Он потребляет электроэнергию, работая на холостом ходу и вообще не делает ничего полезного (разумеется за исключением того времени, когда первый ИБП отказывается питать нагрузку). Некоторые производители предлагают «готовые» системы ИБП с горячим резервированием. Это значит, что вы покупаете систему, специально (еще на заводе) испытанную в режиме с горячим резервированием. Схема такой системы приведена на рис. 19б.

Рис.19б. Трехфазный ИБП с горячим резервированием

Принципиальных отличий от схемы с последовательным соединением ИБП немного.

1. У второго ИБП отсутствует байпас.
2. Для синхронизации между инвертором 2 и байпасом появляется специальный информационный кабель между ИБП (на рисунке не показан). Поэтому такой ИБП с горячим резервированием может работать на тех же шести режимах работы, что и система с последовательным подключением двух ИБП. Преимущество «готового» ИБП с резервированием, пожалуй только одно – он испытан на заводе-производителе в той же комплектации, в которой будет эксплуатироваться.

Для расмотренных схем с резервированием иногда применяют одно важное упрощение системы. Ведь можно отказаться от резервирования аккумуляторной батареи, сохранив резервирование всей силовой электроники. В этом случае оба ИБП будут работать от одной батареи (оба выпрямителя будут ее заряжать, а оба инвертора питаться от нее в случае сбоя электрической сети). Применение схемы с общей бетареей позволяет сэкономить значительную сумму – стоимость батареи.

Недостатков у схемы с общей батареей много:

1. Не все ИБП могут работать с общей батареей.
2. Батарея, как и другие элементы ИБП обладает конечной надежностью. Выход из строя одного аккумулятора или потеря контакта в одном соединении могут сделать всю системы ИБП с горячим резервирование бесполезной.
3. В случае выхода из строя одного выпрямителя, общая батарея может быть выведена из строя. Этот последний недостаток, на мой взгляд, является решающим для общей рекомендации – не применять схемы с общей батареей.

Параллельная работа нескольких ИБП

Как вы могли заметить, в случае горячего резервирования, ИБП резервируется не целиком. Байпас остается общим для обоих ИБП. Существует другая возможность резервирования на уровне ИБП – параллельная работа нескольких ИБП. Входы и выходы нескольких ИБП подключаются к общим входным и выходным шинам. Каждый ИБП сохраняет все свои элементы (иногда кроме сервисного байпаса). Поэтому выход из строя статического байпаса для такой системы просто мелкая неприятность.

На рисунке 20 приведена схема параллельной работы нескольких ИБП.

Рис.20. Параллельная работа ИБП

На рисунке приведена схема параллельной системы с раздельными сервисными байпасами. Схема система с общим байпасом вполне ясна и без чертежа. Ее особенностью является то, что для переключения системы в целом на сервисный байпас нужно управлять одним переключателем вместо нескольких. На рисунке предполагается, что между ИБП 1 и ИБП N Могут располагаться другие ИБП. Разные производителю (и для разных моделей) устанавливают свои максимальные количества параллеьно работающих ИБП. Насколько мне известно, эта величина изменяется от 2 до 8. Все ИБП параллельной системы работают на общую нагрузку. Суммарная мощность параллельной системы равна произведению мощности одного ИБП на количество ИБП в системе. Таким образом параллельная работа нескольких ИБП может применяться (и в основном применяется) не столько для увеличения надежности системы бесперебойного питания, но для увеличения ее мощности.

Рассмотрим режимы работы параллельной системы

Нормальная работа (работа от сети). Надежность

Когда в сети есть напряжение, достаточное для нормальной работы, выпрямители всех ИБП преобразуют переменное напряжение сети в постоянное, заряжая батареи и питая инверторы.

Инверторы, в свою очередь, преобразуют постоянное напряжение в переменное и питают нагрузку. Специальная управляющая электроника параллельной системы следит за равномерным распределением нагрузки между ИБП. В некоторых ИБП распределение нагрузки между ИБП производится без использования специальной параллельной электроники. Такие приборы выпускаются «готовыми к параллельной работе», и для использования их в параллельной системе достаточно установить плату синхронизации. Есть и ИБП, работающие параллельго без специальной электроники. В таком случае количество параллельно работающих ИБП – не более двух. В рассматриваемом режиме работы в системе допустимо несколько сбоев. Их количество зависит от числа ИБП в системе и действующей нагрузки.

Пусть в системе 3 ИБП мощностью по 100 кВА, а нагрузка равна 90 кВА. При таком соотношении числа ИБП и их мощностей в системе допустимы следующие сбои.

Сбой питания (исчезновение напряжения в сети)

Выход из строя любого из инверторов, скажем для определенности, инвертора 1. Нагрузка распределяется между двумя другими ИБП. Если в сети есть напряжение, все выпрямители системы работают.

Выход из строя инвертора 2. Нагрузка питается от инвертора 3, поскольку мощность, потребляемая нагрузкой меньше мощности одного ИБП. Если в сети есть напряжение, все выпрямители системы продолжают работать.

Выход из строя инвертора 3. Система переключается на работу через статический байпас. Нагрузка питается напрямую от сети. При наличии в сети нормального напряжения, все выпрямители работают и продолжают заряжать батареи. При любом последующем сбое (поломке статического байпаса или сбое сети) питание нагрузки прекращается. Для того, чтобы параллельная система допускала большое число сбоев, система должна быть сильно недогружена и должна включать большое число ИБП. Например, если нагрузка в приведенном выше примере будет составлять 250 кВА, то система допускает только один сбой: сбой сети или поломку инвертора. В отношении количества допустимых сбоев такая система эквивалентна одиночному ИБП. Это, кстати, не значит, что надежность такой параллельной системы будет такая же, как у одиночного ИБП. Она будет ниже, поскольку параллельная система намного сложнее одиночного ИБП и (при почти предельной нагрузке) не имеет дополнительного резервирования, компенсирующего эту сложность.

Вопрос надежности параллельной системы ИБП не может быть решен однозначно. Надежность зависит от большого числа параметров: количества ИБП в системе (причем увеличение количества ИБП до бесконечности снижает надежность – система становится слишком сложной и сложно управляемой – впрочем максимальное количество параллельно работающих модулей для известных мне ИБП не превышает 8), нагрузки системы (т.е. соотношения номинальной суммарной мощности системы и действующей нагрузки), примененной схемы параллельной работы (т.е. есть ли в системе специальная электроника для обеспечения распределения нагрузки по ИБП), технологии работы предприятия. Таким образом, если единственной целью является увеличение надежности системы, то следует серьезно рассмотреть возможность использование ИБП с горячим резервированием – его надежность не зависит от обстоятельств и в силу относительной простоты схемы практически всегда выше надежности параллельной системы.

Недогруженная система из нескольких параллельно работающих ИБП, которая способна реализвать описанную выше логику управления, часто также называется параллельной системой с резервированием.

Работа с частичной нагрузкой

Если нагрузка параллельной системы такова, что с ней может справиться меньшее, чем есть в системе количество ИБП, то инверторы «лишних» ИБП могут быть отключены. В некоторых ИБП такая логика управления подразумевается по умолчанию, а другие модели вообще лишены возможности работы в таком режиме. Инверторы, оставшиеся включенными, питают нагрузку. Коэффициент полезного действия системы при этом несколько возрастает. Обычно в этом режиме работы предусматривается некоторая избыточность, т.е. количестов работающих инверторов больше, чем необходимо для питания нагрузки. Тем самым обеспечивается резервирование. Все выпрямители системы продолжают работать, включая выпрямители тех ИБП, инверторы которых отключены.

Работа от батареи

В случае исчезновения напряжения в электрической сети, параллельная система переходит на работу от батареи. Все выпрямители системы не работают, инверторы питают нагрузку, получая энергию от батареи. В этом режиме работы (естественно) отсутствует напряжение в электрической сети, которое при нормальной работе было для ИБП не только источником энергии, но и источником сигнала синхронизации выходного напряжения. Поэтому функцию синхронизации берет на себя специальная параллельная электроника или выходная цепь ИБП, специально ориентированная на поддержание выходной частоты и фазы в соответствии с частотой и фазой выходного напряжения параллельно работающего ИБП.

Выход из строя выпрямителя

Это режим, при котором вышли из строя один или несколько выпрямителей. ИБП, выпрямители которых вышли из строя, продолжают питать нагрузку, расходуя заряд своей батареи. Они выдает сигнал «неисправность выпрямителя». Остальные ИБП продолжают работать нормально. После того, как заряд разряжающихся батарей будет полностью исчерпан, все зависит от соотношения мощности нагрузки и суммарной мощности ИБП с исправными выпрямителями. Если нагрузка не превышает перегрузочной способности этих ИБП, то питание нагрузки продолжится (если у системы остался значительный запас мощности, то в этом режиме работы допустимо еще несколько сбоев системы). В случае, если нагрузка ИБП превышает перегрузочную способность оставшихся ИБП, то система переходит к режиму работы через статический байпас.

Выход из строя инвертора

Если оставшиеся в работоспособном состоянии инверторы могут питать нагрузку, то нагрузка продолжает работать, питаясь от них. Если мощности работоспособных инверторов недостаточно, система переходит в режим работы от статического байпаса. Выпрямители всех ИБП могут заряжать батареи, или ИБП с неисправными инверторами могут быть полностью отключены для выполнения ремонта.

Работа от статического байпаса

Если суммарной мощности всех исправных инверторов параллельной системы не достаточно для поддержания работы нагрузки, система переходит к работе через статический байпас. Статические переключатели всех инверторов разомкнуты (исправные инверторы могут продолжать работать). Если нагрузка уменьшается, например в результате отключения части оборудования, параллельная система автоматически переключается на нормальный режим работы.

В случае одиночного ИБП с двойным преобразованием работа через статический байпас является практически последней возможностью поддержания работы нагрузки. В самом деле, ведь достаточно выхода из строя статического переключателя, и нагрузка будет обесточена. При работе параллельной системы через статический байпас допустимо некоторое количество сбоев системы. Статический байпас способен выдерживать намного больший ток, чем инвертор. Поэтому даже в случае выхода из строя одного или нескольких статических переключателей, нагрузка возможно не будет обесточена, если суммарный допустимый ток оставшихся работоспособными статических переключателей окажется достаточен для работы. Конкретное количество допустимых сбоев системы в этом режиме работы зависит от числа ИБП в системе, допустимого тока статического переключателя и величины нагрузки.

Сервисный байпас

Если нужно провести с параллельной системой ремонтные или регламентные работы, то система может быть отключена от нагрузки с помощью ручного переключателя сервисного байпаса. Нагрузка питается от сети, все элементы параллельной системы ИБП, кроме батарей, обесточены. Как и в случае системы с горячим резервированием, возможен вариант одного общего внешнего сервисного байпаса или нескольких сервисных байпасов, встроенных в отдельные ИБП. В последнем случае при использовании сервисного байпаса нужно иметь в виду соотношение номинального тока сервисного байпаса и действующей мощности нагрузки. Другими словами, нужно включить столько сервисных байпасов, чтобы нагрузка не превышала их суммарный номинальных ток.
[ http://www.ask-r.ru/info/library/ups_without_secret_7.htm]

Тематики

EN

Коэффициент гармонических искажений Википедия

Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ или K_Н) — величина для количественной оценки нелинейных искажений.

Определение[ | ]

Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонентов выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала

KH=U22+U32+U42+…+Un2+…U12+U22+U32+…+Un2+…{\displaystyle K_{\mathrm {H} }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{\sqrt {U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}}}

КНИ — безразмерная величина и выражается обычно в процентах. Кроме КНИ, уровень нелинейных искажений часто выражают и через коэффициент гармонических искажений (КГИ или K_Г) — величину, выражающую степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.) и равную отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

KΓ=U22+U32+U42+…+Un2+…U1{\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {\sqrt {U_{2}^{2}+U_{3}^{2}+U_{4}^{2}+\ldots +U_{n}^{2}+\ldots }}{U_{1}}}}

КГИ, так же, как и КНИ, выражается в процентах и связан с ним соотношением

KΓ=Kh2−Kh3{\displaystyle K_{\Gamma }={\frac {K_{\mathrm {H} }}{\sqrt {1-K_{\mathrm {H} }^{2}}}}}

Очевидно, что для малых значений КГИ и КНИ совпадают в первом приближении. Интересно, что в западной литературе обычно пользуются КГИ, тогда как в отечественной литературе традиционно предпочитают КНИ.

Важно также отметить, что КНИ и КГИ — это лишь количественные меры искажений, но не качественные. Например, значение КНИ (КГИ), равное 3% ничего не говорит о характере искажений, т.е. о том, как в спектре сигнала распределены гармоники, и каков, например, вклад НЧ или ВЧ составляющих. Так, в спектрах ламповых УМЗЧ обычно преобладают низшие гармоники, что часто воспринимается на слух как «тёплый ламповый звук», а в транзисторных УМЗЧ искажения более равномерно распределены по спектру, и он более плоский, что часто воспринимается как «типичный транзисторный звук» (хотя спор этот во многом зависит от личных ощущений и привычек человека).

Примеры расчёта КГИ[ |

Суммарные гармонические искажения — Total harmonic distortion

Суммарный коэффициент гармонических искажений ( КНИ ) является измерение гармонических искажений , присутствующих в сигнале , и определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной частоты . Коэффициент нелинейных искажений , тесно Родственный термин, иногда используется как синоним.

В аудиосистемах, меньшие искажения означает, что компоненты в громкоговоритель, усилитель или микрофона или другого оборудования производить более точное воспроизведение аудио записи.

В радиосвязи, нижняя КНИ означает чистую эмиссию сигнала , не вызывая помехи для других электронных устройств. Кроме того, проблема искаженные и не экологически чистых радиоизлучений , как представляется, также очень важно в контексте совместного использования спектра и зондирование спектра .

В энергетических системах, ниже, ТРД означает уменьшение пиковых токов, отопление, выбросы и потери в сердечнике в двигателях.

Определения и примеры

Чтобы понять систему с входом и выходом, такие как звуковой усилитель, мы начинаем с идеальной системой , в которой передаточная функция является линейной и стационарно . Когда сигнал проходит через неидеальное, нелинейное устройство, дополнительный контент добавляется на гармониках исходных частот. ТРД является измерение степени этого искажения.

Когда главным критерием эффективности является «чистота» исходной синусоиды (другими словами, вклад исходной частоты по отношению к его гармоник), измерение наиболее часто определяется как отношение амплитуды RMS набора высшие гармонические частоты к RMS амплитуде первой гармоники, или фундаментальной , частота

TЧАСDFзнак равноВ22+В32+В42+⋯В1{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = \, {\ гидроразрыва {\ SQRT {V_ {2} ^ {2} + V_ {3} ^ {2} + V_ {4} ^ {2} + \ cdots}} {V_ {1}}}}

где V _п это напряжение RMS на п — й гармоники и п  = 1 является основной частоты.

На практике, ТРД _Р обычно используется в спецификациях звуковых искажений (THD) в процентах; Однако, THD не является стандартизированной спецификацией и результаты между производителями не легко сопоставимы. Так как отдельные амплитуды гармоник измеряются, требуется , чтобы производитель раскрывает условие диапазона частот тестового сигнала, уровня и усиления, а также количество измерений. Можно измерить полный диапазон 20-20 кГц с помощью развертки (хотя искажение для фундаментальной выше 10 кГц неразборчиво).

Измерения для расчета THD сделаны на выходе устройства при определенных условиях. КНИ обычно выражается в процентах или в дБ по отношению к фундаментальным как ослабление искажений.

Определение вариант использует основные плюс гармоники как ссылки, хотя использование не рекомендуется:

TЧАСDрзнак равноВ22+В32+В42+⋯В12+В22+В32+⋯знак равноTЧАСDF1+TЧАСDF2{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {R}} \, = \, {\ гидроразрыва {\ SQRT {V_ {2} ^ {2} + V_ {3} ^ {2} + V_ {4} ^ {2} + \ cdots}} {\ SQRT {V_ {1} ^ {2} + V_ {2} ^ {2} + V_ {3} ^ {2} + \ cdots}}} \, = \, {\ гидроразрыва {\ mathrm {THD_ {F}}} {\ SQRT {1+ \ mathrm {THD} _ {\ mathrm {F}} ^ {2}}}}}

Они могут быть выделены в качестве THD _F (для «фундаментальные»), и THD _R (для «среднеквадратического»). КНИ _R не может превышать 100%. При низких уровнях искажений, разница между этими двумя методами расчета можно пренебречь. Так , например, сигнал с THD _F 10% имеет очень похожий THD _R на 9,95%. Однако при более высоких уровнях искажений несоответствие становится большим. Так , например, сигнал с ТРД _F 266% имеет THD _R 94%. Чистые квадратные волны с бесконечными гармониками имеют ТРД _Р 48,3%, или ТРД _Р на 43,5%.

Некоторые используют термин «коэффициент искажения» как синоним THD _R , в то время как другие используют его как синоним THD _F .

THD + N

THD + N означает общее гармоническое искажение плюс шум. Это измерение является гораздо более распространенным и более сравнимы между устройствами. Это обычно измеряются путем ввода синусоиды , режекторные фильтрации выходного сигнала, и сравнивая соотношение между выходными сигналом и без синусоидальной волны:

TЧАСD+Nзнак равноΣNзнак равно2∞гармоники+шумфундаментальный{\ Displaystyle \ mathrm {THD \! \! + \! \! N} = {\ гидроразрыва {\ displaystyle \ сумма _ {п = 2} ^ {\ infty} {\ текст {гармоника}} + {\ текст { шум}}} {\ текст {основополагающий}}}}

Как измерения THD, это отношение амплитуд RMS, и может быть измерен как THD _F (bandpassed или рассчитанным фундаментальными в качестве знаменателя) или, более часто, так как ТРД _R (общий искаженный сигнал в качестве знаменателя). Измерения Аудио точности являются ТРД _Р , например.

Содержательное измерение должно включать в себя полосу частот измерения. Это измерение включает в себя эффекты от контура заземления линии электропередачи, гула высокочастотных помех, интермодуляционных искажений между этими тонами и фундаментальными, и так далее, в дополнении к гармоническому искажению. Для психоакустических измерений, кривая взвешивание применяется , например , как A-взвешивание или ITU-R BS.468 , который предназначен , чтобы подчеркнуть , что является наиболее слышимый человеческим ухом, что способствует более точному измерению.

Для заданной входной частоты и амплитуды, THD + N взаимна SINAD , при условии , что оба измерения производятся в течение одной и той же полосе частот.

измерение

Искажение формы сигнала по отношению к чистой синусоиде может быть измерено либо с помощью анализатора THD , чтобы проанализировать выходную волну на составляющую ее гармоники и отмечая амплитуду каждого по отношению к фундаментальному; или путем сокращения на фундаментальный с узкополосного режекторного фильтра и измерения оставшегося сигнала, который будет Совокупная гармонических искажений плюс шум.

Принимая во внимание синусоидальный генератор очень низких присущих искажений, он может быть использован в качестве входных данных для амплификации оборудования, чьи искажения на разные частоты и уровни сигналов может быть измерены путем анализа выходного сигнала.

Существует электронное оборудование как для генерации синусоидальных и для измерения искажений; но универсальный цифровой компьютер , оснащенный звуковой картой может выполнять гармонический анализ с помощью соответствующего программного обеспечения. Различное программное обеспечение может быть использовано для генерации синусоидальных колебаний, но присущее искажение может быть слишком высоким для измерения с очень низкими уровнем искажений усилителей.

интерпретация

Для многих целей различных типов гармоник не эквивалентны. Например, искажение кроссовера при заданном THD гораздо более слышимое , чем искажение отсечения в той же THD, так как гармоники , производимые находятся на более высоких частотах, которые не так легко маскируются с помощью фундаментального. Один номер THD недостаточно указать слышимость, и должны интерпретироваться с осторожностью. Проведение измерений THD при различных уровнях выходного сигнала подвергнет ли отсечение искажения (которое возрастает с увеличением уровня) или кроссовер (который уменьшается с уровнем).

THD представляет собой среднее значение ряда гармоник равновзвешенных, хотя исследования, проведенные несколько десятилетий назад определяет, что более низкие гармоники порядка сложнее услышать на тот же уровень, по сравнению с более высокими порядками. Кроме того, даже гармоники порядка, как говорят, как правило, сложнее, чем услышать нечетный порядок. Ряд формул, которые пытаются соотнести THD с реальной слышимости были опубликованы, однако никто из них не получил господствующее использование.

Примеры

Для многих стандартных сигналов, выше критерий может быть вычислен аналитический в замкнутой форме. Так , например, чистая прямоугольная волна имеет THD _F , равный

TЧАСDFзнак равноπ28-1≈0,483знак равно48,3%{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = \, {\ SQRT {{\ гидроразрыва {\, \ Pi ^ {2}} {8}} — 1 \}} \ ок \, 0,483 \, = \, 48,3 \%}

Пилообразный сигнал обладает

TЧАСDFзнак равноπ26-1≈0,803знак равно80,3%{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = \, {\ SQRT {{\ гидроразрыва {\, \ Pi ^ {2}} {6}} — 1 \}} \ ок \, 0,803 \, = \, 80,3 \%}

Чисто симметричная треугольная волна имеет THD _F из

TЧАСDFзнак равноπ496-1≈0,121знак равно12,1%{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = \, {\ SQRT {{\ гидроразрыва {\, \ Pi ^ {4}} {96}} — 1 \}} \ ок \, 0,121 \, = \, 12,1 \%}

Для прямоугольных импульсов с рабочим циклом ц (называемым иногда циклический коэффициентом ), то ТРД _Р имеет вид

TЧАСDF(μ)знак равноμ(1-μ)π22грех2⁡πμ-1,0<μ<1{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, (\ му) = {\ SQRT {{\ гидроразрыва {\ му (1- \ му) \ р ^ {2} \, {2} \ грех ^ {2 } \ пи \ му}} — 1 \;}} \ ,, \ qquad 0 <\ му <1}

и логически, достигает минимума (≈0.483) , когда сигнал становится симметричным μ = 0,5, т.е. чистого меандра . Соответствующая фильтрация этих сигналов может значительно уменьшить результирующий коэффициент нелинейных искажений. Так , например, чистая прямоугольная волна фильтруется фильтром нижних частот Баттерворта второго порядка (с частотой среза устанавливается равной основной частоте) имеет ТРД _Р 5,3%, в то время как тот же самый сигнал фильтруют с помощью фильтра четвертого порядка имеет ТРД _Р 0,6%. Однако, аналитическое вычисление THD _F для сложных форм сигналов и фильтров часто представляет собой сложную задачу, и полученные выражения могут быть весьма трудоемкими получить. Так , например, выражение в замкнутой форме для THD _F от пилообразной волны , отфильтрованной первого порядка фильтра Баттерворта нижних частот просто

TЧАСDFзнак равноπ23-πCOTH⁡π≈0,370знак равно37,0%{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = \, {\ SQRT {{\ гидроразрыва {\, \ Pi ^ {2}} {3}} — \ р \ COTH \ р \,}} \, \ ок \, 0,370 \, = \, 37,0 \%}

в то время как за тот же сигнал , отфильтрованного вторым порядком фильтр Баттерворт задаются довольно громоздкой формулой

TЧАСDFзнак равноπдетская кроватка⁡π2⋅COTh3⁡π2-детская кроватка2⁡π2⋅COTH⁡π2-детская кроватка⁡π2-COTH⁡π22(детская кроватка2⁡π2+COTh3⁡π2)+π23-1≈0,181знак равно18,1%{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, = {\ SQRT {\ р \, {\ гидроразрыва {\; \ раскладушка {\ dfrac {\ Pi} {\ SQRT {2 \}}} \ CDOT \ COTH ^ {! 2 \} {\ dfrac {\ р} {\ SQRT {2 \}}} — \ раскладушка ^ {! 2 \} {\ dfrac {\ р} {\ SQRT {2 \}}} \ CD \ CO {\ dfrac {\ Pi} {\ SQRT {2 \}}} — \ раскладушка {\ dfrac {\ Pi} {\ SQRT {2 \}}} — \ COTH {\ dfrac {\ пи } {\ SQRT {2 \}}} \;!} {{\ SQRT {2 \}} \ влево (\ \ раскладушка ^ {2 \} {\ dfrac {\ р} {\ SQRT {2 \ }}} + \ COTH ^ {2 \!} {\ dfrac {\ р} {\ SQRT {2 \}}} \! \ справа)}} \, + \ {\ гидроразрыва {\, \ р ^ {2}} {3}} \, — \, 1 \;}} \; \ ок \; 0,181 \, = \, 18,1 \%}

Тем не менее, выражение в замкнутой форме для THD _F от импульсов отфильтрованной р — го порядка фильтра Баттерворта нижних частот является еще более сложным и имеет следующий вид

TЧАСDF(μ,п)знак равнокосеканс⁡πμ⋅μ(1-μ)π2-грех2πμ-π2Σsзнак равно12пдетская кроватка⁡πZsZs2ΠLзнак равно1L≠s2п1Zs-ZL+π2реΣsзнак равно12пеяπZs(2μ-1)Zs2грех⁡πZsΠLзнак равно1L≠s2п1Zs-ZL{\ Displaystyle \ mathrm {THD_ {F}} \, (\ му, р) = \ CSC \ пи \ мю \, \ CDOT \! {\ SQRT {\ му (1- \ му) \ р ^ {2} — \, \ грех ^ {2} \ \ р \ му \ — \, {\ гидроразрыва {\, \ р} {2}} \ сумма _ {s = 1} ^ {2p} {\ гидроразрыва {\ кроватка \ пи z_ {s}} {z_ {s} ^ {2}}} \ прод \ пределы _ {\ scriptstyle л = 1 \ на вершине \ scriptstyle л \ NEQ s} ^ {2p} \! {\ гидроразрыва {1 } {\, Z_ {s} -z_ {л} \,}} \ + \, {\ гидроразрыва {\, \ Pi} {2}} \, \ mathrm {Re} \ сумма _ {s = 1} ^ {2p} {\ гидроразрыва {е ^ {я \ Pi Z_ {s} (2 \ му -1)}} {Z_ {s} ^ {2} \ грех \ пи Z_ {s}}} \ \ прод пределы _ {\ scriptstyle л = 1 \ на вершине \ scriptstyle л \ NEQ s} ^ {2p} \! {\ гидроразрыва {1} {\, z_ {s} -z_ {л} \}} \}}}

где μ является цикл , 0 < μ <1, и

ZL≡ехр⁡яπ(2L-1)2п,Lзнак равно1,2,…,2п{\ Displaystyle Z_ {л} \ эквив \ ехр {\ гидроразрыва {я \ Pi (2l-1)} {2p}} \ ,, \ qquad л = 1,2, \ ldots, 2p}

см для более подробной информации.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

статьи

Бесплатное программное обеспечение для измерения Коэффициент нелинейных искажений

что мешает звучать правильно? (часть 1)

Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.

Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.

Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

Хотите естественного звучания? Есть только один способ — сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.

Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения

Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.

В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.

Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.

Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.

Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако — пока о частном.

Нелинейные искажения — увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…

По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

В статье будет использоваться симуляция с помощью программы PSPICE, которая доказала достоверность выполняемых расчетов. Бывали случаи, когда расчеты в этой программе давали «странные» результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружения тех же «странных» результатов в спаянной схеме невольно проникаешься доверием и уважением к разработчикам этого симулятора. Так что, простите, но я верю этой программе. Если у вас иное мнение, извините.

Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.

Схема симуляции:

Асимметрия в схеме достигается установкой диода Шоттки. Контрольная тока «A» получена делителем R3, R4 c приведением уровня сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу «B».

На всех графиках этого раздела, зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.

Форма сигнала:

Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.

Спектр:

У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…

Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи — с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

Возможно, вас смутил способ представления информации в программе. Обычно, когда представляют спектр, то рисуют «столбики» переменной высоты. Программа PSPICE рассчитывает напряжения и токи во всех узлах схемы для всего времени выполнения теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. После этого производится преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Быстрое преобразование Фурье). Чем меньше дискретность вычисления точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. Плата за это – время работы симулятора.

Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):

Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.

Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:

Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.

Форма сигнала:

Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

Спектр:

Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:

• Ступенька.
• Насыщение.

Искажение типа «ступенька» свойственно усилителям класса В (или АВ) – при уменьшении уровня сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. Подробнее механизм его возникновения будет рассмотрен во второй половине статьи.

Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.

Ступенька

Схема:

Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

Форма сигнала:

Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

Спектр:

Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Насыщение

Схема:

Ограничение уровня типа «насыщение». Довольно типичный случай, захотели погромче и получили «хрипы». Если схемы контроля обеспечивают «мягкое» ограничение уровня, то вид искажений будет отличаться от усилителей без подобной защиты. Но пока пройдемся по самой проблеме, без влезания в нюансы. Для симуляции подойдет всё та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

Форма сигнала:

Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

Спектр:

Картина похожа на случай с «ступенькой». При обоих вариантах появляются гармоники, меняется только характер их появления:

• Для «ступеньки» степень искажения сигнала возрастает при уменьшении уровня сигнала.
• У «насыщения» обратная закономерность – при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказываться негативные явления.

Дефект насыщения присущ всем усилителям и с ним борются или режимом «мягкого ограничения» или дополнительным узлом регулировки усиления, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.