Что делает автомобильный усилитель? Единственное руководство, которое вам нужно

Хотите знать, как работает автомобильный усилитель и для чего он используется? Готовы обновить автомобильную аудиосистему, которую хотели бы обновить, но сначала хотите узнать больше? Вы обратились по адресу!

Я расскажу все, что вам нужно знать:

- Как работает автомобильный аудиоусилитель.
- Что они делают и почему они полезны для звука.

Различия между разными классами аудиоусилителей.

…и многое, многое другое!

Что делает автомобильный усилитель?

Автомобильный усилитель усиливает очень слабый электрический аудиосигнал от головного устройства до более высокого напряжения. Он может управлять громкоговорителями, подключенными к акустическому проводу, с большей мощностью, громкостью и чистотой звука. Большинство автомобильных аудиосистем, встроенных в приборную панель, имеют доступную мощность всего от 15 до 18 Вт и начинают очень сильно искажать звук на максимальной мощности.

Внешний усилитель не только решает эту проблему, но и может значительно повысить точность воспроизведения музыки, которая вам нравится.

Для мощного баса сабвуферам нужна большая мощность, которую невозможно получить только от автомобильной стереосистемы. Это также проблема, когда вы хотите использовать 4-омные или даже 2-омные динамики вторичного рынка, которым требуется больше мощности для максимальной производительности при обновлении вашей звуковой системы.

Внешний усилитель обеспечивает более высокое качество звука, поскольку он может обеспечить более низкий уровень шума и искажений благодаря более совершенной электронике, включенной для этой цели. Автомобильные стереосистемы часто имеют более простую конструкцию и более дешевые компоненты, которые ограничивают то, что вы слышите.

Объяснение номинальной мощности усилителя

Непрерывная или среднеквадратичная мощность в ваттах описывает выходную мощность, которую усилитель может надежно обеспечить в реальных условиях. Хотя это звучит впечатляюще, «пиковая» или «максимальная» мощность — это скорее техническая характеристика, а не то, что вы получите при обычном использовании.

Среднеквадратичное значение мощности относится к среднеквадратичному измерение, используемое в электротехнике для описания сигналов переменного тока (AC), подобных тем, которые используются в звуковой электронике. Поскольку напряжение переменного тока отличается от постоянного тока (DC), математика немного отличается. Измерения RMS учитывают это.

Чтобы помочь покупателям получить более точную информацию, был создан стандарт Consumer Electronics Association (CEA) 2006, поощряющий предоставление точных спецификаций. Продаваемые продукты, соответствующие спецификациям CEA-2006, продемонстрировали, что они обеспечивают то, что рекламирует производитель.

Как работает автомобильный усилитель?

Внутренний источник питания, питаемый от положительной и отрицательной проводки питания аккумулятора, генерирует более высокое выходное напряжение и большую мощность, чем это возможно от 12-вольтового источника питания. Из-за большого потребляемого тока толстый провод питания и провод заземления в большинстве случаев подключаются непосредственно к аккумулятору автомобиля и металлическому шасси.

Автомобильная стереосистема посылает аудиосигнал по кабелю RCA или другому соединению, где усиленный электрический сигнал подается на клеммы динамика для использования с проводом.

Почти все автомобильные усилители мощности для вторичного рынка имеют следующие характеристики:

Повышающий импульсный источник питания постоянного тока.
Схема предотвращения шума («контур заземления»)
Схема кроссовера динамиков
Схема моста
Дополнительные удобные функции (например, входные каскады уровня динамиков или усиление басов)

Объяснение источников питания для автомобильных усилителей

Автомобильная аудиосистема представляет собой действительно сложную задачу:используя только источник питания +12 В, мы не можем напрямую создать большую выходную мощность, которую можно использовать как для заводских динамиков, так и для модернизированных динамиков.

Чтобы лучше понять это, мы можем взглянуть на закон Ома, который гласит, что мощность связана с сопротивлением нагрузки (импедансом динамика) и напряжением питания. Сопротивление нагрузки должно уменьшиться или напряжение должно увеличиться, чтобы получить большую мощность.

Закон Ома – это набор математических формул, используемых для расчета мощности, подаваемой на нагрузку. Чтобы получить больше мощности, вам придется либо (1) снизить нагрузку в Омах (импеданс), либо (2) увеличить доступное напряжение.

Импульсный источник питания (SMPS) внутри делает это возможным, поскольку он берет питание от батареи +12 В и увеличивает его в несколько раз, например, примерно от 28 до 32 вольт. Также предусмотрены пути питания как положительной, так и отрицательной полярности (также называемые «рельсами питания»).

Переключающая интегральная схема (ИС) управляет сильноточными транзисторами, подключенными к трансформатору, тысячи раз в секунду. Трансформатор, исходя из числа витков медного провода на нем, выдает на своем выходе более высокие напряжения. Они сглажены и стабилизированы для создания источника питания для каналов громкоговорителей.

Снимок альтернативных форм сигналов (сигналы напряжения включения/выключения), используемых для управления транзисторами в источнике питания SMPS несколько тысяч раз в секунду.

Импульсные источники постоянного тока, такие как в автомобильном усилителе, называются повышающие. поскольку они могут взять более низкое напряжение и умножить его несколько раз на более высокое напряжение. Понижающие источники питания делают обратное.

Некоторые компоненты, такие как мощные переключающие транзисторы, прикреплены к тяжелому металлическому шасси усилителя для отвода и рассеяния избыточного выделяемого тепла. В противном случае они в конечном итоге выйдут из строя из-за перегрева.

Как включаются и выключаются усилители

Слаботочный сигнал (часто менее 0,025 ампер), называемый «удаленным» проводом, используется, чтобы усилитель не оставался включенным и не разряжал аккумулятор, когда он не используется. Провод дистанционного управления подключается к выходу магнитолы или проводке зажигания. Когда сигнал +12 В исчезает, усилитель выключается и перестает потреблять энергию батареи.

Входные каскады, секции усилителя и выходные каскады

Показаны две секции, которые делают возможным отличное автомобильное аудио:секция усилителя и выхода и входные каскады. Плата входного каскада состоит из множества схем меньшего размера, которые выполняют такие функции, как кроссовер, создание моста для большей мощности, управление усилением и блокирование шума контура заземления. Усилительные каскады принимают аудиосигнал с платы входного каскада, используют выход источника питания и усиливают его для создания мощного выходного сигнала.

Этапы ввода

На этапах ввода есть ряд задач, которые необходимо выполнить:

Разрешить подключение усилителя к стереосистемам без разъемов RCA (входы уровня динамиков, если они предусмотрены)
Предотвратите попадание шума контура заземления на путь прохождения сигнала.
Предоставление перекрестных функций
Разрешить настройку уровня усиления усилителя.

Во входных каскадах используется чрезвычайно универсальный электронный компонент, называемый операционным усилителем (операционным усилителем). Операционные усилители — это крошечные схемы усилителей, встроенные в миниатюрные микросхемы и используемые для всевозможных аудиофункций.

Предотвращение шума

Шум контура заземления является распространенной и очень неприятной проблемой при установке автомобильной аудиосистемы. Также называется визгом генератора. , это низкоуровневый электрический шум на пути аудиосигнала, который проявляется в виде ужасного воя, который усиливается и ослабевает в зависимости от частоты вращения двигателя.

Этот тип шума возникает из-за электрических токов, протекающих внутри кузова автомобиля и соединений аудиокомпонентов. При наличии разности электрических потенциалов в 2 или более точках системы создается небольшая разность потенциалов, которая может быть усилена. Это проявляется в виде пронзительного и раздражающего воя, который вы слышите из динамиков.

Конструкция фильтра, называемая дифференциальным усилителем. Схема используется на входе (со стороны входа), чтобы эффективно блокировать и подавлять этот шум, прежде чем он попадет в пути музыкального сигнала.

Кроссоверы

Электронные кроссоверы предлагают способ управления частотным диапазоном, посылаемым на автомобильные динамики. Например, при работе с сабвуферами фильтр нижних частот блокирует все, кроме басов, чтобы получить отличный басовый звук. Точно так же вы можете предотвратить искажение басами меньших динамиков, таких как твитеры или дверные динамики, с помощью кроссовера верхних частот.

При правильном использовании кроссоверы позволяют получить больше громкости, защитить динамики и обеспечить лучшую чистоту звука. Для более продвинутых систем, например, с компонентными динамиками, они особенно полезны.

Электронные кроссоверы в усилителях выполняют ту же функцию, что и кроссоверы с пассивными динамиками, но без громоздких компонентов, таких как катушки индуктивности и конденсаторы, которые им необходимы. Их также легко настроить или включить/выключить одним щелчком переключателя.

Усиление усилителя

Как следует из названия, усилители усиливают входной сигнал стереосистемы. Поскольку для различных автомобильных стереосистем не существует стандартного выходного напряжения, для достижения наилучших результатов, включая качество звука, достаточную мощность и предотвращение искажений, называемых клиппированием, необходима регулировка усиления.

Регулировка усиления усилителя позволяет управлять уровнем выходного сигнала в зависимости от уровня входного сигнала. As some car stereos have stronger output signals the gain control can be reduced to better match it to the output level &volume.

The gain level affects the headroom which is the amount of amplification still available before the limit is reached. All types from car to home stereos and even home DJ equipment often include a gain adjustement.

It’s also a way to reduce noise. Because as all amps add some level of noise (like a “hiss” or similar) to their outputs, lowering the gain also reduces the noise produced and heard.

Amplifier sections and output stages

Simplified illustration of the amplification stages and output that most car amps use. Beefy output transistors capable of handling large amounts of current are connected to the switching power supply and drive the speaker. They’re controlled by some smaller components needed to split the audio signal into positive and negative halves needed to reproduce the musical signal.

Power amplifiers (as seen in the image above) have main sections dedicated to modify or manipulate audio signals as well as for delivering more current and voltage. The first sections contain small components like miniature transistors that divide the audio signal into two halves.

Next, after passing through the crossover filter and other stages, they’re directed to large high current transistors supplied with higher volts from the SMPS. The input signal is magnified to an identical but much larger waveform connect to the speaker outputs.

Car audio amplifier classes explained

The class listed by a car audio amplifier manufacturer is the type of technology used for the audio signal and to deliver power. Every audio amp uses a class A, class D, or class A/B design.

Class A: The most inefficient but provides audiophile quality sound. (Used in some past designs like from Rockford Fosgate)

Class A/B: Until recently the most popular because they offer reasonable cost and good sound quality. Class A/B amps work similar to class A but switch off when the signal reaches the zero voltage threshold, reducing power consumed slightly.
Class D: These amps are increasingly more common as they use newer technology to rapidly switch the power circuitry on and off, reducing waste and heat. Sometimes mistakenly called a “digital amplifier” although they don’t use digital technology for their basic functions.

Class D vs class A/B differences

Class A/B designs conduct, follow, and amplify the analog input signal most of the time, using some power even when nothing is being delivered to the speakers. This is because even when you’re not driving speakers some power is wasted as heat due to losses. That’s one reason this type gets fairly warm especially during hard use.

They have an efficiency somewhere around 65% meaning they draw about 35% higher amps from the battery than is delivered as power to speakers. This is wasted purely as heat!

By contrast, a class D amp uses pulse width modulation (PWM) technology that switches power components on only a portion of the time . Unlike class A/B amps they convert the input signal to square waves used to control the on/off timing. These are converted back to smooth audio signal waves before being delivered to speakers.

Class D amplifier models are about 85% efficient meaning they run cooler and can be much smaller than A/B designs. As they offer more power in less, they’re really common for very high power subwoofer amplifier (mono amp) models sold today.

Class A/B amps offer lower noise levels for less money, although today’s D models have caught up fairly well especially for brand name designs.

What are channels on an amp?

Channels are independent audio paths that are used to create a sound output from an amplifier. In stereo recordings, the left and right audio sources differ and provide left vs. right audio sound.

In car audio, left and right audio channels are separate outputs from a car stereo or an independent signal path with an amplified output. They’re used to give a fuller, more realistic sound when listening. Additionally, some stereos provide front and rear outputs pairs, although these are simply the same signals provided to drive an extra pair of speakers in the rear.

In many cases stereo amplifier channels can be “bridged.” This means that 2 channels can work together in a push-pull fashion to speakers with more power than one channel alone (usually about twice the power of a single speaker output).

Car audio amp connections, inputs, and controls

Most car amplifiers, whether expensive or budget-priced, are very similar in how they’re designed. Generally power connections are located on one end and audio inputs and controls are found on the other end.

In image above you can see adjustable crossover dials and the switches to enable them. The point after which sound frequencies are blocked, called the cutoff frequency , is adjustable by the user with a small dial in some cases. In other models, it’s a fixed setting operated with a switch and can’t be changed.

However, fixed crossover frequencies are normally set to the most commonly used values for convenience.

Power connections

Power and speaker connection terminals on a Pioneer GM-D9605 car amplifier.

Power connections are typically made using larger-gauge copper wire and connectors, often included in an amp wiring kit. RCA cables are used to connect the amplifier to the audio signal outputs of the head unit from which music is played.

Note that to bridge 2 channels on the amp and deliver more power as a single channel, they’re connected in a particular way. The bottom image above shows the polarity and wiring connections required. They’re marked as “Bridged” as you can see.

In bridged mode, one channel provides the positive speaker connection and the other provides the negative.

Speaker level inputs

A speaker level input wiring harness is shown. Speaker outputs from a factory stereo can be connected to the wiring then plugged into an amp to provide a signal when RCA jacks aren’t available.

Upgrading a factory installed car audio system can be challenging as RCA jacks aren’t usually available. In that case speaker-level (also called “high level”) inputs, if available, can be used to avoid buying additional parts.

These take the higher voltage speaker level signal directly from speaker wiring and reduce it to a smaller level the amplifier can use.

The other option is to use a speaker-level adapter to do the same thing.

How are car power amps installed?

A typical installation for a car amplifier. Large-gauge power wires are connected to the power terminals and fastened using screws. Speaker wiring is connected similarly. After installation, the sound system is tested and the amp’s gain control and crossovers are adjusted as needed.

In order to work properly, car amplifiers have to be installed with sufficient size and type of power wire. The most important reason for this is because a vehicle’s original wiring cannot handle the high-current demands of an amplifier.

For example, some may draw 50 to 80 amps or more or when driving subwoofers very hard. Factory wiring isn’t rated for these kinds of demands and a loss of voltage (and consequently, power) to the amplifier would occur. Therefore we route a large enough power cable to the battery and make sure a good, clean electrical connection is made.

A sufficiently rated fuse, held in a fuse holder, protects the positive power cable. If a problem like a short circuit occurs the fuse would blow and protect against causing a fire.

There are several wiring connections used on all car amplifiers:

A fused large-gauge power wire to the battery (+12V)
Negative connection to the “ground”:negative battery terminal or car’s metal body
Remote-on wire to switch the amp on and off with the stereo or ignition switch
Audio input signals:RCA cables or speaker-level inputs
Speaker wiring connections

Fortunately, this wiring is often easily found pre-packaged and ready for use by buying an amplifier wiring kit.

Car amplifier installation diagram

How are car amplifiers helpful?

Today’s amplifiers can power a whole car audio system with excellent sound quality and volume. Some are very compact and can be installed under a seat or even inside your dashboard! A good amplifier provides several times the power output of an average car stereo. Also, they’re much more clear and crisp sounding.

Car amplifiers have many benefits as well as being a necessity in some cases. Typical car stereos, even today, can only produce about 15 to 18 watts of power per channel at most.

At higher volumes and when attempting to drive speakers that need more power, the sound from a stereo becomes distorted and terrible. Driving speakers with higher volume is basically impossible with only a car stereo.

Car amps offer much better sound, especially for bass-heavy music. There are also some special situations where they’re the only option for upgrading the sound in a vehicle:

Factory stereo systems with no woofer
Factory-installed amplifiers that have died or are weak
The desire for powerful, clear sound when enjoying higher-quality music
Vehicle owners who want heavy volume
Boat and other outdoor vehicle owners (outdoor vehicles need extra power for better sound)

Additional benefits

As I mentioned earlier, many offer features like built-in crossovers that can prevent distortion and allow you to play speakers at higher volumes with enhanced clarity. Factory systems normally can’t do this and the sound will “break up” early when turned up to higher volumes.

Installing an aftermarket amplifier resolves this problem and allows more control over your audio system. Additionally, a system can easily be expanded to add a subwoofer for missing bass by either adding a 2nd amplifier or using 2 channels of a 4 channel amp to drive it.

2 channel vs 4 channel amps – what are the differences?

4 channel amplifiers are essentially a 2 channel amp with an additional stereo channel pair designed in. They offer several benefits:

You can drive front and rear speakers
Can drive front full-range speakers and use rear channels for a subwoofer
More compact than 2 separate stereo amps

Most 4 channel amplifiers today are bridgeable so they’re very flexible in how they can be used. However, be aware that a 2 or 4 channel amp normally requires a minimum of 4 ohms when bridged unlike stereo mode.