Як працює підсилювач звукової частоти, soundbass
Підсилювач звукової частоти або підсилювач низької частоти, що б розібратися як він все таки працює і навіщо там так багато всяких транзисторів, резисторів і конденсаторів, потрібно зрозуміти як працює кожен елемент і спробувати дізнатися як ці елементи влаштовані. Для того що б зібрати примітивний підсилювач нам знадобляться три види електронних елементів: резистори, конденсатори і звичайно транзистори.
Отже, резистори у нас характеризуються опором електричному струму і цей опір вимірюється в Омах. Кожен електропровідний метал або сплав металів мають своє питомий опір. Якщо ми візьмемо дріт певної довжини з великим питомим опором, то у нас вийде справжнісінький дротяний резистор. Для того що б резистор був компактним, дріт можна намотати на каркас. Таким чином у нас вийде дротяний резистор, але він має ряд недоліків, тому резистори зазвичай виготовляються з металокерамічного матеріалу. Ось так позначаються резистори на електричних схемах:
Верхній варіант позначення прийнятий в США, нижній вУкаіни і в Європі.
Конденсатор вдає із себе дві металеві пластини розділені діелектриком. Якщо ми подамо на ці пластини постійна напруга, то з'явиться електричне поле, яке після відключення живлення буде підтримувати на пластинах позитивний і негативний заряди відповідно.
Основа конструкції конденсатора - дві струмопровідні обкладання, між якими знаходиться діелектрик
Таким чином конденсатор здатний накопичувати електричний заряд. Ця здатність накопичувати електричний заряд називається електрична ємність, що є головний параметр конденсатора. Електрична ємність вимірюється в Фарадах. Що ще характерно, це те що коли ми заряджаємо або розряджатися конденсатор, через нього йде електричний струм. Але як тільки конденсатор зарядився, він перестає пропускати електричний струм, а це тому що конденсатор прийняв заряд джерела живлення, тобто потенціал конденсатора і джерела живлення однакові, а якщо немає різниці потенціалів (напруги), немає електричного струму. Таким чином, заряджений конденсатор не пропускає постійний електричний струм, але пропускає змінний струм, так як при підключенні його до змінного електричного струму, він буде постійно заряджати та розряджати. На електричних схемах його позначають так:
У нашому підсилювачі ми будемо використовувати найпростіші біполярні транзистори. Транзистор виготовляють з напівпровідникового матеріалу. Потрібне для нас властивість це матеріалу, - наявність в них вільних носіїв як позитивних, так і негативних зарядів. Залежно від того яких зарядів більше, напівпровідники розрізняють на два типи по провідності: n-тип і p-тип (n-negative, p-positive). Негативні заряди - це електрони, що звільнилися з зовнішніх оболонок атомів кристалічної решітки, а позитивні - так звані дірки. Дірки - це вакантні місця, що залишаються в електронних оболонках після відходу з них електронів. Умовно позначимо атоми з електроном на на зовнішній орбіті синім кружком зі знаком мінус, а атоми з вакантним місцем - порожнім гуртком:
Кожен біполярний транзистор складається з трьох зон таких напівпровідників, ці зони називають база, емітер і колектор.
Розглянемо приклад роботи транзистора. Для цього підключимо до транзистора дві батарейки на 1,5 і на 5 вольт, плюсом до емітера, а мінусом до бази і колектора відповідно (дивимося малюнок):
На контакті бази і емітера з'явиться електромагнітне поле, яке буквально вириває електрони із зовнішньої орбіти атомів бази і переносить їх в емітер. Вільні електрони залишають за собою дірки, і займають вакантні місця вже в емітер. Це ж електромагнітне поле надає таку ж дію на атоми колектора, а так як база в транзисторі досить тонка щодо емітера і колектора, електрони колектора досить легко проходять крізь неї в емітер, причому в набагато більшій кількості ніж з бази.
Якщо ж ми відключимо напруга від бази, то ніякого електромагнітного поля не буде, а база буде виконувати роль діелектрика, і транзистор буде закритий. Таким чином при подачі на базу досить малого напруги, ми можемо контролювати більшу подане напруга на емітер і колектор.
Розглянутий нами транзистор pnp-типу, так як у нього дві p-зони і одна n-зона. Так само існують npn-транзистори, принцип дії в них такий же, але електричний струм тече в них в протилежну сторону, ніж в розглянутому нами транзисторі. Ось так біполярні транзистори позначаються на електричних схемах, стрілка вказує напрямок струму:
Ну що ж, спробуємо спроектувати з цього всього підсилювач низької частоти. Для початку нам потрібен сигнал який ми будемо посилювати, це може бути звукова карта комп'ютера або будь-яке інше звуковий пристрій з лінійним виходом. Припустимо наш сигнал з максимальною амплітудою приблизно 0,5 вольта при струмі 0,2 А, приблизно такий:
А що б заробив найпростіший 4-х омний 10 ватний динамік, нам потрібно збільшити амплітуду сигналу до 6 вольт, при силі струму I = U / R = 6/4 = 1,5 A.
Отже, спробуємо підключити наш сигнал до транзистора. Згадайте нашу схему з транзистором і двома батарейками, тепер замість 1,5 вольтової батарейки у нас у нас сигнал лінійного виходу. Резистор R1 виконує роль навантаження, щоб не було короткого замикання і наш транзистор не згорів.
Але тут виникають відразу дві проблеми, по-перше наш транзистор npn-типу, і відкривається тільки при позитивному значенні напівхвилі, а при негативному закривається.
По-друге транзистор, як і будь-який напівпровідниковий прилад має нелінійні характеристики щодо напруги і струму і чим менше значення струму і напруги тим сильніше ці спотворення:
Мало того що від нашого сигналу залишилася тільки полуволна, так вона ще й буде спотворена:
Це є так зване спотворення типу сходинка.
Щоб позбутися від цих проблем, нам потрібно змістити наш сигнал в робочу зону транзистора, де поміститься вся синусоїда сигналу і нелінійні спотворення будуть незначні. Для цього подають на базу напруга зсуву, припустимо в 1 вольт, за допомогою складеного з двох резисторів R2 і R3 дільника напруги.
А наш сигнал входить в транзистор буде виглядати ось так:
Тепер нам потрібно вилучити наш корисний сигнал з колектора транзистора. Для цього встановимо конденсатор C1:
Як ми пам'ятаємо конденсатор пропускає змінний струм і не пропускає постійний, тому він нам буде служити фільтром пропускає тільки наш корисний сигнал - нашу синусоїду. А постійна складова не пройшла через конденсатор буде розсіюватися на резисторі R1. Змінний же струм, наш корисний сигнал, буде прагнути пройти через конденсатор, так опір конденсатора для нього мізерно мало в порівнянні з резистором R1.
Ось і вийшов перший транзисторний каскад нашого підсилювача. Але існують ще два маленьких нюансу:
Ми не знаємо на 100% який сигнал входить в підсилювач, раптом все таки джерело сигналу несправний, всяке буває, знову ж впливом статичної електрики або разом з корисним сигналом проходить постійну напругу. Це може стати причиною неправильної роботи транзистора або навіть спровокувати його поломку. Для цього встановимо конденсатор С2, він подібно конденсатору С1 буде блокувати постійний електричний струм, а так само обмежена ємність конденсатора НЕ буде пропускати піки великої амплітуди, які можуть зіпсувати транзистор. Такі скачки напруги зазвичай відбуваються при включенні або відключенні пристрою.
І другий нюанс, будь-якого джерела сигналу потрібна певна конкретна навантаження (опір). З цього для нас важливо вхідний опір каскаду. Для регулювання вхідного опору додамо в ланцюг емітера резистор R4:
Тепер ми знаємо призначення кожного резистора і конденсатора в транзисторному каскаді. Давайте тепер спробуємо розрахувати які номінали елементів потрібно використовувати для нього.
U = 12 В - напруга живлення;
U бе
1 В - Напруга емітер-база робочої точки транзистора;
Вибираємо транзистор, для нас підійде npn-транзистор 2N2712
P max = 200 мВт - максимальна розсіює потужність;
I max = 100 мА - максимальний постійний струм колектора;
U max = 18 В - макcимально допустима напруга колектор-база / колектор-емітер (У нас напруга живлення 12 В, так що вистачає із запасом);
U ЕБ = 5 В - макcимально допустима напруга емітер-база (наше напругу 1 вольт ± 0,5 вольта);
h21 = 75-225 - коефіцієнт посилення струму бази, приймається мінімальне значення - 75;
1. Розраховуємо максимальне статичне потужність транзистора, її беруть на 20% менше максимальної потужності, що розсіюється, щоб наш транзистор не працював на межі своїх можливостей:
P ст.max = 0,8 * P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;
2. Визначимо струм колектора в статичному режимі (без сигналу), не дивлячись на що на базу не подається напруга через транзистор все одно в малому ступені протікає електричний струм.
I К0 = P ст.max / U ке, де U ке - напруга переходу колектор-емітер. На транзисторі розсіюється половина напруги живлення, друга половина буде розсіюватися на резисторах:
I К0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;
3. Тепер розрахуємо опір навантаження, спочатку у нас був один резистор R1, який виконував цю роль, але так як ми додали резистор R4 для збільшення вхідного опору каскаду, тепер опір навантаження буде складатися з R1 і R4:
R н = R1 + R4, де R н - загальний опір навантаження;
Відношення між R1 і R4 зазвичай приймається 1 до 10:
Розрахуємо опір навантаження:
R1 + R4 = (U / 2) / I К0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;
Найближчі номінали резисторів це 200 і 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.
4. Тепер знайдемо напруга на колекторі транзистора без сигналу:
U до0 = (U ке0 + I К0 * R4) = (U - I К0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;
5. Струм бази управління транзистором:
I б = I к / h21, де I до - струм колектора;
I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;
6. Повний струм бази визначається напругою зміщення на базі, яке встановлюється дільником R2 і R3. Струм задається подільником повинен бути в 5-10 разів більше струму управління бази (I б), що б власне ток управління бази не впливав на напруга зсуву. Таким чином для значення струму дільника (I справ) приймаємо 0,7 mA і розраховуємо R2 і R3:
R2 + R3 = U / I справ = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом
7. Тепер розрахуємо напруга на емітер в стані спокою транзистора (U е):
U е = I К0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В
Так, I К0 струм спокою колектора, але цей же струм проходить і через емітер, так що I К0 вважають струмом спокою всього транзистора.
8. Розраховуємо повну напругу на базі (U б) з урахуванням напруги зміщення (U см = 1В):
U б = U е + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В
Тепер за допомогою формули подільника напруги знаходимо значення резисторів R2 і R3:
R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;
Найближчий номінал резистора 250 Ом;
R2 = (R2 + R3) - R3 = 1714,3 Ом - 250 Ом = 1464,3 Ом;
Номінал резистора вибираємо в сторону зменшення, найближчий R2 = 1,3 кОм.
9. Конденсатори С1 і С2 зазвичай встановлюють не менше 5 мкФ. Ємність вибирається такий що б конденсатор не встигав перезаряджатимуться, інакше він буде відрізати «верхівки» у нашого сигналу. До речі подібний прийом використовується для створення гітарного ефекту «overdrive»:
На виході каскаду ми отримуємо пропорційно посилений сигнал і по току і по напрузі, тобто за потужністю. Але одного каскаду нам не вистачить для необхідного посилення, так що доведеться додавати наступний і наступний ... І так далі.
Розглянутий розрахунок досить поверхневий і така схема посилення звичайно ж не використовується в будові підсилювачів, ми не повинні забувати про діапазоні частот, що пропускаються, викривлення і багато іншого.
Схожі записи
- Покращений варіант лампового УНЧ початкового рівня
- Про виготовлення вихідних трансформаторів для лампових УМЗЧ