Žemo dažnio stiprintuvas (toliau – ULF) yra elektroninis įrenginys, skirtas sustiprinti žemo dažnio virpesius iki vartotojui reikalingo. Jie gali būti atliekami su įvairiais elektroniniais elementais, tokiais kaip įvairių tipų tranzistoriai, vamzdeliai ar operaciniai stiprintuvai. Visi ULF turi daugybę parametrų, apibūdinančių jų darbo efektyvumą.
Šiame straipsnyje bus kalbama apie tokio įrenginio naudojimą, jo parametrus, konstravimo būdus naudojant įvairius elektroninius komponentus. Taip pat bus atsižvelgta į žemo dažnio stiprintuvų schemas.
ULF paraiška
ULF dažniausiai naudojamas garso atkūrimo įrangoje, nes šioje technologijų srityje dažnai reikia sustiprinti signalo dažnį iki tokio, kokį gali suvokti žmogaus kūnas (nuo 20 Hz iki 20 kHz).
Kitos ULF programos:
- matavimo technologija;
- defektoskopija;
- analoginis kompiuteris.
Apskritai žemųjų dažnių stiprintuvai yra įvairių elektroninių grandinių, pvz., radijo, akustinių prietaisų, televizorių ar radijo siųstuvų, komponentai.
Parametrai
Svarbiausias stiprintuvo parametras yra stiprinimas. Jis apskaičiuojamas kaip išvesties ir įvesties santykis. Atsižvelgiant į nagrinėjamą vertę, jie išskiria:
- srovės stiprinimas=išėjimo srovė / įvesties srovė;
- įtampos stiprinimas=išėjimo įtampa / įvesties įtampa;
- galios padidėjimas=išėjimo galia / įvesties galia.
Kai kuriems įrenginiams, pvz., operatyviniams stiprintuvams, šio koeficiento reikšmė yra labai didelė, tačiau skaičiavimuose nepatogu dirbti su per dideliais (taip pat ir per mažais) skaičiais, todėl padidėjimas dažnai išreiškiamas logaritmine vienetų. Tam taikomos šios formulės:
- galios padidėjimas logaritminiais vienetais=10norimo galios padidėjimo logaritmas;
- srovės stiprinimas logaritminiais vienetais=20pageidaujamo srovės stiprinimo dešimtainis logaritmas;
- įtampos padidėjimas logaritminiais vienetais=20norimos įtampos padidėjimo logaritmas.
Šiuo būdu apskaičiuoti koeficientai matuojami decibelais. Sutrumpintas pavadinimas – dB.
Kitas svarbus parametrasstiprintuvas – signalo iškraipymo koeficientas. Svarbu suprasti, kad signalo stiprinimas atsiranda dėl jo transformacijų ir pokyčių. Ne tai, kad šios transformacijos visada įvyks teisingai. Dėl šios priežasties išvesties signalas gali skirtis nuo įvesties signalo, pavyzdžiui, forma.
Idealių stiprintuvų nėra, todėl iškraipymai visada yra. Tiesa, vienais atvejais jos neperžengia leistinų ribų, o kitais – neperžengia. Jei signalų harmonikos stiprintuvo išvestyje sutampa su įvesties signalų harmonikomis, tai iškraipymas yra tiesinis ir sumažinamas tik iki amplitudės ir fazės pasikeitimo. Jei išėjime atsiranda naujų harmonikų, tai iškraipymas yra netiesinis, nes dėl to pasikeičia signalo forma.
Kitaip tariant, jei iškraipymas yra tiesinis ir stiprintuvo įėjime buvo „a“signalas, tada išėjimas bus „A“signalas, o jei jis netiesinis, tada išvestis bus „B“signalas.
Paskutinis svarbus parametras, apibūdinantis stiprintuvo veikimą, yra išėjimo galia. Galios veislės:
- Įvertintas.
- Paso triukšmas.
- Maksimalus trumpalaikis.
- Didžiausias ilgalaikis.
Visi keturi tipai yra standartizuoti pagal įvairius GOST ir standartus.
Vamplifiers
Istoriškai pirmieji stiprintuvai buvo sukurti ant vakuuminių vamzdžių, kurie priklauso vakuuminių prietaisų klasei.
Priklausomai nuo hermetiškos kolbos viduje esančių elektrodų, lempos išskiriamos:
- diodai;
- triodai;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimaluselektrodų skaičius yra aštuoni. Taip pat yra tokių elektrovakuuminių prietaisų kaip klistronai.
Triodinis stiprintuvas
Visų pirma, verta suprasti perjungimo schemą. Žemo dažnio triodo stiprintuvo grandinės aprašymas pateiktas žemiau.
Katodą kaitinantis siūlas yra maitinamas. Įtampa taip pat taikoma anodui. Temperatūrai veikiant, iš katodo išmušami elektronai, kurie veržiasi į anodą, kuriam taikomas teigiamas potencialas (elektronai turi neigiamą potencialą).
Dalis elektronų yra sulaikomi trečiojo elektrodo – tinklelio, į kurį taip pat tiekiama įtampa, tik pakaitomis. Tinklelio pagalba reguliuojama anodo srovė (srovė visoje grandinėje). Jei tinkleliui taikomas didelis neigiamas potencialas, visi elektronai iš katodo nusės ant jo ir pro lempą netekės jokia srovė, nes srovė yra nukreiptas elektronų judėjimas, o tinklelis šį judėjimą blokuoja.
Lempos stiprinimas reguliuoja rezistorių, kuris yra prijungtas tarp maitinimo š altinio ir anodo. Jis nustato norimą veikimo taško padėtį srovės-įtampos charakteristikoje, nuo kurios priklauso stiprinimo parametrai.
Kodėl veikimo taško padėtis tokia svarbi? Nes tai priklauso nuo to, kiek srovės ir įtampos (taigi ir galios) bus sustiprinta žemo dažnio stiprintuvo grandinėje.
Triodo stiprintuvo išvesties signalas paimtas iš srities tarp anodo ir priešais jį prijungto rezistoriaus.
Stiprintuvas įjungtasklystron
Žemo dažnio klistroninio stiprintuvo veikimo principas pagrįstas signalo moduliavimu pirmiausia greičiu, o paskui tankiu.
Klistronas išdėstytas taip: kolboje yra katodas, šildomas siūleliu, ir kolektorius (analogiškas anodui). Tarp jų yra įvesties ir išvesties rezonatoriai. Iš katodo skleidžiami elektronai pagreitinami veikiant katodui įtampai, ir jie patenka į kolektorių.
Vieni elektronai judės greičiau, kiti lėčiau – taip atrodo greičio moduliacija. Dėl judėjimo greičio skirtumo elektronai grupuojami į pluoštus – taip pasireiškia tankio moduliacija. Tankio moduliuotas signalas patenka į išėjimo rezonatorių, kur sukuria tokio pat dažnio, bet didesnės galios signalą nei įvesties rezonatorius.
Pasirodo, kad elektronų kinetinė energija paverčiama išėjimo rezonatoriaus elektromagnetinio lauko mikrobangų virpesių energija. Taip signalas sustiprinamas klystron.
Elektrovakuuminių stiprintuvų ypatybės
Jei palyginsime to paties signalo, sustiprinto vamzdiniu įrenginiu, ir tranzistorių ULF kokybę, skirtumas bus matomas plika akimi, o ne pastarųjų naudai.
Bet kuris profesionalus muzikantas pasakys, kad lempiniai stiprintuvai yra daug geresni nei pažangūs jų kolegos.
Elektrovakuuminiai įrenginiai jau seniai nebenaudojami masiškai, juos pakeitė tranzistoriai ir mikroschemos, tačiau tai neturi reikšmės garso atkūrimo sričiai. Dėl temperatūros stabilumo ir viduje esančio vakuumo lempos įrenginiai geriau sustiprina signalą.
Vienintelis vamzdžio ULF trūkumas yra aukšta kaina, o tai logiška: brangu gaminti elementus, kurie nėra masinės paklausos.
Dvipolis tranzistoriaus stiprintuvas
Dažnai stiprinimo pakopos surenkamos naudojant tranzistorius. Paprastą žemo dažnio stiprintuvą galima surinkti tik iš trijų pagrindinių elementų: kondensatoriaus, rezistoriaus ir n-p-n tranzistoriaus.
Norėdami surinkti tokį stiprintuvą, turėsite įžeminti tranzistoriaus emiterį, nuosekliai prijungti kondensatorių prie jo pagrindo ir lygiagrečiai rezistorių. Krovinys turi būti dedamas prieš kolektorių. Patartina prie šios grandinės kolektoriaus prijungti ribojantį rezistorių.
Leidžiama tokios žemo dažnio stiprintuvo grandinės maitinimo įtampa svyruoja nuo 3 iki 12 voltų. Rezistoriaus vertė turėtų būti parinkta eksperimentiškai, atsižvelgiant į tai, kad jo vertė turi būti bent 100 kartų didesnė už apkrovos varžą. Kondensatoriaus vertė gali svyruoti nuo 1 iki 100 mikrofaradų. Jo talpa turi įtakos dažniui, kuriuo stiprintuvas gali veikti. Kuo didesnė talpa, tuo žemesnis dažnis, kurį tranzistorius gali sustiprinti.
Žemo dažnio bipolinio tranzistoriaus stiprintuvo įvesties signalas nukreipiamas į kondensatorių. Teigiamas maitinimo polius turi būti prijungtas prie apkrovos prijungimo taško, o rezistorius - lygiagrečiai su pagrindu ir kondensatoriumi.
Norėdami pagerinti tokio signalo kokybę, prie emiterio galite prijungti lygiagrečiai prijungtą kondensatorių ir rezistorių, kurie atlieka neigiamo grįžtamojo ryšio vaidmenį.
Stiprintuvas su dviem dvipoliais tranzistoriais
Norėdami padidinti stiprinimą, galite sujungti du atskirus ULF tranzistorius į vieną. Tada šių įrenginių pranašumai gali būti padauginti.
Nors jei ir toliau didinsite stiprinimo pakopų skaičių, padidės stiprintuvų savaiminio sužadinimo tikimybė.
Lauko efekto tranzistorių stiprintuvas
Žemo dažnio stiprintuvai taip pat montuojami ant lauko tranzistorių (toliau – PT). Tokių įrenginių grandinės nedaug skiriasi nuo tų, kurios sumontuotos ant dvipolių tranzistorių.
Pavyzdžiu bus laikomas n kanalų izoliuotas vartų FET (ITF tipo) stiprintuvas.
Prie šio tranzistoriaus pagrindo nuosekliai prijungtas kondensatorius, lygiagrečiai prijungtas įtampos daliklis. Rezistorius yra prijungtas prie FET š altinio (taip pat galite naudoti lygiagrečią kondensatoriaus ir rezistoriaus jungtį, kaip aprašyta aukščiau). Ribojantis rezistorius ir maitinimas prijungti prie kanalizacijos, o tarp rezistoriaus ir kanalizacijos sukuriamas apkrovos gnybtas.
Įvesties signalas į žemo dažnio lauko tranzistorių stiprintuvus perduodamas užtvarai. Tai taip pat daroma naudojant kondensatorių.
Kaip matote iš paaiškinimo, paprasčiausia lauko tranzistoriaus stiprintuvo grandinė niekuo nesiskiria nuo žemo dažnio dvipolio tranzistoriaus stiprintuvo grandinės.
Tačiau dirbant su PT, reikia atsižvelgti į šias šių elementų ypatybes:
- FET aukštas Rinput=I / Uvartų š altinis. Lauko tranzistoriai valdomi elektriniu lauku,kurį sukuria stresas. Todėl FET valdomi įtampa, o ne srove.
- FET beveik nenaudoja srovės, todėl pradinis signalas šiek tiek iškraipomas.
- Lauko efekto tranzistoriuose nėra įpurškimo, todėl šių elementų triukšmo lygis yra labai žemas.
- Jie yra atsparūs temperatūrai.
Pagrindinis FET trūkumas yra didelis jų jautrumas statinei elektrai.
Daugeliui pažįstama situacija, kai iš pažiūros nelaidūs dalykai žmogų šokiruoja. Tai yra statinės elektros pasireiškimas. Jei toks impulsas taikomas vienam iš lauko tranzistoriaus kontaktų, elementą galima išjungti.
Todėl dirbant su PT kontaktų geriau neimti rankomis, kad netyčia nepažeistumėte elemento.
OpAmp įrenginys
Operacinis stiprintuvas (toliau – operatyvinis stiprintuvas) yra įrenginys su diferencijuotomis įvestimis, kurios turi labai didelį stiprinimą.
Signalo stiprinimas nėra vienintelė šio elemento funkcija. Jis taip pat gali veikti kaip signalų generatorius. Nepaisant to, dirbant su žemais dažniais domina jo stiprinimo savybės.
Norėdami pagaminti signalo stiprintuvą iš operatyvinio stiprintuvo, turite prie jo tinkamai prijungti grįžtamojo ryšio grandinę, kuri yra įprastas rezistorius. Kaip suprasti, kur prijungti šią grandinę? Norėdami tai padaryti, turite remtis operacinio stiprintuvo perdavimo charakteristika. Jame yra dvi horizontalios ir viena linijinė dalis. Jei veikimo taškasįrenginys yra vienoje iš horizontalių sekcijų, tada operacinis stiprintuvas veikia generatoriaus režimu (impulsiniu režimu), jei jis yra tiesinėje sekcijoje, operacinės sistemos stiprintuvas sustiprina signalą.
Norėdami perkelti operatyvinį stiprintuvą į linijinį režimą, grįžtamojo ryšio rezistorių su vienu kontaktu turite prijungti prie įrenginio išvesties, o kitą - prie invertuojančios įvesties. Šis įtraukimas vadinamas neigiamu atsiliepimu (NFB).
Jei reikalaujama, kad žemo dažnio signalas būtų stiprinamas ir nesikeistų fazėje, tuomet invertuojantis įėjimas su OOS turi būti įžemintas, o sustiprintas signalas turi būti nukreiptas į neinvertuojančią įvestį. Jei reikia sustiprinti signalą ir pakeisti jo fazę 180 laipsnių, tada neinvertuojantis įėjimas turi būti įžemintas, o įvesties signalas turi būti prijungtas prie invertuojančiojo.
Šiuo atveju neturime pamiršti, kad operacinis stiprintuvas turi būti maitinamas priešingo poliškumo galia. Tam jis turi specialių kontaktinių laidų.
Svarbu pažymėti, kad dirbant su tokiais įrenginiais kartais sunku pasirinkti elementus žemo dažnio stiprintuvo grandinei. Norint pasiekti norimus stiprinimo parametrus, reikia kruopštaus jų derinimo ne tik vardinių verčių, bet ir medžiagų, iš kurių jie pagaminti, atžvilgiu.
Lusto stiprintuvas
ULF galima montuoti ant elektrovakuuminių elementų, tranzistorių ir operacinių stiprintuvų, tik vakuuminiai vamzdžiai yra praėjusio amžiaus, o likusios grandinės nėra be trūkumų, kurių taisymas neišvengiamai apsunkina dizainą iš stiprintuvo. Tai nepatogu.
Inžinieriai jau seniai rado patogesnį ULF kūrimo variantą: pramonė gamina paruoštas mikroschemas, kurios veikia kaip stiprintuvai.
Kiekviena iš šių grandinių yra operatyvinių stiprintuvų, tranzistorių ir kitų tam tikru būdu sujungtų elementų rinkinys.
Kai kurių ULF serijų integrinių grandynų pavyzdžiai:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Visos aukščiau pateiktos serijos naudojamos garso įrangoje. Kiekvienas modelis turi skirtingas charakteristikas: maitinimo įtampą, išėjimo galią, stiprinimą.
Jie pagaminti iš mažų elementų su daugybe kaiščių, kuriuos patogu dėti ant lentos ir tvirtinti.
Norint dirbti su žemo dažnio stiprintuvu mikroschemoje, pravartu žinoti loginės algebros pagrindus, taip pat loginių elementų IR-NE, ARBA-NE veikimo principus.
Beveik bet kokį elektroninį įrenginį galima surinkti ant loginių elementų, tačiau tokiu atveju daugelis grandinių pasirodys nepatogios ir nepatogios montuoti.
Todėl gatavų integrinių grandynų, atliekančių ULF funkciją, naudojimas atrodo patogiausias praktinis pasirinkimas.
Schemos tobulinimas
Aukščiau pateiktas pavyzdys, kaip galite pagerinti sustiprintą signalą dirbant su dvipoliais ir lauko tranzistoriais (lygiagrečiai sujungus kondensatorių ir rezistorių).
Tokius struktūrinius atnaujinimus galima atlikti naudojant beveik bet kokią schemą. Žinoma, daugėja naujų elementųįtampos kritimas (nuostoliai), tačiau dėl to galima pagerinti įvairių grandinių savybes. Pavyzdžiui, kondensatoriai yra puikūs dažnio filtrai.
Ant varžinių, talpinių ar indukcinių elementų rekomenduojama rinkti paprasčiausius filtrus, kurie išfiltruoja dažnius, kurie neturėtų patekti į grandinę. Sujungus varžinius ir talpinius elementus su operaciniais stiprintuvais, galima surinkti efektyvesnius filtrus (integratorius, Sallen-Key diferenciatorius, įpjovos ir pralaidumo filtrus).
Pabaigoje
Svarbiausi dažnio stiprintuvų parametrai yra:
- gauna;
- signalo iškraipymo faktorius;
- galia.
Žemo dažnio stiprintuvai dažniausiai naudojami garso įrangoje. Praktiškai galite rinkti įrenginio duomenis apie šiuos elementus:
- ant vakuuminių vamzdžių;
- ant tranzistorių;
- prie operacinių stiprintuvų;
- ant baigtų žetonų.
Žemo dažnio stiprintuvų charakteristikas galima pagerinti įvedant varžinius, talpinius arba indukcinius elementus.
Kiekviena iš aukščiau pateiktų schemų turi savų privalumų ir trūkumų: kai kuriuos stiprintuvus surinkti brangu, kai kuriuos gali prisotinti, kai kuriems sunku suderinti naudojamus elementus. Visada yra funkcijų, su kuriomis stiprintuvo kūrėjas turi susidurti.
Naudodami visas šiame straipsnyje pateiktas rekomendacijas, galite sukurti savo stiprintuvą, skirtą naudoti namuoseužuot pirkę šį įrenginį, kuris gali kainuoti daug pinigų, kai kalbama apie aukštos kokybės įrenginius.
