Niskofrekventno pojačalo (u daljem tekstu ULF) je elektronski uređaj dizajniran da pojača oscilacije niske frekvencije do one koja je potrebna potrošaču. Mogu se izvoditi na raznim elektronskim elementima kao što su različiti tipovi tranzistora, cijevi ili operativnih pojačala. Svi ULF-ovi imaju niz parametara koji karakterišu efikasnost njihovog rada.
Ovaj članak će govoriti o upotrebi takvog uređaja, njegovim parametrima, načinima konstrukcije pomoću različitih elektronskih komponenti. Također će se uzeti u obzir i sklop niskofrekventnih pojačala.
ULF aplikacija
ULF se najčešće koristi u opremi za reprodukciju zvuka, jer je u ovoj oblasti tehnologije često potrebno pojačati frekvenciju signala na onu koju ljudsko tijelo može percipirati (od 20 Hz do 20 kHz).
Ostale ULF aplikacije:
- tehnologija mjerenja;
- defektoskopija;
- analogno računarstvo.
Uopšteno govoreći, bas pojačala se nalaze kao komponente različitih elektronskih kola, kao što su radio, akustični uređaji, televizori ili radio predajnici.
Parametri
Najvažniji parametar za pojačalo je pojačanje. Izračunava se kao omjer izlaza i ulaza. Ovisno o vrijednosti koja se razmatra, razlikuju se:
- pojačanje struje=izlazna struja / ulazna struja;
- pojačanje napona=izlazni napon / ulazni napon;
- pojačanje snage=izlazna snaga / ulazna snaga.
Za neke uređaje, poput op-pojačala, vrijednost ovog koeficijenta je vrlo velika, ali je nezgodno raditi sa prevelikim (kao i premalim) brojevima u proračunima, pa se dobici često izražavaju logaritamskim jedinice. Za ovo se primjenjuju sljedeće formule:
- pojačanje snage u logaritamskim jedinicama=10logaritam željenog povećanja snage;
- trenutni dobitak u logaritamskim jedinicama=20decimalni logaritam željenog povećanja struje;
- pojačanje napona u logaritamskim jedinicama=20logaritam željenog pojačanja napona.
Koeficijenti izračunati na ovaj način mjere se u decibelima. Skraćeni naziv - dB.
Sljedeći važan parametarpojačalo - koeficijent izobličenja signala. Važno je razumjeti da se pojačavanje signala javlja kao rezultat njegovih transformacija i promjena. Nije činjenica da će se te transformacije uvijek odvijati ispravno. Iz tog razloga, izlazni signal se može razlikovati od ulaznog signala, na primjer, po obliku.
Idealna pojačala ne postoje, tako da je distorzija uvijek prisutna. Istina, u nekim slučajevima ne prelaze dozvoljene granice, dok u drugima idu. Ako se harmonici signala na izlazu pojačala poklapaju sa harmonicima ulaznih signala, tada je izobličenje linearno i svodi se samo na promjenu amplitude i faze. Ako se na izlazu pojave novi harmonici, onda je distorzija nelinearna, jer dovodi do promjene oblika signala.
Drugim riječima, ako je izobličenje linearno i na ulazu pojačala je bio signal "a", onda će na izlazu biti "A" signal, a ako je nelinearan, onda izlaz će biti “B” signal.
Posljednji važan parametar koji karakterizira rad pojačala je izlazna snaga. Vrste snage:
- Ocijenjeno.
- Buka pasoša.
- Maksimalni kratkoročni.
- Maksimalno dugoročno.
Sva četiri tipa su standardizovana različitim GOST-ovima i standardima.
Vamplifiers
Istorijski, prva pojačala su nastala na vakuumskim cijevima, koje pripadaju klasi vakuumskih uređaja.
U zavisnosti od elektroda koje se nalaze unutar hermetičke posude, lampe se razlikuju:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimalnobroj elektroda je osam. Postoje i elektrovakuum uređaji kao što su klistroni.
Triodno pojačalo
Pre svega, vredi razumeti šemu prebacivanja. Opis kola niskofrekventnog triodnog pojačala je dat ispod.
Filament koji zagrijava katodu je pod naponom. Napon se također primjenjuje na anodu. Pod dejstvom temperature sa katode bivaju izbačeni elektroni koji jure ka anodi, na koju se primenjuje pozitivan potencijal (elektroni imaju negativan potencijal).
Deo elektrona presreće treća elektroda - mreža, na koju se takođe primenjuje napon, samo naizmeničnim. Uz pomoć mreže regulira se anodna struja (struja u krugu u cjelini). Ako se na mrežu primeni veliki negativni potencijal, svi elektroni sa katode će se smestiti na nju, a struja neće teći kroz lampu, jer je struja usmereno kretanje elektrona, a mreža blokira ovo kretanje.
Pojačanje lampe podešava otpornik koji je povezan između napajanja i anode. Postavlja željenu poziciju radne tačke na strujno-naponskoj karakteristici, o kojoj zavise parametri pojačanja.
Zašto je pozicija radne tačke toliko važna? Jer zavisi od toga kolika će struja i napon (a samim tim i snaga) biti pojačani u niskofrekventnom krugu pojačala.
Izlazni signal na triodnom pojačalu je uzet iz područja između anode i otpornika spojenog ispred njega.
Pojačalo uključenoklystron
Princip rada niskofrekventnog klistronskog pojačivača zasniva se na modulaciji signala prvo u brzini, a zatim u gustini.
Klistron je raspoređen na sljedeći način: boca ima katodu zagrijanu filamentom i kolektor (analogan anodi). Između njih su ulazni i izlazni rezonatori. Elektroni koji se emituju sa katode ubrzavaju se naponom primenjenim na katodu i jure ka kolektoru.
Neki elektroni će se kretati brže, drugi sporije - ovako izgleda modulacija brzine. Zbog razlike u brzini kretanja, elektroni se grupišu u snopove - tako se manifestuje modulacija gustoće. Modulirani signal gustinom ulazi u izlazni rezonator, gdje stvara signal iste frekvencije, ali veće snage od ulaznog rezonatora.
Ispostavilo se da se kinetička energija elektrona pretvara u energiju mikrotalasnih oscilacija elektromagnetnog polja izlaznog rezonatora. Ovako se pojačava signal u klistronu.
Karakteristike elektrovakuumskih pojačala
Ako uporedimo kvalitet istog signala pojačanog cevnim uređajem i ULF-a na tranzistorima, razlika će biti vidljiva golim okom ne u korist potonjeg.
Svaki profesionalni muzičar će vam reći da su cijevna pojačala mnogo bolja od svojih naprednih kolega.
Elektrovakumski uređaji su odavno izašli iz masovne potrošnje, zamijenili su ih tranzistori i mikrokola, ali to je nebitno za oblast reprodukcije zvuka. Zbog stabilnosti temperature i vakuuma u unutrašnjosti, lampe pojačavaju signal bolje.
Jedina mana cijevi ULF je visoka cijena, što je i logično: skupo je proizvoditi elemente koji nisu masovno traženi.
Bipolarno tranzistorsko pojačalo
Često se pojačavajuće stepenice sklapaju pomoću tranzistora. Jednostavno niskofrekventno pojačalo može se sastaviti od samo tri osnovna elementa: kondenzatora, otpornika i n-p-n tranzistora.
Da biste sastavili takvo pojačalo, morat ćete uzemljiti emiter tranzistora, spojiti kondenzator serijski na njegovu bazu, a otpornik paralelno. Teret treba postaviti ispred kolektora. Preporučljivo je spojiti ograničavajući otpornik na kolektor u ovom kolu.
Dozvoljeni napon napajanja takvog niskofrekventnog pojačala varira od 3 do 12 volti. Vrijednost otpornika treba odabrati eksperimentalno, uzimajući u obzir činjenicu da njegova vrijednost mora biti najmanje 100 puta veća od otpora opterećenja. Vrijednost kondenzatora može varirati od 1 do 100 mikrofarada. Njegov kapacitet utiče na količinu frekvencije na kojoj pojačalo može da radi. Što je veći kapacitet, to je niža frekvencijska ocjena koju tranzistor može pojačati.
Ulazni signal niskofrekventnog bipolarnog tranzistorskog pojačala se primjenjuje na kondenzator. Pozitivni pol napajanja mora biti spojen na priključnu tačku opterećenja, a otpornik povezan paralelno sa bazom i kondenzatorom.
Da biste poboljšali kvalitet takvog signala, možete spojiti paralelno spojeni kondenzator i otpornik na emiter, koji igraju ulogu negativne povratne sprege.
Pojačalo sa dva bipolarna tranzistora
Da biste povećali pojačanje, možete spojiti dva pojedinačna ULF tranzistora u jedan. Tada se dobici ovih uređaja mogu pomnožiti.
Iako ako nastavite da povećavate broj stepena za pojačavanje, šansa za samopobuđenje pojačala će se povećati.
Tranzistorsko pojačalo sa efektom polja
Niskofrekventni pojačivači se takođe sklapaju na tranzistorima sa efektom polja (u daljem tekstu PT). Kola ovakvih uređaja se ne razlikuju mnogo od onih koja su sastavljena na bipolarnim tranzistorima.
N-kanalno izolovano FET FET (ITF tip) pojačalo će se smatrati kao primjer.
Kondenzator je spojen serijski na podlogu ovog tranzistora, a djelitelj napona je spojen paralelno. Otpornik je spojen na izvor FET-a (možete koristiti i paralelnu vezu kondenzatora i otpornika, kao što je gore opisano). Ograničavajući otpornik i napajanje su spojeni na odvod, a između otpornika i drena se stvara terminal za opterećenje.
Ulazni signal za niskofrekventne tranzistorske pojačivače s efektom polja se primjenjuje na gejt. Ovo se takođe radi preko kondenzatora.
Kao što možete vidjeti iz objašnjenja, najjednostavniji krug pojačala tranzistora s efektom polja ne razlikuje se od niskofrekventnog bipolarnog pojačala za tranzistor.
Međutim, kada radite sa PT, treba uzeti u obzir sljedeće karakteristike ovih elemenata:
- FET high Rinput=I / Ugate-source. Tranzistori s efektom polja kontroliraju se električnim poljem,koji nastaje stresom. Stoga se FET-ovi kontroliraju naponom, a ne strujom.
- FET-ovi gotovo da ne troše struju, što za sobom povlači blago izobličenje originalnog signala.
- Nema injekcije punjenja u tranzistorima sa efektom polja, tako da je nivo buke ovih elemenata veoma nizak.
- Oni su otporni na temperaturu.
Glavni nedostatak FET-ova je njihova visoka osjetljivost na statički elektricitet.
Mnogi su upoznati sa situacijom kada naizgled neprovodne stvari šokiraju osobu. Ovo je manifestacija statičkog elektriciteta. Ako se takav impuls primeni na jedan od kontakata tranzistora sa efektom polja, element se može onemogućiti.
Dakle, kada radite sa PT-om, bolje je ne uzimati kontakte rukama kako ne biste slučajno oštetili element.
OpAmp uređaj
Operativno pojačalo (u daljem tekstu op-amp) je uređaj sa diferenciranim ulazima, koji ima veoma visoko pojačanje.
Pojačavanje signala nije jedina funkcija ovog elementa. Može raditi i kao generator signala. Ipak, njegova svojstva pojačavanja su od interesa za rad sa niskim frekvencijama.
Da biste napravili pojačalo signala od operacijskog pojačala, potrebno je da na njega pravilno povežete povratno kolo, što je običan otpornik. Kako razumjeti gdje spojiti ovaj krug? Da biste to učinili, trebate se obratiti na karakteristike prijenosa op-amp. Ima dva horizontalna i jedan linearni presek. Ako je radna tačkauređaj se nalazi na jednoj od horizontalnih sekcija, tada op-pojačalo radi u generatorskom režimu (impulsni režim), ako se nalazi na linearnoj sekciji, tada op-pojačalo pojačava signal.
Da biste op-pojačalo prebacili u linearni način rada, trebate spojiti povratni otpornik s jednim kontaktom na izlaz uređaja, a drugim - na invertirajući ulaz. Ovo uključivanje se zove negativna povratna informacija (NFB).
Ako je potrebno da signal niske frekvencije bude pojačan i da se ne mijenja u fazi, onda invertirajući ulaz sa OOS-om treba biti uzemljen, a pojačani signal treba primijeniti na neinvertirajući ulaz. Ako je potrebno pojačati signal i promeniti njegovu fazu za 180 stepeni, onda se neinvertujući ulaz mora uzemljiti, a ulazni signal spojiti na invertujući.
U ovom slučaju ne smijemo zaboraviti da se operaciono pojačalo mora napajati strujom suprotnih polariteta. Za to ima posebne kontakte.
Važno je napomenuti da je u radu sa takvim uređajima ponekad teško odabrati elemente za niskofrekventno pojačalo. Njihova pažljiva koordinacija je potrebna ne samo u pogledu nominalnih vrijednosti, već iu pogledu materijala od kojih su napravljeni, kako bi se postigli željeni parametri pojačanja.
Pojačalo na čipu
ULF se može sklopiti i na elektrovakuumskim elementima, i na tranzistorima, i na operacionim pojačalima, samo su vakuumske cijevi prošlog stoljeća, a ostali sklopovi nisu bez nedostataka, čije ispravljanje neminovno povlači kompliciranje dizajna pojačala. Ovo je nezgodno.
Inženjeri su odavno pronašli pogodniju opciju za kreiranje ULF-a: industrija proizvodi gotova mikrokola koja djeluju kao pojačala.
Svako od ovih kola je skup op-pojačala, tranzistora i drugih elemenata povezanih na određeni način.
Primeri nekih ULF serija u obliku integrisanih kola:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Sve gore navedene serije se koriste u audio opremi. Svaki model ima različite karakteristike: napon napajanja, izlaznu snagu, pojačanje.
Prave se u obliku malih elemenata sa mnogo pinova, koje je pogodno postaviti na ploču i montirati.
Za rad sa niskofrekventnim pojačalom na mikrokolu, korisno je poznavati osnove logičke algebre, kao i principe rada logičkih elemenata I-NE, ILI-NE.
Gotovo svaki elektronski uređaj se može sastaviti na logičkim elementima, ali u ovom slučaju, mnoga kola će se pokazati glomazna i nezgodna za instalaciju.
Stoga, upotreba gotovih integrisanih kola koja obavljaju ULF funkciju izgleda kao najpogodnija praktična opcija.
Poboljšanje šeme
Gore je bio primjer kako možete poboljšati pojačani signal kada radite sa bipolarnim tranzistorima i tranzistorima sa efektom polja (paralelnim povezivanjem kondenzatora i otpornika).
Takve strukturalne nadogradnje mogu se napraviti sa gotovo bilo kojom shemom. Naravno, povećava se uvođenje novih elemenatapad napona (gubici), ali zahvaljujući tome mogu se poboljšati svojstva različitih kola. Na primjer, kondenzatori su odlični filteri frekvencije.
Na otpornim, kapacitivnim ili induktivnim elementima preporučuje se prikupljanje najjednostavnijih filtera koji filtriraju frekvencije koje ne bi trebale pasti u kolo. Kombinacijom otpornih i kapacitivnih elemenata sa operacionim pojačalima, mogu se sastaviti efikasniji filteri (integratori, Sallen-Key diferencijatori, notch i bandpass filteri).
U zaključku
Najvažniji parametri frekvencijskih pojačala su:
- dobitak;
- faktor izobličenja signala;
- izlazna snaga.
Pojačala niske frekvencije se najčešće koriste u audio opremi. Možete prikupljati podatke o uređaju praktično na sljedećim elementima:
- na vakuumskim cijevima;
- na tranzistorima;
- na operativnim pojačalima;
- na gotovim čipovima.
Karakteristike niskofrekventnih pojačala mogu se poboljšati uvođenjem otpornih, kapacitivnih ili induktivnih elemenata.
Svaka od gore navedenih šema ima svoje prednosti i nedostatke: neka pojačala su skupa za sastavljanje, neka mogu ići u zasićenje, za neke je teško uskladiti elemente koji se koriste. Uvijek postoje karakteristike sa kojima se dizajner pojačala mora nositi.
Koristeći sve preporuke date u ovom članku, možete napraviti vlastito pojačalo za kućnu upotrebuumjesto kupovine ovog uređaja, koji može koštati mnogo novca kada su u pitanju uređaji visokog kvaliteta.
