Автомобильные усилители берут сигнал от головного устройства, усиливают его, и передают на громкоговорители. Это позволяет получить от динамиков звук мощнее и чище чем, если сигнал подавался бы непосредственно с источника сигнала на громкоговорители. Идеально, если усилитель передает сигнал линейно – сигнал на выходе по форме такой, как и на входе, только с большей амплитудой, которая определяет мощность звука. Такая передача формы сигнала называется АЧХ – амплитудно-частотной характеристикой, которая показывает, как усилитель передает сигнал на разных частотах. Чем ровнее АЧХ, тем лучше для качества сигнала.
Разбор схемы
Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.
Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).
В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.
Как именно определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, общий контакт эмиттер. Поэтому схема называется с общим эмиттером. Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.
Данная схема имеет один каскад усиления.
Что такое каскад
Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.
Анатомия устройства
Усилители звуковых частот можно рассматривать как простую коробку или блок, содержащий устройство, такое как биполярный, полевой транзистор или операционный датчик, который имеет две входных и две выходных клеммы (заземление является общим). Причем выходной сигнал намного больше из-за преобразования его на устройстве.
Идеальный усилитель сигнала будет иметь три основных свойства:
- Входное сопротивление, или (R IN).
- Выходное сопротивление, или (R OUT).
- Усиление, или (A).
Независимо от того, насколько сложна схема усилителя, общая модель блока может быть использована для демонстрации взаимосвязи этих трех свойств.
Как питаемся схема
От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.
На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.
Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.
И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.
Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.
К тому же, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть предел для увеличения емкости для схемы. Если в эту схему подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ. Это связано с тем, что у транзистора так же есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и другие параметры.
Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.
Общие понятия
Высококачественные усилители звуковой частоты могут отличаться по своим характеристикам. Каждый тип имеет цифровое либо аналоговое преобразование. Для их разделения устанавливаются кодовые обозначения.
Увеличенная разница между входным и выходным сигналами называется преобразованием. Усиление – это мера того, насколько усилитель «преобразует» входной сигнал. Например, если есть входной уровень на 1 вольт и выходной на 50 вольт, то преобразование будет равно 50. Другими словами, входной сигнал был развит в 50 раз. Усилитель звуковых частот как раз выполняет эту задачу.
Расчет преобразования – это просто отношение выхода, деленное на вход. Эта система не имеет единиц измерения в качестве своего отношения, но в электронике для усиления обычно используется символ A. Затем преобразование просто рассчитывается как «выходной, деленный на входной сигнал».
Вход усилителя
Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.
Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.
Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.
Фильтрация входного сигнала
Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.
По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.
Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.
Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.
ЛАМПА!
Классы усиления — вполне логичный и понятный способ отличить одну типовую схему от другой. Однако, применительно к ламповой схемотехнике такого подхода оказалось недостаточно.
Как работают ламповые усилители, или Особенности теплого звука Статья
Усилители Теория и практика Cayin как работает усилитель
naumov 06 сентября 2022 в 09:10
20 5
Подборка подготовлена при поддержке , тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона
Рабочая точка и смещение базы
Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.
Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.
Как определяется класс усилителя
Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.
Например, точка по центру это А класс.
А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.
Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.
Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.
Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.
Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.
Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.
А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.
Использование одного преобразователя
При правильной реализации любой из вышеперечисленных блоков за пределами класса B может сформировать основу усилителя высокой точности. Помимо потенциальных ошибок производительности (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущим классу), выбор типа блока в значительной степени является вопросом стоимости в сравнении с эффективностью.
На сегодняшнем рынке простой усилитель звуковой частоты класса A/B доминирует, и на то есть веская причина. Он очень хорошо работает, относительно дешевый, а его эффективность вполне адекватна для приложений с низким энергопотреблением (>200 Вт). Конечно, поскольку производители преобразователей пытаются расширить границы поставки, к примеру, при помощи моноблока Emotiva XPR-1 мощностью 1000 Вт, они обращаются к конструкциям класса G/H и D, чтобы избежать двойного использования их усилителей в качестве систем, способных быстро нагреть технику. Между тем в другой стороне рынка есть поклонники класса А, которые могут простить недостаток эффективности устройства в надежде на более чистый звук.
Стабилизация работы схемы
Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.
При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.
Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.
Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.
Благодаря этому транзистор:
- не закрывается;
- не переходит в режим насыщения;
- не искажает сигнал;
- и не перегревается.
Это называется термостабилизация работы усилителя.
А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.
Выход усилителя
На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку. Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.
Однако и тут есть много нюансов.
Самое важное касается согласование сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.
Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.
Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.
Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.
Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.
Итог
В конце концов, классы преобразователей необязательно так важны. Конечно, есть актуальные различия, особенно когда речь идет о стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, в весе. Безусловно, техника класса А мощностью 500 Вт – плохая идея, если, конечно, пользователь не имеет мощную систему охлаждения. С другой стороны, различия между классами не определяют качество звука. В конце концов, это сводится к разработке и реализации собственных проектов. Важно понимать, что преобразователи – это только одно устройство, которое входит в состав аудиосистемы.
Как протекает ток по схеме
В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.
Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.
Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.
Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.
Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений. В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.
От чего зависит мощность схемы
У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.
В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.
У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.
Принцип действия
Усилитель звуковых частот работает по принципу преобразования силы постоянного тока, потребляемой от источника питания, в сигнал напряжения переменного тока, подаваемый на нагрузку. Хотя преобразование является высоким, эффективность его от источника питания постоянного тока к выходному сигналу напряжения переменного обычно является низкой.
Идеальный блок дает устройству коэффициент полезного действия в 100% или, по крайней мере, мощность IN будет равна мощности OUT.
Как собрать схему
Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.
Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.
