Zesilovače

Elektronické zesilovače neboli „zesilovače“ jsou zařízení, která zvyšují výkon signálu. Používají se ve všech zařízeníchod rádia až po počítače. Porozumění zesilovačům je klíčové, pokud se chcete stát elektroinženýrem nebo se prostě naučit vyladit svůj audio systém. K lepšímu návrhu zesilovačů přispěly v průběhu let tisíce inženýrů, my zde zmíníme jen některé. Oblast konstrukce zesilovačů je obrovská,takže se zde budeme zabývat pouze některými základy s odkazy na stránky, které se věnují podrobnějším aspektům tohoto tématu.

1.) Jak fungují a základy
2.) Výkonové zesilovače
3.) Zesilovače pro reproduktory a hudební nástroje
4.) Tranzistorové zesilovače
5.) Elektronkové zesilovače, jak fungují
6.) 3 Model elektronkového zesilovače

1.) Jak fungují

V nejzákladnějším smyslu zesilovač přijímá slabý signál a přidává k němu výkon ze zdroje, aby se na výstupním konci zvětšil.

Dva základní příklady potřeby zesilovačů:

Audio – Thomas Edison a Emile Berliner vyvinuli uhlíkový mikrofon. Stejnosměrný proud prochází mezi dvěma kovovými deskami, mezi nimiž je uhlík, přičemž jedna z těchto desek je membrána, která se rozkmitá, když na ni dopadají zvukové vlny. Tato měnící se vzdálenost mezi oběma deskami mění odpor, a tak na výstupu vzniká stejnosměrný signál, který se při modulaci mění na střídavý.
Problém: na výstupním konci mikrofonu je slabý signál, protože pro fungování mikrofonu je potřeba nízké stejnosměrné napětí. Nyní potřebujeme vzít tento slabý signál a buď ho poslat na velkou vzdálenost (jako telefonní systém), nebo ho dát do reproduktoru. K tomu byly zapotřebí zesilovače.

Rádio – Když Alexanderson, Fessenden, Hull a další vyvinuli hlasový rádiový přenos a radar, potřebovali způsob, jak přijmout slabé rádiové vlny detekované elektronkami a zesílit signál tak, aby mohl napájet reproduktor. Zesilovače (jako je triodová elektronka) byly také potřeba k tomu, aby přijaly slabé signály přenášející zvuk a video (televize) a přeměnily tento signál buď na megawattový signál (pro vysílač), nebo na několik wattů pro napájení reproduktoru na straně přijímače.

Zisk – slovo zisk se používá k popisu schopnosti zesilovačů násobit výkon. Pro měření zisku je třeba změřit vstupní a výstupní výkon. K měření zisku se pomocí rovnic používají decibely. Zisk je logaritmický, měří se mocninou 10. Pro výpočet zesílení daného zesilovače použijte řadu rovnic, které najdete na této stránce wiki >

Oscilátory – když zesilovač připojíte k filtru a pak zpět k jeho vlastnímu vstupu, vytvoříte lineární oscilátor. Oscilátory se používají v hodinách, rádiu, televizi,filtrech a mnoha dalších věcech. Používají se k ladění obvodů a jsou důležitým nástrojem pro fungování věcí. Více o oscilátorech >

2.) Výkonové zesilovače

V řetězci signálu se výkonový zesilovač vztahuje ke konečnému zesilovači. Výkonový zesilovačmůže zesílit signál na vysokou úroveň pro použití k napájení antény, magnetronu(radaru), reproduktoru nebovodiče/vlákna pro dálkový přenos dat.

Výkonové zesilovače se dělí do tříd, které popisují, jak velká část sinusového signálu je zesílena. Zesilovač může být navržen tak, aby byl vypnut na polovinu cyklu, čímž se změní tvar procházející vlny.
Třídy (analogové): Třídy (digitální): A, B, AB, CC: D, E, F, G, S, T
Přečtěte si více o třídách zde.

Níže: Vlevo: elektronkový zesilovač pro magnetron v rané mikrovlnné troubě. Velká válcovitá stříbrná a žlutá zařízení jsou kondenzátory.
Nahoře: Vpravo: moderní polovodičový zesilovač pro magnetron.

3). Zesilovače pro reproduktory a hudební nástroje Zesilovače používané k pohonu reproduktorů přijímají nepatrné množství signálu generovaného mikrofonem, rozhlasovým přijímačem, televizí nebo jiným zařízením a převádějí jej na silný signáldostatečný k pohonu silných elektromagnetů, které se nacházejí v reproduktorech. Obvody audio zesilovačů se skládají z: Kondenzátorů: filtračních kondenzátorů, vazebních kondenzátorů Rezistorů Vakuových elektronek nebo tranzistorů Rectifikátorů – převádí střídavý proud na stejnosměrný. Mohou to být křemíkové diody nebo elektronkové usměrňovače Diody a elektronkové usměrňovače Zesilovací obvody pro pohon elektromagnetických reproduktorů byly největší výzvou pro první zvukové inženýry. Přestože první teorie o reproduktoru vznikla již v 70. letech 19. století, trvalo více než 40 let, než jsme se dočkali prvního funkčního reproduktoru připraveného ke komerčnímu prodeji. Důvodem je to, že bylo nutné vyvinout další technologie, jako jsou vakuové lampy a pokročilá matematika pro elektrické obvody, aby bylo možné vytvořit zvukový zesilovač, který skutečně produkuje hudbu a hlas, na rozdíl od hrubých zařízení, která mohou způsobit, že reproduktor vydává ošklivý a nekontrolovaný bzučivý zvuk. Vyrobit elektroniku, která by dokázala přesně zvýšit zvukový signál při zachování bohatých a čistých vlnových forem původního signálu, byl úkol, který jako první splnili C. W. Rice a E. W. Kellogg. Vpravo: První funkční prototyp reproduktoru (1921) a jeho zesilovač, který zabíral celou skříň.

Video: Corbin Irvin, elektroinženýr, nám ukazuje součásti klasického lampového zesilovače vEdison Tech Center:

4.) Tranzistorové zesilovače Tranzistory mají „tranzistorový odpor“, což znamená, že polovodiče, ze kterých jsou vyrobeny, mohou měnit hodnoty odporu. Tranzistory lze použít jako spínač i jako zesilovač. Tranzistormá tři vodiče: vstup (kolektor), napětí (báze) a výstup (emitor). Tranzistor jako spínač: Když jej používáte jako spínač, přivedením napětí na vodič „báze“ umožníte, aby proudil ze vstupu (kolektor) na výstup (emitor), když přestanete přivádět napětí, chová se jako rozepnutý spínač a signál z kolektoru na emitor neproudí. Při použití tohoto tranzistoru jako spínače se říká, že je tranzistor „nasycen“, protože jím protéká maximální množství napětí, které je schopen zvládnout. Představte si to jako jednoduchý spínač „zapnuto“ nebo „vypnuto“ bez možnosti poloviční volby. Tranzistor jako zesilovač: V zesilovači přivádíte na tranzistor vždy malé množství energie, což uzavře „spínač“ a umožní průchod signálu zařízením. Přidáním tohoto kladného napětí kzařízení dochází k „předpětí“ zařízení. Když slabý vstupní signál projde, získá sílu z předpětí, která se přidá k výstupnímu signálu. To je dobré, ale ve skutečnosti to nevede k velkému zesílení. Dva tranzistory: Když dáme dohromady dva tranzistory, můžeme nechat jeden z nich přivádět mírně zesílený střídavý signál na bázový vodič druhého tranzistoru, čímž umožníme, aby druhým tranzistorem procházel silnější signál a v druhém tranzistoru došlo k výraznějším změnám. Můžete si tedy představit, že na jedné straně ventilu (na straně kolektoru) je nahromaděno velké množství tlaku vody, která jen čeká na to, až se vrhne do potrubí, stačí jen otočit knoflíkem a provést mírné úpravy na straně báze a dvířka se otevřou částečně nebo úplně. Voda bude tryskat nebo jen prosakovat. Tímto způsobem přimějeme malou námahu (slabýsignál) ovládat pořádný výkon.

K vytvoření operačního zesilovače použijete více tranzistorů spolu s rezistory a kondenzátory, tímto způsobem můžete zesílit řadufrekvencí. Přivedením záporného i kladného napětí na zařízení můžete nechat zesilovač vytvořit až 12 voltů(+) s 12 volty(-), tím získáte dostatečný výkon, aby fungovalreproduktor. Existuje 1000 způsobů, jak tyto obvody navrhnout, ale můžete začít s několika základními modely.

Kondenzátor použitý před tranzistorem: Tranzistorové zesilovače používají kondenzátor před vstupem tranzistoru, aby se „vycentroval“ stejnosměrný signál přicházející z mikrofonu. Mikrofonyrezonují a vytvářejí zápornou a kladnou stejnosměrnou energii. Také používají „předpětí“, ale z jiného důvodu než tranzistory. Předpětí v mikrofonu napájí zařízení a dává 0 db nad 0 napětí. Předpětí ve většině mikrofonů vyžaduje, abyste ho napájeli napětím přibližně 2 V, ale může být i jiné. kondenzátor před tranzistorem snižuje předpětí 2 V na skutečnou hodnotu 0, a proto odstraňuje stejnosměrný offset. tranzistor to potřebuje, aby fungoval.

Použití: Vytvoření obvodu zesilovače se komplikuje kvůli takovým věcem, jako je šum signálu. Doporučujeme začít stavět jednoduché zesilovače ze stavebnic, abyste si osvojili základy. Poté můžete vylepšovat výkonnější a dražší systémy.

Učte se stavbou:
Sestavte si vlastní zesilovače a efektové pedály (má k dispozici jednoduché stavebnice) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (kytarové zesilovače plné velikosti s reproduktory) >

Výše: V triodě žhaví vlákno katodu, katoda a mřížka jsou spojenyna střídavý signál. V bodě (1.) je mřížka záporně nabitá a odpuzuje elektrony, případně jim dokonce zcela brání v přístupu ke katodě. V bodě (2.) není mřížka záporně nabitá a elektrony volně procházejí k zakřivené vnější desce, která je katodou. Poznámka: části (1.) a (2.) se nedějí současně, jsou zobrazeny společně pouze pro tento graf.

5.) Použití elektronek k zesílení Příchod triody v roce 1906 znamenal revoluci v oblasti telefonu a rozhlasu. K zesilování se používá mnoho druhů elektronek a některé z nich používáme dodnes. Elektronkové zesilovače mohou k zesílení signálu používat tetrody, triody a pentody. Triodový zesilovač: Tato elektronka má uprostřed žhavou katodu obklopenou kovovou mřížkou, kterou obklopuje anoda. Katoda emituje elektrony a ve vakuu elektrony volně proudí přes mřížku k anodě. Záporným napětím mřížky odpuzujete více elektronů, což znamená, že mřížkou může projít méně elektronů, aby se dostaly k anodě. Pokud vezmete slabý zvukový signál (měnící se napětí) a přivedete ho na mřížku, budete propouštět více energie přes mřížku při kladných špičkách a méně při záporných, čímž můžete signál výrazně zesílit. Špatnou stránkou elektronkových zesilovačů je, že spotřebovávají více energie a místa než tranzistory. horká katoda v elektronce je tvořena wolframovým a thoriovým vláknem. Toto vlákno, stejně jako žárovka, po několika hodinách vyhoří a elektronka se musí vyměnit. Při připojení zesilovače k reproduktoru se chování zesilovače změní. Impedance reproduktoru se bude měnit se změnou zátěže, a to ovlivní celý systém. Výhody oproti tranzistorům: Zesilovači budou tvrdit, že zvuk z lampového zesilovače je lepší než ze zesilovačů na bázi tranzistorů. Systémy lampových zesilovačů mají nelineární clipping a více harmonického zkreslení druhého řádu, na toto téma existuje spousta podrobných článků. Polovodičové zesilovače určené pro kytaristy nyní používají proudovézpětnovazební obvody pro zvýšení výstupní impedance, což dává podobný zvuk z reproduktorujako lampový zesilovač.

6.) Příklad třílampového zesilovače

Použijeme jednoduchý kytarový zesilovač se třemi elektronkami, abychom ukázali, jak se signál transformujeze slabého 0,9voltového signálu na dostatečně silný signál pro napájení velké membrány reproduktoru. Naše grafika je zjednodušenou verzí zesilovače Fender Champ-Amp, který se objevuje ve videích „strýčka Douga“. Pokud potřebujete, podívejte se na 38minutové video uvedené zde dole, které jde do větší hloubky. V našich schématechníže jsme vynechali rezistory a většinu kondenzátorů, abychom se zaměřili na děj zesílení.

Na grafice výše uvidíte uspořádání, které se skládá z napájecího zdroje (transformátoru) připojenéhok usměrňovací elektronce a dvěma dalším elektronkám. Transformátor převádí 120 V ze zdi dotří samostatných vedení. Vedení 6 V napájí pouze vlákna ve dvou zesilovacích elektronkách. Udržuje žhavá vlákna, aby elektronky mohly pracovat. Vedení 5 V jde do výkonového usměrňovače a zahřívá tuto elektronku. Druhé vysokonapěťové vedení přivádí střídavý proud do usměrňovače, kde se odříznutím záporných stran vlny přemění na stejnosměrný proud. Odpory a transformátory na jiných místech systému pomáhají vyhladit stejnosměrný signál a odstraňují křivkové hrboly.

Kytarový signál generovaný snímači je připojen k mřížce v triodové lampě předzesilovače. Na anodu v elektronce bylo přivedeno velmi silných150 voltů + stejnosměrného proudu. Takže tato deska skutečně přitahuje všechny blízké záporné ionty (elektrony). na katodě ve středu elektronky je velmi horko stimulující generování spousty elektronů, nicméně mřížka je standardně v záporném stavu a blokuje průchod elektronůpřes anodu. Střídavý signál z kytary změní mřížku a umožní milionům elektronů proudit na druhou stranu ve vzoru, který kopíruje tvar vlny kytary.

Střídavý proud nyní sleduje stejnosměrné vedení od anody k jiné mřížce (elektronka 12AX7) ve stejné elektronce. Kondenzátor blokuje stejnosměrné napájení a propouští pouze střídavý signál. Tento signál je nyní silnější než původní signál kytarové struny a tato 2. mřížkareaguje ještě silněji a umožňuje průchod extrémnějšího střídavého průběhu z katody na anodu. signál byl tedy v této předzesilovací elektronce zesílen již dvakrát.

Signál z předzesilovací elektronky je přenesen na desky koncové elektronky. Poslední elektronka v tomto řetězci má neuvěřitelných 320 V DC s extrémně silným + nábojem. Síť opět reaguje na střídavý proud a mnoho elektronů proudí napříč stejným vzorem jako průběh střídavého proudu. Tento střídavý signál prochází transformátorem, který transformuje napájení na napětí, které může reproduktor využít. Normálně 320 voltů procházejících cívkou transformátoru nemá vliv na stranu reproduktoru, protože stejnosměrný proud nemůže transformátorem procházet.

Video, úplný popis tohoto zapojení:
Jak fungují lampové zesilovače, popis zapojení – napájení (18 min) >
A 2. část (20 min) popisu tohoto zapojení pro Fender Champ-Amp >

Video: První prototyp reproduktoru, toto video vám ukáže elektronky použité v tomto prototypu z roku 1921.

Typy zesilovačů:
Operační zesilovače
Diferenciální zesilovače
Izolační zesilovače
Zesilovače se zápornou zpětnou vazbou
Instrumentální zesilovače

Další čtení:
Teorie tranzistorů >
Operační zesilovače >
Polovodičová elektronika >
Rádio >

Související témata:

Reproduktory	Vakuové elektronky	Mikrofony
Televize	Elektrické kytary	Další věci