Amplificatori

Gli amplificatori elettronici o “amplificatori” sono dispositivi che aumentano la potenza del segnale. Sono usati in tutto, dalla radio ai computer. Capire gli amplificatori è la chiave se vuoi essere un ingegnere elettrico o semplicemente imparare a modificare il tuo sistema audio. Migliaia di ingegneri hanno contribuito a migliorare la progettazione degli amplificatori nel corso degli anni, qui ne citeremo solo alcuni. L’area di progettazione dell’amplificatore è enorme, quindi copriremo solo alcune basi qui con link a pagine che vanno in più dettagli su aspectsof questo topic.

1.) Come funzionano e basi
2.) Amplificatori di potenza
3.) Amplificatori per altoparlanti e strumenti musicali
4.) Amplificatori a transistor
5.) Amplificatori a valvole, come funzionano
6.) 3 Modello di amplificatore a valvole

1.) Come funzionano

Nel senso più elementare un amplificatore prende un segnale debole e gli aggiunge potenza da un alimentatore per renderlo più grande all’uscita.

Due esempi di base della necessità di un amplificatore:

Audio – Thomas Edison e Emile Berliner svilupparono il microfono a carbone. La corrente continua passa tra due piastre di metallo con del carbonio in mezzo, una di queste piastre è il diaframma che vibra quando le onde sonore lo colpiscono. Questa distanza variabile tra le due piastre cambia la resistenza e quindi all’estremità di uscita si ha un segnale DC che diventa AC quando si modula.
Problema: l’estremità di uscita di un microfono è un segnale debole perché è necessaria una bassa tensione continua per far funzionare un microfono. Ora abbiamo bisogno di prendere quel segnale debole e inviarlo a lunga distanza (come il sistema telefonico) o metterlo in un altoparlante. Gli amplificatori erano necessari per fare questo.

Radio – Quando Alexanderson, Fessenden, Hull e altri svilupparono la trasmissione radio vocale e il radart avevano bisogno di un modo per prendere le deboli onde radio rilevate dai tubi a vuoto e amplificare il segnale in modo che potesse alimentare un altoparlante. Gli amplificatori (come il tubo a vuoto a triodo) erano anche necessari per prendere i deboli segnali che trasportavano audio e video (televisione) e trasformarli in megawatt di segnale (per un trasmettitore), o diversi watt per alimentare un altoparlante sul ricevitore.

Gain – la parola gain è usata per descrivere la capacità degli amplificatori di moltiplicare la potenza. Per misurare il guadagno è necessario misurare la potenza di ingresso e di uscita. I decibel sono usati per misurare il guadagno attraverso le equazioni. Il guadagno è logaritmico, misurato dalla potenza di 10. Per calcolare il guadagno di un dato amplificatore usate la serie di equazioni che si trovano in questa pagina wiki >

Oscillatori – quando un amplificatore è collegato a un filtro e poi di nuovo al suo stesso ingresso si crea un oscillatore lineare. Gli oscillatori sono usati in orologi, radio, televisione, filtri e molte altre cose. Sono usati per sintonizzare i circuiti e sono strumenti importanti per far funzionare le cose. Altro sugli oscillatori >

2.) Amplificatori di potenza

Nella catena del segnale l’amplificatore di potenza si riferisce all’amplificatore finale. L’amplificatore di potenza può aumentare il segnale ad alti livelli per l’uso per alimentare un’antenna, un magnetron (radar), un altoparlante o un filo/fibra per la trasmissione dati a lunga distanza.

Gli amplificatori di potenza sono disponibili in classi per descrivere quanto del segnale sinusoidale viene amplificato. L’amplificatore può essere progettato per essere spento per metà di un ciclo, il che cambia la forma d’onda che passa.
Classi (analogica): A, B, AB, CCClassi (digitale): D, E, F, G, S, T
Leggi di più sulle classi qui.

Sotto: A sinistra: amplificatore a tubi per un magnetron in un primo forno a microonde. I grandi dispositivi cilindrici d’argento e gialli sono condensatori.
In basso: A destra: moderno amplificatore a stato solido per un magnetron.

3.) Amplificatori per altoparlanti e strumenti musicali Gli amplificatori usati per pilotare gli altoparlanti prendono una piccola quantità di segnale generato da un microfono, un ricevitore radio, una televisione o un altro dispositivo e lo convertono in un segnale abbastanza potente da pilotare i forti elettromagneti che si trovano negli altoparlanti. I circuiti degli amplificatori audio sono fatti di: Condensatori: condensatori di filtro, condensatori di accoppiamento Resistori Tubi a vuoto o transistor Rettificatori – convertono la corrente alternata in corrente continua. Potrebbero essere diodi al silicio o raddrizzatori a tubi Diodi e raddrizzatori a tubi I circuiti amplificatori per pilotare gli altoparlanti elettromagnetici erano la più grande sfida per i primi ingegneri audio. Nonostante l’altoparlante sia stato teorizzato per la prima volta nel 1870, ci sono voluti più di 40 anni prima di vedere il primo altoparlante funzionale pronto per la vendita commerciale. La ragione di questo è che altri tubi a vuoto technologylike e matematica avanzata per circuiti elettrici ha dovuto essere sviluppato per makean amplificatore audio che effettivamente prodotto musica e voce in contrasto con dispositivi grezzi che couldmake un altoparlante produrre un rumore ronzante brutto e incontrollato. Realizzare un’elettronica che potesse aumentare accuratamente il segnale audio mantenendo le forme d’onda ricche e pure del segnale originale era il compito eseguito per primo da C.W. Rice e E.W. Kellogg. A destra: il primo prototipo di altoparlante funzionante (1921) e il suo amplificatore che occupava un intero mobile.

Video: Corbin Irvin, ingegnere elettrico ci mostra le parti di un classico amplificatore a valvole all’Edison Tech Center:

4.) Amplificatori a transistor I transistor hanno “transresistenza”, cioè i semiconduttori di cui sono fatti possono cambiare i valori di resistenza. I transistor possono essere usati sia come interruttore che come amplificatore. Il transistor ha tre conduttori: un ingresso (collettore), una tensione (base) e un’uscita (emettitore). Transistor come interruttore: Quando lo si usa come interruttore, applicando l’alimentazione al cavo ‘base’ si permette alla corrente di fluire dall’ingresso (collettore) all’uscita (emettitore), quando si smette di fornire l’alimentazione, si comporta come un interruttore aperto e il segnale non fluirà dal collettore all’emettitore. Quando si usa questo come un interruttore, si dice che il transistor è “saturo” perché la quantità massima di tensione che attraversa è quella che può gestire. Pensate a questo come un semplice interruttore “on” o “off” senza opzioni a metà strada. Transistor come amplificatore: In un amplificatore si applica una piccola quantità di potenza al transistor in ogni momento e questo chiude l’interruttore, permettendo al segnale di passare attraverso il dispositivo. L’aggiunta di questa tensione positiva al dispositivo è per ‘bias’ il dispositivo. Quando il debole segnale d’ingresso passa attraverso, guadagna forza dal bias che si aggiunge al segnale d’uscita. Questo è buono ma non fa davvero per una grande amplificazione. Due transistor: Quando mettiamo insieme due transistor, possiamo far sì che uno fornisca un segnale AC leggermente amplificato al cavo di base del successivo, permettendo così al segnale più potente di fluire attraverso il secondo transistor e fare cambiamenti più drammatici nel secondo transistor.La forma d’onda AC rimane intatta come il segnale originale, è solo più forte. Così si può immaginare che una grande quantità di pressione dell’acqua sia accumulata in un lato di una valvola (il lato collettore), è solo in attesa di correre giù per il tubo, tutto quello che si deve fare è girare una manopola e fare leggere regolazioni sul lato base e la porta si aprirà in parte o completamente. L’acqua sgorgherà attraverso, o semplicemente gocciolerà. Questo è il modo in cui facciamo in modo che un piccolo sforzo (segnale debole) controlli una grande quantità di potenza.

Per fare un amplificatore operazionale si usano più transistor insieme a resistenze e condensatori, in questo modo si può amplificare una gamma di frequenze. Applicando sia tensioni negative che positive al dispositivo è possibile avere l’amplificatore creare fino a 12 volt (+) con 12 volt (-), in questo modo si ha abbastanza potenza per far funzionare un altoparlante. Ci sono 1000 modi per progettare questi circuiti, ma si può iniziare con alcuni modelli di base.

Capacitore usato prima del transistor: gli amplificatori a transistor usano un condensatore prima dell’ingresso del transistor per ‘centrare’ il segnale DC proveniente da un microfono. I microfoni risuonano, creando energia DC negativa e positiva. Essi utilizzano anche un ‘bias’, ma per un motivo diverso da transistor. Il bias nel microfono energizza il dispositivo e mette 0 db sopra la tensione 0. Il bias nella maggior parte dei microfoni richiede di fornire con circa 2 volt, ma può essere diverso.Il condensatore prima del transistor porta il bias 2 volt giù a 0 reale, e quindi rimuove l’offset DC.Il transistor ha bisogno di questo per lavorare.

Complicazioni: Creare un circuito amplificatore diventa complicato a causa di cose come il rumore del segnale. Si consiglia di iniziare a costruire semplici amplificatori da kit per ottenere thebasics giù. Than dopo che si può tweak sistemi più potenti e costosi.

Impara costruendo:
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Sopra: in un triodo un filamento riscalda il catodo, il catodo e la griglia sono collegati al segnale AC. Al punto (1.) la griglia è carica negativamente e respinge gli elettroni, possibilmente anche bloccandoli completamente dal raggiungere il catodo. Al punto (2.) la griglia non è carica negativamente e gli elettroni passano liberamente alla piastra esterna curva che è il catodo. Nota: la parte (1.) e (2.) non stanno accadendo allo stesso tempo, sono mostrati insieme solo per questo grafico.

5.) Usare i tubi a vuoto per amplificare L’avvento del triodo nel 1906 ha rivoluzionato il telefono e la radio. Ci sono molti tipi di tubi a vuoto usati per amplificare e ne usiamo alcuni ancora oggi. Gli amplificatori a valvole possono usare tetrodi, triodi e pentodi per fare il lavoro di amplificazione del segnale. L’amplificatore a triodi: Questo tubo ha un catodo caldo al centro circondato da una griglia metallica con l’anodo che lo circonda. Il catodo emette elettroni, e nel vuoto gli elettroni scorrono liberamente attraverso la griglia all’anodo. Energizzando la griglia negativamente si respinge più elettroni, questo significa che meno elettroni possono passare attraverso la griglia per arrivare all’anodo. Se si prende un segnale audio debole (una tensione variabile) e applicarlo alla griglia, si lascerà più potenza attraverso la griglia durante i picchi positivi e meno sul negativo, così si può amplificare notevolmente il segnale. La parte negativa di amplificatori a tubo è che consumano più potenza e spazio di transistor.Il catodo caldo in un tubo è fatto di un filamento di tungsteno e torio. Questo filamento, proprio come una lampadina, si brucia dopo un certo numero di ore e il tubo dovrà essere sostituito. Quando si collega un amplificatore a un altoparlante, il comportamento dell’amplificatore cambia. L’impedenza dell’altoparlante cambierà al variare del carico, e questo ha effetti sull’intero sistema. Vantaggi rispetto ai transistor: I chitarristi sosterranno che il suono di un amplificatore a valvole è migliore di quello degli amplificatori a transistor. I sistemi di amplificatori a valvole hanno un clipping non lineare e più distorsione del secondo ordine armonico, ci sono molti articoli dettagliati su questo argomento. Gli amplificatori a stato solido progettati per i chitarristi ora utilizzano circuiti currentfeedback per aumentare l’impedenza di uscita, questo dà un suono simile dal speakerthat un amplificatore a valvole sarebbe.

6.) Esempio di amplificatore a tre tubi

Utilizzeremo un semplice amplificatore per chitarra con tre tubi per dimostrare come il segnale viene trasformato da un debole segnale di 0,9 volt a un segnale abbastanza potente da alimentare un grande diaframma di altoparlante. La nostra grafica è una versione semplificata del Fender Champ-Amp presente nei video di “Uncle Doug”. Vedi il video di 38 minuti elencato qui in fondo per andare più in profondità se ne hai bisogno. Nei nostri schemi qui sotto abbiamo omesso le resistenze e la maggior parte dei condensatori per concentrarci sull’azione dell’amplificazione.

Nel grafico qui sopra vedrete lo schema che consiste in un alimentatore (trasformatore) collegato a una valvola rettificatrice e ad altre due valvole. Il trasformatore converte 120 V dal muro in tre linee separate. La linea a 6V alimenta solo i filamenti nelle due valvole dell’amplificatore. Mantiene i filamenti caldi in modo che i tubi possano lavorare. La linea da 5 V va al raddrizzatore di potenza e scalda quel tubo. L’altra linea ad alta tensione porta la corrente alternata al raddrizzatore dove viene convertita in corrente continua tagliando i lati negativi della forma d’onda. Resistenze e trasformatori altrove nel sistema aiutano a smussare il segnale DC, rimuovendo le gobbe curve.

Il segnale della chitarra generato dai pickup è collegato alla griglia del tubo triodo del preamplificatore. L’anodo nel tubo è stato fornito con un fortissimo 150 volt di + DC. Sul catodo nel centro del tubo è molto caldo stimolando la generazione di un sacco di elettroni, tuttavia la griglia è per impostazione predefinita in uno stato negativo, bloccando il passaggio di elettroni sopra l’anodo. Il segnale AC dalla chitarra cambia la griglia, permettendo a milioni di elettroni di fluire dall’altra parte in un modello che replica la forma d’onda della chitarra.

La potenza AC ora segue la linea DC dall’anodo ad un’altra griglia (valvola 12AX7) nello stesso tubo. Un condensatore blocca la corrente continua, lasciando passare solo il segnale AC. Questo segnale è ora più forte di quello della corda originale della chitarra e questa seconda griglia reagisce ancora più fortemente, permettendo ad una forma d’onda AC più estrema di passare dal catodo all’anodo.Il segnale è stato quindi amplificato già due volte in questo tubo preamplificatore.

Il segnale dal tubo preamplificatore viene passato sulle piastre del tubo finale. L’ultimo tubo di questa catena ha un enorme 320 volt DC con una carica + estremamente forte. Ancora una volta la griglia reagisce alla corrente alternata e molti elettroni la attraversano con lo stesso schema della forma d’onda AC. Questo segnale AC passa attraverso un trasformatore che trasforma la potenza in una tensione che l’altoparlante può utilizzare. Normalmente i 320 volt che passano attraverso la bobina del trasformatore non hanno effetto sul lato del diffusore perché la corrente continua non può passare attraverso un trasformatore.

Video, descrizione completa di questo circuito:
Come funzionano gli amplificatori a valvole, descrizione del circuito – alimentazione (18 min) >
E parte 2 (20 min) della descrizione di questo circuito per un Fender Champ-Amp >

Video: Il primo prototipo di altoparlante, questo video vi mostra le valvole utilizzate in questo prototipo del 1921.

Tipi di amplificatori:
Amplificatori operativi
Amplificatori differenziali
Amplificatori d’isolamento
Amplificatori a retroazione negativa
Amplificatori per strumentazione

Lettura complementare:
Teoria dei transistor >
Amplificatori operativi >
Elettronica dei semiconduttori >
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