Wzmacniacze

Wzmacniacze elektroniczne lub „wzmacniacze” to urządzenia, które zwiększają moc sygnału. Są one używane we wszystkim, od radia po komputery. Zrozumienie wzmacniaczy jest kluczowe, jeśli chcesz zostać inżynierem elektrykiem lub po prostu nauczyć się podrasowywać swój system audio. Tysiące inżynierów przyczyniło się do poprawy konstrukcji wzmacniaczy na przestrzeni lat, wymienimy tutaj tylko kilku z nich. Obszar projektowania wzmacniaczy jest ogromny, więc zajmiemy się tutaj tylko podstawami, podając linki do stron, które zawierają więcej szczegółów na temat aspektów tego tematu.

1.) Jak działają i podstawy
2.) Wzmacniacze mocy
3.) Wzmacniacze do głośników i instrumentów muzycznych
4.) Wzmacniacze tranzystorowe
5.) Wzmacniacze lampowe, jak działają
6.) 3 Model wzmacniacza lampowego

1.) Jak działają

W najbardziej podstawowym sensie wzmacniacz bierze słaby sygnał i dodaje do niego mocy z zasilacza, aby go zwiększyć na końcu wyjścia.

Dwa podstawowe przykłady zapotrzebowania na wzmacniacze:

Audio – Thomas Edison i Emile Berliner opracowali mikrofon węglowy. DC moc przechodzi między dwoma metalowymi płytkami z węgla pomiędzy, jedna z tych płyt jest diaphragmthat wibruje, gdy fale dźwiękowe uderzają go. Ta zmieniająca się odległość między dwoma płytkami zmienia opór i w ten sposób na końcu wyjścia masz sygnał DC, który staje się AC jak moduluje.
Problem: koniec wyjścia mikrofonu jest słaby sygnał, ponieważ niskie napięcie stałe jest potrzebne, aby mikrofon działa. Teraz musimy wziąć ten słaby sygnał i albo wysłać go na dużą odległość (jak system telefoniczny) lub umieścić go w głośniku. Wzmacniacze były potrzebne, aby to zrobić.

Radio – Kiedy Alexanderson, Fessenden, Hull i inni opracowali głos transmisji radiowej i radarthey potrzebowali sposobu, aby wziąć słabe fale radiowe wykrywane przez lampy próżniowe i wzmocnić sygnał tak, że może zasilić głośnik. Wzmacniacze (takie jak triodowe lampy próżniowe) były również potrzebne do odbierania słabych sygnałów audio i wideo (telewizja) i przekształcania ich w megawaty sygnału (dla nadajnika) lub kilka watów do zasilania głośnika w odbiorniku.

Wzmocnienie – słowo wzmocnienie jest używane do opisania zdolności wzmacniacza do zwielokrotniania mocy. Aby zmierzyć wzmocnienie należy zmierzyć moc wejściową i wyjściową. Decybele są używane do pomiaru wzmocnienia poprzez równania. Wzmocnienie jest logarytmiczne, mierzone w potędze 10. Aby obliczyć wzmocnienie danego wzmacniacza użyj serii równań znalezionych na tej stronie wiki >

Oscylatory – kiedy wzmacniacz jest podłączony do filtra, a następnie z powrotem do swojego wejścia, tworzysz liniowy oscylator. Oscylatory są używane w zegarach, radiu, telewizji, filtrach i wielu innych rzeczach. Są używane do dostrajania obwodów i są ważnymi narzędziami do działania. Więcej o oscylatorach >

2.) Wzmacniacze mocy

W łańcuchu sygnału wzmacniacz mocy odnosi się do końcowego wzmacniacza. The power amplifiermay boost signal to high levels for use to power an antenna, magnetron(radar), loudspeaker or long distance data transmission wire/fiber.

Power amplifiers come in classes to describe how much of the sinusoidal signal is amplified. Wzmacniacz może być zaprojektowany tak, aby był wyłączony przez połowę cyklu, co zmienia postać fali przechodzącej przez niego.
Klasy (analogowe): A, B, AB, CCKlasy (cyfrowe): D, E, F, G, S, T
Czytaj więcej o klasach tutaj.

Poniżej: Po lewej: wzmacniacz lampowy dla magnetronu we wczesnej kuchence mikrofalowej. Duże cylindryczno-srebrne i żółte urządzenia to kondensatory.
Poniżej: Po prawej: nowoczesny wzmacniacz półprzewodnikowy dla magnetronu.

3.) Wzmacniacze do głośników i instrumentów muzycznych Wzmacniacze używane do napędzania głośników pobierają niewielką ilość sygnału generowanego przez mikrofon, odbiornik radiowy, telewizor lub inne urządzenie i przekształcają go w potężny sygnał, wystarczający do napędzania silnych elektromagnesów znajdujących się w głośnikach. Obwody wzmacniaczy audio składają się z: Kondensatorów: kondensatorów filtrujących, kondensatorów sprzęgających Rzystorów Lamp próżniowych lub tranzystorów Rektyfikatorów – przekształcają prąd zmienny w prąd stały. Mogą to być diody krzemowe lub prostowniki lampowe Diody i prostowniki lampowe Obwody wzmacniacza do napędzania głośników elektromagnetycznych były największym wyzwaniem dla wczesnych inżynierów audio. Pomimo, że pierwsze teorie na temat głośnika pojawiły się w latach 70-tych XIX wieku, minęło ponad 40 lat zanim zobaczyliśmy pierwszy funkcjonalny głośnik gotowy do sprzedaży komercyjnej. Powodem tego jest fakt, że inne technologie, takie jak lampy próżniowe i zaawansowana matematyka dla obwodów elektrycznych musiały zostać opracowane, aby stworzyć wzmacniacz audio, który rzeczywiście produkował muzykę i głos, w przeciwieństwie do prymitywnych urządzeń, które mogły sprawić, że głośnik produkował brzydki i niekontrolowany brzęczący hałas. Stworzenie elektroniki, która mogłaby dokładnie wzmocnić sygnał audio, zachowując bogate i czyste formy fal oryginalnego sygnału, było zadaniem wykonanym po raz pierwszy przez C.W. Rice’a i E.W. Kellogga. Po prawej: pierwszy działający prototyp głośnika (1921) i jego wzmacniacz, który zajmował całą szafkę.

Wideo: Corbin Irvin, inżynier elektryk pokazuje nam części klasycznego wzmacniacza lampowego wEdison Tech Center:

4.) Wzmacniacze tranzystorowe Tranzystory mają „opór tranzystorowy”, co oznacza, że półprzewodniki, z których są zbudowane, mogą zmieniać wartości oporu. Tranzystory mogą być używane zarówno jako przełączniki jak i wzmacniacze. Tranzystor ma trzy wyprowadzenia: wejście (kolektor), napięcie (baza) i wyjście (emiter). Tranzystor jako przełącznik: Gdy używamy go jako przełącznika, podanie napięcia na wyprowadzenie 'baza’ pozwoli na przepływ prądu z wejścia (kolektor) do wyjścia (emiter), gdy przestaniemy podawać napięcie, zachowuje się on jak otwarty przełącznik i sygnał nie będzie płynął z kolektora do emitera. Kiedy używasz tego jako przełącznika, mówi się, że tranzystor jest „nasycony”, ponieważ przepływa przez niego maksymalna ilość napięcia, jaką może obsłużyć. Pomyśl o tym jak o prostym przełączniku 'on’ lub 'off’ bez opcji połowicznych. Tranzystor jako wzmacniacz: We wzmacniaczu przykładasz niewielką ilość prądu do tranzystora przez cały czas i to zamyka 'przełącznik’, pozwalając sygnałowi przechodzić przez urządzenie. Dodanie tego dodatniego napięcia do urządzenia to 'bias’ urządzenia. Kiedy słaby sygnał wejściowy przechodzi przez urządzenie, zyskuje on na sile dzięki biasowi, który dodaje się do sygnału wyjściowego. Jest to dobre, ale nie daje dużego wzmocnienia. Dwa tranzystory: Kiedy umieścimy dwa tranzystory razem, możemy mieć jeden dostarczyć nieco wzmocniony sygnał AC do wyprowadzenia bazy następnego, pozwalając w ten sposób na przepływ silniejszego sygnału przez drugi tranzystor i dokonanie bardziej dramatycznych zmian w drugim tranzystorze.Forma fali AC pozostaje nienaruszona jak oryginalny sygnał, jest po prostu silniejsza. Tak więc można sobie wyobrazić, że duża ilość ciśnienia wody jest zgromadzona w jednej stronie zaworu (strona kolektora), to tylko czeka, aby spieszyć w dół rury, wszystko, co musisz zrobić, to obrócić pokrętło i dokonać niewielkich regulacji po stronie podstawy i drzwi otworzy się częściowo lub całkowicie. Woda będzie tryskać lub po prostu ściekać. W ten sposób sprawiamy, że odrobina wysiłku (weaksignal) kontroluje poważną ilość mocy.

Aby zrobić wzmacniacz operacyjny używasz wielu tranzystorów wraz z rezystorami i kondensatorami, w ten sposób możesz wzmocnić zakres częstotliwości. Przykładając zarówno ujemne jak i dodatnie napięcie do urządzenia możesz mieć wzmacniacz tworzący do 12 V(+) z 12 V(-), w ten sposób masz wystarczającą moc aby głośnik działał. Istnieje 1000 sposobów na zaprojektowanie tych obwodów, ale możesz zacząć od kilku podstawowych modeli.

Kondensator używany przed tranzystorem: wzmacniacze tranzystorowe używają kondensatora przed wejściem tranzystora w celu „wyśrodkowania” sygnału DC pochodzącego z mikrofonu. Mikrofony rezonują, tworząc ujemną i dodatnią energię prądu stałego. One również wykorzystują 'bias’, ale z innego powodu niż tranzystory. Bias w mikrofonie energetyzuje urządzenie i stawia 0 db powyżej 0 napięcia. Bias w większości mikrofonów wymaga dostarczenia mu około 2 woltów, ale może być inny.Kondensator przed tranzystorem sprowadza 2 woltowy bias do rzeczywistego 0, a więc usuwa przesunięcie DC.Tranzystor potrzebuje tego do pracy.

Komplikacje: Tworzenie obwodu wzmacniacza komplikuje się ze względu na takie rzeczy jak szumy sygnałowe. Zalecamy, abyś zaczął budować proste wzmacniacze z zestawów w celu opanowania podstaw. Następnie możesz podrasować potężniejsze i droższe układy.

Ucz się poprzez budowanie:
Buduj własne wzmacniacze i pedały efektów (dostępne są proste zestawy) >
Zestawy wzmacniaczy lamp próżniowych (pełnowymiarowe wzmacniacze gitarowe z głośnikami) >

Powyżej: w triodzie żarnik nagrzewa katodę, katoda i siatka są połączone z sygnałem AC. W punkcie (1.) siatka jest naładowana ujemnie i odpycha elektrony, być może nawet całkowicie je blokując przed dotarciem do katody. W punkcie (2.) siatka nie jest naładowana ujemnie i elektrony swobodnie przechodzą do zakrzywionej płytki zewnętrznej, która jest katodą. Uwaga: części (1.) i (2.) nie zachodzą jednocześnie, są pokazane razem tylko dla tej grafiki.

5.) Używanie lamp próżniowych do wzmacniania Pojawienie się triody w 1906 roku zrewolucjonizowało telefonię i radio. Istnieje wiele rodzajów lamp próżniowych używanych do wzmacniania i nadal używamy niektórych z nich dzisiaj. Wzmacniacze lampowe mogą wykorzystywać lampy próżniowe tetrodowe, triodowe i pentodowe do wzmocnienia sygnału. Wzmacniacz triodowy: Ta lampa ma gorącą katodę w centrum otoczoną metalową siatką z anodą otaczającą to. Katoda emituje elektrony, a w próżni elektrony swobodnie przepływają przez siatkę do anody. Poprzez ujemne napięcie siatki odpycha się więcej elektronów, co oznacza, że mniej elektronów może przejść przez siatkę, aby dostać się do anody. Jeśli weźmiesz słaby sygnał audio (zmienne napięcie) i zastosujesz go do siatki, będziesz przepuszczał więcej energii przez siatkę podczas dodatnich skoków i mniej podczas ujemnych, dzięki czemu możesz znacznie wzmocnić sygnał. Złą stroną wzmacniaczy lampowych jest to, że zużywają więcej energii i miejsca niż tranzystory.Gorąca katoda w lampie jest wykonana z żarnika wolframowego i torowego. Żarnik ten, podobnie jak żarówka, przepali się po kilku godzinach i lampę trzeba będzie wymienić. Gdy podłączysz wzmacniacz do głośnika, zachowanie wzmacniacza ulegnie zmianie. Impedancja głośnika będzie się zmieniać wraz ze zmianą obciążenia, a to ma wpływ na cały system. Zalety w stosunku do tranzystorów: Gitarzyści będą twierdzić, że dźwięk ze wzmacniacza lampowego jest lepszy niż ze wzmacniaczy opartych na tranzystorach. Systemy wzmacniaczy lampowych mają nieliniowe obcinanie i więcej zniekształceń harmonicznych drugiego rzędu, istnieje wiele szczegółowych artykułów na ten temat. Wzmacniacze półprzewodnikowe przeznaczone dla gitarzystów wykorzystują obecnie układy currentfeedback do zwiększenia impedancji wyjściowej, co daje podobny dźwięk z głośnika, jak w przypadku wzmacniacza lampowego.

6.) Three Tube Amplifier Example

Użyjemy prostego wzmacniacza gitarowego z trzema lampami, aby zademonstrować, w jaki sposób sygnał jest przekształcany ze słabego sygnału 0,9 V w mocny sygnał wystarczający do zasilenia dużej membrany głośnika. Nasza grafika jest uproszczoną wersją wzmacniacza Fender Champ-Amp przedstawianego w filmach „Uncle Doug’a”. Zobacz 38 minutowe wideo wymienione na dole, aby zagłębić się bardziej, jeśli potrzebujesz. W naszych schematach poniżej pominęliśmy rezystory i większość kondensatorów aby skupić się na działaniu wzmacniacza.

W powyższej grafice zobaczysz układ, który składa się z zasilacza (transformatora) połączonego z lampą prostowniczą i dwoma innymi lampami. Transformator zamienia napięcie 120 V ze ściany na trzy oddzielne linie. Linia 6V zasila tylko żarniki w dwóch lampach wzmacniacza. Dzięki temu żarniki są gorące, a lampy mogą pracować. Linia 5 V idzie do prostownika mocy i rozgrzewa lampy. Druga linia wysokiego napięcia przenosi prąd zmienny do prostownika, gdzie jest on przekształcany na prąd stały poprzez odcięcie ujemnych stron fali. Rezystory i transformatory w innych miejscach układu pomagają wygładzić sygnał DC, usuwając zakrzywione wzniesienia.

Sygnał gitarowy generowany przez przetworniki podłączany jest do siatki w lampie triodowej przedwzmacniacza. Anoda w tej lampie jest zasilana bardzo silnym napięciem 150 V + DC. Na katodzie w centrum lampy jest bardzo gorąco stymulując wytwarzanie dużej ilości elektronów, jednak siatka jest domyślnie w stanie ujemnym, blokując przepływ elektronów przez anodę. Sygnał AC z gitary zmienia siatkę, pozwalając milionom elektronów przepłynąć na drugą stronę we wzorze odwzorowującym kształt fali gitary.

Zasilanie AC podąża teraz linią DC od anody do innej siatki (lampy 12AX7) w tej samej rurze. Kondensator blokuje prąd stały, przepuszczając jedynie sygnał zmienny. Sygnał ten jest teraz silniejszy niż sygnał z oryginalnej struny gitarowej i ta druga siatka reaguje jeszcze silniej, pozwalając na przejście bardziej ekstremalnej fali AC z katody do anody. Sygnał został więc wzmocniony dwukrotnie już w tej lampie przedwzmacniacza.

Sygnał z lampy przedwzmacniacza jest przekazywany na płytki lampy końcowej. Ostatnia lampa w tym łańcuchu ma aż 320 woltów prądu stałego z niezwykle silnym ładunkiem +. Po raz kolejny siatka reaguje na prąd zmienny i wiele elektronów przepływa przez nią w tym samym kierunku, co fala prądu zmiennego. Ten sygnał prądu zmiennego przechodzi przez transformator, który przekształca go w napięcie, które może być wykorzystane przez głośnik. Normalnie 320 woltów przechodzących przez cewkę transformatora nie ma wpływu na głośnik po stronie transformatora, ponieważ prąd stały nie może przejść przez transformator.

Wideo, pełny opis tego układu:
Jak działają wzmacniacze lampowe, opis układu – zasilanie (18 min) >
I część 2 (20 min) opisu tego układu dla wzmacniacza Fender Champ-Amp >

Wideo: Pierwszy prototyp głośnika, ten film pokazuje lampy użyte w tym prototypie z 1921 roku.

Typy wzmacniaczy:
Wzmacniacze operacyjne
Wzmacniacze różnicowe
Wzmacniacze izolacyjne
Wzmacniacze z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
Wzmacniacze instrumentalne

Dalsza lektura:
Teoria tranzystorów >
Wzmacniacze operacyjne >
Elektronika półprzewodnikowa >
Radio >

Related Topics:

Głośniki	Rurki próżniowe	Mikrofony
. Telewizja	Gitary elektryczne	More Stuff