Laagfrequente versterker (hierna ULF genoemd) is een elektronisch apparaat dat is ontworpen om laagfrequente oscillaties te versterken naar degene die de consument nodig heeft. Ze kunnen worden uitgevoerd op verschillende elektronische elementen, zoals verschillende soorten transistors, buizen of operationele versterkers. Alle ULF's hebben een aantal parameters die de effectiviteit van hun werk kenmerken.
Dit artikel gaat over het gebruik van een dergelijk apparaat, de parameters, constructiemethoden met behulp van verschillende elektronische componenten. De schakelingen van laagfrequente versterkers komen ook aan bod.
ULF-toepassing
ULF wordt het meest gebruikt in geluidsweergaveapparatuur, omdat het in dit gebied van technologie vaak nodig is om de signaalfrequentie te versterken tot wat het menselijk lichaam kan waarnemen (van 20 Hz tot 20 kHz).
Andere ULF-toepassingen:
- meettechnologie;
- defectoscopie;
- analoog computergebruik.
Over het algemeen worden basversterkers gevonden als componenten van verschillende elektronische circuits, zoals radio's, akoestische apparaten, televisies of radiozenders.
Parameters
De belangrijkste parameter voor een versterker is de versterking. Het wordt berekend als de verhouding van de output tot de input. Afhankelijk van de waarde die wordt overwogen, onderscheiden ze:
- current gain=uitgangsstroom / ingangsstroom;
- spanningsversterking=uitgangsspanning / ingangsspanning;
- vermogensversterking=uitgangsvermogen / ingangsvermogen.
Voor sommige apparaten, zoals op-amps, is de waarde van deze coëfficiënt erg groot, maar het is onhandig om in berekeningen met te grote (en ook te kleine) getallen te werken, dus winst wordt vaak uitgedrukt in logaritmische eenheden. Hiervoor gelden de volgende formules:
- vermogensversterking in logaritmische eenheden=10logaritme van de gewenste vermogensversterking;
- stroomversterking in logaritmische eenheden=20decimale logaritme van gewenste stroomversterking;
- spanningsversterking in logaritmische eenheden=20logaritme van de gewenste spanningsversterking.
Coëfficiënten die op deze manier worden berekend, worden gemeten in decibel. Afgekorte naam - dB.
De volgende belangrijke parameterversterker - signaalvervormingscoëfficiënt. Het is belangrijk om te begrijpen dat signaalversterking optreedt als gevolg van zijn transformaties en veranderingen. Niet het feit dat deze transformaties altijd correct zullen plaatsvinden. Om deze reden kan het uitgangssignaal verschillen van het ingangssignaal, bijvoorbeeld in vorm.
Ideale versterkers bestaan niet, dus vervorming is altijd aanwezig. Toegegeven, in sommige gevallen gaan ze niet verder dan de toegestane limieten, terwijl ze dat in andere wel doen. Als de harmonischen van de signalen aan de uitgang van de versterker samenvallen met de harmonischen van de ingangssignalen, dan is de vervorming lineair en wordt alleen gereduceerd tot een verandering in amplitude en fase. Als er nieuwe harmonischen aan de uitgang verschijnen, is de vervorming niet-lineair, omdat dit leidt tot een verandering in de signaalvorm.
Met andere woorden, als de vervorming lineair is en er was een "a"-signaal aan de ingang van de versterker, dan zal de uitvoer een "A" -signaal zijn, en als het niet-lineair is, dan is de output zal een “B” signaal zijn.
De laatste belangrijke parameter die de werking van de versterker kenmerkt, is het uitgangsvermogen. Krachtsoorten:
- Beoordeeld.
- Paspoortgeluid.
- Maximale korte termijn.
- Maximale lange termijn.
Alle vier typen zijn gestandaardiseerd door verschillende GOST's en standaarden.
Vamplifiers
Historisch gezien werden de eerste versterkers gemaakt op vacuümbuizen, die tot de klasse van vacuümapparaten behoren.
Afhankelijk van de elektroden die zich in de hermetische kolf bevinden, worden de lampen onderscheiden:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Maximumhet aantal elektroden is acht. Er zijn ook elektrovacuümapparaten zoals klystrons.
Triode versterker
Allereerst is het de moeite waard om het schakelschema te begrijpen. Hieronder volgt een beschrijving van het laagfrequente triode-versterkercircuit.
De gloeidraad die de kathode verwarmt, wordt bekrachtigd. Er wordt ook spanning op de anode aangebracht. Onder invloed van temperatuur worden elektronen uit de kathode geslagen, die naar de anode snellen, waarop een positieve potentiaal wordt toegepast (elektronen hebben een negatieve potentiaal).
Een deel van de elektronen wordt onderschept door de derde elektrode - het rooster, waarop ook spanning wordt toegepast, wisselt alleen af. Met behulp van het net wordt de anodestroom (de stroom in het circuit als geheel) geregeld. Als er een grote negatieve potentiaal op het rooster wordt aangelegd, zullen alle elektronen van de kathode erop neerslaan en zal er geen stroom door de lamp vloeien, omdat de stroom een gerichte beweging van elektronen is, en het rooster blokkeert deze beweging.
De lampversterking past de weerstand aan die is aangesloten tussen de voeding en de anode. Het stelt de gewenste positie van het werkpunt in op de stroom-spanningskarakteristiek, waarvan de versterkingsparameters afhangen.
Waarom is de positie van het werkpunt zo belangrijk? Omdat het afhangt van hoeveel stroom en spanning (en dus vermogen) zal worden versterkt in het laagfrequente versterkercircuit.
Het uitgangssignaal op de triode-versterker wordt genomen uit het gebied tussen de anode en de weerstand die ervoor is aangesloten.
Versterker aanklystron
Het werkingsprincipe van een laagfrequente klystron-versterker is gebaseerd op signaalmodulatie, eerst in snelheid en vervolgens in dichtheid.
De klystron is als volgt gerangschikt: de kolf heeft een kathode die wordt verwarmd door een gloeidraad en een collector (analoog aan de anode). Daartussen bevinden zich de ingangs- en uitgangsresonatoren. Door de kathode uitgezonden elektronen worden versneld door een op de kathode aangelegde spanning en snel naar de collector.
Sommige elektronen zullen sneller bewegen, andere langzamer - zo ziet snelheidsmodulatie eruit. Vanwege het verschil in bewegingssnelheid worden elektronen gegroepeerd in bundels - dit is hoe dichtheidsmodulatie zich manifesteert. Het dichtheidsgemoduleerde signaal komt de uitgangsresonator binnen, waar het een signaal met dezelfde frequentie creëert, maar een groter vermogen dan de ingangsresonator.
Het blijkt dat de kinetische energie van elektronen wordt omgezet in de energie van microgolfoscillaties van het elektromagnetische veld van de uitgangsresonator. Zo wordt het signaal in de klystron versterkt.
Kenmerken van elektrovacuümversterkers
Als we de kwaliteit vergelijken van hetzelfde signaal, versterkt door een buisapparaat en ULF op transistors, zal het verschil met het blote oog zichtbaar zijn en niet in het voordeel van de laatste.
Elke professionele muzikant zal je vertellen dat buizenversterkers veel beter zijn dan hun geavanceerde tegenhangers.
Elektrovacuümapparaten zijn al lang niet meer massaal verbruikt, ze werden vervangen door transistors en microschakelingen, maar dit is niet relevant voor het gebied van geluidsweergave. Vanwege de temperatuurstabiliteit en het vacuüm binnenin versterken lampapparaten het signaal beter.
Het enige nadeel van de buis ULF is de hoge prijs, wat logisch is: het is duur om elementen te produceren waar niet veel vraag naar is.
Bipolaire transistorversterker
Vaak worden versterkertrappen geassembleerd met behulp van transistors. Een eenvoudige laagfrequente versterker kan worden samengesteld uit slechts drie basiselementen: een condensator, een weerstand en een npn-transistor.
Om zo'n versterker te monteren, moet je de emitter van de transistor aarden, een condensator in serie aansluiten op de basis en een weerstand parallel. De lading moet voor de collector worden geplaatst. Het is raadzaam om in deze schakeling een begrenzingsweerstand op de collector aan te sluiten.
De toegestane voedingsspanning van zo'n laagfrequent versterkercircuit varieert van 3 tot 12 volt. De waarde van de weerstand moet experimenteel worden gekozen, rekening houdend met het feit dat de waarde ervan minstens 100 keer de belastingsweerstand moet zijn. De waarde van de condensator kan variëren van 1 tot 100 microfarad. De capaciteit beïnvloedt de hoeveelheid frequentie waarop de versterker kan werken. Hoe groter de capaciteit, hoe lager de frequentiewaarde die de transistor kan versterken.
Het ingangssignaal van de laagfrequente bipolaire transistorversterker wordt toegevoerd aan de condensator. De positieve vermogenspool moet worden aangesloten op het aansluitpunt van de belasting en de weerstand moet parallel worden geschakeld met de basis en de condensator.
Om de kwaliteit van een dergelijk signaal te verbeteren, kunt u een parallel geschakelde condensator en weerstand op de emitter aansluiten, die de rol van negatieve feedback spelen.
Versterker met twee bipolaire transistoren
Om de versterking te vergroten, kunt u twee enkele ULF-transistors op één aansluiten. Dan kan de winst van deze apparaten worden vermenigvuldigd.
Hoewel als je het aantal versterkertrappen blijft vergroten, de kans op zelfexcitatie van versterkers toeneemt.
Veldeffect-transistorversterker
Laagfrequente versterkers worden ook geassembleerd op veldeffecttransistoren (hierna PT genoemd). De circuits van dergelijke apparaten verschillen niet veel van die welke zijn geassembleerd op bipolaire transistors.
Een n-kanaals FET-versterker (ITF-type) met geïsoleerde poort zal als voorbeeld worden beschouwd.
Een condensator is in serie verbonden met het substraat van deze transistor en een spanningsdeler is parallel geschakeld. Op de source van de FET is een weerstand aangesloten (je kunt ook een parallelschakeling van een condensator en een weerstand gebruiken, zoals hierboven beschreven). Een beperkende weerstand en voeding zijn aangesloten op de afvoer en er wordt een belastingsterminal gemaakt tussen de weerstand en de afvoer.
Het ingangssignaal naar laagfrequente veldeffecttransistorversterkers wordt toegevoerd aan de poort. Dit gebeurt ook via een condensator.
Zoals je kunt zien aan de hand van de uitleg, verschilt het eenvoudigste veldeffecttransistorversterkercircuit niet van het laagfrequente bipolaire transistorversterkercircuit.
Bij het werken met PT moet echter rekening worden gehouden met de volgende kenmerken van deze elementen:
- FET hoog Rinput=I / Ugate-source. Veldeffecttransistoren worden aangestuurd door een elektrisch veld,die wordt gegenereerd door stress. Daarom worden FET's bestuurd door spanning, niet door stroom.
- FET's verbruiken bijna geen stroom, wat een lichte vervorming van het oorspronkelijke signaal met zich meebrengt.
- Er is geen ladingsinjectie in veldeffecttransistoren, dus het geluidsniveau van deze elementen is erg laag.
- Ze zijn temperatuurbestendig.
Het belangrijkste nadeel van FET's is hun hoge gevoeligheid voor statische elektriciteit.
Velen zijn bekend met de situatie waarin schijnbaar niet-geleidende dingen een persoon schokken. Dit is de manifestatie van statische elektriciteit. Als een dergelijke impuls wordt toegepast op een van de contacten van de veldeffecttransistor, kan het element worden uitgeschakeld.
Bij het werken met de PT is het dus beter om de contacten niet met uw handen vast te pakken om het element niet per ongeluk te beschadigen.
OpAmp-apparaat
Operationele versterker (hierna op-amp genoemd) is een apparaat met gedifferentieerde ingangen, dat een zeer hoge versterking heeft.
Signaalversterking is niet de enige functie van dit element. Het kan ook werken als signaalgenerator. Niettemin zijn het de versterkende eigenschappen die van belang zijn voor het werken met lage frequenties.
Om van een opamp een signaalversterker te maken, moet je er een feedbackcircuit op de juiste manier op aansluiten, wat een gewone weerstand is. Hoe te begrijpen waar dit circuit moet worden aangesloten? Om dit te doen, moet u verwijzen naar de overdrachtskarakteristiek van de op-amp. Het heeft twee horizontale en één lineaire sectie. Als het werkpuntapparaat zich op een van de horizontale secties bevindt, dan werkt de op-amp in generatormodus (pulsmodus), als het zich op een lineair gedeelte bevindt, versterkt de op-amp het signaal.
Om de op-amp over te zetten naar de lineaire modus, moet u de feedbackweerstand met één contact aansluiten op de uitgang van het apparaat en de andere - op de inverterende ingang. Deze opname wordt negatieve feedback (NFB) genoemd.
Als het vereist is dat het laagfrequente signaal wordt versterkt en niet in fase verandert, moet de inverterende ingang met OOS worden geaard en moet het versterkte signaal worden toegepast op de niet-inverterende ingang. Als het nodig is om het signaal te versterken en de fase 180 graden te veranderen, moet de niet-inverterende ingang worden geaard en moet het ingangssignaal worden aangesloten op de inverterende.
In dit geval mogen we niet vergeten dat de operationele versterker moet worden gevoed met stroom van tegengestelde polariteiten. Hiervoor heeft hij speciale contactleads.
Het is belangrijk op te merken dat het werken met dergelijke apparaten soms moeilijk is om elementen voor het laagfrequente versterkercircuit te selecteren. Hun zorgvuldige coördinatie is niet alleen vereist in termen van nominale waarden, maar ook in termen van de materialen waaruit ze zijn gemaakt, om de gewenste versterkingsparameters te bereiken.
Versterker op een chip
ULF kan worden geassembleerd op elektrovacuümelementen en op transistors en op operationele versterkers, alleen vacuümbuizen zijn de vorige eeuw, en de rest van de circuits zijn niet zonder gebreken, waarvan de correctie onvermijdelijk met zich meebrengt dat het ontwerp ingewikkelder wordt van de versterker. Dit is onhandig.
Ingenieurs hebben al lang een gemakkelijkere optie gevonden om ULF te maken: de industrie produceert kant-en-klare microschakelingen die als versterkers fungeren.
Elk van deze circuits is een set op-amps, transistors en andere elementen die op een bepaalde manier zijn verbonden.
Voorbeelden van enkele ULF-series in de vorm van geïntegreerde schakelingen:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Alle bovenstaande series worden gebruikt in audioapparatuur. Elk model heeft verschillende kenmerken: voedingsspanning, uitgangsvermogen, versterking.
Ze zijn gemaakt in de vorm van kleine elementen met veel pinnen, die gemakkelijk op het bord kunnen worden geplaatst en gemonteerd.
Om met een laagfrequente versterker op een microschakeling te werken, is het handig om de basis van logische algebra te kennen, evenals de werkingsprincipes van logische elementen AND-NOT, OR-NOT.
Bijna elk elektronisch apparaat kan op logische elementen worden gemonteerd, maar in dit geval zullen veel circuits omvangrijk en onhandig voor installatie blijken te zijn.
Daarom lijkt het gebruik van kant-en-klare geïntegreerde schakelingen die de ULF-functie uitvoeren de handigste praktische optie.
Schemaverbetering
Het bovenstaande was een voorbeeld van hoe u het versterkte signaal kunt verbeteren bij het werken met bipolaire en veldeffecttransistoren (door een condensator en weerstand parallel aan te sluiten).
Dergelijke structurele upgrades kunnen met bijna elk schema worden gemaakt. Natuurlijk neemt de introductie van nieuwe elementen toespanningsval (verliezen), maar hierdoor kunnen de eigenschappen van verschillende circuits worden verbeterd. Condensatoren zijn bijvoorbeeld uitstekende frequentiefilters.
Op resistieve, capacitieve of inductieve elementen wordt aanbevolen om de eenvoudigste filters te verzamelen die frequenties uitfilteren die niet in het circuit mogen vallen. Door resistieve en capacitieve elementen te combineren met operationele versterkers, kunnen efficiëntere filters (integrators, Sallen-Key differentiators, notch- en bandpass-filters) worden samengesteld.
Tot slot
De belangrijkste parameters van frequentieversterkers zijn:
- winst;
- signaalvervormingsfactor;
- vermogen.
Laagfrequente versterkers worden het vaakst gebruikt in audioapparatuur. U kunt apparaatgegevens praktisch verzamelen over de volgende elementen:
- op vacuümbuizen;
- op transistors;
- op operationele versterkers;
- op afgewerkte chips.
De kenmerken van laagfrequente versterkers kunnen worden verbeterd door resistieve, capacitieve of inductieve elementen te introduceren.
Elk van de bovenstaande schema's heeft zijn eigen voor- en nadelen: sommige versterkers zijn duur om te monteren, sommige kunnen in verzadiging raken, voor sommige is het moeilijk om de gebruikte elementen te coördineren. Er zijn altijd functies waar de ontwerper van de versterker mee te maken heeft.
Met alle aanbevelingen in dit artikel kun je je eigen versterker bouwen voor thuisgebruikin plaats van dit apparaat te kopen, wat veel geld kan kosten als het gaat om apparaten van hoge kwaliteit.
