XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Усилители звука
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Без усилителя мощности не обходится практически ни одно современное электронное устройство, взаимодействующее с человеком. Данное устройство может быть использовано в усовершенствовании радиоприемников, телевизоров, магнитофонов или музыкальных аудиосистем.
Актуальность. В нашем современном мире усилитель звуковой частоты можно встретить во всей современной и даже несовременной технике: в телевизорах, музыкальных центрах, радиоприёмниках, радиопередатчиках, радиотрансляционных сетях, телефонах, мобильных телефонах, автомагнитолах и т.д.
Цель: собрать простейший усилитель звука в домашних условиях.
Объект проекта- усилители звуковых частот.
Задачи проекта:
рассмотреть классификацию и основные параметры усилителей звука;
собрать усилитель звука;
Теоретическая часть
Усилитель мощности звука (усилитель звуковой частоты, усилитель низкой частоты) — это устройство для усиления электрических сигналов в пределах диапазона частот, которые различает человеческое ухо (в среднем 20 Гц — 20 кГц). Усилитель повышает мощность сигнала источника звука, чтобы при подаче этого сигнала на устройство вывода звук получился громким и без искажений.
Основные нормируемые параметры
Коэффициент усиления
Уровень шума
Чувствительность
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Максимальное выходное напряжение
Максимальная выходная мощность
Аналоговые усилители и цифровые усилители
В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины, достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC), происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC), мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.
Каскады усиления
Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), а в некоторых случаях могут применяться и двухполюсники (электрическая цепь, рассматриваемая по отношению к двум своим зажимам) , например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп).
Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом)
Каскад с общей базой (затвором, сеткой)
Каскад с общим коллектором (стоком, анодом)
Каскад с распределенной нагрузкой
Каскадный усилитель
Классы усилителей звука
1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.
Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (Vс)
Класс A Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. По определению М. А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы. Режим работы на границе недозапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим. Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку.
Достоинства: минимальные искажения сигнала и высокая точность воспроизведения
Недостатки: низкая эффективность (КПД около 25%),высокое потребление электроэнергии, повышенное выделение тепла, малая мощность.
Схема усилителя A класса :
Класс B
В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.
Тока смещения тут не будет, потому что ток покоя прибора нулевой. Это привело к тому, что мощность аппаратуры невысока. КПД же выше, чем у аппаратов категории А.
Для восстановления формы исходного сигнала является применение двухтактного усилителя, где верхняя и нижняя полуволны входного сигнала усиливаются разными плечами усилителя, а затем суммируются в нагрузке.
Когда входной сигнал становится положительным, транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключен. Аналогично, когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается и проводит отрицательную часть сигнала. Таким образом , транзистор проводит только половину времени либо в положительном, либо в отрицательном полупериоде входного сигнала.
Оборудование вдвое эффективнее приборов группы А .
Но есть и минус, который представлен искажениями, обусловленными наличием некоторого коридора в транзисторах во время работы.
Часть сигнала в этом коридоре будет видоизменяться, что вносит корректировки в выходной сигнал.
Схема усилителя B класса:
Класс AB
Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.
Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B всегда устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5…15 % от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10…100 мА на каждый транзистор. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала.
Достоинства: КПД выше, чем в усилителях класса А, искажения меньше, чем в усилителях класса В, меньший нагрев, чем в усилителях класса А, простая схемотехника.
Н
едостатки: Искажения выше, чем в усилителях класса А Схема усилителя AB класса:
Класс D
Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) и Алеком Ривзом(Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику.В режиме D форма тока принимает вид прямоугольных импульсов: транзистор либо заперт, либо полностью открыт.
Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм , поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности . Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.
Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.
Достоинства: высокая эффективность, компактные размеры и вес, отсутствие фонового шума, низкая теплоотдача, готовность к работе сразу же после включения
Недостатки: сложная схемотехника
Схема усилителя D класса:
Класс C
Установки класса C характеризуются эффективностью, но при этом нелинейны. Входной ток равен нулю и сохраняется на данной отметке половину времени цикла обработки сигнала. Транзистор в этот момент переключен в ожидание. Подобный подход гарантирует КПД около 80%, однако во время использования прибора в сигнал вносятся изменения. Из-за этого усилители редко используют в акустике. Гораздо чаще встречаются в различных генераторах, радиоприборах, а также других преобразователях сигнала.
Помимо представленных здесь классов усилителей звука существует ещё много других, некоторые из них являются разработками отдельных компаний, например, класс AA-торговая марка УМЗЧ компании Technics. Каждый класс имеет свои преимущества и технические решения.
Сравнительная таблица некоторых классов:
Практическая часть
Я решил собрать усилитель класса A, так как для этого нашлись все нужные электронные компоненты (для других классов требуется комплементарная пара, компаратор, источник импульсов и др.).
Используемые детали:
4 Резистора(2x160 Ом, 100 Ом, 330 Ом); Реостат(320 Ком);
3 транзистора (2SD2046,кт817г,D13009K); 3 дросселя;
Радиатор для транзисторов;
2 плёночных (2x1мкФ) и 1 электролитический (200мкФ) конденсатор;
Динамик 8 Ом 5 Вт; Зарядное устройство от ноутбука 24В 0.75 А;
Провод от старых наушников; Монтажная плата (4x6см.);
Детали для сборки корпуса (фанера, само резы).
План сборки:
1) За основу усилителя взял простую схему усилителя A класса;
2) Собрал её на макетной плате;
3) В ходе испытания она была доработана и в результате стала выглядеть так:
4) Убедившись в том, что усилитель работает, я приступил к его пайке на монтажной плате:
5) Для питания усилителя я взял блок питания на 24В 0.75А (этого вполне хватает);
6
) Спав усилитель, я поместил его в корпус, собранный заранее, в который уже поместил динамик, реостат и блок питания:
7) В корпусе насверлил дырок для того чтобы лучше отводилось тепло;
8) Во время работы резисторы R1, R2, R3 сильно нагрелись (примерно за 1 час работы до 110ᵒ C), поэтому пришлось на них поместить радиатор:
Принцип работы:
Транзисторы подключены по схеме Дарлингтона (составной транзистор) для увеличения мощности и коэффициент усиления (транзистор Q1 (2SD2046) большой коэффициент усиления, но маленькая мощность; транзистор Q2 (кт817г) меньший коэффициент усиления и более высокая мощность ; транзистор Q3(D13009K) маленький коэффициент усиления, но большая мощность).
К транзисторам Q2 и Q3 подключен радиатор.
Три резистора (R1=160ом,2вт; R2=160ом,2вт; R3=100ом,3вт) подключены последовательно для увеличения их рассеивающей мощности (суммарное сопротивление 44.5 Ом).
К базе транзистора через резистор (330 Ком) и реостат (320-0 Ком), с помощью которого можно регулировать ток покоя усилителя, подтянуто положительное напряжение, а через конденсатор C1 (1мкф) поступает сигнал переменного тока.
Параллельно электролитическому конденсатору C2(200мкф) подключен пленочный конденсатор C3(1мкф) сделано это потому что электролитические конденсаторы портятся от высокочастотных всплесков, а если параллельно стоит пленочный, то он буден сглаживать эти всплески (т.к. у него значительно меньше ESR и ESL).
Также в схеме присутствуют дроссели, служащие для сглаживания “паразитных” высокочастотных всплесков.
Динамик подключен по схеме с общим эмиттером, что даёт усиление по току и напряжению.
Результат:
Данный усилитель можно подключить к компьютеру, телефону и другим устройствам, на которых есть разъём TRS (для наушников). Качество звука довольно неплохое, но при высокой амплитуде сигнала на входе звук немного искажается (для этого нужно реостатом отрегулировать ток покоя). Радиатор и резисторы R1, R2, R3 неплохо нагреваются, что говорит о не высоком КПД A класса.
Внешний вид:
Вывод
В результате проделанной работы достигнуты поставленные цели и задачи: изучена литература по теме проекта, и собран усилитель звука.
Я узнал много нового. Работа по сборке усилителя оказалась очень интересной и увлекательной.
В будущем я планирую применить полученный навыки в создании других электронных устройств, например, собрать радиоприёмник, аудио плеер. Также можно усовершенствовать данный усилитель, сделав его более мощным или собрать усилитель D класса.
Список использованных источников и литературы:
1. Бессонов Л.А., Теоретические основы электротехники – М., 1989;
2. Сивухин Д.В., Курс общей физики – М.: Физматлит, 2004;
3. Сифоров В.И., Радиоприемные устройства – М., 1988.
4. https://trueconf.ru/blog/wiki/usilitel-moshhnosti-zvuka
5.https://audiotop.ru/info/klassifikaciya-usiliteley-zvuka
6. https://pop-music.ru/articles/klassy-usiliteley/
7.https://youtu.be/E5chx1jQMmM