מגבר בתדר נמוך (להלן ULF) הוא מכשיר אלקטרוני שנועד להגביר תנודות בתדר נמוך לזו שהצרכן צריך. הם יכולים להתבצע על אלמנטים אלקטרוניים שונים כגון סוגים שונים של טרנזיסטורים, צינורות או מגברים תפעוליים. לכל ה-ULF יש מספר פרמטרים המאפיינים את האפקטיביות של עבודתם.
מאמר זה ידבר על השימוש במכשיר כזה, הפרמטרים שלו, שיטות הבנייה באמצעות רכיבים אלקטרוניים שונים. גם המעגלים של מגברים בתדר נמוך ייחשבו.
יישום של ULF
ULF משמש לרוב בציוד לשעתוק קול, מכיוון שבתחום טכנולוגיה זה יש צורך לעתים קרובות להגביר את תדר האות לזה שגוף האדם יכול לקלוט (מ-20 הרץ עד 20 קילו-הרץ).
יישומי ULF אחרים:
- טכנולוגיית מדידה;
- defectoscopy;
- מחשוב אנלוגי.
באופן כללי, מגברי בס נמצאים כרכיבים של מעגלים אלקטרוניים שונים, כגון מכשירי רדיו, מכשירים אקוסטיים, טלוויזיות או משדרי רדיו.
פרמטרים
הפרמטר החשוב ביותר למגבר הוא ה-gain. זה מחושב כיחס בין הפלט לקלט. בהתאם לערך הנבדק, הם מבחינים:
- current gain=זרם פלט / זרם כניסה;
- מתח מתח=מתח מוצא / מתח כניסה;
- power gain=הספק פלט / הספק קלט.
עבור מכשירים מסוימים, כמו מגבר הפעלה, הערך של מקדם זה גדול מאוד, אבל זה לא נוח לעבוד עם מספרים גדולים מדי (כמו גם קטנים מדי) בחישובים, כך שהרווחים מתבטאים לרוב בלוגריתמי יחידות. הנוסחאות הבאות חלות על זה:
- גבר כוח ביחידות לוגריתמיות=10לוגריתם של רווח ההספק הרצוי;
- הגברה הנוכחית ביחידות לוגריתמיות=20לוגריתם עשרוני של ההגברה הנוכחית הרצויה;
- הגברת מתח ביחידות לוגריתמיות=20לוגריתם של רווח המתח הרצוי.
מקדמים המחושבים בדרך זו נמדדים בדציבלים. שם מקוצר - dB.
הפרמטר החשוב הבאמגבר - מקדם עיוות אות. חשוב להבין שהגברת האות מתרחשת כתוצאה מהטרנספורמציות ושינויים שלו. לא העובדה שתמיד התמורות האלה יתרחשו בצורה נכונה. מסיבה זו, אות המוצא עשוי להיות שונה מאות הקלט, למשל בצורתו.
מגברים אידיאליים לא קיימים, אז עיוות תמיד קיים. נכון, בחלק מהמקרים הם אינם חורגים מהגבולות המותרים, בעוד שבאחרים כן. אם ההרמוניות של האותות במוצא המגבר חופפות להרמוניות של אותות הכניסה, אז העיוות הוא ליניארי ומצטמצם רק לשינוי באמפליטודה ובפאזה. אם מופיעות הרמוניות חדשות במוצא, אז העיוות אינו ליניארי, מכיוון שהוא מוביל לשינוי בצורת האות.
במילים אחרות, אם העיוות הוא ליניארי והיה אות "a" בכניסה של המגבר, אז הפלט יהיה אות "A", ואם הוא לא ליניארי, אז הפלט יהיה אות "B".
הפרמטר החשוב האחרון המאפיין את פעולת המגבר הוא הספק המוצא. זני כוח:
- Rated.
- רעש דרכון.
- מקסימום לטווח קצר.
- מקסימום לטווח ארוך.
כל ארבעת הסוגים מתוקנים על ידי GOSTs וסטנדרטים שונים.
Vamplifiers
באופן היסטורי, המגברים הראשונים נוצרו על צינורות ואקום, השייכים למחלקת מכשירי הוואקום.
בהתאם לאלקטרודות הממוקמות בתוך הבקבוק הרמטי, המנורות נבדלות:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
מקסימוםמספר האלקטרודות הוא שמונה. ישנם גם מכשירי אלקטרו ואקום כמו קליסטרונים.
מגבר טריודה
קודם כל, כדאי להבין את סכימת המעבר. תיאור של מעגל מגבר הטריודה בתדר נמוך ניתן להלן.
הלהט המחמם את הקתודה מופעל. מתח מופעל גם על האנודה. תחת פעולת הטמפרטורה, אלקטרונים נדפקים מהקתודה, אשר ממהרים אל האנודה, עליה מופעל פוטנציאל חיובי (לאלקטרונים יש פוטנציאל שלילי).
חלק מהאלקטרונים מיירט על ידי האלקטרודה השלישית - הרשת, שעליה מופעל גם מתח, רק לסירוגין. בעזרת הרשת מוסדר זרם האנודה (הזרם במעגל כולו). אם יופעל פוטנציאל שלילי גדול על הרשת, כל האלקטרונים מהקתודה ישקעו עליה, ולא יזרום זרם דרך המנורה, כי הזרם הוא תנועה מכוונת של אלקטרונים, והרשת חוסמת את התנועה הזו.
הגבר של המנורה מתאים את הנגד שמחובר בין ספק הכוח לאנודה. הוא קובע את המיקום הרצוי של נקודת הפעולה על מאפיין המתח הזרם, שבו תלויים פרמטרי ההגבר.
מדוע המיקום של נקודת ההפעלה כל כך חשוב? כי זה תלוי כמה זרם ומתח (ומכאן כוח) יוגברו במעגל המגבר בתדר נמוך.
אות המוצא במגבר הטריודה נלקח מהאזור שבין האנודה לבין הנגד המחובר לפניו.
מגבר פועלklystron
עקרון הפעולה של מגבר קליסטרון בתדר נמוך מבוסס על אפנון אות תחילה במהירות ולאחר מכן בצפיפות.
הקליסטרון מסודר באופן הבא: לבקבוק יש קתודה המחוממת על ידי חוט נימה, וקולטן (בדומה לאנודה). ביניהם נמצאים תהודי הקלט והפלט. אלקטרונים הנפלטים מהקתודה מואצים על ידי מתח המופעל על הקתודה וממהרים אל הקולט.
אלקטרונים מסוימים ינועו מהר יותר, אחרים לאט יותר - כך נראה אפנון מהירות. בשל השוני במהירות התנועה, אלקטרונים מקובצים באלומות - כך מתבטא אפנון הצפיפות. האות המאופנן בצפיפות נכנס לתהודה המוצא, שם הוא יוצר אות באותו תדר, אך הספק גדול יותר מאשר מהוד הקלט.
מסתבר שהאנרגיה הקינטית של אלקטרונים מומרת לאנרגיה של תנודות מיקרוגל של השדה האלקטרומגנטי של מהוד המוצא. כך מוגבר האות בקליסטרון.
תכונות של מגברי אלקטרו-וואקום
אם נשווה את האיכות של אותו אות המוגבר על ידי מכשיר שפופרת ו-ULF בטרנזיסטורים, ההבדל יהיה גלוי לעין בלתי מזוינת ולא לטובת האחרון.
כל מוזיקאי מקצועי יגיד לך שמגברי מנורות טובים בהרבה מעמיתיהם המתקדמים.
מכשירי אלקטרו-וואקום כבר מזמן יצאו מצריכה המונית, הם הוחלפו בטרנזיסטורים ומיקרו-מעגלים, אבל זה לא רלוונטי לתחום של שכפול הקול. בשל יציבות הטמפרטורה והוואקום בפנים, התקני מנורה מגבירים את האות טוב יותר.
החיסרון היחיד של הצינור ULF הוא המחיר הגבוה, וזה הגיוני: יקר לייצר אלמנטים שאין להם ביקוש המוני.
מגבר טרנזיסטור דו-קוטבי
לעתים קרובות שלבי הגברה מורכבים באמצעות טרנזיסטורים. ניתן להרכיב מגבר פשוט בתדר נמוך משלושה אלמנטים בסיסיים בלבד: קבל, נגד וטרנזיסטור n-p-n.
כדי להרכיב מגבר כזה, תצטרכו להאריק את פולט הטרנזיסטור, לחבר קבל בסדרה לבסיס שלו, ונגד במקביל. יש להניח את המטען מול הקולט. רצוי לחבר נגד מגביל לקולט במעגל זה.
מתח האספקה המותר של מעגל מגבר כזה בתדר נמוך משתנה בין 3 ל-12 וולט. יש לבחור את ערך הנגד בניסוי, תוך התחשבות בעובדה שערכו חייב להיות לפחות פי 100 מהתנגדות העומס. הערך של הקבל יכול להשתנות בין 1 ל-100 מיקרופארד. הקיבול שלו משפיע על כמות התדר שבו המגבר יכול לפעול. ככל שהקיבול גדול יותר, דירוג התדר שהטרנזיסטור יכול להגביר נמוך יותר.
אות הקלט של מגבר הטרנזיסטור הדו-קוטבי בתדר נמוך מופעל על הקבל. יש לחבר את עמוד החשמל החיובי לנקודת החיבור של העומס ולחבר את הנגד במקביל לבסיס ולקבל.
כדי לשפר את האיכות של אות כזה, ניתן לחבר קבל ומנגד מחוברים במקביל לפולט, הממלאים תפקיד של משוב שלילי.
מגבר עם שני טרנזיסטורים דו-קוטביים
כדי להגדיל את ההגבר, אתה יכול לחבר שני טרנזיסטורים ULF בודדים לאחד. אז ניתן להכפיל את הרווחים של מכשירים אלה.
למרות שאם תמשיך להגדיל את מספר שלבי ההגברה, הסיכוי לעירור עצמי של מגברים יגדל.
מגבר טרנזיסטור אפקט שדה
מגברים בתדר נמוך מורכבים גם על טרנזיסטורי אפקט שדה (להלן PT). המעגלים של מכשירים כאלה אינם שונים בהרבה מאלה המורכבים על טרנזיסטורים דו-קוטביים.
מגבר מבודד שער FET עם שער N-ערוץ (סוג ITF) ייחשב כדוגמה.
קבל מחובר בטור למצע של טרנזיסטור זה, ומחלק מתח מחובר במקביל. נגד מחובר למקור ה-FET (ניתן להשתמש גם בחיבור מקביל של קבל ונגד, כמתואר לעיל). נגד מגביל והספק מחוברים לניקוז, ונוצר מסוף עומס בין הנגד לניקוז.
אות הקלט למגברי טרנזיסטור אפקט שדה בתדר נמוך מופעל על השער. זה נעשה גם באמצעות קבל.
כפי שניתן לראות מההסבר, מעגל מגבר הטרנזיסטור הפשוט ביותר עם אפקט שדה אינו שונה ממעגל מגבר הטרנזיסטור הדו-קוטבי בתדר נמוך.
עם זאת, בעת עבודה עם PT, יש לקחת בחשבון את התכונות הבאות של רכיבים אלה:
- FET גבוה Rinput=I / Ugate-source. טרנזיסטורי אפקט שדה נשלטים על ידי שדה חשמלי,אשר נוצר מלחץ. לכן, FETs נשלטים על ידי מתח, לא זרם.
- FETs כמעט ולא צורכים זרם, מה שגורר עיוות קל של האות המקורי.
- אין הזרקת מטען בטרנזיסטורים עם אפקט שדה, כך שרמת הרעש של אלמנטים אלה נמוכה מאוד.
- הם עמידים לטמפרטורה.
החיסרון העיקרי של FETs הוא הרגישות הגבוהה שלהם לחשמל סטטי.
רבים מכירים את המצב שבו דברים שלכאורה לא מוליכים מזעזעים אדם. זהו הביטוי של חשמל סטטי. אם דחף כזה מופעל על אחד מהמגעים של טרנזיסטור אפקט השדה, ניתן לבטל את האלמנט.
לכן, כאשר עובדים עם ה-PT, עדיף לא לקחת את המגעים בידיים כדי לא לפגוע בטעות באלמנט.
OpAmp device
מגבר תפעולי (להלן מכונה op-amp) הוא מכשיר עם כניסות מובחן, בעל רווח גבוה מאוד.
הגברת אותות אינה הפונקציה היחידה של אלמנט זה. זה יכול לעבוד גם כמחולל אותות. עם זאת, תכונות ההגברה שלו הן שמעניינות לעבודה עם תדרים נמוכים.
כדי ליצור מגבר אות ממגבר הפעלה, צריך לחבר אליו כהלכה מעגל משוב, שהוא נגד רגיל. איך להבין איפה לחבר את המעגל הזה? כדי לעשות זאת, עליך להתייחס למאפיין ההעברה של מגבר ההפעלה. יש לו שני קטעים אופקיים ואחד ליניארי. אם נקודת ההפעלההמכשיר ממוקם על אחד הקטעים האופקיים, ואז המגבר פועל במצב מחולל (מצב דופק), אם הוא ממוקם על קטע ליניארי, אז המגבר מגבר את האות.
כדי להעביר את ה-Op-amp למצב ליניארי, עליך לחבר את הנגד המשוב עם מגע אחד ליציאה של המכשיר, והשני - לכניסה ההפוכה. הכללה זו נקראת משוב שלילי (NFB).
אם נדרש שהאות בתדר הנמוך יוגבר ולא ישתנה בפאזה, אזי הקלט ההפוכה עם OOS צריך להיות מוארק, ויש להחיל את האות המוגבר לכניסה שאינה הופכת. אם יש צורך להגביר את האות ולשנות את הפאזה שלו ב-180 מעלות, אז הכניסה הלא-הופכת חייבת להיות מוארקת, ואת אות הכניסה חייב להיות מחובר לזה המתהפך.
במקרה זה, אסור לנו לשכוח שהמגבר התפעולי חייב להיות מסופק בעוצמה של קוטביות מנוגדות. בשביל זה, יש לו מובילי קשר מיוחדים.
חשוב לציין שלפעמים קשה לבחור אלמנטים לעבודה עם מכשירים כאלה למעגל המגבר בתדר נמוך. תיאום קפדני שלהם נדרש לא רק מבחינת ערכים נומינליים, אלא גם מבחינת החומרים מהם הם עשויים, על מנת להשיג את פרמטרי הרווח הרצויים.
מגבר על שבב
ULF ניתן להרכיב על אלמנטים אלקטרו-וואקום, ועל טרנזיסטורים, ועל מגברים תפעוליים, רק צינורות ואקום הם המאה האחרונה, ושאר המעגלים אינם חפים מפגמים, שהתיקון שלהם כרוך בהכרח בסיבוך התכנון של המגבר. זה לא נוח.
מהנדסים כבר מזמן מצאו אפשרות נוחה יותר ליצירת ULF: התעשייה מייצרת מיקרו-מעגלים מוכנים הפועלים כמגברים.
כל אחד מהמעגלים האלה הוא קבוצה של מגברי הפעלה, טרנזיסטורים ואלמנטים אחרים המחוברים בצורה מסוימת.
דוגמאות לכמה סדרות ULF בצורה של מעגלים משולבים:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
כל הסדרות לעיל משמשות בציוד שמע. לכל דגם מאפיינים שונים: מתח אספקה, הספק פלט, רווח.
הם עשויים בצורת אלמנטים קטנים עם פינים רבים, שנוחים להצבה על הלוח ולהתלהם.
כדי לעבוד עם מגבר בתדר נמוך על מיקרו-מעגל, כדאי לדעת את היסודות של אלגברה לוגית, כמו גם את עקרונות הפעולה של אלמנטים לוגיים AND-NOT, OR-NOT.
ניתן להרכיב כמעט כל מכשיר אלקטרוני על אלמנטים לוגיים, אבל במקרה זה, מעגלים רבים יתבררו כמסורבלים ולא נוחים להתקנה.
לכן, נראה שהשימוש במעגלים משולבים מוכנים המבצעים את פונקציית ULF הוא האפשרות המעשית הנוחה ביותר.
שיפור תכנית
האמור לעיל היה דוגמה לאופן שבו ניתן לשפר את האות המוגבר בעבודה עם טרנזיסטורים דו-קוטביים ועם אפקט-שדה (על ידי חיבור קבל ונגד במקביל).
ניתן לבצע שדרוגים מבניים כאלה כמעט בכל תוכנית. כמובן שהכנסת אלמנטים חדשים גוברתירידת מתח (הפסדים), אך הודות לכך, ניתן לשפר את המאפיינים של מעגלים שונים. לדוגמה, קבלים הם מסנני תדר מצוינים.
על אלמנטים התנגדותיים, קיבוליים או אינדוקטיביים, מומלץ לאסוף את המסננים הפשוטים ביותר שמסננים תדרים שלא צריכים ליפול לתוך המעגל. על ידי שילוב של אלמנטים התנגדות וקיבוליים עם מגברים תפעוליים, ניתן להרכיב פילטרים יעילים יותר (אינטגרטורים, מבדילי Sallen-Key, מסנני חריץ ומעבר פס).
לסיכום
הפרמטרים החשובים ביותר של מגברי תדר הם:
- gain;
- גורם עיוות אות;
- פלט כוח.
מגברים בתדר נמוך משמשים לרוב בציוד שמע. אתה יכול לאסוף נתוני מכשיר כמעט על הרכיבים הבאים:
- על צינורות ואקום;
- על טרנזיסטורים;
- על מגברים תפעוליים;
- על צ'יפס גמור.
ניתן לשפר את המאפיינים של מגברים בתדר נמוך על ידי הכנסת אלמנטים התנגדות, קיבוליים או אינדוקטיביים.
לכל אחת מהסכמות לעיל יש יתרונות וחסרונות משלה: חלק מהמגברים יקרים להרכבה, חלקם יכולים להיכנס לרוויה, אצל חלקם קשה לתאם את האלמנטים שבהם נעשה שימוש. תמיד יש תכונות שמעצב המגבר צריך להתמודד איתן.
באמצעות כל ההמלצות שניתנו במאמר זה, אתה יכול לבנות מגבר משלך לשימוש ביתיבמקום לקנות את המכשיר הזה, שיכול לעלות הרבה כסף כשמדובר במכשירים באיכות גבוהה.
