مكبرات الصوت الإلكترونية في الإلكترونيات الصناعية

هذه هي الأجهزة المصممة لتضخيم الجهد والتيار والطاقة للإشارة الكهربائية.

أبسط مضخم هو دائرة ترانزستور. يرجع استخدام مكبرات الصوت إلى حقيقة أن الإشارات الكهربائية (الفولتية والتيارات) التي تدخل الأجهزة الإلكترونية عادة ما تكون ذات سعة صغيرة ومن الضروري زيادتها إلى القيمة الضرورية الكافية للاستخدام الإضافي (التحويل ، النقل ، إمداد الطاقة للحمل ).

يوضح الشكل 1 الأجهزة المطلوبة لتشغيل مكبر الصوت.

الشكل 1 - بيئة مكبر للصوت

الطاقة الصادرة عند تحميل مكبر الصوت هي الطاقة المحولة لمصدر الطاقة الخاص به وإشارة الإدخال تقودها فقط. مكبرات الصوت تعمل بالطاقة من مصادر التيار المباشر.

عادة ، يتكون مكبر الصوت من عدة مراحل تضخيم (الشكل 2). تسمى المراحل الأولى من التضخيم ، المصممة أساسًا لتضخيم جهد الإشارة ، بالمضخمات الأولية. يتم تحديد دوائرهم حسب نوع مصدر إشارة الدخل.

المرحلة التي تعمل على تضخيم قوة الإشارة تسمى المحطة أو الخرج.يتم تحديد مخططهم حسب نوع الحمل. أيضًا ، قد يشتمل مكبر الصوت على مراحل وسيطة مصممة للحصول على التضخيم الضروري و (أو) لتشكيل الخصائص الضرورية للإشارة المضخمة.

الشكل 2 - هيكل مكبر للصوت

تصنيف مكبر الصوت:

1) اعتمادًا على المعلمة المضخمة والجهد والتيار ومكبرات الطاقة

2) حسب طبيعة الإشارات المضخمة:

• مضخمات الإشارات التوافقية (المستمرة) ؛

• مضخمات إشارة النبض (مضخمات رقمية).

3) في نطاق الترددات المضخمة:

• مضخمات التيار المستمر

• مضخمات التيار المتردد

• تردد منخفض ، عالي ، عالي جدًا ، إلخ.

4) حسب طبيعة الاستجابة الترددية:

• الرنين (تضخيم الإشارات في نطاق تردد ضيق) ؛

• ممر النطاق (يضخم نطاق تردد معين) ؛

• النطاق العريض (يضخم نطاق التردد بأكمله).

5) حسب نوع عناصر التسليح:

• من مصابيح الفراغ الكهربائية.

• على أجهزة أشباه الموصلات.

• على الدوائر المتكاملة.

عند اختيار مكبر للصوت ، اخرج من معلمات مكبر الصوت:

• قوة الخرج تقاس بالواط. تختلف طاقة الإخراج بشكل كبير اعتمادًا على الغرض من مكبر الصوت ، على سبيل المثال في مكبرات الصوت - من ملي واط في سماعات الرأس إلى عشرات ومئات الواط في أنظمة الصوت.

• مدى التردد ، مُقاسًا بالهرتز. على سبيل المثال ، يجب أن يوفر مضخم الصوت نفسه عادةً كسبًا في نطاق التردد 20-20000 هرتز ، ومكبر إشارة التلفزيون (صورة + صوت) - 20 هرتز - 10 ميجا هرتز وما فوق.

• تشويه غير خطي ، يقاس بالنسبة المئوية. يميز تشوه شكل الإشارة المضخمة. بشكل عام ، كلما انخفض معامل معين ، كان ذلك أفضل.

• يتم قياس الكفاءة (نسبة الكفاءة) بالنسبة المئوية.يوضح مقدار الطاقة من مصدر الطاقة المستخدمة لتبديد الطاقة في الحمل. الحقيقة هي أن جزءًا من طاقة المصدر يضيع ، وإلى حد كبير هذه خسائر في الحرارة - حيث يتسبب تدفق التيار دائمًا في تسخين المادة. هذه المعلمة مهمة بشكل خاص للأجهزة التي تعمل بالطاقة الذاتية (من المراكم والبطاريات).

يوضح الشكل 3 دائرة preamp الترانزستور ثنائية القطب النموذجية. تأتي إشارة الدخل من مصدر الجهد Uin ، حيث تمرر المكثفات المانعة Cp1 و Cp2 المتغير ie. تضخيم الإشارة وعدم تمرير التيار المباشر ، مما يجعل من الممكن إنشاء أوضاع تشغيل مستقلة للتيار المباشر في مراحل مكبر الصوت المتصلة بالسلسلة.

الشكل 3 - رسم تخطيطي لمرحلة مكبر للصوت في الترانزستور ثنائي القطب

المقاومات Rb1 و Rb2 هما الحاجز الرئيسي الذي يوفر تيار البدء لقاعدة الترانزستور Ib0 ، يوفر المقاوم Rk تيار البداية للمجمع Ik0. تسمى هذه التيارات التيارات الصفائحية. في حالة عدم وجود إشارة دخل ، فهي ثابتة. يوضح الشكل 4 المخططات الزمنية لمكبر الصوت. المخطط الزمني هو تغيير في المعلمة بمرور الوقت.

يوفر Resistor Re ردود فعل سلبية للتيار (NF). التغذية المرتدة (OC) هي نقل جزء من إشارة الخرج إلى دائرة الإدخال الخاصة بمكبر الصوت. إذا كانت إشارة الإدخال وإشارة التغذية المرتدة معكوسة في الطور ، فيُقال إن التغذية المرتدة سلبية. يقلل OOS من الكسب ، ولكن في نفس الوقت يقلل من التشوه التوافقي ويزيد من استقرار مكبر الصوت. يتم استخدامه في جميع مكبرات الصوت تقريبًا.

المقاوم Rf والمكثف Cf هما عنصران مرشحان.يشكل المكثف Cf دائرة مقاومة منخفضة للمكون المتغير للتيار الذي يستهلكه مكبر الصوت من المنبع لأعلى. تكون عناصر التصفية ضرورية إذا تم تغذية العديد من مصادر مكبر الصوت من المصدر.

عند تطبيق إشارة الإدخال Uin ، يظهر Ib الحالي في دائرة الإدخال ، وفي الإخراج Ik ~. سيكون انخفاض الجهد الناتج عن Ik الحالي ~ من خلال الحمل Rn هو إشارة الإخراج المضخمة.

من المخططات المؤقتة للجهود والتيارات (الشكل 3) ، يمكن ملاحظة أن المكونات المتغيرة للجهود في المدخلات Ub ~ والمخرج Uc ~ = Uout للشلال هي طور مضاد ، أي تقوم مرحلة الكسب في الترانزستور OE بتغيير (عكس) مرحلة إشارة الإدخال في الاتجاه المعاكس.

الشكل 4 - مخططات توقيت التيارات والفولتية في مرحلة مكبر للصوت في الترانزستور ثنائي القطب

مكبر الصوت التشغيلي (OU) هو مضخم للتيار المستمر / التيار المتردد ذو مكاسب عالية وردود فعل سلبية عميقة.

يسمح بتنفيذ عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية ، ولكن يُطلق عليه تقليديًا مكبر للصوت.

يمكننا القول أن مكبرات الصوت التشغيلية هي العمود الفقري لجميع الإلكترونيات التناظرية. يرتبط الاستخدام الواسع لمضخمات التشغيل بمرونتها (القدرة على بناء أجهزة إلكترونية مختلفة على أساسها ، تناظرية ونبضية) ، ونطاق تردد واسع (تضخيم إشارات التيار المستمر والتيار المتردد) ، واستقلالية المعلمات الرئيسية عن عدم الاستقرار الخارجي العوامل (تغير درجة الحرارة ، جهد الإمداد ، إلخ). تستخدم مكبرات الصوت المتكاملة (IOUs) بشكل أساسي.

يتم تفسير وجود كلمة "تشغيلية" في الاسم من خلال إمكانية أن تقوم هذه المكبرات بإجراء عدد من العمليات الحسابية - الجمع والطرح والتفاضل والتكامل ، إلخ.

يوضح الشكل 5 UGO IEE.يحتوي مكبر الصوت على مدخلين - أمامي وخلفي ومخرج واحد. عندما يتم تطبيق إشارة الدخل على إدخال غير مقلوب (مباشر) ، فإن إشارة الخرج لها نفس القطبية (المرحلة) - الشكل 5 ، أ.

الشكل 5 - التسميات الرسومية التقليدية لمضخمات التشغيل

عند استخدام الإدخال المقلوب ، سيتم إزاحة مرحلة إشارة الخرج بمقدار 180 درجة بالنسبة إلى مرحلة إشارة الإدخال (عكس القطبية) - الشكل 6 ، ب. المدخلات والمخرجات العكسية محاطة بدائرة.

الشكل 6 - المخططات الزمنية لـ op-amp: أ) - غير مقلوب ، ب) - مقلوب

عندما يتم تطبيق جهد على ورق الحائط ، فإن جهد الخرج يتناسب مع الفرق بين الفولتية المدخلة. هؤلاء. يتم قبول إشارة الإدخال العكسي بعلامة «-«. Uout = K (Uneinv - Uinv) ، حيث K هو الكسب.

الشكل 7 - السعة المميزة لجهاز op-amp

يتم تشغيل جهاز op-amp بواسطة مصدر ثنائي القطب ، عادة + 15V و -15V. ويسمح أيضًا بمصدر طاقة أحادي القطب. يشار إلى بقية استنتاجات IOU عند استخدامها.

يتم شرح تشغيل op-amp من خلال خاصية السعة - الشكل 8. في الخاصية ، يمكن تمييز مقطع خطي ، حيث يزداد جهد الخرج بشكل متناسب مع زيادة جهد الدخل ، وقسمان من التشبع U + جلس ويو سات. عند قيمة معينة لجهد الإدخال Uin.max ، ينتقل مكبر الصوت إلى وضع التشبع ، حيث يفترض جهد الخرج قيمة قصوى (عند قيمة Up = 15 V ، تقريبًا Uns = 13 V) ويبقى بدون تغيير مع مزيد زيادة في إشارة الدخل. يتم استخدام وضع التشبع في أجهزة النبض بناءً على مكبرات الصوت التشغيلية.

تستخدم مكبرات الصوت في المراحل النهائية من التضخيم وهي مصممة لتوليد الطاقة المطلوبة في الحمل.

ميزتها الرئيسية هي التشغيل عند مستويات إشارة دخل عالية وتيارات خرج عالية ، مما يستلزم استخدام مضخمات قوية.

يمكن أن تعمل المضخمات في أوضاع A و AB و B و C و D.

في الوضع A ، يكون تيار الإخراج لجهاز مكبر الصوت (الترانزستور أو الأنبوب الإلكتروني) مفتوحًا طوال فترة الإشارة المضخمة (أي باستمرار) ويتدفق تيار الخرج خلالها. تقدم مضخمات القدرة من الفئة أ الحد الأدنى من التشوه في الإشارة المضخمة ، ولكنها ذات كفاءة منخفضة للغاية.

في الوضع B ، ينقسم تيار الخرج إلى جزأين ، يقوم مكبر للصوت بتضخيم نصف الموجة الموجبة للإشارة ، والثاني سلبي. نتيجة لذلك ، كفاءة أعلى مما كانت عليه في الوضع A ، ولكن أيضًا حدوث تشوهات غير خطية كبيرة في لحظة تبديل الترانزستورات.

يكرر الوضع AB الوضع B ، ولكن في لحظة الانتقال من نصف موجة إلى أخرى ، يكون كلا الترانزستورين مفتوحين ، مما يجعل من الممكن تقليل التشوهات مع الحفاظ على كفاءة عالية. وضع AB هو الأكثر شيوعًا لمكبرات الصوت التناظرية.

يستخدم الوضع C في الحالات التي لا يوجد فيها تشويه لشكل الموجة أثناء التضخيم ، لأن تيار خرج مكبر الصوت يتدفق لأقل من نصف فترة ، مما يؤدي بالطبع إلى تشوهات كبيرة.

يستخدم الوضع D تحويل إشارات الإدخال إلى نبضات ، وتضخيم تلك النبضات ، ثم تحويلها مرة أخرى.في هذه الحالة ، تعمل الترانزستورات الناتجة في وضع المفتاح (الترانزستور مغلق تمامًا أو مفتوح بالكامل) ، مما يجعل كفاءة مكبر الصوت أقرب إلى 100 ٪ (في وضع AV ، لا تتجاوز الكفاءة 50 ٪). مكبرات الصوت التي تعمل في الوضع D تسمى مكبرات الصوت الرقمية.

في دائرة الدفع والسحب ، يحدث التضخيم (الوضعان B و AB) في دورتين على مدار الساعة. خلال نصف الدورة الأولى ، يتم تضخيم إشارة الإدخال بواسطة ترانزستور واحد ، ويتم إغلاق الأخرى خلال نصف الدورة أو جزء منها. في نصف الدورة الثانية ، يتم تضخيم الإشارة بواسطة الترانزستور الثاني بينما يتم إيقاف تشغيل الأول.

تظهر الدائرة المنزلقة لمضخم الترانزستور في الشكل 8. تقدم مرحلة الترانزستور VT3 دفعة إلى ترانزستورات الخرج VT1 و VT2. تحدد المقاومات R1 و R2 الوضع الثابت لتشغيل الترانزستورات.

مع وصول Uin سالب نصف الموجة ، يزداد تيار المجمع VT3 ، مما يؤدي إلى زيادة الجهد عند قواعد الترانزستورات VT1 و VT2. في هذه الحالة ، يتم إغلاق VT2 ومن خلال VT1 يمر تيار المجمع عبر الدائرة: + Up ، الانتقال K-E VT1 ، C2 (أثناء الشحن) ، Rn ، الحالة.

عند وصول نصف موجة موجبة ، يتم إغلاق Uin VT3 ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد عند قواعد الترانزستورات VT1 و VT2 - VT1 ، ومن خلال VT2 يتدفق تيار المجمع عبر الدائرة: + C2 ، الانتقال EK VT2 ، حالة ، Rn ، -C2. تي

هذا يضمن أن التيار لكل من الموجات النصفية لجهد الدخل يتدفق عبر الحمل.

الشكل 8 - تخطيطي لمضخم الطاقة

في الوضع D ، تعمل مكبرات الصوت مع تعديل عرض النبضة (PWM)… يتم تعديل إشارة الدخل نبضات مستطيلةعن طريق تغيير مدتها.في هذه الحالة ، يتم تحويل الإشارة إلى نبضات مستطيلة من نفس السعة ، وتتناسب مدتها مع قيمة الإشارة في أي وقت من الأوقات.

يتم تغذية قطار النبض إلى الترانزستور (الترانزستور) من أجل التضخيم. لأن الإشارة المضخمة نبضية ، يعمل الترانزستور في الوضع الرئيسي. يرتبط التشغيل في الوضع الرئيسي بحد أدنى من الخسائر ، نظرًا لأن الترانزستور إما مغلق أو مفتوح تمامًا (له مقاومة قليلة). بعد التضخيم ، يتم استخراج مكون التردد المنخفض (الإشارة الأصلية المضخمة) من الإشارة باستخدام مرشح تمرير منخفض ( LPF) ويتغذى على الحمل.

الشكل 9 - رسم تخطيطي لمكبر للصوت من الفئة D

تُستخدم مكبرات الصوت من الفئة D في أنظمة صوت الكمبيوتر المحمول ، والاتصالات المحمولة ، وأجهزة التحكم في المحركات ، والمزيد.

تتميز مكبرات الصوت الحديثة بالاستخدام الواسع للدوائر المتكاملة.