Как работают усилители

Когда люди говорят об «усилителях», они обычно имеют в виду стереокомпоненты или музыкальное оборудование. Но это лишь малая часть спектра аудиоусилителей. На самом деле вокруг нас есть усилители. Вы найдете их в телевизорах , компьютерах , портативных проигрывателях компакт -дисков и большинстве других устройств, в которых для воспроизведения звука используется динамик .

Звук — увлекательное явление. Когда что-то вибрирует в атмосфере, оно приводит в движение частицы воздуха вокруг себя. Эти частицы воздуха, в свою очередь, перемещают частицы воздуха вокруг себя, перенося импульс вибрации по воздуху. Наши уши улавливают эти колебания атмосферного давления и преобразуют их в электрические сигналы, которые мозг может обработать.

Электронное звуковое оборудование работает таким же образом. Он представляет звук как переменный электрический ток. Вообще говоря, в таком воспроизведении звука есть три этапа:

Как видите, все основные компоненты этой системы по сути являются трансляторами: они принимают сигнал в одной форме и переводят его в другую. В конце концов, звуковой сигнал преобразуется обратно в свою первоначальную форму — физическую звуковую волну.

Чтобы регистрировать все мельчайшие колебания давления в звуковой волне, диафрагма микрофона должна быть чрезвычайно чувствительной. Это означает, что он очень тонкий и перемещается только на короткое расстояние. Следовательно, микрофон производит довольно небольшой электрический ток.

Это нормально для большинства стадий процесса — оно достаточно сильное, например, для использования в записывающем устройстве, и оно легко передается по проводам. Но последний шаг в этом процессе — толкание диффузора динамика вперед и назад — более сложен. Для этого вам нужно усилить звуковой сигнал, чтобы он имел больший ток, сохраняя при этом ту же схему колебаний заряда.

Это работа усилителя. Он просто производит более мощную версию звукового сигнала. В этой статье мы увидим, что делают усилители и как они это делают. Усилители могут быть очень сложными устройствами, состоящими из сотен крошечных деталей, но вы можете получить четкое представление о том, как работает усилитель, изучив самые основные компоненты. В следующем разделе мы рассмотрим основные элементы усилителей.

1. Накачай это
2. Электронные элементы
3. Повышение напряжения

В предыдущем разделе мы видели, что работа усилителя состоит в том, чтобы принимать слабый аудиосигнал и усиливать его, чтобы генерировать сигнал, достаточно мощный для работы динамика. Это точное описание, если рассматривать усилитель в целом, но процесс внутри усилителя немного сложнее.

На самом деле усилитель генерирует совершенно новый выходной сигнал на основе входного сигнала. Вы можете понимать эти сигналы как две отдельные схемы. Выходная цепь генерируется блоком питания усилителя , который получает энергию от батареи или розетки. Если усилитель питается от бытового переменного тока , где поток заряда меняет направление, блок питания преобразует его в постоянный ток , где заряд всегда течет в одном и том же направлении. Блок питания также сглаживает ток, чтобы генерировать абсолютно ровный, непрерывный сигнал. Нагрузка выходной цепи (работа, которую она выполняет) перемещает диффузор динамика.

Входная цепь представляет собой электрический звуковой сигнал, записанный на ленту или поступающий с микрофона. Его нагрузка изменяет выходную цепь. Он применяет переменное сопротивление к выходной цепи, чтобы воссоздать колебания напряжения исходного аудиосигнала.

В большинстве усилителей эта нагрузка слишком велика для исходного звукового сигнала. По этой причине сигнал сначала усиливается предварительным усилителем , который посылает более сильный выходной сигнал на усилитель мощности . Предварительный усилитель работает так же, как и усилитель: входная цепь прикладывает переменное сопротивление к выходной цепи, генерируемой источником питания. В некоторых системах усилителей используется несколько предварительных усилителей для постепенного увеличения выходного сигнала до высокого напряжения.

Так как же усилитель это делает? Если вы заглянете внутрь усилителя в поисках ответа, вы найдете только сложную массу проводов и компонентов схемы. Усилитель нуждается в этой сложной настройке, чтобы убедиться, что каждая часть аудиосигнала представлена ​​правильно и точно. Высококачественный вывод требует очень точного контроля.

Все части усилителя важны, но вам, конечно же, не нужно изучать каждую из них, чтобы понять, как работает усилитель. Есть только несколько элементов, которые имеют решающее значение для функционирования усилителя. В следующем разделе мы увидим, как эти элементы объединяются в очень простой конструкции усилителя.

Компонентом в основе большинства усилителей является транзистор . Основными элементами транзистора являются полупроводники , материалы с различной способностью проводить электрический ток. Как правило, полупроводник состоит из плохого проводника, такого как кремний , в который добавлены примеси ( атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легированием .

В чистом кремнии все атомы кремния идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. В легированном кремнии дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дырки , через которые могут пройти электроны. Электрический заряд перемещается, когда электроны перемещаются от отверстия к отверстию, поэтому любое из этих дополнений сделает материал более проводящим. ( Полное объяснение см. в разделе «Как работают полупроводники» .)

Полупроводники N-типа характеризуются дополнительными электронами (имеющими отрицательный заряд). Полупроводники P-типа имеют множество дополнительных дырок (имеющих положительный заряд).

Давайте посмотрим на усилитель, построенный на простом транзисторе с биполярным переходом . Этот тип транзистора состоит из трех полупроводниковых слоев — в данном случае полупроводник p-типа , зажатый между двумя полупроводниками n-типа . Эту структуру лучше всего представить в виде полосы, как показано на схеме ниже (реальная конструкция современных транзисторов немного отличается).

Первый слой n-типа называется эмиттером , слой p-типа называется базой , а второй слой n-типа называется коллектором . Выходная цепь (цепь, управляющая динамиком) подключена к электродам на эмиттере и коллекторе транзистора. Входная цепь подключается к эмиттеру и базе.

Свободные электроны в слоях n-типа, естественно, хотят заполнить дырки в слое p-типа. Свободных электронов гораздо больше, чем дырок, поэтому дырки заполняются очень быстро. Это создает зоны истощения на границах между материалом n-типа и материалом p-типа. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изолирующее состояние — все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых мест для электронов, и заряд не может течь. Когда зоны истощения толстые, от эмиттера к коллектору может перемещаться очень небольшой заряд, даже если между двумя электродами существует сильная разница напряжений.

В следующем разделе мы увидим, что можно сделать, чтобы изменить эту ситуацию.

Когда зоны истощения толстые, вы можете увеличить напряжение на основном электроде . Напряжение на этом электроде напрямую регулируется входным током . Когда протекает входной ток, базовый электрод имеет относительный положительный заряд, поэтому он притягивает к себе электроны от эмиттера. Это освобождает часть отверстий, что сужает зоны истощения. По мере уменьшения зон истощения заряд может легче перемещаться от эмиттера к коллектору — транзистор становится более проводящим. Размер зон обеднения, а значит и проводимость транзистора, определяются напряжением на базовом электроде. Таким образом, флуктуирующий входной ток на основном электроде изменяет выходной ток на коллекторном электроде. Этот выход управляет динамиком.

Такой единственный транзистор представляет собой один «каскад» усилителя. Типичный усилитель будет иметь несколько повышающих каскадов, последний из которых будет управлять динамиком.

В небольшом усилителе — например, в усилителе спикерфона — окончательная ступень может выдавать только полватта мощности. В домашнем стереоусилителе конечный каскад может производить сотни ватт. Усилители, используемые на концертах под открытым небом, могут производить тысячи ватт.

Задача хорошего усилителя — создавать как можно меньше искажений. Конечный сигнал, подаваемый на динамики, должен максимально точно имитировать исходный входной сигнал, даже если он несколько раз усиливался.

Этот базовый подход можно использовать для усиления любых вещей, а не только аудиосигналов. Все, что может быть перенесено электрическим током , например, радио- и видеосигналы, можно усиливать аналогичными средствами. Однако аудиоусилители, кажется, привлекают внимание людей больше, чем что-либо еще. Энтузиасты звука очарованы вариациями конструкции, которые влияют на номинальную мощность , импеданс и точность воспроизведения , а также на другие характеристики.

Для получения более подробной информации об усилителях перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок