🧔🏽 🚕 👨🏻‍🎓 एक ऑडियो एम्पलीफायर कैसे काम करता है? 📄 👨🏼‍🌾 🦖

परिचय

शुभ दोपहर, प्रिय habrayuzer, मैं आपको ध्वनि आवृत्ति एम्पलीफायरों के निर्माण की मूल बातें के बारे में बताना चाहता हूं। मुझे लगता है कि यह लेख आपके लिए दिलचस्प होगा यदि आप रेडियो इलेक्ट्रॉनिक्स में कभी शामिल नहीं हुए हैं, और निश्चित रूप से यह उन लोगों के लिए मज़ेदार होगा जो एक टांका लगाने वाले लोहे के साथ भाग नहीं लेते हैं। और इसलिए मैं इस विषय पर यथा संभव बात करने की कोशिश करूंगा और दुर्भाग्य से कुछ बारीकियों को छोड़ दूंगा।

एक ऑडियो फ़्रीक्वेंसी एम्पलीफायर या एक कम फ़्रीक्वेंसी एम्पलीफायर, यह पता लगाने के लिए कि यह सभी समान काम कैसे करता है और क्यों इतने सारे ट्रांजिस्टर, प्रतिरोध और कैपेसिटर हैं, आपको यह समझने की ज़रूरत है कि प्रत्येक तत्व कैसे काम करता है और यह पता लगाने की कोशिश करता है कि ये तत्व कैसे व्यवस्थित होते हैं। एक आदिम एम्पलीफायर को इकट्ठा करने के लिए, हमें तीन प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक तत्वों की आवश्यकता होती है: प्रतिरोधक, कैपेसिटर और निश्चित रूप से ट्रांजिस्टर।

रोकनेवाला

तो, हमारे पास जो प्रतिरोधक हैं वे विद्युत प्रवाह के प्रतिरोध की विशेषता रखते हैं और यह प्रतिरोध ओह्स में मापा जाता है। प्रत्येक विद्युत प्रवाहकीय धातु या धातुओं के मिश्र धातु का अपना विशिष्ट प्रतिरोध होता है । यदि हम एक बड़ी प्रतिरोधकता के साथ एक निश्चित लंबाई के तार लेते हैं, तो हमें एक वास्तविक तार अवरोधक मिलेगा। रोकनेवाला कॉम्पैक्ट होने के लिए, तार फ्रेम पर घाव हो सकता है। इस प्रकार, हम एक तार अवरोधक प्राप्त करते हैं, लेकिन इसके कई नुकसान हैं, इसलिए प्रतिरोधक आमतौर पर cermet सामग्री से बने होते हैं। विद्युत परिपथों पर प्रतिरोधों का संकेत इसी प्रकार दिया जाता है:

संयुक्त राज्य अमेरिका में अपनाया गया पदनाम का ऊपरी संस्करण, रूस और यूरोप में कम है।

संधारित्र

संधारित्र एक ढांकता हुआ द्वारा अलग किए गए दो धातु प्लेटें हैं। यदि हम इन प्लेटों पर एक निरंतर वोल्टेज लागू करते हैं, तो एक विद्युत क्षेत्र दिखाई देगा, जो बिजली बंद करने के बाद, क्रमशः प्लेटों पर सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज का समर्थन करेगा।

कैपेसिटर डिज़ाइन का आधार दो प्रवाहकीय प्लेटें हैं, जिनके बीच एक ढांकता हुआ है

इस प्रकार, संधारित्र एक विद्युत आवेश संचित करने में सक्षम है। विद्युत आवेश को संचित करने की इस क्षमता को विद्युत समाई कहते हैं , जो संधारित्र का मुख्य पैरामीटर है। फार्स में विद्युत समाई को मापा जाता है। अभी भी क्या विशेषता है कि जब हम संधारित्र को चार्ज या डिस्चार्ज करते हैं, तो एक विद्युत प्रवाह इसके माध्यम से बहता है। लेकिन जैसे ही संधारित्र को चार्ज किया जाता है, यह विद्युत प्रवाह को पारित करना बंद कर देता है, और इसका कारण यह है कि संधारित्र ने विद्युत स्रोत का प्रभार लिया है, अर्थात, संधारित्र और शक्ति स्रोत की क्षमता समान है, और यदि कोई संभावित अंतर (वोल्टेज) नहीं है, तो कोई विद्युत प्रवाह नहीं है। इस प्रकार, एक चार्ज संधारित्र एक निरंतर विद्युत प्रवाह पारित नहीं करता है, लेकिन एक प्रत्यावर्ती धारा गुजरता है, क्योंकि जब यह एक प्रत्यावर्ती विद्युत प्रवाह से जुड़ा होता है, तो इसे लगातार चार्ज और छुट्टी दी जाएगी। विद्युत सर्किटों पर इसे निम्नानुसार नामित किया गया है:

ट्रांजिस्टर

हमारे एम्पलीफायर में हम सबसे सरल द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर का उपयोग करेंगे। ट्रांजिस्टर एक अर्धचालक पदार्थ से बना होता है। इस सामग्री के लिए हमें जो संपत्ति चाहिए, वह है सकारात्मक और नकारात्मक दोनों तरह के प्रभार से मुक्त वाहक की मौजूदगी। इस पर निर्भर करता है कि कौन से शुल्क बड़े हैं, अर्धचालकों को दो प्रकार की चालकता में प्रतिष्ठित किया जाता है: n- प्रकार और p- प्रकार (n-negative, p-positive)। नकारात्मक चार्ज क्रिस्टल जाली के परमाणुओं के बाहरी गोले से निकलने वाले इलेक्ट्रॉन हैं, और सकारात्मक तथाकथित छेद हैं। इलेक्ट्रॉनों के उन्हें छोड़ने के बाद इलेक्ट्रॉन के गोले में शेष स्थान खाली हो जाते हैं। परंपरागत रूप से, हम बाहरी इलेक्ट्रॉन में एक इलेक्ट्रॉन के साथ परमाणुओं को एक नीली वृत्त के साथ एक शून्य चिह्न के साथ नामित करते हैं, और एक खाली स्थान के साथ परमाणु - एक खाली सर्कल:

प्रत्येक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर में ऐसे अर्धचालक के तीन क्षेत्र होते हैं, इन क्षेत्रों को आधार, एमिटर और कलेक्टर कहा जाता है।

एक ट्रांजिस्टर के उदाहरण पर विचार करें। ऐसा करने के लिए, दो 1.5 और 5 वोल्ट की बैटरी को ट्रांजिस्टर, प्लस से एमिटर, और माइनस से क्रमशः आधार और कलेक्टर से कनेक्ट करें (आंकड़ा देखें):

एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र आधार और उत्सर्जक के संपर्क में दिखाई देगा, जो शाब्दिक रूप से आधार परमाणुओं की बाहरी कक्षा से इलेक्ट्रॉनों को खींचता है और उन्हें उत्सर्जक में स्थानांतरित करता है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों उनके पीछे छेद छोड़ देते हैं, और पहले से ही उत्सर्जक में खाली पदों पर कब्जा कर लेते हैं। एक ही विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का कलेक्टर के परमाणुओं पर समान प्रभाव पड़ता है, और चूंकि ट्रांजिस्टर में बेस एमिटर और कलेक्टर के सापेक्ष काफी पतला होता है, कलेक्टर के इलेक्ट्रॉन एमिटर में इसके माध्यम से काफी आसानी से गुजरते हैं, और बेस की तुलना में बहुत बड़ी मात्रा में।

यदि हम आधार से वोल्टेज काटते हैं, तो कोई विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र नहीं होगा, और आधार ढांकता हुआ के रूप में कार्य करेगा, और ट्रांजिस्टर बंद हो जाएगा। इस प्रकार, जब एक पर्याप्त रूप से कम वोल्टेज को आधार पर लागू किया जाता है, तो हम एमिटर और कलेक्टर के लिए बड़े लागू वोल्टेज को नियंत्रित कर सकते हैं।

हमारे द्वारा माना गया pnp- प्रकार ट्रांजिस्टर, क्योंकि इसमें दो p- ज़ोन और एक n- ज़ोन है। एनपीएन ट्रांजिस्टर भी हैं, उनमें ऑपरेशन का सिद्धांत समान है, लेकिन हमने जिस ट्रांजिस्टर की जांच की, उसके विपरीत विद्युत प्रवाह उनके विपरीत दिशा में बहता है। यह कैसे द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर विद्युत सर्किट पर इंगित किया जाता है, तीर वर्तमान की दिशा को इंगित करता है:

कम आवृत्ति एम्पलीफायर

ठीक है, चलो इस से कम-आवृत्ति वाले एम्पलीफायर को डिजाइन करने का प्रयास करें। शुरू करने के लिए, हमें एक संकेत की आवश्यकता है जिसे हम प्रवर्धित करेंगे, यह एक कंप्यूटर साउंड कार्ड या रैखिक आउटपुट के साथ कोई अन्य ध्वनि उपकरण हो सकता है। मान लीजिए कि 0.2 ए के वर्तमान में 0.5 वोल्ट के अधिकतम आयाम के साथ हमारा संकेत कुछ इस तरह है:

और सबसे सरल 4-ओम 10-वाट स्पीकर का काम करने के लिए, हमें I = U / R = 6/4 = 1.5 A की वर्तमान ताकत के साथ सिग्नल के आयाम को 6 वोल्ट तक बढ़ाने की आवश्यकता है।

तो, आइए ट्रांजिस्टर से हमारे सिग्नल को जोड़ने का प्रयास करें। ट्रांजिस्टर और दो बैटरी वाले हमारे सर्किट को याद रखें, अब 1.5 वोल्ट की बैटरी के बजाय हमारे पास एक लाइन आउटपुट सिग्नल है। रोकनेवाला R1 एक लोड के रूप में कार्य करता है, ताकि कोई शॉर्ट सर्किट न हो और हमारा ट्रांजिस्टर बाहर न जला हो।

लेकिन यहां दो समस्याएं तुरंत उठती हैं, सबसे पहले, हमारा एनपीएन- प्रकार ट्रांजिस्टर, और केवल तब खुलता है जब आधी लहर सकारात्मक होती है, और नकारात्मक होने पर बंद हो जाती है।

दूसरे, किसी भी सेमीकंडक्टर डिवाइस की तरह ट्रांजिस्टर में वोल्टेज और करंट के संबंध में गैर-रेखीय विशेषताएं होती हैं, और वर्तमान और वोल्टेज जितना छोटा होता है, ये विकृतियां उतनी ही मजबूत होती हैं:

इतना ही नहीं हमारे सिग्नल से केवल एक आधी लहर बची थी, इसलिए यह भी विकृत होगी:

यह तथाकथित कदम प्रकार विकृति है।

इन समस्याओं से छुटकारा पाने के लिए, हमें अपने सिग्नल को ट्रांजिस्टर के कार्य क्षेत्र में स्थानांतरित करना होगा, जहां सिग्नल के पूरे साइनसॉइड फिट होंगे और गैर-रैखिक विकृतियां नगण्य होंगी। ऐसा करने के लिए, पूर्वाग्रह वोल्टेज को बेस पर लागू किया जाता है, 1 वोल्ट का कहना है, दो प्रतिरोधों आर 2 और आर 3 से बना वोल्टेज डिवाइडर का उपयोग करना।

और ट्रांजिस्टर में प्रवेश करने वाला हमारा सिग्नल इस तरह दिखाई देगा:

अब हमें ट्रांजिस्टर के कलेक्टर से अपने उपयोगी सिग्नल को हटाने की आवश्यकता है। ऐसा करने के लिए, संधारित्र C1 स्थापित करें:

जैसा कि हम याद करते हैं, संधारित्र बारी-बारी से विद्युत धारा प्रवाहित करता है और स्थिर नहीं गुजरता है, इसलिए यह हमें केवल हमारे उपयोगी संकेत - हमारी साइन वेव को पार करते हुए फिल्टर के रूप में काम करेगा। और निरंतर घटक जो संधारित्र से नहीं गुजरा है, उसे रोकनेवाला R1 द्वारा बिखर जाएगा। प्रत्यावर्ती धारा, हमारा उपयोगी संकेत, संधारित्र से होकर गुजरेगा, इसलिए संधारित्र प्रतिरोध 1 R1 की तुलना में इसके लिए नगण्य है।

इसलिए हमें अपने एम्पलीफायर का पहला ट्रांजिस्टर चरण मिला। लेकिन दो और छोटी बारीकियां हैं:

हम 100% नहीं जानते हैं कि कौन सा सिग्नल एम्पलीफायर में प्रवेश करता है, अचानक सिग्नल स्रोत के सभी दोषपूर्ण है, कुछ भी हो सकता है, फिर से स्थैतिक बिजली या एक स्थिर वोल्टेज उपयोगी सिग्नल के साथ गुजरता है। यह ट्रांजिस्टर के ठीक से काम न करने या इसके खराबी का कारण बन सकता है। ऐसा करने के लिए, एक संधारित्र C2 को संधारित्र C1 की तरह स्थापित करें, यह एक निरंतर विद्युत प्रवाह को अवरुद्ध करेगा, और संधारित्र का सीमित समाई बड़े आयाम चोटियों को पारित नहीं करेगा जो ट्रांजिस्टर को बर्बाद कर सकते हैं। इस तरह के पावर सर्ज आमतौर पर तब होते हैं जब डिवाइस चालू या बंद होता है।

और दूसरी बारीकियों, किसी भी संकेत स्रोत को एक निश्चित विशिष्ट भार (प्रतिरोध) की आवश्यकता होती है। इसलिए, कैस्केड का इनपुट प्रतिबाधा हमारे लिए महत्वपूर्ण है। इनपुट प्रतिरोध को समायोजित करने के लिए, एमिटर सर्किट में एक रोकनेवाला R4 जोड़ें:

अब हम ट्रांजिस्टर चरण में प्रत्येक अवरोधक और संधारित्र के उद्देश्य को जानते हैं। आइए अब गणना करने की कोशिश करें कि तत्वों का क्या मूल्य इसके लिए आपको उपयोग करने की आवश्यकता है।

स्रोत डेटा:

यू = 12 वी - आपूर्ति वोल्टेज;
यू बीई ~ 1 वी - ट्रांजिस्टर के ऑपरेटिंग बिंदु के वोल्टेज एमिटर-बेस;

एक ट्रांजिस्टर चुनें, एक npn ट्रांजिस्टर 2N2712 हमारे लिए उपयुक्त है

पी अधिकतम = 200 मेगावाट - अधिकतम बिजली अपव्यय;
मैं अधिकतम = 100 एमए - अधिकतम निरंतर कलेक्टर वर्तमान;
यू अधिकतम = 18 वी - अधिकतम स्वीकार्य वोल्टेज कलेक्टर-बेस / कलेक्टर-एमिटर (हमारे पास 12 वी की आपूर्ति वोल्टेज है, इसलिए यह मार्जिन के साथ पर्याप्त है);
यू ईबी = 5 वी - अधिकतम अनुमेय एमिटर-बेस वोल्टेज (हमारे वोल्टेज 1 वोल्ट vol 0.5 वोल्ट है);
h21 = 75-225 - आधार वर्तमान लाभ, न्यूनतम मूल्य स्वीकार किया जाता है - 75;

हम ट्रांजिस्टर की अधिकतम स्थैतिक शक्ति की गणना करते हैं, यह अधिकतम बिजली अपव्यय से 20% कम लिया जाता है, ताकि हमारा ट्रांजिस्टर अपनी क्षमताओं की सीमा तक काम न करे:

P st.max = 0.8 * P अधिकतम = 0.8 * 200mW = 160 mW;
हम कलेक्टर को स्थैतिक मोड (सिग्नल के बिना) में निर्धारित करते हैं, इस तथ्य के बावजूद कि आधार ट्रांजिस्टर के माध्यम से वोल्टेज प्राप्त नहीं करता है, एक विद्युत प्रवाह एक छोटी सी डिग्री तक प्रवाह करता है।

I k0 = P st.max / U ke , जहां U ke कलेक्टर-एमिटर जंक्शन वोल्टेज है। आपूर्ति वोल्टेज का आधा ट्रांजिस्टर पर प्रसारित किया जाता है, दूसरी छमाही को प्रतिरोधों पर प्रसारित किया जाएगा:

यू के = यू / 2;

I k0 = P st.max / ( U / 2) = 160 mW / (12V / 2) = 26.7 mA;
अब हम लोड प्रतिरोध की गणना करेंगे, शुरू में हमारे पास एक प्रतिरोधक R1 था, जिसने यह भूमिका निभाई थी, लेकिन चूंकि हमने झरना के इनपुट प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए रोकनेवाला R4 को जोड़ा, अब लोड प्रतिरोध में R1 और R4 शामिल होंगे:

आर एन = आर 1 + आर 4 , जहां आर एन कुल लोड प्रतिरोध है;

R1 और R4 के बीच का अनुपात आमतौर पर 1 से 10 लिया जाता है:

आर 1 = आर 4 * 10;

लोड प्रतिरोध की गणना करें:

R1 + R4 = ( U / 2) / I k0 = (12V / 2) / 26.7 mA = (12V / 2) / 0.0267 A = 224.7 Ohms;

निकटतम प्रतिरोधक 200 और 27 ओम हैं। R1 = 200 ओम, और R4 = 27 ओम।
अब हम बिना सिग्नल के ट्रांजिस्टर के कलेक्टर पर वोल्टेज पाते हैं:

U k0 = ( U ke0 + I k0 * R4 ) = ( U - I k0 * R1 ) = (12V -0.0267 A * 200 ओम) = 6.7 V;
ट्रांजिस्टर नियंत्रण बेस वर्तमान:

I b = I k / h21 , जहाँ मैं k , कलेक्टर करंट है;

I k = ( U / R n );

I b = ( U / R n ) / h21 = (12V / (200 ओम + 27 ओम)) / 75 = 0.0007 A = 0.07 mA;
कुल बेस करंट बेस पर बायस वोल्टेज द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो विभक्त आर 2 और आर 3 द्वारा निर्धारित होता है। डिवाइडर द्वारा वर्तमान सेट बेस कंट्रोल करंट ( I b ) से 5-10 गुना अधिक होना चाहिए, ताकि बेस कंट्रोल करंट खुद बायस वोल्टेज को प्रभावित न करे। इस प्रकार, विभक्त करंट ( I div ) के मान के लिए, हम 0.7 mA लेते हैं और R2 और R3 की गणना करते हैं:

R2 + R3 = U / I div = 12V / 0.007 = 1714.3 ओम
अब हम ट्रांजिस्टर की निष्क्रिय स्थिति ( U e ) में उत्सर्जक पर वोल्टेज की गणना करते हैं:

U e = I k0 * R4 = 0.0267 A * 27 ओम = 0.72 V

हां, मैं k0 संग्राहक क्विज़ेंट करंट है, लेकिन वही करंट एमिटर से होकर गुजरता है, इसलिए I k0 को पूरे ट्रांजिस्टर का क्विज़ेंट करंट माना जाता है।
हम बेस वोल्टेज ( यू सेमी = 1 वी) को ध्यान में रखते हुए बेस ( यू बी ) पर कुल वोल्टेज की गणना करते हैं:

यू बी = यू ई + यू सेमी = 0.72 + 1 = 1.72 वी

अब, वोल्टेज विभक्त सूत्र का उपयोग करते हुए, हम प्रतिरोधों आर 2 और आर 3 के मान पाते हैं:

R3 = ( R2 + R3 ) * U b / U = 1714.3 ओम * 1.72 V / 12 V = 245.7 ओम;

निकटतम अवरोधक रेटिंग 250 ओम है;

R2 = ( R2 + R3 ) - R3 = 1714.3 ओम - 250 ओम = 1464.3 ओम;

प्रतिरोधक मान को कमी की दिशा में चुना गया है, निकटतम R2 = 1.3 kOhm।
कैपेसिटर सी 1 और सी 2 आमतौर पर कम से कम 5 माइक्रोफ़ारड सेट करते हैं। क्षमता को चुना जाता है ताकि संधारित्र के पास रिचार्ज करने का समय न हो।

निष्कर्ष

कैस्केड के आउटपुट पर, हमें वर्तमान और वोल्टेज दोनों में एक आनुपातिक रूप से प्रवर्धित संकेत मिलता है, अर्थात शक्ति। लेकिन आवश्यक लाभ के लिए एक झरना पर्याप्त नहीं है, इसलिए हमें अगला और अगला जोड़ना होगा ... और इसी तरह।

माना जाता गणना काफी सतही है और इस तरह की लाभ योजना निश्चित रूप से एम्पलीफायरों की संरचना में उपयोग नहीं की जाती है, हमें प्रेषित आवृत्तियों, विकृतियों और बहुत कुछ की सीमा के बारे में नहीं भूलना चाहिए।