Obvykle si pod pojmem zesilovač představujeme objemný stojan na vybavení nebo kytarový pedálový procesor, ale to je jen špička ledovce. Zesilovače jsou všude. Jsou umístěny uvnitř vašeho televizoru. Jsou na vašem stolním počítači. Jsou v tom přenosném CD přehrávači, který jste roky nepoužívali. Každé zařízení s reproduktorem potřebuje zesilovač.
Zvuk sám o sobě je jednoduchá fyzika. Předmět vibruje. Tlačí molekuly vzduchu. Tyto molekuly tlačí své sousedy. Vlna se šíří. Vaše ucho snímá změnu tlaku a vyšle elektrický signál do vašeho mozku.
Elektronika tento proces simuluje. Převádí zvuk na elektřinu a zpět. Pracovní postup je standardní pro téměř všechna zvuková zařízení:
- Membrána mikrofonu se pohybuje vlivem zvukových vln a vytváří slabý elektrický signál. Tento signál odráží stlačení a zředění vzduchu.
- Záznamové zařízení tento signál uloží. Vzpomeňte si na magnetickou pásku nebo drážky na vinylové desce.
- Přehrávací zařízení čte média a převádí je zpět na elektřinu.
- Tato elektřina tlačí kužel reproduktoru, čímž se obnovují původní zvukové vlny ve vzduchu.
Každá součást je zde překladač. Vstupy se stávají výstupy. Řetěz zůstane volný, dokud nedosáhnete posledního kroku.
Problém s napájením
Mikrofony musí být citlivé. Musí detekovat sebemenší změny tlaku. To znamená, že membrána musí být tenká. Pohybuje se na malou vzdálenost. jaký je výsledek? Velmi slabý elektrický proud.
Slabé signály jsou skvělé pro nahrávání. Jsou snadno přenášeny po drátech. Lze je snadno uložit. Pro reproduktory jsou ale k ničemu. Těžký kužel reproduktoru se slabým signálem nepohnete. Potřebujete více proudu. Musíte zvýšit výkon bez změny tvaru vlny.
To je přesně to, co dělá zesilovač. Vezme ten slabý signál a zesílí ho. Udržuje vzor oscilace náboje a zvyšuje celkový výkon. Výstupní signál odpovídá vstupnímu signálu, jen je hlasitější.
Abyste pochopili, jak toho dosahuje, musíte se podívat dovnitř zařízení. Není to magie. Tohle je křemík.
Hlavní součást
Srdcem téměř každého zesilovače je tranzistor. Jedná se o drobné spínače vyrobené z polovodičů, obvykle křemíku. Materiál je modifikován procesem zvaným legování. Tím se mění pohyb elektronů skrz něj.
Typický tranzistor má třívrstvou strukturu. Kombinuje polovodiče typu p a n. Tato konfigurace umožňuje řídit tok elektrického proudu. Tranzistor vytváří cestu pro tok elektrického náboje. Manipuluje s pásy volných elektronů a děr, aby zesílil signál.
Moderní zesilovač se může zdát komplikovaný. Má stovky malých částí. Kondenzátory. Rezistory. Induktory. Ale logika je stejná. Potřebujete zařízení, které dokáže přijímat malý vstupní signál a ovládat velký výstupní signál. Toto zařízení je tranzistor.
Proč je to důležité?
Bez tohoto posílení je váš audio systém mrtvý. Mikrofon snímá zvuk. Signál je přenášen do rekordéru. Záznamník to uloží. Pokud se ale pokusíte přehrát tento uložený signál přímo do reproduktoru, neuslyšíte nic. Nebo možná slabý šepot. Není dostatek energie k pohybu difuzoru.
Zesilovač tento problém řeší tím, že funguje jako ventil. Malý proud řídí velký proud. Vzor zůstává stejný. Hlasitost se změní. To je důvod, proč vaše stereo může naplnit místnost zvukem. To je důvod, proč váš telefon může promítat zvuk jasně.
Věda je jednoduchá. Implementace se liší. Ale cíl je vždy stejný. Vezměte slabý signál. Udělej ho silným. Nech to pravda.
Ponoříme se hlouběji do konkrétních typů tranzistorů a jejich uspořádání v obvodech. Ale základní princip zůstává stejný. K ovládání elektřiny používáte elektřinu.
Jak zesilovače skutečně fungují
Většina lidí si myslí, že zesilovač jednoduše zvyšuje hlasitost. Logika se zdá jednoduchá: na vstup je přiváděn slabý signál a na výstupu je získáván hlasitý signál. Uvnitř případu je však realita mnohem složitější. Pointa je, že zesilovač doslova nezesiluje vstupní signál. Používá jej jako plán pro generování zcela nového výstupního signálu.
Představte si to jako dva samostatné elektrické světy, které se střetávají.
Výstupní obvod je místem, kde se odehrává většina práce. Je napájen výhradně z napájecího zdroje zesilovače, energii čerpá ze zásuvky nebo baterie. Pokud jste zapojeni do běžné domácí zásuvky, máte co do činění se střídavým proudem (AC). Směr proudu se neustále mění. Napájecí zdroj jej usměrňuje a převádí na stejnosměrný proud (DC). Také vyhlazuje elektrický tok. Výsledkem je rovnoměrný, nepřetržitý tok energie. Tato energie pohybuje reproduktorem, což je skutečná zátěž systému.
Vstupní obvod je úplně jiný příběh. Toto je surový zvukový signál. Může pocházet z mikrofonu nebo magnetofonu. Jeho úkolem není přímo napájet reproduktor. Jeho úkolem je řídit výstupní obvod. Dělá to aplikací proměnného odporu. Vstupní signál říká napájecímu zdroji přesně, jak tvarovat tento hladký, konstantní proud, aby odpovídal kolísání napětí původního zvuku.
To je ten problém. Ten nezpracovaný vstupní signál je slabý. Nemá sílu efektivně řídit výstupní obvod. Náklad je příliš těžký.
To je důvod, proč potřebujete předzesilovač.
Předzesilovač tento slabý vstupní signál vezme a zesílí. Vysílá silnější, lépe ovladatelný signál do zesilovače výkonu. Výkonový zesilovač pak použije tento zesílený příkazový signál k vytvoření výkonného výstupního signálu. V některých systémech je několik předzesilovačů zapojeno do série, aby se postupně vytvořilo vysoké napětí potřebné pro velké reproduktory.
Vstupní signál nepohání reproduktory. Usměrňuje napájení.
Jak se to tedy všechno děje? Pokud otevřete zesilovač, nenajdete žádné magické tranzistory. Uvidíte hustou, složitou masu drátů a součástek. To není přehnané inženýrství pro strojírenství. Tento komplexní design zajišťuje přesnost.
Vysoká věrnost (Hi-Fi) znamená víc než jen vytváření hluku. Jedná se o přesnou reprodukci. Každý detail původní nahrávky musí být uveden správně. Obvod existuje k udržení této kontroly. Bez toho nebudete mít jasno. To, co získáte, je pouze objem.
Abyste pochopili základy, nemusíte rozebírat každý prvek zesilovače. Většina zařízení plní pouze pomocnou funkci. Převážnou část práce dělá několik klíčových komponent. Vyřežeme nepotřebné věci a podíváme se na minimální životaschopné schéma. Takto se signál šíří z bodu A do bodu B a stává se hlasitějším.
Srdce: tranzistory a elektronky
Srdcem každého zesilovače je aktivní zařízení. Funguje jako ventil, který řídí tok elektrického proudu.
V moderní výbavě nejčastěji uvidíte tranzistory. Jedná se o polovodičová zařízení. Jsou malé, levné a odolné. Zesilují signál pomocí malého vstupního proudu k řízení velkého výstupního proudu. Přemýšlejte o kohoutku: malé otočení rukojetí (vstup) umožňuje průchod obrovského množství vody (výstup).
Nadšenci, kteří preferují vintage zvuk, mohou dát přednost vakuovým trubicím. Jedná se o starší technologii. Vyžadují vytápění. Spotřebujte více energie. Ale mnoho lidí má rádo “teplo” trubkového zkreslení. Fyzika procesů je zde odlišná. Výbojky se spoléhají na emisi elektronů z vyhřívaných katod. Tranzistory jsou založeny na fyzice polovodičů. Obě zařízení dosahují stejného výsledku: zvýšení amplitudy signálu.
Napájení
Zesilovač potřebuje energii. Neexistuje žádný sýr zdarma. Napájecí zdroj poskytuje surové stejnosměrné napětí. Je to tato energie, která je modulována vaším signálem.
Když zapojíte kytaru nebo jiný nástroj do zesilovače, zavedete do obvodu slabý signál. Tento signál říká aktivnímu zařízení, jak má tvarovat příchozí napájení z napájecího zdroje. Bez spolehlivého napájení se zesilovač začne předčasně ořezávat (deformovat). Zvuk se stává blátivým. Ztrácíte dynamiku.
Slabý napájecí zdroj omezuje vaši hlasitost. Výkonné napájecí zdroje vám umožní dosáhnout vyšší hlasitosti s čistším zvukem dříve, než dojde ke zkreslení.
Vstupní stupeň
Signál přichází sem. Bývá velmi slabá. Snímač (senzor) kytary může vydávat pouze několik milivoltů. To nestačí k pohonu kužele reproduktoru.
Vstupní fáze plní dva úkoly. Za prvé, odpovídá impedanci (odporu). Pokud je vstupní impedance příliš nízká, bude to „vypouštět“ signál z vašeho nástroje. Zabarvení se stává matným. Za druhé, poskytuje počáteční zisk. Zvyšuje úroveň signálu na hodnotu, kterou může zpracovat další stupeň.
Zde je nejdůležitější vstupní impedance. Ideální je vysoká vstupní impedance (obvykle kolem 1 megaohmu). Zajišťuje, že své snímače nebudete stresovat. Pokud používáte pasivní snímač, je to důležité. Aktivní snímače jsou méně citlivé, ale vysoká impedance stále zachovává vysoké frekvence.
Komunikační a zesilovací kaskády
Po zesílení signál prochází spojovacími kondenzátory. Tyto komponenty blokují stejnosměrné napětí (DC) a zároveň umožňují průchod střídavého zvuku (AC). To chrání vaše reproduktory před poškozením DC. To také izoluje body předpětí každého zesilovacího stupně.
Mezi fázemi je zisk. Každá fáze přidává objem. Ale také přidává hluk. A pokud jej příliš přetížíte, dojde ke zkreslení. To se často nazývá „overdrive“ nebo „clipping“.
- Předzesilovače tvoří zabarvení. Dodávají zvuku charakter.
- Výkonové zesilovače poskytují zvuku sílu a sílu.
Základní provedení může mít pouze jeden zesilovací stupeň. Ve složitém Hi-Fi systému jich může být mnoho. Všichni
Základem většiny zesilovačů je tranzistor. To je jeho hlavní tažný kůň.
Polovodiče tvoří základní prvky. Tyto materiály vedou elektřinu, ale ne příliš dobře, pokud nejsou upraveny. Obvykle začínají špatným vodičem, jako je křemík. Poté přidají nečistoty. Tento proces se nazývá legování.
Objednává se čistý křemík. Atomy jsou navzájem dokonale spojeny. Neexistují žádné volné elektrony. Neteče žádný proud. Doping toto pořadí narušuje. Přidává atomy, které buď uvolňují volné elektrony, nebo vytvářejí díry, kde mohou elektrony sídlit. Náboj se pohybuje vyplněním těchto otvorů. Více děr nebo více elektronů znamená lepší vodivost.
Existují dva hlavní typy. Polovodiče typu N mají elektrony navíc. Záporný náboj. Polovodiče typu P mají další otvory. Kladný náboj.
Podívejme se na zesilovač postavený na jednoduchém bipolárním tranzistoru (BJT). Tato struktura má tři vrstvy. Vrstva typu P se nachází mezi dvěma vrstvami typu N. Představte si sendvič.
První vrstva typu N je emitor. Střední vrstva typu P je základna. Druhou vrstvou typu N je kolektor.
Výstupní obvod je připojen k emitoru a kolektoru. Je to ona, kdo ovládá reproduktor. Vstupní obvod je připojen k emitoru a základně.
Volné elektrony ve vrstvách typu N chtějí vyplnit díry ve vrstvě typu P. Elektronů je mnohem více než děr. Proto se díry rychle zaplní.
To vytváří vyčerpané regiony na hranicích. Materiál se vrátí do svého izolačního stavu. Všechny otvory jsou vyplněny. Neexistují žádné volné elektrony. Nejsou žádná prázdná místa. Náboj nemůže proudit.
Když jsou oblasti vyčerpání silné, téměř žádný proud se nepohybuje z emitoru do kolektoru. I při velkých rozdílech napětí.
Zvýšení napětí
Můžete to napravit zvýšením napětí na základní elektrodě.
Základní napětí je řízeno vstupním proudem. Když protéká vstupní proud, základna se stává relativně kladnou. Přitahuje elektrony z emitoru.
Tím se uvolní otvory. Vyčerpané oblasti se zužují.
Nyní se náboj může snadno přesunout z emitoru do kolektoru. Tranzistor se stává vodivějším.
Vodivost závisí na napětí báze. Kolísání vstupního proudu na bázi mění výstupní proud na kolektoru. Reproduktor přijímá signál.
Jeden tranzistor je jeden „stupeň“. Zesilovače mají obvykle více stupňů. Poslední stupeň ovládá reproduktor.
Malé zesilovače, jako jsou ty v reproduktoru, mohou vydávat půl wattu. Domácí stereo zesilovače vydávají stovky wattů. Koncertní systémy vydávají tisíce wattů.
Cílem je nízké zkreslení. Výstupní signál by měl simulovat vstupní signál. I po posilování.
To nefunguje jen pro zvuk. Rádiové signály. Video signály. Vše, co je přenášeno elektrickým proudem.
Největší pozornost přitahují audio zesilovače. Nadšenci se starají o sílu, drag a věrnost. Na těchto vlastnostech záleží.
Často kladené otázky
Mohou být zesilovače použity s jakýmkoli typem reproduktoru?
Většinu lze použít, ale kompatibilita závisí na výstupním výkonu zesilovače a schopnosti reproduktoru s výkonem zacházet. Nedodržení může způsobit poškození zařízení.
Jak výkon zesilovače ovlivňuje kvalitu zvuku?
Vyšší výkon umožňuje dosáhnout vyšší hlasitosti bez zkreslení. To zlepšuje kvalitu zvuku při vysoké hlasitosti.
