Zwykle myślimy o wzmacniaczu jako o nieporęcznym stojaku ze sprzętem lub procesorze pedałów gitarowych, ale to tylko wierzchołek góry lodowej. Wzmacniacze są wszędzie. Znajdują się one wewnątrz telewizora. Znajdują się one na Twoim komputerze stacjonarnym. Są w tym przenośnym odtwarzaczu CD, którego nie używałeś od lat. Każde urządzenie wyposażone w głośnik wymaga wzmacniacza.
Dźwięk sam w sobie to prosta fizyka. Obiekt wibruje. Wypycha cząsteczki powietrza. Cząsteczki te popychają swoich sąsiadów. Fala się rozprzestrzenia. Twoje ucho wyczuwa zmianę ciśnienia i wysyła sygnał elektryczny do mózgu.
Elektronika symuluje ten proces. Zamienia dźwięk w energię elektryczną i z powrotem. Przepływ pracy jest standardowy dla prawie wszystkich urządzeń audio:
- Membrana mikrofonu porusza się pod wpływem fal dźwiękowych, tworząc słaby sygnał elektryczny. Sygnał ten odzwierciedla kompresję i rozrzedzenie powietrza.
- Urządzenie rejestrujące przechowuje ten sygnał. Pomyśl o taśmie magnetycznej lub rowkach na płycie winylowej.
- Urządzenie odtwarzające odczytuje nośnik i przekształca go z powrotem w energię elektryczną.
- Energia elektryczna popycha membranę głośnika, odtwarzając oryginalne fale dźwiękowe w powietrzu.
Każdy komponent tutaj jest tłumaczem. Wejścia stają się wyjściami. Łańcuch pozostaje czysty aż do ostatniego kroku.
Problem z zasilaniem
Mikrofony muszą być czułe. Muszą wykryć najmniejsze zmiany ciśnienia. Oznacza to, że membrana musi być cienka. Porusza się na niewielką odległość. Jaki jest wynik? Bardzo słaby prąd elektryczny.
Słabe sygnały świetnie nadają się do nagrywania. Można je łatwo przenosić przewodami. Łatwo je zapisać. Ale dla głośników są bezużyteczne. Nie da się poruszyć ciężkiej membrany głośnika przy słabym sygnale. Potrzebujesz więcej prądu. Należy zwiększyć moc bez zmiany kształtu fali.
To jest dokładnie to, co robi wzmacniacz. Pobiera ten słaby sygnał i wzmacnia go. Utrzymuje wzór oscylacji ładunku, zwiększając ogólną moc. Sygnał wyjściowy odpowiada sygnałowi wejściowemu, tylko jest głośniejszy.
Aby zrozumieć, jak on to osiąga, musisz zajrzeć do wnętrza urządzenia. To nie magia. To jest krzem.
Główny komponent
Sercem niemal każdego wzmacniacza jest tranzystor. Są to maleńkie przełączniki wykonane z półprzewodników, zwykle krzemu. Materiał jest modyfikowany w procesie zwanym tworzeniem stopów. Zmienia to ruch elektronów przez niego.
Typowy tranzystor ma budowę trójwarstwową. Łączy w sobie półprzewodniki typu p i n. Taka konfiguracja umożliwia sterowanie przepływem prądu elektrycznego. Tranzystor tworzy ścieżkę przepływu ładunku elektrycznego. Manipuluje pasmami wolnych elektronów i dziur w celu wzmocnienia sygnału.
Nowoczesny wzmacniacz może wydawać się skomplikowany. Zawiera setki drobnych części. Kondensatory. Rezystory. Cewki indukcyjne. Ale logika jest taka sama. Potrzebujesz urządzenia, które może przyjąć mały sygnał wejściowy i sterować dużym sygnałem wyjściowym. Tranzystor jest tym urządzeniem.
Dlaczego to jest ważne?
Bez tego wzmocnienia Twój system audio będzie martwy. Mikrofon odbiera dźwięk. Sygnał przesyłany jest do rejestratora. Rejestrator zapisuje to. Jeśli jednak spróbujesz odtworzyć zapisany sygnał bezpośrednio w głośniku, nic nie usłyszysz. A może słaby szept. Nie ma wystarczającej energii, aby poruszyć dyfuzorem.
Wzmacniacz rozwiązuje ten problem, pełniąc funkcję zaworu. Mały prąd kontroluje duży prąd. Wzór pozostaje ten sam. Głośność się zmienia. Dlatego zestaw stereo może wypełnić pomieszczenie dźwiękiem. Dlatego Twój telefon może wyraźnie odtwarzać dźwięk.
Nauka jest prosta. Implementacja jest różna. Ale cel jest zawsze ten sam. Weź słaby sygnał. Uczyń go silnym. Niech to będzie prawdą.
Zagłębimy się w konkretne typy tranzystorów i ich rozmieszczenie w obwodach. Ale podstawowa zasada pozostaje ta sama. Używasz energii elektrycznej do kontrolowania energii elektrycznej.
Jak naprawdę działają wzmacniacze
Większość ludzi uważa, że wzmacniacz po prostu zwiększa głośność. Logika wydaje się prosta: na wejście podaje się słaby sygnał, a na wyjściu uzyskuje się głośny. Jednak wewnątrz obudowy rzeczywistość jest znacznie bardziej złożona. Najważniejsze jest to, że wzmacniacz nie wzmacnia dosłownie sygnału wejściowego. Wykorzystuje go jako plan do wygenerowania zupełnie nowego sygnału wyjściowego.
Pomyśl o tym jak o zderzeniu dwóch oddzielnych elektrycznych światów.
Obwód wyjściowy to miejsce, w którym odbywa się większość pracy. Zasilany jest w całości z zasilacza wzmacniacza, pobierając energię z gniazdka lub akumulatora. Jeśli jesteś podłączony do standardowego gniazdka domowego, masz do czynienia z prądem przemiennym (AC). Kierunek prądu stale się zmienia. Zasilacz prostuje go, przekształcając go w prąd stały (DC). To także wygładza przepływ prądu. Rezultatem jest równy, ciągły przepływ energii. Energia ta porusza głośnik, co stanowi faktyczne obciążenie układu.
Obwód wejściowy to zupełnie inna historia. To jest surowy sygnał audio. Może pochodzić z mikrofonu lub magnetofonu. Jego zadaniem nie jest bezpośrednie zasilanie głośnika. Jego zadaniem jest sterowanie obwodem wyjściowym. Robi to poprzez zastosowanie zmiennego oporu. Sygnał wejściowy informuje zasilacz dokładnie, jak ukształtować ten płynny, stały prąd, aby dopasować go do wahań napięcia oryginalnego dźwięku.
To jest problem. Ten surowy sygnał wejściowy jest słaby. Nie ma siły, aby skutecznie sterować obwodem wyjściowym. Obciążenie jest zbyt duże.
Właśnie dlatego potrzebujesz przedwzmacniacza.
Przedwzmacniacz pobiera ten słaby sygnał wejściowy i wzmacnia go. Wysyła silniejszy, bardziej kontrolowany sygnał do wzmacniacza mocy. Wzmacniacz mocy wykorzystuje następnie wzmocniony sygnał sterujący do wytworzenia mocnego sygnału wyjściowego. W niektórych systemach kilka przedwzmacniaczy jest połączonych szeregowo, aby stopniowo wytwarzać wysokie napięcie wymagane dla dużych głośników.
Sygnał wejściowy nie napędza głośników. Kieruje zasilaniem.
Jak więc to wszystko się dzieje? Jeśli otworzysz wzmacniacz, nie znajdziesz żadnych magicznych tranzystorów. Zobaczysz gęstą, złożoną masę przewodów i komponentów. Nie jest to przesadna inżynieria dla samej inżynierii. Ta złożona konstrukcja zapewnia precyzję.
Wysoka wierność (Hi-Fi) to coś więcej niż tylko wytwarzanie hałasu. To jest dokładna reprodukcja. Każdy szczegół oryginalnego nagrania musi zostać poprawnie przedstawiony. Istnieje obwód zapewniający tę kontrolę. Bez tego nie uzyskasz przejrzystości. To, co dostajesz, to po prostu głośność.
Nie trzeba rozbierać każdego elementu wzmacniacza, żeby zrozumieć podstawy. Większość urządzeń pełni jedynie funkcję pomocniczą. Większość pracy wykonuje kilka kluczowych komponentów. Wytniemy niepotrzebne rzeczy i przyjrzymy się minimalnemu wykonalnemu schematowi. W ten sposób sygnał przemieszcza się z punktu A do punktu B, stając się głośniejszy.
Serce: tranzystory i lampy
Sercem każdego wzmacniacza jest urządzenie aktywne. Działa jak zawór, kontrolując przepływ prądu elektrycznego.
W nowoczesnym sprzęcie najczęściej spotkamy tranzystory. To są urządzenia półprzewodnikowe. Są małe, tanie i trwałe. Wzmacniają sygnał, wykorzystując mały prąd wejściowy do wysterowania dużego prądu wyjściowego. Pomyśl o kranie: niewielki obrót uchwytu (wejście) pozwala na przepuszczenie ogromnej ilości wody (wyjście).
Entuzjaści preferujący brzmienie vintage mogą preferować lampy próżniowe. To jest starsza technologia. Wymagają ogrzewania. Zużywaj więcej energii. Ale wielu ludzi lubi „ciepło” lampowego zniekształcenia. Fizyka procesów jest tutaj inna. Lampy opierają się na emisji elektronów z podgrzewanych katod. Tranzystory opierają się na fizyce półprzewodników. Obydwa urządzenia osiągają ten sam efekt: zwiększenie amplitudy sygnału.
Zasilanie
Wzmacniacz potrzebuje energii. Nie ma darmowego sera. Zasilacz zapewnia surowe napięcie prądu stałego. To właśnie ta energia jest modulowana przez twój sygnał.
Podłączając gitarę lub inny instrument do wzmacniacza, wprowadzasz do obwodu słaby sygnał. Sygnał ten informuje aktywne urządzenie, jak kształtować moc przychodzącą z zasilacza. Bez niezawodnego zasilania wzmacniacz zaczyna przedwcześnie ulegać przesterowaniu (zniekształceniom). Dźwięk staje się błotnisty. Tracisz dynamikę.
Słaby zasilacz ogranicza głośność. Wydajne zasilacze pozwalają uzyskać wyższą głośność i wyraźniejszy dźwięk, zanim pojawią się zniekształcenia.
Stopień wejściowy
Sygnał przychodzi tutaj. Zwykle jest bardzo słaby. Przetwornik (czujnik) gitary może generować tylko kilka miliwoltów. To za mało, aby wysterować membranę głośnika.
Stopień wejściowy spełnia dwa zadania. Po pierwsze, dopasowuje impedancję (rezystancję). Jeśli impedancja wejściowa jest zbyt niska, sygnał z instrumentu będzie „wyciekał”. Barwa staje się matowa. Po drugie, zapewnia początkowy zysk. Zwiększa poziom sygnału do wartości, którą może przetworzyć następny stopień.
Tutaj najważniejsza jest impedancja wejściowa. Idealna jest wysoka impedancja wejściowa (zwykle około 1 megaoma). Dzięki temu nie będziesz stresować swoich przetworników. Jeśli używasz przetwornika pasywnego, ma to kluczowe znaczenie. Aktywne przetworniki są mniej czułe, ale wysoka impedancja nadal pozwala zachować wysokie częstotliwości.
Kaskady komunikacyjne i wzmacniające
Po wzmocnieniu sygnał przechodzi przez kondensatory sprzęgające. Elementy te blokują napięcie stałe (DC), jednocześnie umożliwiając przepływ zmiennego sygnału audio (AC). Chroni to głośniki przed uszkodzeniem prądu stałego. Izoluje to również punkty polaryzacji każdego stopnia wzmacniacza.
Pomiędzy etapami jest zysk. Każdy etap dodaje objętości. Ale dodaje też hałasu. A jeśli przeciążysz go za bardzo, otrzymasz zniekształcenia. Nazywa się to często „przesterowaniem” lub „przycinaniem”.
- Przedwzmacniacze tworzą barwę. Dodają charakteru brzmieniu.
- Wzmacniacze mocy zapewniają dźwiękowi siłę i moc.
Podstawowa konstrukcja może mieć tylko jeden stopień wzmocnienia. W złożonym systemie Hi-Fi może być ich wiele. Wszyscy
Sercem większości wzmacniaczy jest tranzystor. To jego główny koń pociągowy.
Półprzewodniki stanowią podstawowe elementy. Materiały te przewodzą prąd, ale niezbyt dobrze, chyba że zostaną zmodyfikowane. Zwykle zaczynają się od słabego przewodnika, takiego jak krzem. Następnie dodają zanieczyszczenia. Proces ten nazywa się stopowaniem.
Zamawia się czysty krzem. Atomy są ze sobą doskonale połączone. Nie ma wolnych elektronów. Brak przepływu prądu. Doping zakłóca ten porządek. Dodaje atomy, które albo uwalniają wolne elektrony, albo tworzą dziury, w których mogą znajdować się elektrony. Ładunek porusza się, wypełniając te dziury. Więcej dziur lub więcej elektronów oznacza lepszą przewodność.
Istnieją dwa główne typy. Półprzewodniki typu N mają dodatkowe elektrony. Ładunek ujemny. Półprzewodniki typu P mają dodatkowe otwory. Ładunek dodatni.
Przyjrzyjmy się wzmacniaczowi zbudowanemu w oparciu o prosty tranzystor bipolarny (BJT). Struktura ta składa się z trzech warstw. Warstwa typu P znajduje się pomiędzy dwiema warstwami typu N. Wyobraź sobie kanapkę.
Pierwsza warstwa typu N to emiter. Środkowa warstwa typu P to baza. Druga warstwa typu N to kolektor.
Obwód wyjściowy jest podłączony do emitera i kolektora. To ona kontroluje mówcę. Obwód wejściowy jest podłączony do emitera i bazy.
Wolne elektrony w warstwach typu N chcą wypełnić dziury w warstwie typu P. Elektronów jest znacznie więcej niż dziur. Dlatego dziury szybko się zapełniają.
Tworzy to zubożone regiony na granicach. Materiał powraca do swojego stanu izolującego. Wszystkie dziury są wypełnione. Nie ma wolnych elektronów. Nie ma pustych miejsc. Ładunek nie może przepływać.
Kiedy obszary zubożenia są gęste, prawie żaden prąd nie przepływa z emitera do kolektora. Nawet przy dużych różnicach napięć.
Zwiększenie napięcia
Można to skorygować, zwiększając napięcie na elektrodze podstawowej.
Napięcie bazowe jest kontrolowane przez prąd wejściowy. Gdy przepływa prąd wejściowy, baza staje się stosunkowo dodatnia. Przyciąga elektrony z emitera.
To uwolni dziury. Zubożone obszary stają się węższe.
Teraz ładunek może z łatwością przemieszczać się z emitera do kolektora. Tranzystor staje się bardziej przewodzący.
Przewodność zależy od napięcia bazowego. Wahania prądu wejściowego na bazie zmieniają prąd wyjściowy na kolektorze. Głośnik odbiera sygnał.
Jeden tranzystor to jeden „stopień”. Wzmacniacze zwykle mają wiele stopni. Ostatni etap steruje głośnikiem.
Małe wzmacniacze, takie jak te w głośnikach, mogą wytwarzać moc pół wata. Domowe wzmacniacze stereo wytwarzają setki watów. Systemy koncertowe generują tysiące watów.
Celem jest niski poziom zniekształceń. Sygnał wyjściowy powinien symulować sygnał wejściowy. Nawet po wzmocnieniu.
Działa to nie tylko w przypadku dźwięku. Sygnały radiowe. Sygnały wideo. Wszystko, co jest przesyłane przez prąd elektryczny.
Największą uwagę zwracają wzmacniacze audio. Entuzjastom zależy na mocy, oporze i wierności. Te cechy mają znaczenie.
Często zadawane pytania
Czy wzmacniaczy można używać z dowolnym typem głośników?
Można zastosować większość, ale kompatybilność zależy od mocy wyjściowej wzmacniacza i zdolności głośnika do radzenia sobie z mocą. Nieprzestrzeganie może spowodować uszkodzenie sprzętu.
Jak moc wzmacniacza wpływa na jakość dźwięku?
Większa moc pozwala uzyskać większą głośność bez zniekształceń. Poprawia to jakość dźwięku przy dużej głośności.
