А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

• Название: Семь шагов в электронику
• Автор: А. Черномырдин
• Издательство: "Наука и Техника"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-94387-853-4

Впервые на российском рынке появилась радиолюбительская книга с видеокурсом. Разработки автора книги и его статьи широко известны читателям самых популярных журналов для радиолюбителей. А эта практическая книга им написана для тех, кто вступил на сложный и интересный путь от «чайника» до «профи» — ведь двигаться на этом пути очень трудно! В легкой и доступной форме в книге разбираются устройство и принципы работы семи различных конструкций. Устройства помещены в порядке возрастания сложности, осваиваются шаг за шагом.

Изюминка книги и в том, что конструкции каждого Шага созданы автором в нескольких вариантах на различной элементной базе — или на транзисторах, или на микросхемах, или на микроконтроллерах, — чтобы можно было наглядно увидеть и сходство, и различия между схемными решениями. Там, где какие-то схемотехнические варианты нереализуемы (например, усилитель на микроконтроллере), их, естественно, в книге нет. Интересны и реальные конструкции в ретро-варианте: на лампах, реле, тиратронах — такими они были во времена наших отцов и дедов.

Все рассмотренные конструкции автор разработал, изготовил, проверил и заставил работать — подтверждением тому многочисленные ролики, содержащиеся на приложенном к книге диске. Книга будет интересна всем читателям, желающим расширить свои знания и практические навыки в радиоэлектронике.

Книга сопровождается диском, на котором записан видеокурс, видеоролики с демонстрацией работающих конструкций, имеется разводка печатных плат всех конструкций в электронном виде. Для всех конструкций на микроконтроллерах на диске приводятся программы с исходниками. Диск содержит большое количество справочной информации для радиолюбителей.

---

Рис. 2.6. Разводка печатной платы (85x30 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема расположения деталей

Элементная база. Конденсатор С2 — любой пленочный (например, типа К73-17) на напряжение не менее 250 В. Остальные детали — на напряжение не менее 16 В. Электролитические конденсаторы — любого типа (например К50-35), керамические — SMD типоразмера 0805. Все резисторы — SMD типоразмера 0805.

Наладка. Какой-либо наладки устройство не требует.

Внешний вид устройства приведен на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Внешний вид СДУ на микросхемах

 Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 2» — > «СДУ на микросхемах».

Шаг 3 УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Как работает усилитель низкой частоты

Требования к УНЧ. Прежде чем приступить к изготовлению усилителя низкой частоты (УНЧ), коснемся самым кратким образом основ его работы. Основную функцию УНЧ можно сформулировать одной фразой — усилить входной звуковой сигнал до мощности, необходимой для его воспроизведения акустической системой (АС), и при этом внести в сигнал минимальные искажения.

Для выполнения этой функции УНЧ должен:

♦ во-первых, иметь высокий коэффициент усиления по мощности;

♦ во-вторых, иметь максимально линейную передаточную характеристику, т. е. график зависимости величины сигнала на выходе усилителя от величины сигнала на его входе должен представлять собой абсолютно прямую линию, проходящую через точку (0,0) координатной плоскости.

 Примечание.

Увы, такая характеристика, как и все идеальное, практически недостижима, потому что усилительные элементы, будь то лампы, транзисторы или микросхемы, обладают передаточными характеристиками, зачастую даже отдаленно не напоминающими прямую линию.

Вдобавок ко всему, форма этих характеристик зависит еще и от частоты сигнала, подаваемого на вход, хотя на низких частотах эта зависимость редко приобретает катастрофические масштабы. Как же в таких условиях добиться качественной работы усилителей?

Передаточные характеристики. Рассмотрим для примера передаточную характеристику транзистора (рис. 3.1, а). Она представляет собой замысловатую кривую, которую с массой оговорок можно назвать экспонентой.

На графике (рис. 3.1, а) легко можно увидеть, что верхняя часть кривой более-менее похожа на прямую линию (по крайней мере, по сравнению с нижней ее частью). Если бы нам удалось для усиления сигнала использовать только верхнюю часть кривой, то мы получили бы достаточно хорошее приближение к идеалу.

Сделать это довольно просто — надо подать на вход транзистора вместе с усиливаемым сигналом еще дополнительную постоянную составляющую, которая сместит усиливаемый сигнал в «почти прямую» область передаточной характеристики (рис. 3.1, б). Эта дополнительная составляющая так и называется — «смещение».

Рис. 3.1. Упрощенная передаточная характеристика транзистора

Режимы работы усилительных элементов. В зависимости от соотношения величины сигнала и величины смещения различаются несколько режимов работы усилительных элементов:

♦ режим А — величина смещения заведомо больше любого возможного сигнала на входе усилителя;

♦ режим В — величина смещения такова, что суммарный сигнал может заходить в область начального изгиба передаточной кривой, а порой даже и в левую часть графика, где транзистор вовсе не усиливает сигнал;

♦ режим С — смещение как таковое отсутствует совсем.

Конечно, самый лучший в плане приближения к идеалу — режим А, но за такое приближение приходится платить очень дорогую цену, ведь усилительный элемент усиливает не только полезный сигнал, но и поданное смещение. Усиление же связано с выделением теплоты — так уж устроила природа. КПД усилителей класса А (класс усилителя определяется режимом работы его выходных транзисторов) даже теоретически не может быть больше 50 %, в реальности же он еще меньше.

Непременный атрибут усилителей класса А — гигантские радиаторы. Поэтому в чистом виде класс А в УНЧ применяется достаточно редко, обычно это все-таки некая разновидность класса В или же класса АВ — нечто среднее между этими двумя классами.

Главный недостаток класса В — то, что входной сигнал может временами оказываться в области, где усиления сигнала нет вовсе. Во что превратится в этом случае выходной сигнал, лучше даже не думать.

Как решить эту проблему?

До ответа специалисты додумались много десятилетий назад — нужно, чтобы сигнал усиливал не один элемент, а два! Один — одну «половину» сигнала, другой — другую. Сделать это довольно просто — нужно подать входной сигнал на два транзистора разной проводимости (т. н. комплементарная пара) либо подать на два одинаковых транзистора два противофазных сигнала, а усиленные сигналы определенным образом сложить. Передаточная характеристика такой «парочки» получается не совсем прямой, в области небольших сигналов у нее присутствует т. н. «ступенька», но ее в некоторой степени можно «задавить» смещением.

Усилители, в которых для усиления сигнала используется пара усилительных элементов, называются двухтактными, в отличие от однотактных, в которых такой элемент один.

Класс С, несмотря на свою высокую экономичность, в УНЧ используется очень редко — слишком велики вносимые им искажения. Зато этот класс с успехом применяется в передатчиках. Ведь в силу специфики излучаемого передатчиком сигнала в передающей технике существуют эффективные способы устранения искажений, вносимых каскадом, работающим в классе С. При этом экономичность каскада при излучаемой передатчиком мощности в единицы, десятки или даже сотни киловатт становится слишком серьезным фактором, чтобы им пренебрегать.

Впрочем, инженерная мысль и здесь не дремлет — в культовом УНЧ «Quad-405» и его клонах разработчики путем оригинального технического решения заставили-таки выходные транзисторы работать в классе С, и получить при этом прекрасный звук!

 Примечание.

Как видите, уважаемый радиолюбитель, получить идеально линейную передаточную характеристику, только манипулируя режимами работы усилительных элементов, представляет собой весьма сложную задачу.

Обратная связь. И здесь на помощь разработчикам УНЧ приходит техническое решение, широко применяющееся в устройствах автоматического регулирования — обратная связь (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Что такое «обратная связь»

Идея обратной связи проста — усиливаемый сигнал подается не на вход усилительного элемента, а на вход специального блока сравнения. На другой его вход через делитель напряжения R1, R2 подается сигнал с выхода усилительного элемента. Если оба сигнала одинаковы, на выходе устройства сравнения сигнала нет. Если же они отличаются, на выходе устройства сравнения появляется такой сигнал. Будучи поданным на усилительный элемент, он приведет выходной сигнал усилителя в точное соответствие его входному сигналу. Поэтому выходной сигнал усилителя всегда будет пропорционален входному, а коэффициент пропорциональности (читай — коэффициент усиления) будет определяться только соотношением величин резисторов делителя напряжения R2/R1. Эти резисторы по природе своей являются элементами с той самой линейной передаточной характеристикой, которую мы так стремимся получить.

 Примечание.

Красивая эта теория на практике, разумеется, имеет свои нюансы, но введение обратной связи в усилители реально и очень существенно улучшает качество звука.

Качество звука. Сказав «качество звука», мы поднимаем целый пласт вопросов, связанный с объективной оценкой качества усилителя: субъективные-то оценки давать проще простого — «не нравится» и точка! Для оценок качества звучания усилителя используются различные показатели. Например, коэффициент гармоник — рассчитанное по результатам измерений соотношение величины гармоник сигнала к основному тону (грубо говоря, сколько отсебятины вносит усилитель в исходный сигнал).