Σχεδιασμός ενός ενισχυτή ήχου με τρανζίστορ. Μέρος 1ο.

Ας σχεδιάσουμε έναν ενισχυτή ήχου, με τρανζίστορ, για να ενισχύσουμε την έξοδο μίας συσκευής με χαμηλή στάθμη εξόδου. Για παράδειγμα την έξοδο από την βαθμίδα αποδιαμόρφωσης ενός ραδιοφωνικού δέκτη, ένα μικρόφωνο, κτλ. Οι προδιαγραφές που θέλω να έχει ο ενισχυτής μου είναι:

  • Τροφοδοσία των 9 volts.
  • Κέρδος τάσης (προενίσχυση) τουλάχιστον 100.
  • Οδήγηση ενός μικρού ηχείου των 16 Ohm με τάση 5 Vp-p.
  • Εύρος 50 Hz έως 22 kHz.

Woofer

Τα παρακάτω αποτελούν εκπαιδευτικό βοήθημα και όχι επαγγελματική προσπάθεια.

Βαθμίδα Προενίσχυσης.

Αρχικά πρέπει να πάρουμε κάποιες αποφάσεις για το πως θα είναι είναι ο ενισχυτής, τώρα που γνωρίζουμε τις προδιαγραφές. Βλέπουμε πως θέλουμε προενίσχυση τουλάχιστον 100. Το μεγάλο κέρδος που θέλω με οδηγεί απευθείας στο συμπέρασμα πως το στάδιο προενίσχυσης θα είναι ένας ενισχυτής τάσης Κοινού Εκπομπού (Common Emitter, CE). Το κύκλωμα του προενισχυτή το βλέπουμε παρακάτω.

CE-1

Το τρανζίστορ, Q1, που θα χρησιμοποιήσουμε είναι το BC547B. Θα θεωρήσουμε πως το τρανζίστορ μας έχει ένα κέρδος ρεύματος β (Hfe) ίσο με 100 (χειρότερη περίπτωση). Η τάση Εκπομπού Συλλέκτη του BC547Β στον κόρο είναι VCE(SAT)=0,2 volts. Η τάση Βάσης Εκπομπού για το BC547Β είναι VBE=0,6 volts. Όλα τα παραπάνω προέρχονται από το φυλλάδιο τεκμηρίωσης του BC547B.

Καλούμαστε να υπολογίσουμε τις τιμές των R1,R2,RC,RE και C1. Ο C1 ορίζει το εύρος. Οι πυκνωτές Cin και Cout είναι για την σύζευξη και αποσύζευξη του ac σήματος. Η τιμή των 100 μF είναι μία καλή τιμή. Ο πυκνωτής CE γειώνει τον Εκπομπό για το ac σήμα και αυξάνει το ac κέρδος. Επίσης ορίζει το χαμηλό τμήμα του εύρους. Γενικά θέλουμε να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος. Για την εφαρμογή μας, μία τιμή των 220 μF είναι εντάξει.

Αρχικά πρέπει να πάρουμε μία απόφαση για το ρεύμα Συλλέκτη, IC. Το BC547Β έχει ένα μέγιστο ρεύμα συλλέκτη 100 mA. Σε συνεχή λειτουργία θα θέλουμε να είμαστε 10 φορές κάτω από το μέγιστο ρεύμα Συλλέκτη. Θα μπορούσαμε να διαλέξουμε 10 mA λοιπόν. Πρακτικά και στα 10 mA το BC547Β δεν έχει και τόσο καλά χαρακτηριστικά (υπάρχουν και κάποια θέματα θορύβου με την πόλωση του). Για παράδειγμα η VCE(SAT) γίνεται 0,6 volts από 0,2 volts. Από την τεκμηρίωση του BC547B βλέπουμε πως για ρεύμα συλλέκτη 2 mA έχουμε μία καλή συμπεριφορά. Οπότε διαλέγουμε ρεύμα συλλέκτη 2 mA.

Το κέρδος θέλουμε να είναι γύρω στο 100. Το κέρδος τάσης ενός ενισχυτή κοινού εκπομπού δίνεται από την σχέση:

Θέλουμε το κέρδος Α να είναι τουλάχιστον 100 και το ρεύμα Συλλέκτη είναι ΙC να είναι 2 mA. Για να είμαστε σίγουροι για τον σχεδιασμό μας θα πούμε πως θέλουμε το κέρδος να είναι μεγαλύτερο από 100 (Α>100). Οπότε έχουμε:

Οπότε αν βάλω μία αντίσταση Συλλέκτη, RC, των 1250 Ohm θα έχω κέρδος τάσης ίσο με 100. Λόγο απωλειών ξέρω πως πρέπει να είναι μεγαλύτερη. Θα διαλέξω την 1500 Ohm (σειρά αντιστάσεων Ε12).

Το σημείο λειτουργίας το θέλουμε να είναι στο μέσο της γραμμής για να μπορεί η ac τάση εξόδου να μεταβάλλεται χωρίς να κινδυνεύουμε να οδηγήσουμε το τρανζίστορ στον κόρο ή στην αποκοπή. Άρα θέλουμε μία τάση συλλέκτη εκπομπού ίση με 4,5 volts (μέση της τροφοδοσίας). Άρα VCE=4,5 volts. Τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε και την αντίσταση που πρέπει να βάλουμε στον > Εκπομπό (RE). Για το κύκλωμά ισχύει:

Εντόπισες την παράληψη/”λάθος” στους παραπάνω υπολογισμούς;

Θα διαλέξουμε τιμή 820 Ohm (σειρά αντιστάσεων Ε12, δεν έχω 750 που είναι η σειρά Ε24).

Ας υπολογίσουμε τώρα τις αντιστάσεις R1, R2 που αποτελούν τον διαιρέτη τάσης της πόλωσης της Bάσης. Σε γενικές γραμμές θέλουμε το ρεύμα που θα διαρρέει την R2 να είναι δέκα (10) φορές (ή μία τάξη μεγέθους) μεγαλύτερο από το ρεύμα της βάσης (ΙB). Αυτό το θέλουμε για να έχουμε σταθερό σημείο λειτουργίας. Την R1 θα την διαρρέει έντεκα (11) φορές το ρεύμα βάσης (το ένα μέρος θα πάει προς την Βάση και τα υπόλοιπα δέκα μέρη προς την R2).

Για το ρεύμα βάσης ξέρουμε πως:

Για την τάση της βάσης ξέρουμε πως:

Το 0,6 volts (VBE) είναι η τάση φραγμού της διόδου βάσης εκπομπού.

Για την R2 ξέρουμε πως:

R2=10,5 kOhm. Θα διαλέξουμε R2=10 kOhm (σειρά Ε12).

Για την R1 ξέρουμε πως:

Θα διαλέξουμε R1=27 kOhm (σειρά Ε12).

Έχουμε υπολογίσει έως τώρα:
R1=27 kOhm, R2=10 kOhm, RC=1500 Ohm, RE=820 Ohm.
Μένει να υπολογίσουμε την τιμή του C1.

Ο πυκνωτής C1 είναι παράλληλα στην αντίσταση συλλέκτη. Αυτό σημαίνει πως για το ac ρεύμα η (σύνθετη) αντίσταση συλλέκτη (έστω ΖC) θα εξαρτάται από την συχνότητα. Όταν μεταβάλλεται η αντίσταση συλλέκτη όμως μεταβάλλεται και το κέρδος. Εμείς θέλουμε εύρος μέχρι 22 kHz (το αυτί του μέσου ανθρώπου δεν ακούει ποιο υψηλές συχνότητες). Θέλουμε δηλαδή στα 22 kHz η τάση εξόδου να γίνει 0,707 της μέγιστης τάσης εξόδου.

Για να μειωθεί το κέρδος κατά 3 db ή (κατά 0,707) πρέπει να μειωθεί η αντίσταση συλλέκτη RCZ κατά 0.707.

Αν η αντίσταση του πυκνωτή είναι XC, από τις αντιστάσεις σε παράλληλη σύνδεση και την σύνθετη αντίσταση πυκνωτή έχουμε:

Για την σύνθετη αντίσταση ενός πυκνωτή έχουμε:

Θα επιλέξουμε τον πλησιέστερο πυκνωτή που είναι 5 nF.

Με τον υπολογισμό του C1 ολοκληρώσαμε και τον σχεδιασμό.

Με την βοήθεια του προγράμματος LTSpice θα εξομοιώσουμε το κύκλωμα που σχεδιάσαμε. Η πηγή Vmic έχει έξοδο 1 mVolt και συχνότητα 1 kHz.

Στο παραπάνω σχεδιάγραμμα βλέπουμε την έξοδο του ενισχυτή μας για 1 mVolt. Είναι 105 mVolts. Δηλαδή το κέρδος μας είναι 105. Είχαμε θέσει σαν στόχο το λιγότερο 100. Είμαστε μέσα στον στόχο μας.

Ας δούμε τώρα και το εύρος.

Με την έννοια εύρος εννοούμε το διάστημα μεταξύ των δύο συχνοτήτων (χαμηλή και υψηλή) στις οποίες η τάση εξόδου του ενισχυτή μας μειώνεται στο 0,707 την μέγιστης τάσης εξόδου.

Στο παραπάνω διάγραμμα βλέπουμε την έξοδο του ενισχυτή από συχνότητα 10 Hz έως 100 kHz. Ψάχνουμε να βρούμε την χαμηλή και υψηλή συχνότητα που η τάση μειώνεται στο 0,707 της μέγιστης εξόδου. Η μέγιστη τιμή εξόδου είναι τα 40,46 db. Ψάχνουνε τις θέσεις που θα είναι στο -3 db κάτω.

Από τους δείκτες που βάλαμε στο παραπάνω διάγραμμα βλέπουμε πως στις χαμηλές συχνότητες έχουμε -3 db στα 56 Hz. Στις υψηλές συχνότητες βλέπουμε πως έχουμε -3 db στα 25 kHz. Είχαμε θέσει ως στόχο τα 50 Hz έως τα 22 kHz. Μια χαρά είναι τα 56 Hz έως τα 25 kHz.

Ολοκληρώσαμε έτσι την σχεδίαση του προενισχυτή μας.

Συνεχίζεται…

Advertisements
This entry was posted in Electronics and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s