ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΧΟΥ ΚΑΙ ΜΟΥΣΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΤΑΞΗΣ ΑΒ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΟΝΟΜΑ» Επιβλέπων : Παναγής Βουτσινάς Επιτροπή Αξιολόγησης : Ημερομηνία παρουσίασης Αύξων Αριθμός Πτυχιακής Εργασίας :
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ.....1 1.1 Αντικείμενο και σκοπός της διπλωματικής εργασίας..1 1.2 Μεθοδολογία της διπλωματικής εργασίας.....1 1.3 Συνοπτική περιγραφή και περιεχόμενα της διπλωματικής εργασίας...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ... 2 2.1 Η ακουστική τεχνολογία......2 2.1.1 Τι είναι ήχος.....2 2.1.2 Ακουστική........3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΗΧΟΥ.....4 3.1 Τι είναι ενισχυτής ήχου.... 4 3.1.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη ενισχυτών....5 3.1.2 Ολική αρμονική παραμόρφωση.. 5 3.1.3 Ευαισθησία εισόδου.....7 3.14 Απόδοση ισχύος....7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΧΟΥ... 8 4.1 Πηγές σήματος ήχου......8 4.2 Προενισχυτής.9 4.3 Τελικός ενισχυτής ισχύος..11 4.4 Μεγάφωνα και ηχεία.13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΤΑΞΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ 15 5.1 Εισαγωγή 15 5.2 Η τάξη Α 15 5.3 Η τάξη Β και ΑΒ 17 5.4 Η τάξη C 19 5.5 Η τάξη D.20 5.6 Η τάξη G και H 22
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ....24 6.1 Πως λειτουργεί ο ενισχυτής 24 6.1.1 TDA 26 6.1.2 Υλικά..34 6.2 Συμβουλές πριν αρχίσετε να κατασκευάζετε τον ενισχυτή...34 6.2.1 Κατασκευή ενισχυτή 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΚΟΛΛΗΤΗΡΙ..39 7.1 Εργαλεία που χρειάζονται 39 7.2 Τοποθέτηση ηλεκτρονικών στοιχείων στην πλακέτα.40 7.3 Κολλήσεις 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ.44 8.1 Τύποι τροφοδοτικών.44 8.2 Μετασχηματιστής.45 8.3 Ανορθωτής.46 8.3.1 Απλή ανόρθωση.47 8.3.2 Διπλή ανόρθωση με γέφυρα.50 8.4 Εξομάλυνση..48 8.5 Σταθεροποιητής.49 8.6 Κατασκευή τροφοδοτικού 50 8.6.1 Υλικά για το τροφοδοτικό 50 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..52
ΚΕΦ. 1 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1.1 Αντικείμενο και σκοπός της διπλωματικής εργασίας. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή, σε πειραματικό επίπεδο, ενός τελικού ενισχυτή ακουστικών συχνοτήτων με κύρια χαρακτηριστικά: Την υψηλή απόδοση σε ισχύ. Τις μικρές απαιτήσεις σε παροχή ισχύος από τροφοδοτικό. Τον μικρό όγκο και βάρος της συσκευής σε σχέση με αντίστοιχες του εμπορίου. 1.2 Μεθοδολογία της διπλωματικής εργασίας. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας ακολουθήθηκε η εξής μεθοδολογία : Συγκέντρωση και μελέτη βιβλιογραφικών δεδομένων. Μελέτη και σχεδιασμός του ενισχυτή ήχου τάξης ΑΒ βάσει. συγκεκριμένων παραμέτρων. Κατασκευή και έλεγχος ομαλής λειτουργίας του παραπάνω συστήματος. 1.3 Συνοπτική περιγραφή και περιεχόμενα της διπλωματικής εργασίας. Αρχικά, για να κατανοηθεί πλήρως η εργασία αυτή, στο δεύτερο κεφάλαιο είναι ανάγκη να αναφερθούμε στην έννοια του ήχου, στη χρησιμότητα των ενισχυτών ακουστικών συχνοτήτων και στις εφαρμογές τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη θεωρία για διάφορους τύπους ενισχυτών ήχου, στην αρχή λειτουργίας τους και τις ιδιότητες τους γενικά. Στο τέταρτο κεφάλαιο υπάρχει μια περιγραφή στα συστήματα ήχου. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή των τάξεων των ενισχυτών Στο έκτο κεφάλαιο εξηγείται πλέον η διαδικασία κατασκευής της πειραματικής εργασίας. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται αναφορά για το κολλητήρι. Στο όγδοο κεφάλαιο περιγράφουμε την κατασκευή του τροφοδοτικού καθώς και τα είδη του. 1
ΚΕΦ. 2 Η ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 2.1 Η ακουστική τεχνολογία. 2.1.1 Τι είναι ήχος. Αυτό που εμείς οι άνθρωποι αντιλαμβανόμαστε ως «ήχο» δεν είναι παρά μεταβολές της πίεσης του αέρα, ικανότητα την οποία απέκτησε το είδος μας (μαζί με άλλα είδη ταυτόχρονα) ώστε να μπορεί να εντάσσεται καλύτερα στο περιβάλλον του. Οι ήχοι τους οποίους ακούμε καθημερινά είναι συνήθως πολύπλοκοι γιατί αποτελούνται από πολλές διαφορετικές συχνότητες. Ο πιο απλός τρόπος παραγωγής ενός ήχου μίας μόνο συχνότητας είναι το διαπασών. Η ταλάντωση των μεταλλικών στελεχών του διαπασών με σταθερή συχνότητα μεταφέρει την παλμική κίνηση στον αέρα με τη μορφή πίεσης, δημιουργώντας ένα κύμα πίεσης. Το κύμα αυτό είναι διάμηκες και όχι εγκάρσιο, δηλαδή η ταλάντωση λαμβάνει χώρα παράλληλα στην διεύθυνση διάδοσης του κύματος και όχι κάθετα σε αυτή, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και το φως (Everest, 1999). Το κύμα αυτό διαδίδεται με ταχύτητα 340 μέτρων το δευτερόλεπτο και μεταφέρει τις μεταβολές της πίεσης του αέρα. Είναι προφανές ότι χωρίς αέρα δεν νοείται πίεση και έτσι ο ήχος είναι αδύνατο να διαδοθεί στο κενό. Εικόνα 2.1-1 : Οι μεταβολές στην πίεση του αέρα και η αντίστοιχη κυματομορφή ήχου 2
Σταδιακά ο άνθρωπος απέκτησε την ικανότητα να αντιλαμβάνεται τις μεταβολές αυτές της πίεσης και να αποκωδικοποιεί το περιεχόμενό τους, μέσω των αυτιών. Το σχήμα των αυτιών είναι εκπληκτικό: η τοποθέτηση του πτερυγίου επιτρέπει την διάκριση των ήχων που έρχονται από το μπροστινό μέρος που βρίσκεται ο άνθρωπος από αυτούς που έρχονται από πίσω, ενώ σε συνδυασμό με τον υπόλοιπο λοβό δημιουργείται ένας από τους καλύτερους ενισχυτές που υπάρχουν. Επίσης, ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει την ικανότητα να συγκρίνει την χρονική διαφορά με την οποία ένας ήχος φτάνει στο κάθε αυτί, οπότε και να συμπεράνει την απόσταση από την οποία προέρχεται. Αυτή ήταν μία από τις σημαντικότερες άμυνες του ανθρώπου απέναντι στους κυνηγούς του, γι αυτό και από πολύ νωρίς εξελίχθηκαν δύο αυτιά και όχι μόνο ένα (Κιοσκερίδης, 2012). Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιληφθεί ήχους από 20Hz περίπου μέχρι και 20kHz. Οι ήχοι υψηλότερων συχνοτήτων δεν γίνονται αντιληπτοί και ονομάζονται υπέρηχοι. Οι φωνητικές χορδές επιτελούν την ακριβώς αντίστροφη διαδικασία. Πάλλονται με πολύ συγκεκριμένο τρόπο κατά το πρότυπο του διαπασών ώστε να παραχθούν ανάλογοι ήχοι διαφορετικών συχνοτήτων, ώστε με την κατάλληλη εξάσκηση αποκτάται η ικανότητα της ομιλίας. 2.1.2 Ακουστική Ακουστική είναι η επιστήμη της συμπεριφοράς των ηχητικών κυμάτων. Μελετά την παραγωγή, διάδοση, και λήψη των εν λόγω κυμάτων από το ανθρώπινο αυτί. Είναι επίσης η επιστήμη που ασχολείται επισταμένως με όλα γενικά τα μηχανικά κύματα, τα οποία εκτείνονται πέρα από το ακουστικό φάσμα του ανθρώπινου αυτιού και ως εκ τούτου δεν γίνονται αντιληπτά. Τέτοια κύματα είναι : α) τα χαμηλής συχνότητας κύματα που παράγονται από τους σεισμούς ( υποηχητικά κύματα) και β) τα υψηλής συχνότητας ή υπερηχητικά κύματα καθώς και οι υψίσυχνες ταλαντώσεις των ατόμων στα στερεά σώματα (Κιοσκερίδης, 2012). Η Ακουστική είναι εξαιρετικά σημαντική α) στο λόγο και στην ακρόαση (ραδιοφωνικά studios, θεατρικές αίθουσες, συνεδριακούς χώρους)και. 3
(α) (β) Εικόνα 2.1-2 : α) Χαμηλή και υψηλή συχνότητα σε ηχητικό κύμα. β)το πλάτος κύματος ήχου. β) στην μουσική ( παραγωγή και ακρόαση ) σε studios ηχογράφησης και αίθουσες συναυλιών (Everest, 1999). Χώροι σαν τους προαναφερθέντες, κατασκευασμένοι χωρίς να έχουν προηγηθεί μελέτες που αφορούν την ακουστική κλειστών χώρων, είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα δημιουργήσουν απαράδεκτες συνθήκες ακρόασης με αποτέλεσμα ένα δυσάρεστο ακουστικό συναίσθημα στο ακροατήριο. Μερικά από τα προβλήματα που δημιουργούνται είναι ηχώ, στάσιμα κύματα, τυχαίες ανακλάσεις των ηχητικών κυμάτων, χρωματισμός του ήχου που οφείλεται σε ανεπιθύμητους συντονισμούς στην αίθουσα κ.ά... ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΗΧΟΥ 3.1 Τι είναι ενισχυτής ήχου. Η διάταξη, που στην είσοδό της δέχεται ένα σήμα ακουστικής συχνότητας (20Hz έως 20KHz) και στην έξοδό της παρέχει ένα άλλο σήμα με πολύ μεγαλύτερο κατ αρχήν πλάτος και ίδια ή ανάλογα τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του προς το σήμα εισόδου, ονομάζεται ενισχυτής ακουστικών συχνοτήτων ή ενισχυτής ήχου (audio amplifier) (Κουλούρης, 2003). Αυτό το καταφέρνει με το να πάρει ισχύ από ένα τροφοδοτικό και να ελέγξει την έξοδό του ώστε αυτή να ταιριάζει με την είσοδο. Το «πλάτος» που αναφέρεται στον παραπάνω ορισμό παραπέμπει ίσως στο μέγεθος «τάση». Άρα είναι λογικό να θεωρήσει κανείς ότι οι ενισχυτές ήχου είναι αποκλειστικά ενισχυτές τάσης. Λοιπόν, αυτό δεν ισχύει, τουλάχιστον για την κατηγορία των τελικών ενισχυτών, στην οποία κατατάσσεται και ο ενισχυτής ήχου 4
της παρούσας κατασκευής. Οι τελικοί ενισχυτές ήχου μπορούν κατά κανόνα να δώσουν ένα μέτριο μόνο κέρδος τάσης αλλά σημαντικό κέρδος ρεύματος. Αυτός είναι ο λόγος που οι τελικοί ενισχυτές ήχου ανήκουν στην κατηγορία των ενισχυτών ισχύος. 3.1.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη ενισχυτών. Οι ενισχυτές ισχύος χαρακτηρίζονται από κάποια μεγέθη, σύμφωνα με τα οποία εμείς μπορούμε να αντιληφθούμε την ποιότητα και την εφαρμογή του κάθε ενός ενισχυτή. Τα πιο σημαντικά από αυτά είναι τα παρακάτω: Μέγιστη ισχύς εξόδου (Total Output Power): Όπως καταλαβαίνουμε από το όνομα, πρόκειται για την μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει στην έξοδό του ένας ενισχυτής. Στην πραγματικότητα μιλάμε για το ρεύμα που είναι σε θέση να δώσει ο ενισχυτής πάνω σε συγκεκριμένο φορτίο, χωρίς αυτός να κινδυνεύει από υπερθέρμανση. Γι αυτό, σχεδόν πάντα, η ισχύς δίδεται για ηχείο δεδομένης αντίστασης. Π.χ. στον ίδιο ενισχυτή θα δούμε να αναγράφεται: 100W /8Ω 180W / 4Ω Αυτό σημαίνει ότι ο συγκεκριμένος ενισχυτής μπορεί να δουλέψει με ηχείο αντίστασης 8 Ohm ή 4 Ohm. Στην πρώτη περίπτωση η μέγιστη ισχύς εξόδου του είναι 100 Watt ενώ στη δεύτερη ανέρχεται στα 180 Watt. Αυτό βέβαια δε σημαίνει ότι προκειμένου να πετύχουμε περισσότερη ισχύ μπορούμε να συνδέσουμε ηχείο χαμηλότερης αντίστασης από 4 Ohm, διότι αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει επικίνδυνη αύξηση της θερμοκρασίας του ενισχυτή και ενδεχομένως την καταστροφή του. 3.1.2. Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (Total Harmonic Distortion ή THD): Όταν ενισχύεται ένα σήμα, θα πρέπει να προσέχουμε ώστε η πληροφορία που περιέχεται σε αυτό να μην μεταβάλλεται αλλά και καμία καινούρια πληροφορία να μην προστίθεται. Όταν τροφοδοτούμε ένα σήμα σε έναν ενισχυτή, θέλουμε το σήμα στην έξοδο του ενισχυτή να είναι ακριβές αντίγραφο αυτού της εισόδου έχοντας φυσικά μεγαλύτερο πλάτος. Με άλλα λόγια, θέλουμε οι διακυμάνσεις της κυματομορφής εξόδου να είναι ταυτόσημες με αυτές της κυματομορφής εισόδου. 5
Κάθε αλλαγή στην κυματομορφή θεωρείται παραμόρφωση και είναι προφανώς ανεπιθύμητη. Η THD είναι μία έκφραση του κατά πόσο έχει παραμορφωθεί το σήμα εισόδου στην έξοδο του ενισχυτή, λόγω της εισαγωγής ανεπιθύμητων συχνοτήτων που είναι πολλαπλάσια της βασικής συχνότητας (βλ. εικόνα 3.1-2). Στην εικόνα φαίνεται καταρχήν ένα καθαρό ημίτονο το οποίο στην έξοδο έχει υποστεί ψαλιδισμό, λόγω μη γραμμικότητας των στοιχείων του ενισχυτή. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργηθούν περιττές αρμονικές συχνότητες, μιας και το σήμα εξόδου μοιάζει περισσότερο με τετραγωνικό παλμό παρά με ημίτονο. Εικόνα 3.1-2: Η συχνότητα ενισχύεται αλλά παράγονται αρμονικές. Η THD μετριέται σε ποσοστό επί τοις εκατό ενώ για ένα ενισχυτή hi-fi έχει τιμή πολύ μικρότερη του 1%. Ένας ιδανικός ενισχυτής έχει THD=0%. Απόκριση συχνοτήτων (Frequency Response): Δείχνει το κατά πόσο ο ενισχυτής είναι ικανός να ενισχύσει το ίδιο όλες τις συχνότητες του ακουστικού φάσματος. Συνήθως τη συναντάμε σαν μία καμπύλη, όπου στον οριζόντιο άξονα υπάρχει η συχνότητα και στον κάθετο η ενίσχυση (Δώδης, 1995). Στην ιδανική περίπτωση η καμπύλη αυτή πρέπει να είναι επίπεδη για την περιοχή 5Hz έως 25KHz. Στην πραγματικότητα όμως το εύρος συχνοτήτων (Bandwidth) για το οποίο θεωρούμε ότι η ενίσχυση είναι σταθερή βρίσκεται μεταξύ των τομών της χαρακτηριστικής για απολαβή ίση με το 0,707 της μέγιστης ή Amax-3dB (βλ. σχήμα 3.2-2). Εικόνα 3.2-2: Καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων. fh:ανώτερη συχνότητα αποκοπής. fl:κατώτερη συχνότητα 6
αποκοπής. 3.1.3.Ευαισθησία εισόδου (Input Sensitivity) Η στάθμη του σήματος που απαιτείται στην είσοδο του ενισχυτή ώστε αυτός να αναπτύξει πλήρη ισχύ στην έξοδό του. Αυτό εξαρτάται από την απολαβή (gain) και την ολική ισχύ του ενισχυτή. Για παράδειγμα, ένας ενισχυτής 10W χρειάζεται να έχει πολύ μικρότερη ενίσχυση από έναν ενισχυτή 200W για να δώσει τη μέγιστη ισχύ του, υπό το ίδιο σήμα εισόδου (Δώδης, 1995). Θα ήταν χρήσιμο αν όλοι οι ενισχυτές είχαν την ίδια ενίσχυση ανεξάρτητα από την ισχύ τους αλλά δυστυχώς αυτό δεν συμβαίνει. Γι αυτό η ευαισθησία εισόδου ποικίλει ευρέως από 0,5 έως 1,5 volt ή περισσότερο. 3.1.4 Απόδοση ισχύος (power efficiency) Ορίζεται σαν το λόγο της ηλεκτρικής ισχύος που παρέχεται στο ηχείο από τον ενισχυτή προς την ισχύ που απορροφά ο ενισχυτής από το τροφοδοτικό (%) (Δώδης, 1995). Είναι ίσως η πιο σημαντική παράμετρος ενός ενισχυτή αφού, όπως θα δούμε παρακάτω, προδίδει το πόσο δαπανηρός είναι αυτός σε κατανάλωση ισχύος αλλά και σε αρχικό κόστος. Εικόνα 3.1-4: Παράδειγμα καταμερισμού θερμικών απωλειών σε ένα τυπικό ενισχυτή. Στο παράδειγμα της παραπάνω εικόνας για να τροφοδοτήσουμε το μεγάφωνο με 100 ηλεκτρικά βατ πρέπει να καταναλωθούν εξ αρχής 180 βατ! Αυτό οφείλεται στον βαθμό απόδοσης του ενισχυτή (60%) σε συνδυασμό με τον βαθμό απόδοσης του τροφοδοτικού του (90%). Ποιες είναι όμως οι συνέπειες από τον χαμηλό αυτό βαθμό 7
απόδοσης; Αν τα πάρουμε από την αρχή, βλέπουμε ότι επιβαρύνεται άσκοπα το δίκτυο ηλεκτροδότησης με δυσάρεστα για την τσέπη μας αποτελέσματα, ειδικά όταν έχουμε να κάνουμε με συναυλιακούς χώρους όπου η συνολική ισχύς των τελικών ενισχυτών ανέρχεται σε χιλιάδες βατ! Εκτός από αυτό, είναι ανάγκη να χρησιμοποιηθούν ογκώδη τροφοδοτικά. Ειδικότερα, πρόκειται για μεγάλους, βαριούςμετασχηματιστές και μεγάλης χωρητικότητας ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, πράγμα που σημαίνει την κατακόρυφη αύξηση του ολικού κόστουςκατασκευής αλλά και την ανάγκη για μεγάλα κουτιά που θα φιλοξενήσουν ταπαραπάνω. Στα δύο παραπάνω, κόστος και όγκο, συμβάλουν κατά πολύ οι ογκώδεις ψήκτρες, απαραίτητες για την απαγωγή της θερμότητας από τα εξαρτήματα του ενισχυτή. Στην ψύξη βέβαια συμβάλλουν και ανεμιστήρες που συνήθως είναι θορυβώδεις κατά την λειτουργία τους. Για το κεφαλαίο 3 Ηχοληψία του Δημήτρη Δωδη 3η έκδοση, περιοδικό AVpro τευχος 42 περίοδος Β Ιανουάριος Φεβρουάριος 2009 Κεφάλαιο 4 Συστήματα ήχου. Στην εικόνα 4.1-1 βλέπουμε ένα βασικό ηχητικό σύστημα το οποίο απαρτίζεται από: - Την πηγή (CD player) - Τον προενισχυτή - Τον τελικό ενισχυτή (ισχύος) - Τα ηχεία 4.1 Πηγές σήματος ήχου. Στην περίπτωση της εικόνας 4.1-1 πρόκειται για μια συσκευή αναπαραγωγής ψηφιακών δίσκων (cd). Στη θέση αυτής θα μπορούσε να είναι κάποια άλλη συσκευή όπως ένα μικρόφωνο ή η έξοδος ήχου χαμηλής στάθμης (audio lineout) ενός DVDplayer ή η ίδια έξοδος ενός δορυφορικού δέκτη κα.. Η στάθμη του ήχου στην έξοδο των προαναφερθέντων συσκευών, πλην τουμικροφώνου, κυμαίνεται στην περιοχή των 100 millivolt ενώ η ισχύς του σήματος αυτού είναι της τάξης των milliwatt. Επειδή τα σήματα αυτά είναιχαμηλής ισχύος λέγονται και ασθενή σήματα. Ένα κοινό 8
μικρόφωνο, όχι πυκνωτικό, παρέχει στάθμη εξόδου ακόμα χαμηλότερη περίπου 1 millivoltενώ έχει και σημαντικά μικρότερη αντίσταση εξόδου, της τάξης του 1ΚW Εικόνα 4.1-1 : Πλήρες σύστημα ήχου hi-fi 4.2 Προενισχυτής (preamplifier). Είναι η συσκευή που αναλαμβάνει να φέρει το σήμα από την εκάστοτε πηγή σε επίπεδο τέτοιο ώστε να μπορεί να επεξεργαστεί αξιόπιστα από τον τελικό ενισχυτή. Η πηγή, εκτός του ότι δίνει ένα ασθενές σήμα, η αντίσταση εξόδου της απέχει πολύ από την τιμή της αντίστασης εισόδου του τελικού ενισχυτή, πράγμα που απαγορεύει την απ ευθείας σύνδεση των συσκευών αυτών. Εκτός όμως από την προσαρμογή της αντίστασης εισόδου-εξόδου, ο προενισχυτής έχει κύριο σκοπό τον έλεγχο της έντασης του ήχου που θα ακούγεται τελικά από τα ηχεία, μιας και ο τελικός ενισχυτής κατά κανόνα δεν διαθέτει τέτοια λειτουργία ή αν διαθέτει δεν θα είναι ίσως εύκολα προσβάσιμηαν αυτός βρίσκεται μακριά από τις υπόλοιπες συσκευές του συστήματος (επαγγελματικά συστήματα). Είναι πολύ πιθανό, εκτός από τα παραπάνω, ο προενισχυτής να διαθέτει συστήματα επεξεργασίας και βελτίωσης του ήχου. 9
Εικόνα 4.2-1: Το εσωτερικό ενός προενισχυτή και η μπροστά όψη. Στο κέντρο φαίνεται το ρυθμιστικό της έντασης και αριστερά ο επιλογέας της πηγής. Ένα από αυτά είναι ο γραφικός ισοσταθμιστής (graphic equalizer) Αυτός διαθέτει φίλτρα που επιτρέπουν στο χρήστη να ρυθμίσει χωριστά την ενίσχυση σε περιοχές ακουστικών συχνοτήτων (bands). Οι περισσότεροι προενισχυτές διαθέτουν επιλογή ενίσχυσης χαμηλών συχνοτήτων (bass) καιυψηλών συχνοτήτων (treble). Τέλος, ένας προενισχυτής διαθέτει επιλογέα γιατην ενεργοποίηση της επιθυμητής συσκευής αναπαραγωγής ή παραγωγής(αν πρόκειται για μικρόφωνο) ήχου, αφού κάθε μια από αυτές διαθέτειδιαφορετική αντίσταση εξόδου και πρέπει να συνδεθεί στην αντίστοιχη, κατάλληλη για αυτή, είσοδο του προενισχυτή. Ιδιομορφία παρουσιάζει ο προενισχυτής τύπου μίκτη (soundmixer). Σε αυτόν, αντί για τον επιλογέα της πηγής, υπάρχουν ποτενσιόμετρα κάθε ένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μια πηγή που είναι συνδεμένη στον μίκτη. Από τα ποτενσιόμετρα αυτά ορίζεται το κατά πόσο συμβάλει η κάθε πηγή στo αποτέλεσμα στην έξοδο. Οι μίκτες χρησιμοποιούνται συνήθως για επαγγελματικές εφαρμογές όπως σε studios, ραδιοφωνικούς σταθμούς, συναυλίες κα.. 10
Εικόνα4.2-2: Προενισχυτής τύπου μίκτη (soundmixer). 4.3 Τελικός ενισχυτής ισχύος (poweramplifier). Ρόλος του είναι να ενισχύσει το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα του ήχου που δέχεται στην είσοδό του, χωρίς όμως να το αλλοιώσει. Η ενίσχυση αυτή είναι απαραίτητη γιατί το ασθενές σήμα δεν είναι ικανό να διεγείρει το ηχείο. 11
Εικόνα 4.3-1: Τελικός ενισχυτής ισχύος. το πόσο «δυνατός» είναι ο τελικός ενισχυτής εξαρτάται και το πόσο δυνατά θα ακούμε τον ήχο. Ακόμα, όσο πιο ισχυρός είναι, τόσο μεγαλώνουν οι διαστάσεις του, το βάρος του αλλά και οι απαιτήσεις του σε ισχύ. Έτσι, ανάλογα με την εφαρμογή, συναντάμε ενισχυτές ισχύος διαφόρων μεγεθών. Οι περισσότεροι οικιακοί ενισχυτές ήχου ενσωματώνουν στην ίδια συσκευή προενισχυτή και τελικό ενισχυτή. Οι ενισχυτές αυτοί ονομάζονται ολοκληρωμένοι ενισχυτές (Κουλούρης, 2003). 12
4.4 Μεγάφωνα και ηχεία. Εικόνα 4.4-1: Τα μέρη και το εσωτερικό σε ένα τυπικό μεγάφωνο. (α) (β) (γ) Εικόνα 4.4-2 : Μεγάφωνα. α) Μεγάφωνο τύπου woofer β) tweeter γ) κόρνα υψηλών συχνοτήτων. Το μεγάφωνο είναι μια ηλεκτρομηχανική διάταξη της οποίας σκοπός είναι να μετατρέψει το ηλεκτρικό σήμα που έρχεται από τον ενισχυτή σε ωστικά κύματα του αέρα, τα οποία το αυτί μας αντιλαμβάνεται σαν ήχο (βλ. εικόνα 4.2-4). Όταν το ρεύμα του ενισχυτή ρέει μέσα στο πηνίο φωνής (voicecoil), αυτό παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με αυτό του μόνιμου μαγνήτη (magnet) (Κουλούρης, 2003). Έτσι υποχρεώνεται το πηνίο σε κίνηση μαζί με τον κώνο, ή 13
διάφραγμα (diaphragm), αφού τα δυο αυτά είναι σταθερά ενωμένα μεταξύ τους. Το πόσο θα μετατοπιστεί ο κώνος και σε ποια κατεύθυνση εξαρτάται από την ένταση και την πολικότητα, αντίστοιχα, του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο. Ένα μεγάφωνο δεν μπορεί να αναπαράγει όλες τις ακουστικές συχνότητες το ίδιο αξιόπιστα (Κουλούρης, 2003). Κάθε ένα από αυτά χαρακτηρίζεται από μια καμπύλη απόκρισης συχνοτήτων, η οποία βρίσκεται μέσα στο ακουστικό φάσμα αλλά δεν δείχνει την ίδια απόδοση για όλο αυτό φάσμα. Έτσι έχουμε μεγάφωνα χαμηλών συχνοτήτων (woofer), μεσαίων συχνοτήτων (midrange), υψηλών συχνοτήτων (tweeter) και τις παραλλαγές τους (βλ. εικόνα2.2-5). Συνήθως, τα μεγάφωνα στηρίζονται σε κλειστά κουτιά τα οποία φιλοξενούν δύο, τρεις ή περισσότερους τύπους μεγάφωνων (δυο, τριών κλπ. δρόμων), ώστε να επιτυγχάνεται καλύτερο ακουστικό αποτέλεσμα. Τα κουτιά αυτά ονομάζονται ηχεία και τα βρίσκουμε σε διάφορα μεγέθη ανάλογα με τη χρήση τους. Εικόνα 4.4-3 : Ηχείο δύο δρόμων (μπροστά και πίσω όψη) 14
ΚΕΦ. 5 ΤΑΞΕΙΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ 5.1 Εισαγωγή Πολύ σημαντική είναι η ταξινόμηση των ενισχυτών σε σχέση με την τάξη λειτουργίας τους. Όπως θα δούμε παρακάτω, η τάξη λειτουργίας στην οποία δουλεύει ένας ενισχυτής μας δίνει αμέσως πολλές πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά του. Γι αυτό άλλωστε είναι το πρώτο χαρακτηριστικό που διαβάζουμε στην περιγραφή ενός ενισχυτή. Τα κυκλώματα ενισχυτών ισχύος (βαθμίδες εξόδου) ταξινομούνται ως : Α, Β, ΑΒ και C για τους αναλογικούς ενισχυτές και D, Τ και DT για τους ψηφιακούς ενισχυτές. Υπάρχει επίσης μια ακόμα τάξη ενισχυτών Η ή αλλιώς υβριδική τάξη ενισχυτών. Η ταξινόμηση γίνεται με βάση την γωνία αγωγής θ του σήματος εξόδου μέσω της ενισχυτικής βαθμίδας που είναι το μέρος του κύκλου του σήματος εισόδου κατά τη διάρκεια του οποίου αυτή είναι σε αγωγή. Η εικόνα της γωνίας αγωγής βγαίνει εφαρμόζοντας ένα ημιτονοειδές σήμα. Αν η ενισχυτική διάταξη είναι συνεχώς σε αγωγή τότε θ=360 ο. Η γωνία αγωγής σχετίζεται άμεσα με την απόδοση ισχύος ενός ενισχυτή. Οι διάφορες τάξεις λειτουργίας παρουσιάζονται λεπτομερέστερα παρακάτω. 5.2 Η τάξη Α Οι ενισχυτικές διατάξεις τάξης Α λειτουργούν καθ όλη τη διάρκεια του κύκλου εισόδου έτσι ώστε το σήμα εξόδου να είναι ένα ακριβές αντίγραφο της εισόδου χωρίς παραμόρφωση. Τάξης Α είναι συνήθως οι ενισχυτές μικρών σημάτων. Σημαντικό μειονέκτημα αυτών είναι η χαμηλή απόδοση ισχύος. Μια απόδοση της τάξης του 50% είναι εφικτή με επαγωγική σύζευξη στην έξοδο ενώ μόνο 25% με χωρητική σύζευξη. Σε ένα κύκλωμα τάξης Α το στοιχείο ενίσχυσης πολώνεται με τρόπο ώστε η συσκευή να άγει συνεχώς. Η συσκευή βρίσκεται συνεχώς σε κατάσταση αγωγής ακόμα και όταν δεν υπάρχει καθόλου είσοδος με αποτέλεσμα να καταναλώνει συνεχώς ισχύ από το τροφοδοτικό. Αυτός είναι και ο λόγος της πολύ χαμηλής του απόδοσης. Αν απαιτηθεί μεγάλη ισχύς στην έξοδο του ενισχυτή η κατανάλωση ισχύος θα είναι πολύ σημαντική. Για κάθε ένα watt που πηγαίνει στο φορτίο (μεγάφωνο), ο ίδιος ο ενισχυτής καταναλώνει στην καλύτερη περίπτωση άλλο ένα! Η κατανάλωση σε ισχύ είναι ανεξάρτητη της ισχύος στην έξοδο. Σε κατάσταση ηρεμίας η κατανάλωση 15
είναι περίπου η ίδια Εικόνα 5.2-1: Η τάξη Α με αυτή σε πλήρη ένταση ήχου! Για μεγάλες κατασκευές αυτό σημαίνει ακριβά και ογκώδη τροφοδοτικά και ψήκτρες. Οι ενισχυτές τάξης Α συνήθως χρησιμοποιούνται σε χαμηλής έως μέσης ισχύος ενισχυτές ήχου οι οποίοι όμως κοστίζουν πολύ και έχουν χαμηλή απόδοση. Υπάρχουν βέβαια και οι λάτρες αυτών των κατασκευών που υποστηρίζουν ότι η τάξη Α χαρακτηρίζεται από τη μέγιστη πιστότητα και πολύ μικρή παραμόρφωση. Χάριν λοιπόν της ποιότητας του ήχου δεν τους πειράζει να δώσουν κάτι παραπάνω και να θυσιάσουν αρκετό χώρο στο ράφι τους για να φιλοξενήσουν μια τέτοια κατασκευή. Εικόνα 5.2-1: ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ τελικός Rotel RB1090 τάξης Α 16
5.3 Τάξη Β και ΑΒ Εικόνα 5.3-1: Η τάξη Β Οι ενισχυτές τάξης Β ενισχύουν μόνο το μισό κύκλο του σήματος εισόδου και αποκόπτουν το άλλο μισό. Έτσι παράγουν πάρα πολύ παραμόρφωση αλλά η απόδοση ισχύος τους είναι κατά πολύ βελτιωμένη από αυτήν της τάξης Α. Η τάξη Β έχει μια μέγιστη θεωρητική απόδοση περίπου 78.5%. Αυτό συμβαίνει γιατί το στοιχείο ενίσχυσης δεν άγει και τελικά «σβήνει» κατά το μισό χρόνο. Έτσι δεν καταναλώνει ενέργεια. Εικόνα 5.3-2: Ενισχυτής Push-Pull τάξης Β 17
Ένα πρακτικό κύκλωμα που χρησιμοποιεί στοιχεία τάξης Β είναι το συμπληρωματικό ζεύγος σε διάταξη push-pull. Εδώ δύο συμπληρωματικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για να ενισχύσει το κάθε ένα από αυτά το ένα μισό του σήματος εισόδου το οποίο ανασυντίθεται στην έξοδο για να πάρουμε ολόκληρο το αρχικό σήμα. Αυτή η διάταξη δίνει πολύ καλή απόδοση αλλά υποφέρει από το μειονέκτημα ότι υπάρχει μια ασυνέχεια στην ένωση μεταξύ των δύο μισών του σήματος. Αυτό λέγεται «παραμόρφωση διασταυρώσεως» (crossoverdistortion). Μία λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να πολωθούν τα στοιχεία με τρόπο ώστε να μην είναι τελείως σβηστά όταν δεν χρησιμοποιούνται. Αυτή η προσέγγιση λέγεται τάξη ΑΒ. Στην τάξη ΑΒ κάθε στοιχείο λειτουργεί κατά τον ίδιο τρόπο με την Β για το κάθε μισό της κυμματομορφής και επίσης βρίσκεται σε αγωγή για ένα μικρό κομμάτι του άλλου μισού. Έτσι η νεκρή ζώνη στην ένωση των δύο μισών ελαττώνεται ή εξαλείφεται με αποτέλεσμα όταν πια οι κυμματομορφές από τα δύο στοιχεία ενώνονται η παραμόρφωση crossover να έχει σχεδόν εξαφανιστεί. Παρόλο που η ΑΒ υστερεί σε απόδοση ισχύος σε σχέση με την Β χάριν της γραμμικότητας, αυτή είναι κατά πολύ υψηλότερη της τάξης Α. Τα κυκλώματα τάξης Β και ΑΒ είναι τα πιο διαδεδομένα σε ενισχυτές ήχου. Η τάξη ΑΒ θεωρείται ένας πολύ καλός συμβιβασμός για ενισχυτές ήχου αφού για χαμηλές εντάσεις το σήμα ενισχύεται με καλή πιστότητα ενώ όταν η ένταση στην έξοδο ανέβει, η στάθμη του σήματος είναι κατά πολύ υψηλότερη από την παραμόρφωση και άρα αυτή δεν γίνεται αντιληπτή. Τέλος ένα από τα θετικά χαρακτηριστικά αυτής της κατηγορίας είναι το πολύ μικρός βάρος του ενισχυτή καθώς επισής και το σχετικά μικρό κόστος για την αγορά του Εικόνα 5.3-3 Ενισχυτές crownct 475, ct875, ct4150, ct8150 κλάσης ΑΒ 18
5.4 Η τάξη C Οι ενισχυτές τάξης C άγουν κατά λιγότερο από 50% του σήματος εισόδου. Η παραμόρφωση στην έξοδο είναι πολύ μεγάλη αλλά μπορούμε να πετύχουμε απόδοση ισχύος της τάξης του 90%. Η τάξη C δεν έχει πρακτική εφαρμογή σε ενισχυτές ήχου λόγω της πολύ μεγάλης παραμόρφωσης. Το σήμα εισόδου χρησιμοποιείται στην ουσία μόνο για να ανοίξει ή να κλείσει απότομα το στοιχείο ενίσχυσης. Αυτό μεταφράζεται στην έξοδο σε παλμούς ρεύματος οι οποίοι συνήθως περνάνε μετά σε ένα συντονιζόμενο κύκλωμα. Με κάποιους μηχανισμούς, που δεν χρειάζεται να αναλύσουμε, η κεντρική συχνότητα συντονισμού στην έξοδο παρουσιάζεται Εικόνα 5.4-1: Η τάξη C. αρκετά ενισχυμένη και χωρίς σημαντική παραμόρφωση, σε αντίθεση με τις συχνότητες γύρω από αυτήν που βγαίνουν κατά πολύ εξασθενημένες. Έτσι η τάξη C βρίσκει εφαρμογή σε ενισχυτές RF, όπως π.χ. ραδιοφωνικούς πομπούς. Έχει όλα τα θετικά των ενισχυτών τάξης Β αλλά έχει πολύ κακή ποιότητα ήχου. 19
Εικόνα 5.4-2: Ενισχυτής τάξης C. 5.5 Η τάξη D Ένας ενισχυτής σε τάξη "D" είναι στην πράξη ένας ενισχυτής ψηφιακών σημάτων, δηλαδή σημάτων που μπορούν να πάρουν μόνο δύο τιμές τάσης που αντιστοιχούν στα δύο ψηφία του δυαδικού συστήματος (Τokheim, 2002). Σε έναν τέτοιο ενισχυτή οι ημιαγωγοί ισχύος λειτουργούν ως διακόπτες. Η τάση εξόδου του μπορεί επίσης να πάρει μόνο δύο τιμές, άρα η ουσιαστική συμμετοχή του ημιαγωγού περιορίζεται στο να συνδέσει την αντίστοιχη τάση τροφοδοσίας στην έξοδο. Εικόνα 5.5-1: Η τάξη D. Τα τμήματα τα οποία αποτελούν έναν ενισχυτή τάξης "D" είναι ή είσοδος, όπου τα αναλογικά σήματα μετατρέπονται σε ψηφιακά, κωδικοποιημένα κατά εύρος και τα 20
ψηφιακά (που μπορεί θεωρητικά να είναι... οτιδήποτε από την τυπικό datastream ενός CD player μέχρι DolbyDigital και -για τους αθεράπευτα αισιόδοξους-ακόμη και DSD) αποκτούν το κατάλληλο φορμά, το ενισχυτικό στάδιο σε τάξη "D" και το βαθυπερατό φίλτρο εξόδου όπου το σήμα αποκτά και πάλι την αναλογική του μορφή. Τα θετικά ενός τέτοιου ενισχυτή είναι πως ενώ είναι πολύ μικρός και πολύ ελαφρύς έχει πολύ μεγάλη ισχύ με σχετικά μικρές απώλειες θερμότητας σε αντίθεση δηλαδή με τους ενισχυτές τάξης Α. Τα αρνητικά αυτου του τύπου ενισχυτή είναι πως έχει σχετικά καλή ποιότητα ήχου και είναι ιδανικός μόνο για να μπορεί να ενισχύσει το σήμα εισόδου σε ηχεία τύπου sub λόγω του μεγάλου ρεύματος εισόδου σε χαμηλά φορτία Εικόνα 5.5-2: Ενισχυτής τάξης D της εταιρείας Powersoftdigkamseries 21
5.6 Η τάξη G H Υπάρχουν ποικίλα σχέδια ενισχυτών που ενισχύουν τα στάδια παραγωγής κατηγορίας αβ με τις αποδοτικότερες τεχνικές για να επιτευχθούν οι μεγαλύτερες αποδοτικότητες με τη χαμηλότερη διαστρέβλωση. Αυτά τα σχέδια είναι κοινά στους μεγάλους ακουστικούς ενισχυτές δεδομένου ότι τα heatsinks και οι μετασχηματιστές δύναμης θα ήταν απαγορευτικά μεγάλοι (και δαπανηροί ) χωρίς τις αυξήσειςαποδοτικότητας. Οι όροι «κατηγορία G» και «κατηγορίαη» χρησιμοποιούνται εναλλακτικά για να αναφερθούν στα διαφορετικά σχέδια, που ποικίλλουν στον καθορισμό από τον ένα κατασκευαστή ή έγγραφο σε άλλο. Οι ενισχυτές κατηγορίας G (που η χρήση«μετατροπή ραγών»για να μειώσει την αποδοτικότητα κατανάλωσης ισχύος και αύξησης) είναι αποδοτικότεροι από τους ενισχυτές κατηγορίας ΑΒ (Τokheim, 2002). Αυτοί οι ενισχυτές παρέχουν διάφορες ράγες ισχύος στις διαφορετικές τάσεις και το διακόπτη μεταξύ τους καθώς η παραγωγή σημάτων πλησιάζει κάθε επίπεδο. Κατά συνέπεια, ο ενισχυτής αυξάνει την αποδοτικότητα με τη μείωση της σπαταλημένης δύναμης στις κρυσταλλολυχνίες παραγωγής. Οι ενισχυτές κατηγορίας G είναι αποδοτικότεροι από την κατηγορία ΑΒ αλλά λιγότερο αποδοτικοί όταν συγκρίνονται με την κατηγορία D. Εικόνα 5.6-1: Ενισxύτης τάξης G Οι ενισχυτές κατηγορίας H παίρνουν την ιδέα των ενισχυτών κατηγορίας G και δημιουργεί περαιτέρω μια απείρως μεταβλητή ράγα ανεφοδιασμού. Αυτό γίνεται με τη διαμόρφωση των ραγών ανεφοδιασμού έτσι ώστε οι ράγες να είναι μόνο μερικά βολτ μεγαλύτερα από το σήμα παραγωγής οποιαδήποτε στιγμή. Το στάδιο 22
παραγωγής λειτουργεί στη μέγιστη αποδοτικότητά του όλη την ώρα (Τokheim, 2002). Οι διακόπτες ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν τις ακολουθώντας ράγες. Τα σημαντικά κέρδη αποδοτικότητας μπορούν να επιτευχθούν αλλά με το μειονέκτημα του πιό περίπλοκου σχεδίου ανεφοδιασμού και της μειωμένης απόδοσης THD. Το σήμα τάσης που παρουσιάζεται είναι μια μεγαλύτερη έκδοση στην είσοδο,αλλά το σήμα (που αναστρέφεται) έχει αλλάξει από την ενίσχυση. Εικόνα 5.6-2: Ενισύτης τάξης Η. SOUNDCRAFTSMEN RA7503 CLASS H POWER AMPLIFIER Άλλες ρυθμίσεις της ενισχύοντας συσκευής είναι δυνατές, αλλά αυτή που δίνεται (δηλαδή κοινού εκπομπού,κοινή πηγή ή κοινή κάθοδος) είναι η ευκολότερη να κατανοηθεί και να υιοθετήθε στην πράξη. Εάν το ενισχύοντας στοιχείο είναι γραμμικό,κατόπιν η παραγωγή θα είναι πιστό αντίγραφο της εισαγωγής,μόνο μεγαλύτερη και αναστρεμμένη. Στην πράξη,οι κρυσταλλολυχνίες δεν είναι γραμμικές, και η παραγωγή θα προσεγγίσει μόνο την εισαγωγή. Η μη γραμμικότητα από οποιεσδήποτε από διάφορες πηγές είναι η προέλευση της διαστρέβλωσης μέσα σε έναν ενισχυτή. 23
Εικόνα 5.6-3: Ενισχύτης τάξης Η ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ 6.1 Πως λειτουργεί ο ενισχυτής XFG1 R04 V1 33 V R05 XMM1 XMM2 2kΩ C2 C3 2kΩ R01 100kΩ 1 2 R7 2.2Ω 5 3 R03 2.2Ω U1 4 TDA2030 C1 120nF T1 BD788G T2 BD787G D1 1N4003 D2 1N4003 120nF 120nF R06 1Ω C4 120nF R07 100kΩ Speaker 8Ω R08 1Ω R09 100kΩ D3 1N4003 T3 BD788G D4 1N4003 T4 BD787G 4 C7 120nF R10 2.2Ω 3 5 R11 2.2Ω U2 2 1 TDA2030 XSC1 R12 3.3kΩ C05 R1310µF 3.3kΩ + A _ + B _ Ext Trig + _ C06 2.2nF 24
Τα U1 U2 είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα που χρησιμοποιούνται ως οδηγοί για το τελικό στάδιο ενίσχυσης. Το TDA 2030 περιέχει ένα μονολιθικό κύκλωμα ενίσχυσης και προ ενίσχυσης ακουστικών συχνοτήτων, δηλαδή χρησιμοποιεί ένα διαφορικό ενισχυτή στην είσοδο του, όπως φαίνετε από το ισοδύναμο κύκλωμα και ένα τελικό στάδιο ενίσχυσης σε τάξη ΑΒ. Στο κύκλωμα μας χρησιμοποιούμε το TDA για να οδηγήσουμε το ζεύγος των τρανζίστορ που θα παράγει την τελική ισχύ του κυκλώματος. Στην πράξη το κύκλωμα αποτελείτε από 2 υπό κυκλώματα τα οποία γεφυρωμένα παράγουν την απαιτούμενη ισχύ. Τα ζευγάρια Τ1 Τ2 και Τ3 Τ4 είναι τα τρανζίστορ εξόδου που ενισχύουν το ρεύμα στην έξοδο του κυκλώματος προς το φορτίο. Η τάση που δέχονται στην είσοδο τους έχει ήδη ενισχυθεί από τα οδηγά ολοκληρωμένα ΤDA. Οι δίοδοι D1, D2, D3, D4 ως ζευγάρια δημιουργούν την κατάλληλη πόλωση σε τάξη ΑΒ για τα τρανζίστορ εξόδου Η R1 είναι η αντίσταση εισόδου η οποία μπορεί να είναι και μεταβλητή γιατί ορίζει την ευαισθησία εισόδου του κυκλώματος. Έτσι μαζί με την χρήση ποτενσιομέτρου μπορούμε να ρυθμίσουμε την αντίσταση του ενισχυτή. Το -2 στην είσοδο του ενισχυτή χρησιμοποιείτε μόνο για έλεγχο του gain inverting και την σταθερότητα του κυκλώματος. Το U2 είναι ανάστροφο. Δηλαδή το σήμα πηγαίνει στο -2 και γειώνετε. Αυτό γίνετε γιατί είναι γεφυρωμένα μεταξύ τους. Οι αντιστάσεις R6 κ R8 παρέχουν την απαραίτητη θερμική σταθεροποίηση στα τρανζίστορ εξόδου 25
Οι R12 και οι υπόλοιπες αντιστάσεις ορίζουν την σταθερότητα και την πόλωση του ολοκληρωμένου κυκλώματος 6.1.1 TDA Το TDA2030 είναι ένα μονολιθικό ολοκληρωμένο κύκλωμα Pentawatt πακέτο, που προορίζονται για χρήση ως χαμηλής συχνότητα τάξη ΑΒ ενισχυτή. Τυπικά παρέχει Ισχύς εξόδου 14W (d = 0,5%) σε 14V/4W? Σε ± 14Vή 28V, η εγγυημένη ισχύς εξόδου 12W είναι για ένα 4W φορτίο 8Ω και σε 8W (DIN45500). Το TDA2030 παρέχει υψηλής ρεύμα εξόδου και έχει πολύ χαμηλή αρμονική και cross-over παραμόρφωση. Επιπλέον η συσκευή ενσωματώνει ένα πρωτότυπο (και κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας) σύντομο σύστημα προστασίας κυκλώματος που περιλαμβάνει μια συμφωνία για τον περιορισμό αυτόματα η διαχεόμενη ενέργεια έτσι ώστε να διατηρείται το σημείο εργασίας από τα τρανζίστορ εξόδου εντός ασφαλών λειτουργίας τους περιοχή. Μια συμβατική θερμική απενεργοποίησης σύστημα περιλαμβάνετε επίσης. απόλυτη μέγιστη βαθμολογία 26
Τυπική εφαρμογή συλλογή pin κύκλωμα ελέγχου 27
Θερμικά δεδομένα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά 28
Σχήμα 1. Ισχύς εξόδου έναντι τάση τροφοδοσίας Σχήμα 2. Ισχύς εξόδου έναντι τάση τροφοδοσίας Σχήμα 3 Παραμόρφωση εναντίον ισχύ εξόδου Σχήμα 4. Παραμόρφωση εναντίον ισχύ εξόδου 29
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Σχήμα 5. Παραμόρφωση εναντίον Ισχύ εξόδου Σχήμα 6. Παραμόρφωση εναντίον συχνότητας Σχήμα 7. Παραμόρφωση εναντίον συχνότητας Σχήμα 8. απόκριση συχνότητας με διαφορετικές τιμές των C8 πυκνωτή rolloff 30
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Σχήμα 9. Ήρεμο ρεύμα Έναντι τάση τροφοδοσίας Σχήμα 12. Απαγωγή μέγιστης ισχύς με τάση τροφοδοσίας (ημιτονοειδές κύμα λειτουργίας) 31
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Σχήμα 10. Απόρριψη τάση τροφοδοσίας με κέρδος τάσης Σχήμα 13. Τυπικός ενισχυτής μοιρασμένο ρεύμα τροφοδοσίας 32
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Σχήμα 11. Διάχυση της ενέργειας και αποτελεσματικότητα εναντίον ρεύμα εξόδου Σχήμα 14. Τυπικός ενισχυτής με ενιαία παροχή ρεύματος 33
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης 6.1.2 Υλικά 6.2 ΣΥΜΒΟΥΛΕΣ ΠΡΙΝ ΑΡΧΙΣΕΤΕ ΝΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΕΤΕ ΤΟΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗ Αρχίσαμε την κατασκευή από την συνδεσμολογία των διακοπτών και των ακροδεκτών, συνεχίσαμε με τους πυκνωτές και τους αντιστάτες και στο τέλος με την ύλη συγκολλήσεως σε συνδυασμό με τους ημιαγωγούς. Ελέγξαμε κάθε αντίσταση πριν την συγκολλήσουμε για να δούμε εάν τα χρώματα ταιριάζουν με την λίστα των υλικών που έχει δοθεί 1. Χρειάζεται μεγάλη προσοχή στην ορθή πόλωση των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών διότι η λάθος συγκόλλησή τους θα δημιουργήσει αναστροφή καθώς και καταστροφή των ίδιων και άλλων στοιχείων της πλακέτας μας. Η πολικότητα αυτών των πυκνωτών είναι μαρκαρισμένη πάνω στους ιδίους και από την απέναντι πλευρά της πλακέτας. 34
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης 6.2.1 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ Προσέξαμε όταν συγκολλήσαμε τους ημιαγωγούς επειδή όταν τους υπερθερμάναμε καταστράφηκαν. Οπότε πρέπει οπωσδήποτε να προσέξετε να μην υπερθερμανθούν. Τοποθετήσαμε τις κρυσταλλολυχνίες στην έξοδο πάνω στην ψήκτρα. Προσοχή ώστε να μην τις βραχυκυκλώσετε με την ψήκτρα και προτείνουμε να χρησιμοποιήσετε λίγο HTC 2 μεταξύ του περιβλήματος και της επιφάνειας της ψήκτρας:(μalvivo, 2012). Όταν τελειώσαμε με την κατασκευή της πλακέτας μας καθαρίσαμε την πλακέτα λεπτομερώς με έναν διαλύτη για να αφαιρέσουμε όλα τα υπολείμματα ροής και κάναμε μια προσεκτική οπτική επιθεώρηση για να σιγουρευτούμε ότι δεν υπάρχει κανένα λάθος, ή να λείπει κάποιο εξάρτημα ή ακόμα και βραχυκυκλώματα στις παρακείμενες διαδρομές στην πλακέτα. Συνδέσαμε ένα πολύμετρο σε σειρά με την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος ενώσαμε την είσοδο του ενισχυτή βάλαμε το κουμπί power στο ΟΝ και βάλαμε στην είσοδο ένα καλώδιο σε mini jack ώστε να μπορούμε να προσθέτουμε οποιαδήποτε πηγή ήχου πχ κινητό mp3- player και άλλες παρεμφερές ηχητικές πηγές. Όταν τελειώσαμε με αυτήν την τοποθέτηση του καλωδίου στην είσοδο συνδέσαμε την έξοδο ενός προ-ενισχυτή πάνω σε αυτό. Συνδέσαμε τον προ-ενισχυτή σε μια κατάλληλη πηγή και βάλαμε τα πάντα στην ένδειξη ΟΝ. Το σήμα ακούστηκε από τα ηχεία καθαρό και χωρίς παραμορφώσεις. Καταρχήν εξετάσαμε μερικά βασικά πράγματα έτσι ώστε να καταλάβουμε την δομή των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε έναν τυπωμένο πίνακα κυκλωμάτων. Ο πίνακας αποτελείται από μια λεπτή μόνωση υλικός ντυμένη με ένα λεπτό στρώμα του αγώγιμου χαλκού ο οποίος πίνακας διαμορφώνετε με τέτοιο τρόπο ώστε να διαμορφωθούν οι απαραίτητοι αγωγοί μεταξύ των διάφορων συστατικών του κυκλώματος. Η χρήση ενός κατάλληλα σχεδιασμένου τυπωμένου πίνακα κυκλωμάτων είναι πολύ επιθυμητή δεδομένου ότι επιταχύνει την πιο πάνω κατασκευή αρκετά και μειώνει την πιθανότητα δημιουργίας λαθών. Το πακέτο αυτό με τα εξαρτήματα μπορεί επίσης να χαραχτεί με τρυπάνι από πριν και με την περίληψη των εξαρτημάτων αυτών και ο προσδιορισμός τους που τυπώνεται από τη συστατική πλευρά μπορεί να καταστήσει την κατασκευή ευκολότερη. Για να προστατεύσουμε την πλακέτα κατά την διάρκεια της κατασκευής από την οξείδωση και να βεβαιωθούμε ότι φτάνει σε μας στις τέλειες προδιαγραφές, ζωγραφίσαμε το σχέδιο του ενισχυτή πάνω στην πλακέτα με ανεξίτηλο στυλό, ο οποίος προστατεύει τον χαλκό κατά την διάρκεια 35
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης της οξείδωσης να μην οξειδωθεί από το τριχλωριούχο νάτριο και με αυτόν τον τρόπο μπορεί να γίνει η συγκόλληση ευκολότερη. (2) HTC MIKA. Είναι υλικό με βάση την σιλικόνη το οποίο χρησιμοποιείτε ανάμεσα στο τρανζίστορ και την ψήκτρα. Το υλικό αυτό έχει 2 λειτουργίες. Η πρώτη είναι πως μονώνει το τρανζίστορ από την ψήκτρα (ώστε να μην περνάει η τάση που βρίσκετε στο σώμα του τρανζίστορ πάνω στην ψήκτρα με κίνδυνο την ηλεκτροπληξία). Η δεύτερη λειτουργία είναι πως σε συνδυασμό με πάστα σιλικόνης βοηθάει πιο γρήγορα την απαγωγή θερμοκρασίας του τρανζίστορ από την ψήκτρα. Εικόνα 6.2.1Α Πλακέτα ζωγραφισμένη με ανεξίτηλο στυλό και τριχλωριούχο νάτριο Εικόνα 6.2.1Β Πλακέτα ζωγραφισμένη με ανεξίτηλο στυλό μέσα στον τριχλωριούχο νάτριο Κάνοντας συγκόλληση των εξαρτημάτων στην πλακέτα είναι ο μόνος τρόπος να χτιστεί το κύκλωμά μας και από τον τρόπο που το κάνετε αυτό εξαρτάτε πολύ η επιτυχία ή η αποτυχία σας. Αυτή η εργασία δεν είναι πολύ δύσκολη και αν δεν κολλήσετε σε μερικούς κανόνες δεν θα έχετε κανένα πρόβλημα. Το κολλητήρι που χρησιμοποιήσαμε είναι ελαφρύ και η δύναμη του υπερβαίνει τα 25 Watts. Η άκρη είναι λεπτή και πρέπει να κρατιέται καθαρή πάντα. Για αυτόν το λόγο πήραμε μερικά πολύ 36
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης πρακτικά σφουγγάρια που κρατιούνται υγρά και κατά διαστήματα μπορούμε να σκουπίσουμε και να αφαιρέσουμε από την καυτή άκρη από το κολλητήρι όλα τα υπολείμματα που τείνουν να συσσωρεύσουν σε αυτό. ΜΗΝ καθαρίσετε με άλλο τρόπο πχ γυαλόχαρτο μια βρώμικη ή ζεστή φθαρμένη άκρη. Εάν η άκρη δεν μπορεί να καθαριστεί, αλλάξτε την. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι υλών συγκολλήσεως στην αγορά και επιλέξαμε μια καλή ποιότητα, μια που να περιέχει το απαραίτητο υγρό στον πυρήνα της, για να μπορέσουμε να επιτύχουμε μια τέλεια ένωση κάθε φορά. Δεν χρησιμοποιήσαμε διαφορετική ύλη συγκολλήσεως εκτός από αυτήν που συμπεριλαμβάνετε ήδη στο κολλητήρι μας. Πάρα πολλή κόλληση μπορεί να προκαλέσει πολλά προβλήματα και είναι μια από τις κύριες αιτίες της δυσλειτουργίας κυκλωμάτων. Αν παρ όλα αυτά πρέπει να χρησιμοποιήσετε παραπάνω κόλληση, δεδομένου ότι συμβαίνει όταν πρέπει να στοιβάξετε τα καλώδια χαλκού, καθαρίστε το πολύ λεπτομερώς αφότου τελειώνετε την εργασία σας. Προκειμένου να συγκολληθεί ένα συστατικό σωστά κάναμε τα εξής (Μalvivo, 2012): Καθαρίσαμε τους συστατικούς μολύβδους με ένα μικρό λεπτό κομμάτι σμυριδόχαρτο. Απλώσαμε στη σωστή απόσταση το συστατικό σώμα και παρεμβάλαμε το συστατικό του σε ισχύ στον πίνακα. Μερικές φορές μπορεί να βρείτε ένα εξάρτημα με βαρύτερους μολύβδους μετρητών από τους συνηθισμένους, που είναι πάρα πολύ παχύς για εισαχθούν στις τρύπες του πίνακα. Σε αυτήν τη περίπτωση χρησιμοποιήστε ένα μικρό τρυπάνι για να διευρύνει τις τρύπες ελαφρώς. Μην κάνετε τις τρύπες πολύ μεγάλες δεδομένου ότι αυτό θα καταστήσει την κόλληση δύσκολη κατόπιν. Πήραμε το ζεστό κολλητήρι και τοποθετήσαμε την άκρη του στο συστατικό και οδηγήσαμε κρατώντας το τέλος του καλωδίου της ύλης συγκολλήσεως στο σημείο όπου ο μόλυβδος προκύπτει από τον πίνακα. Το κολλητήρι πρέπει να αγγίξει ελαφρώς πάνω στην πλακέτα. Όταν η ύλη συγκολλήσεως αρχίζει να λειώνει και να ρέει, περιμέναμε μέχρις ότου να καλύψει ομοιόμορφα την περιοχή γύρω από την τρύπα. Η όλη διαδικασία δεν μας πήρε παραπάνω από 5 δευτερόλεπτα. Απομακρύναμε το κολλητήρι και αφήσαμε την ύλη συγκολλήσεως να κρυώσει φυσικά, χωρίς να φυσήξουμε ή να μετακινήσουμε το αντικείμενο. Επειδή έχουν γίνει σωστά και η επιφάνεια της ένωσης έχει φωτεινό ένα μεταλλικό τελείωμα και οι άκρες της 37
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης τελειώνουν ομαλά στο συστατικό μόλυβδο και στο κύκλωμα. Εάν η ύλη συγκολλήσεως φαίνετε θαμπή, ραγισμένη, ή έχει την μορφή μιας σταγόνας τότε έχετε κάνει μια ψυχρή ένωση και πρέπει να αφαιρέσουμε την ύλη συγκολλήσεως (με ένα μαχαιράκι ή το κολλητήρι ή την χρήση τρόμπας). Προσέξαμε να μην κάψουμε πολύ τις διόδους γιατί είναι πολύ εύκολο να ανυψωθούν από την πλακέτα και να σπάσουν. Σιγουρευτήκαμε πως δεν χρησιμοποιούμε την ύλη συγκολλήσεως παραπάνω από όσο χρειάζεται γιατί διατρέχαμε το ρίσκο του βραχυκυκλώματος των παρακείμενων διαδρομών στην πλακέτα ειδικά αν είναι πάρα πολύ κοντά Όταν τελειώσαμε με την εργασία κόψαμε τα κομμάτια που περισσεύουν από την ύλη συγκολλήσεως και καθαρίσαμε την πλακέτα λεπτομερώς με έναν κατάλληλο διαλύτη για να αφαιρέσουμε όλα τα υπολείμματα ροής που παραμένουν ακόμα σε αυτήν. 38
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΚΟΛΛΗΤΗΡΙ 7.1 Εργαλεία που Χρειάζονται Σταθμός συγκόλλησης με έλεγχο θερμοκρασίας και μια καλή μύτη για χρήση σε τυπωμένα κυκλώματα. Τα συνηθισμένα φθηνά κολλητήρια (που δεν έχουν θερμοκρασιακό έλεγχο) συχνά έχουν φτωχά αποτελέσματα κατά την συγκόλληση αποκόλληση εξαρτημάτων, ειδικά όταν δουλεύουμε σε τυπωμένες πλακέτες διπλής όψεως. Απλά δεν μπορούν να παράγουν αρκετή θερμότητα όταν κολλάμε σε περιοχές με μεγάλη επιφάνεια χαλκού. Μέγεθος μύτης Κολλητηριού: Συνήθως πρέπει να είναι από 0.79mm έως 3.2mm, πράγμα που εξαρτάται από το πλάτος της οπής στην οποία κολλάμε. Το μέγεθος της μύτης που επιλέγουμε πρέπει να έχει το 75% έως το 90% του πλάτους της οπής. Αν το εύρος της θερμότητας του κολλητηριού που σκοπεύετε να προμηθευτείτε καθορίζεται από έλεγχο θερμοκρασίας επιλέξτε αυτά που κειμένονται από 600 F έως 700 F (315 C έως 370 C).Ωστόσο μερικές εφαρμογές απαιτούν την χρήση μιας πιο «κωνικής» μύτης κολλητηριού ενώ άλλες εφαρμογές απαιτούν μια πλατύ τύπου μύτη ώστε να μεταφέρεται περισσότερη θερμότητα στην πλακέτα από το κολλητήρι για να επιτευχθεί μια σωστή συγκόλληση. Το κατάλληλο υλικό (Solder ή καλάι). Να είναι διαμέτρου από 0.5mm έως 0.98mm με περιεκτικότητα σε κασσίτερο/μόλυβδο 63/37 ή 60/40. Καλάι μικρής διαμέτρου προτιμάται για κολλήσεις σε πλακέτες (PCB) διπλής όψεως. Αυτό γιατί επιτρέπει την εύκολη διαδόση του υλικού σε τέτοιου είδους οπές σε κάθε μια σύνδεση που κατασκευάζουμε. Επιπλέον υπάρχει και το καλάι το οποίο έχει περιεκτικότητα σε ασήμι 2% περίπου. Ενώ τέτοιου είδους υλικά ρέουν πιο καλά και επιτυγχάνουν δυνατότερες κολλήσεις, χρειάζονται περισσότερη θερμότητα για να λιώσουν και είναι δυσκολότερο να αφαιρέσουμε τα 39
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης ηλεκτρονικά στοιχεία από την πλακέτα κατά την αποκόλληση- αντικατάσταση. Εκτός τούτου και περισσότερη θερμότητα σημαίνει μεγαλύτερη πιθανότητα στο να καταστρέψουμε την πλακέτα αφού το υλικό που ορίζει της οπές μπορεί να ζεσταθεί και να της ξεκολήσει. Να χρησιμοποιείται καλάι με περιεκτικότητα σε ασήμι όταν και μόνο όταν απαιτείται οπωσδήποτε. Βρεγμένος Σπόγγος ( ή σφουγγάρι scotch bride κουζίνας). Πάντα πρέπει η μύτη του κολλητηριού να διατηρείται καθαρή. Σκουπίζουμε το κολλητήρι γρήγορα ώστε να καθαριστεί αλλά να μην κρυώσει σε υγρό σφουγγάρι που τοποθετήσαμε για την χρήση αυτή. Αν χρησιμοποιήσετε μεταλλικό σφουγγάρι κουζίνας μπορείτε να καθαρίσετε την μύτη του κολλητηριού και χωρίς αυτό να είναι υγρό. Έτσι καθώς δεν έχει αυτό υγρασία δεν θα χαθεί θεωρητικά καθόλου θερμότητα κατά την διαδικασία. Μικρό κοφτερό κόφτη για κοπή καλωδίων και κολλήσεων. Μικρό μυτοτσίμπιδο ή Ιατρικούς Αιμοστάτες. 7.3 Τοποθέτηση Ηλεκτρονικών Στοιχείων στην Πλακέτα (PCB) Με εξαίρεση κάποια τρανζίστορ π.χ. το TO-92 όλα τα στοιχεία πρέπει να τοποθετηθούν στην πλακέτα μέχρι να «πατήσουν» καλά στην επιφάνεια της πλακέτας και να τοποθετηθούν στις οπές όσο πιο βαθιά γίνεται. Οι εικόνες 1 και 2 δείχνουν πώς πρέπει να τοποθετηθούν σωστά τα στοιχεία και με (Χ) την λάθος τοποθέτηση. Κατά την εγκατάσταση των ηλεκτρονικών στοιχείων κολλάμε πρώτα μόνο ένα από τα ποδαράκια τους και μετακινούμε το στοιχείο στην επιθυμητή θέση και μετά κολλάμε και τα υπόλοιπα ποδαράκια. Ελέγχουμε ξανά την θέση του στοιχείου και αναθερμαίνουμε το καλάι αν χρειάζεται ώστε να έρθει το στοιχείο στην επιθυμητή θέση. Πολλές φορές χρειάζεται να διαμορφώσουμε τα ποδαράκια των στοιχείων ώστε να ταιριάξουν στις οπές. Αυτό γίνεται με ένα μίτο τσίμπιδο. 40
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Εικόνα 7.1 Εικόνα 7.2 Είναι γενικά αποδεκτή και θεωρείται μια καλή τεχνική τοποθέτησης εξαρτημάτων, να τα βάζουμε όλα στην πλακέτα με την ίδια κατεύθυνση οριζόντια ή κάθετα εφόσον είναι δυνατόν. Αυτό το κάνουμε ώστε να μπορούμε μετά να διαβάσουμε το κείμενο (τιμές αντιστάσεων, pins για IC) που υπάρχει στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος κρατώντας την κανονικά ή με κλίση 90 ο. Για παράδειγμα κρατώντας μια πλακέτα από μπροστά να μπορούμε να δούμε όλες τις τιμές των αντιστάσεων που έχουν τοποθετηθεί στο κύκλωμα. Γενικά καλό είναι να τοποθετούνται τα ηλεκτρονικά στοιχεία κατά τρόπο ώστε να είναι ευανάγνωστες οι τιμές αυτών στην πλακέτα. 7.4 Κολλήσεις Η σωστή τοποθέτηση της μύτης του κολλητηριού στην πλακέτα είναι βασική για να επιτευχθεί μια ορθή κόλληση. Η εικόνα 3 δείχνει πως πρέπει να τοποθετήσουμε το κολλητήρι ορθά 41
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Εικόνα 7.4.3. Το κολλητήρι θα ζεστάνει τον ακροδέκτη του ηλεκτρονικού στοιχείου και την οπή στην επιφάνεια της πλακέτας (PCB) και θα εφαρμόσουμε αμέσως μετά το καλάι. Έτσι θα επιτευχθεί τέλεια κόλληση του στοιχείου όπως φαίνεται στις εικόνες 4 και 5. Εικόνες 7.4.4 και 7.4.5. Στην εικόνα 6 φαίνεται μια σωστή κόλληση που υλοποιήθηκε σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μονής όψεως. Μια μικρή ποσότητα καλάι εφαρμόζεται αρχικά στον ακροδέκτη του ηλεκτρονικού στοιχείου και μετά στην οπή της πλακέτας. Επιπλέον εφαρμόζουμε και μια ακόμη μικρή ποσότητα καλάι συνολικά πλέον ώστε να δημιουργηθεί ένα ομοιόμορφο βουναλάκι γύρω από τον ακροδέκτη. 42
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Εικόνα 7.4.6 Είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί βουναλάκι από καλάι. Απλά εφαρμόζουμε τόσο καλά όσο χρειάζεται ώστε να γεμίσει ο χώρος μεταξύ οπής και ακροδέκτη όπως φαίνεται στην εικόνα 7.μερικές περιπτώσεις ανάλογα την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος δεν είναι. Εικόνα 7.4.7. Με την χρήση μύτης διαμέτρου 0.5mm σε τέτοιες περιπτώσεις γίνεται ευκολότερη η διαδικασία. Με την χρήση μύτης μεγαλύτερης διαμέτρου συνήθως προστίθεται περισσότερο καλάι στις επαφές από ότι χρειάζεται. Σε περιπτώσεις οπών όπως του Σχήματος 7 βλέπουμε την μικρή ποσότητα καλάι να ρέει μέσα στην οπή. Στην εικόνα 8 βλέπουμε ένα σφάλμα που προέκυψε από την εφαρμογή υπερβολικής ποσότητας καλάι. Βραχυκύκλωσαν δύο ακροδέκτες στοιχείων που βρίσκονται το ένα πλησίον του άλλου. 43
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Εικόνα 7.4.8. Στις εικόνες 9 και 10 βλέπουμε τι μπορεί να συμβεί όταν ο ακροδέκτης του ηλεκτρονικού στοιχείου δεν ζεσταθεί ταυτόχρονα με την πλακέτα (PCB). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια κόλληση που δεν έχει αγωγιμότητα μεταξύ της πλακέτας και του στοιχείου. Συνήθως αυτό το πρόβλημα διορθώνεται με το να αναθερμάνουμε τις επαφές ώστε να λιώσει το καλάι και να κολλήσει καλά. Εικόνες 7.4.9 και 7.4.10 Εξίσου τέτοιου είδους κόλληση θα δημιουργηθεί αν δεν καθαρίσουμε καλά το κολλητήρι πριν από την διαδικασία αλλά και αν δεν θερμάνουμε καλώδια που έχουν λεπτό επίστρωμα από προστατευτικές ουσίες χαλκού. Ειδικότερα σε τέτοιου είδους 44
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης κολλήσεις δεν μπορεί να επισκευαστεί με αναθέρμανση αλλά θέλει εξαγωγή του καλωδίου και σωστή απογύμνωση (κάψιμο) από το προστατευτικό υλικό του χαλκού. Μετά επανατοποθέτηση στην οπή και κόλληση. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟ 8.1 Τύποι τροφοδοτικών Υπάρχουν πολλοί τύποι τροφοδοτικών. Τα περισσότερα είναι σχεδιασμένα να μετατρέπουν υψηλή τάση AC σε μία κατάλληλη χαμηλότερη ώστε να τροφοδοτήσουμε ηλεκτρονικά κυκλώματα και συσκευές. Το σύνολο του τροφοδοτικού μπορεί να απεικονιστεί σε μπλοκ διάγραμμα όπως φαίνεται παρακάτω. Μετασχηματιστής: Ρυθμίζει την στάθμη AC μετασχηματίζοντας την κυρίως τάση (220V) σε μικρότερη ή μεγαλύτερη Ανορθωτής: Είναι το πρώτο στάδιο της μετατροπής της εναλλασσόμενης τάσης (AC) σε συνεχή τάση (DC) Εξομάλυνση: Μειώνει την κυμάτωση της DC τάσης που εμφανίζεται μετά την ανόρθωση Σταθεροποιητής: Εξαλείφει την κυμάτωση διατηρώντας σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από τις μεταβολές του ρεύματος Ας ξεκινήσουμε να κατασκευάζουμε θεωρητικά ένα τροφοδοτικό, να δούμε από ποιά εξαρτήματα αποτελείται και ποιός ο ρόλος του καθενός. 8.2 Μετασχηματιστής 45
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης Ο μετασχηματιστής εκμεταλλεύεται τους νόμους της επαγωγής και μετασχηματίζει τα στοιχεία του ρεύματος, την τάση V και την ένταση Ι. Λειτουργεί μόνο με τάση AC και αποτελείται από δύο ή περισσότερα τυλίγματα, το πρωτεύον που τροφοδοτείται από την τάση του δικτύου και το δευτερεύον ή τα δευτερεύοντα τα οποία δίνουν μικρότερες ή μεγαλύτερες τάσεις. Τα τυλίγματα τυλίγονται γύρω από ένα υλικό με βάση το σίδηρο, τον πυρήνα, που βοηθάει τον μετασχηματισμό αυξάνοντας την αυτεπαγωγή. Αν το δευτερεύον δίνει μεγαλύτερη τάση έχουμε μετασχηματιστές ανύψωσης τάσης, αν το δευτερεύον δίνει μικρότερη τάση έχουμε τους μετασχηματιστές υποβιβασμού τάσης και τέλος αν τα δευτερεύοντα δίνουν και μεγαλύτερες και μικρότερες τάσεις από την τάση του δικτύου τότε έχουμε τους μικτούς μετασχηματιστές. Οι μετασχηματιστές σπαταλούν πολύ λίγη ενέργεια οπότε η ενέργεια εξόδου είναι σχεδόν ίση με την ενέργεια εισόδου. Η απόδοση ενός μετασχηματιστή φτάνει από 80% μέχρι 95% ενώ το υπόλοιπο είναι απώλειες (δινορεύματα, υστέρησης, σκέδασης κ.ά.). Η αναλογία των σπειρών κάθε τυλίγματος καθορίζει τις τάσεις του μετασχηματιστή. Ένας μετασχηματιστής υποβιβασμού τάσης έχει πολλές σπείρες στο πρωτεύον τύλιγμα που συνδέεται στην κυρίως τάση (220V), και λίγες σπείρες στο δευτερεύον που παρέχει την χαμηλή τάση εξόδου. n = V1 = N1 V2 = N2 V1: Τάση στο πρωτεύον V2: Τάση στο δευτερεύον Ν1: Αριθμός σπειρών στο πρωτεύον Ν2: Αριθμός σπειρών στο δευτερεύον 46
Πτυχιακή Εργασία: Ενισχυτής ήχου Τάξης ΑΒ. Γ.Μαγουλάς Ν.Στρουμπούκης 8.3 Ανορθωτής Όπως αναφέραμε, ο ανορθωτής είναι το πρώτο στάδιο της μετατροπής της εναλλασσόμενης τάσης (AC) σε συνεχή τάση (DC - ρεύμα που "κυλάει" προς μία μόνο φορά), η οποία περιέχει όμως και μία εναλλασσόμενη συνιστώσα (alternating component) 50Hz για την μισή ανόρθωση και 100Hz για την πλήρη ανόρθωση, την οποία θα φιλτράρουμε παρακάτω με έναν πυκνωτή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι συνδεσμολογίας διόδων για να πραγματοποιηθεί ένας ανορθωτής. Ο πιο σημαντικός και συνηθισμένος είναι η "διπλή ανόρθωση με γέφυρα" και προσφέρει ανόρθωση πλήρους κύματος (Χατζαράκης, 2003). Ανόρθωση πλήρους κύματος επιτυγχάνεται επίσης και με δύο διόδους σε έναν μετασχηματιστή με μεσαία λήψη αλλά αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σπάνια. 8.3.1 Απλή ανόρθωση Μία μόνο δίοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ανορθωτής αλλά η δίοδος άγει μόνο κατά την διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου. Σε αυτή την περίπτωση υπάρχει ρεύμα μόνο για το μισό της περιόδου και το κύκλωμα ονομάζεται ανορθωτής μισού κύματος. 8.3.2 ιπλή ανόρθωση με γέφυρα Η ανόρθωση με γέφυρα αποτελείται από 4 διόδους και κυκλοφορεί στον εμπόριο σαν ένα εξάρτημα αλλά μπορεί επίσης να κατασκευαστεί με 4 διόδους. Ονομάζεται 47