V tej enačbi je fC mejna frekvenca (cut-off), kjer na nizkih frekvencah signal pade (oslabi, slabljenje) na -3 dB, kar je polovica tistega pri 0 dB. RLOAD je impedanca priključenega zvočnika, COUT pa kapacitivnost izhodnega kondenzatorja. Dovolj nizko postavljena mejna frekvenca je zelo pomembna za verno ojačenje vhodnega signala predvsem na nizkih frekvencah (basih), saj smo se že na začetku seznanili z dejstvom, da je slabljenje -3 dB pravzaprav polovico manjše močnostno ojačenje kot pri 0 dB. Tipična karakteristika ojačenja ojačevalnika v celotnem (slišnem, avdio) frekvenčnem območju je prikazana na sliki 8.
Ojačevalniki razreda A so znani po neprijetnem pojavu ob vklopu napajanja, ko se mora kondenzator v trenutku napolniti na polovično napajalno napetost. To povzroči neprijeten pok, ki pri večjih izhodnih močeh istočasno predstavlja tudi nevarnost za sluh in okvaro priključenih zvočnikov, zato se poskušamo pri konstrukciji temu izogniti na različne načine, na primer tudi z zakasnjenim vklopom zvočnikov. Na sliki 9 je za boljše razumevanje delovanja celotnega ojačevalnika prikazan zvočnik v prerezu, s katerim bomo poenostavljeno razložili njegovo delovanje.
Membrana zvočnika je prožno vpeta na okvir s čimer je omejeno tudi njeno gibanje le v smereh naprej in nazaj. Na vrhu stožca membrane je pritrjen tuljavnik, na katerega je navita tuljavica zvočnika. Ta sega v močno magnetno polje z zgoščenimi silnicami, ki se zaradi trajnega magneta vzpostavi med zgornjo ploščo in jarmom trajnega magneta. Kadar skozi navitje ne teče tok, je tuljavica v ravnovesni legi vseh sil prožnega vpetja. Te sile so določene s konstrukcijo in izbiro materiala. Fizično naj bi to pomenilo, da je navitje tuljavice točno na sredini zračne reže v smeri gibanja in enako oddaljena od jarma in zgornje plošče. V odvisnosti od tega, kakšne smeri je tok skozi tuljavico, se bo tuljavica »želela izmakniti« močnemu magnetnemu polju v zračni reži, ki seka njeno lastno magnetno polje (ki se ustvari okrog žice vsakega posameznega ovoja tuljavice) proti zunanjosti ali notranjosti. Ko se pri tem »izmikanju« toliko umakne, da se obe polji (lastno magnetno polje in magnetno polje v zračni reži) izenačita, se gibanje tuljavice ustavi. Ker je zvočnik krmiljen z izmeničnim tokom, se ta proces dogaja ves čas in v obe smeri. Z večjim tokom vzbujamo tuljavico, večji bodo odkloni tuljavice iz ravnovesne lege in večja bo amplituda gibanja membrane, na katerega je tuljavica pritrjena. Tega, da bo zvočnik tudi močneje »tulil«, sploh ne bom omenjal!
No, doslej smo govorili bolj o končni močnostni stopnji in o porabniku, oziroma »pretvorniku« električne energije v magnetno, magnetne v kinetično in kinetične energije v zvok. Zdi se mi, da smo se s teorijo prebili tako daleč, da lahko vsemu skupaj dodamo le še invertirajoči ojačevalnik z ojačenjem 11, pa smo končali! Če se še spomnite prispevka o operacijskih ojačevalnikih, naj bi bil ta ojačevalnik približno takšen, kot kaže slika 9.
Napetost na »+« neinvertirajočem vhodu bomo z delilnikom nastavili na polovico napajalne napetosti, kar bo za operacijski ojačevalnik »masa«. Vse napetosti nad in pod to vrednostjo bodo (invertirano) ojačene s faktorjem ojačenja A. Ob amplitudi vhodnega signala +/- 0,387 V ali 0,775 Vpp bomo dobili ravno dovolj velik nepopačen signal za krmiljenje izhodnega MOSFET tranzistorja. Vezni elektrolitski kondenzatorji 10 uF med stopnjami poskrbijo za to, da se na naslednjo stopnjo prenese le izmenični signal, brez enosmerne prednapetosti.
Na takšen ojačevalnik lahko priključimo MP3 predvajalnik, mobilni telefon z izhodom za slušalke (ki ima prav gotovo vgrajen tudi MP3 predvajalnik) izhod za slušalke iz računalnika, izhod CD predvajalnika na računalniku in tako naprej. Vsekakor potrebujemo kar precejšen vhodni signal, da lahko uživamo v delovanju svojega prvega ojačevalnika! Mikrofon sam po sebi ne more proizvesti tako visokega signala (največ 1-2 mVpp), zato bomo za priključitev mikrofona izdelali še predojačevalnik z vhodnim potenciometrom. Z njim bomo lahko spreminjali razmerje med nivojem vhodnega signala in tistim, ki ga bomo res (brez popačenj) ojačili. To bomo lahko izkoristili tudi kot preprost rokerski kitarski efekt (distorsion), ki bo vhodni signal s kitare zaradi prevelikega vhodnega signala že v predojačevalniku tako močno popačil, da nam bo to morda celo všeč! To pa je že druga skrajnost »dobrega« zvoka: doseči visoko kvaliteto kontroliranega frekvenčnega, amplitudnega ali faznega popačenja vhodnega signala z namenom doseči posebne, za uho ugodne zvočne učinke!
Predojačevalnik je neinvertirajoč, z vhodno impedanco 23,5 k. Skupno ojačenje te vrste ojačevalnika je določeno z razmerjem med uporoma R2 in R1 po formuli.
Če uporabimo v shemi narisane vrednosti uporov R2 in R1, bo napetostno ojačenje našega mikrofonskega predojačevalnika okrog 23. Ob amplitudi vhodnega signala z mikrofona od 2 do 5 mVPP bomo dobili na izhodu predojačevalnika nekje od 50 do 120 mVPP. To je zelo majhen signal glede na to, kako smo dimenzionirali vhod krmiljenja končne stopnje (0,775 VPP), zato morda govora prek mikrofona ne bo slišati dovolj glasno. Če smo v članku spoznali osnovni princip delovanja ojačevalnika, nam bo preprosto dodati še eno vmesno stopnjo z ojačenjem od 5 do 10. S tem bomo dvignili nivo signala z mikrofona na najvišjo dovoljeno amplitudo, ki se še lahko ojači brez popačenja. Z izbiro primernega mikrofona si ne delajte prevelikih skrbi! V uredništvu smo na prototipu ojačevalnika uporabili kar mikrofon, ki ga običajno skupaj s slušalkami uporabljamo na računalniku (multimedija).
Zavihajmo rokave
Na prototipni ploščici bomo najprej sestavili predojačevalnik, potem pa mu dodali še ojačevalnik s končno stopnjo. Izhodni vezni kondenzator mikrofonskega predojačevalnika je obenem tudi vhodni naslednje stopnje (ojačevalnika), zato ga tam ne bomo uporabili. Paziti moramo na polariteto elektrolitskih kondenzatorjev! Če nismo prepričani, kako ga obrniti, izmerimo polariteto z enosmernim voltmetrom: kjer je na priključkih kondenzatorja bolj pozitiven potencial, mora biti »+« priključek. Opozarjam, da gre včasih lahko za zelo majhne razlike v napetostnih potencialih in se zato raje dvakrat prepričajmo!
Končno stopnjo smo »naštudirali v nulo«, zato pri tem ne bi smelo biti težav. Opozarjam, da je poraba ojačevalnika dokaj velika in da bo akumulator ob neprekinjeni uporabi kmalu prazen. Poskusite lahko uporabiti različne izhodne kondenzatorje in opazili boste razliko pri ojačenju nizkih tonov – basov. Namesto 5k uporov lahko za ustvarjanje »mase« uporabite trimer potenciometer 10k. Oba končna priključka povežete na napajanje, srednji odcep pa priključite na »+« vhod TL071 (nogica 3). Z vrtenjem trimerja bomo spreminjali razmerje upornosti dveh navideznih uporov, proti VCC in proti GND. S trimerjem bomo lahko»premikali« maso med 0 in 12 V in poskusili »na uho« oceniti, kdaj je signal na zvočniku najmanj popačen. Če bomo izmerili, na kakšnem napetostnem potencialu je v tistem trenutku »+« vhod TL071, bo to gotovo v okolici 6,00 V!
Elektronika za začetnike – Avdio ojačevalniki (7)
2010_SE173_43
