Можно прочитать сотни книг про бокс, но
пока не побываешь в нокауте боксером не станешь…
Именно по этой причине изучение МИКРОКАП будет на реальных схемах. Параллельно
будет рассмотрена схемотехника усилителей мощности, с пояснениями что для
чего нужно и от чего зависит. Пошаговые инструкции, много моделей, задания
для самостоятельных расчетов, примеры построения логических заключений о
необходимости того или иного узла.
И да осилит дорогу идущий…
При самостоятельной сборке усилителя мощности первый вопрос, который
появляется это "КАКУЮ СХЕМУ ВЫБРАТЬ?". Собрать для самостоятельной
проверки все, даже самые популярные схемы не реально — слишком дорого,
да и времени для этого потребуется не мало. Поэтому и предлагается не
спаять, а смоделировать самые популярные усилители и уже на основе данных,
полученных от результатов моделировани делать выводы, на каком именно
усилителе остановить свой выбор.
Ну а использование предлагаемого комплекта плат позволит не только собрать
но и попробовать варианты которые вызвали колебание при выборе.
МИКРОКАП 8
ЗНАКОМСТВО
В качестве симулятора будет использоваться МИКРО-КАП-8, который лучше
скачать
ЗДЕСЬ, поскольку он дополнен всеми упоминаемыми в статье моделями.
Архив следует распаковать по адресу: C:Program Files.
В этом случае не придется переназначать библиотеки
с элементами. Внутри распакованной папки получится несколько рабочих
файлов самого симулятора и две папки — DATA, в которой
хранятся модели схем и LIBRARY, в которой хранятся модели компонентов.
Для имеющегося в этой же папке файла 
лучше сделать ярлык на рабочем столе.
Для дальнейшей работы лучше провести небольшую разминку и немного ближе
познакомиться с симулятором и его возможностями. Для этого следует запустить
МС-8 и немного ознакомиться с имеющимися кнопками управления. Пожалуй
сразу следует оговориться — самым подробным образом данный симулятор изучаться
не будет, поскольку это займет объем книги, но ни как не статьи. Поэтому
описание будет дано далеко не всем имеющимся кнопкам и функциям, а только
используемым в данных примерах. По мере продвижения к финалу будут даваться
подсказки и примеры возможных способов получения некоторых промежуточных
данных.
КНОПКИ ОСНОВНОГО МЕНЮ
Соответственно: НОВЫЙ ФАЙЛ, ОТКРЫТЬ ФАЙЛ, СОХРАНИТЬ,
ВЕРНУТЬСЯ К СОХРАНЕННОЙ КОПИИ, ПЕЧАТАТЬ, ДОПЕЧАТНЫЙ ПРОСМОТР
ОТМЕНА ПОСЛЕДНЕГО ДЕЙСТВИЯ, ПОВТОР ПОСЛЕДНЕГО ДЕЙСТВИЯ,
ВЫРЕЗАТЬ, КОПИРОВАТЬ, ВСТАВИТЬ, УДАЛИТЬ, ВЫДЕЛИТЬ ВСЕ
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ СХЕМЫ. Наиболее удобные первые 4
кнопки, поскольку в остальных случаях приходится перелистывать довольно
большие списки возможных вариантов. Для выбора активных компонентов
лучше использовать комбинацию "горячих" клавиш Ctrl+Shift+F
или меню Component -> Find Component. При выборе пассивного компонента
(резистора, конденсатора или индуктивности) после установки элемента
появляется диалоговое окно, в котором необходимо прописать номинал
элемента (сопротивление, емкость или индуктивность). Множители мега,
килло, микро, нано, пико данный симулятор понимает, поэтому достаточно
написать, например 3k, что будет означать 3 кОм. Разумеется, что множители
пишутся английскими буквами.
ВЫДЕЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНОГО КОМПОНЕНТА ИЛИ ГРУППЫ, УСТАНОВКА
КОМПОНЕНТА В СХЕМУ, ТЕКСТ, СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПОВОРОТОВ,
ПРЯМАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ, ГРАФИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
РЕЖИМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖЕ: ПОКАЗЫВАТЬ ТЕКСТ, ПОКАЗЫВАТЬ
ПОРЯДКОВЫЙ НОМЕР И НОМИНАЛ, ПОКАЗЫВАТЬ НОМЕР СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТОЧКИ,
и сейчас не активные — ПОКАЗЫВАТЬ НАПРЯЖЕНИЕ В ТОЧКАХ, ПОКАЗЫВАТЬ
ПРОТЕКАЮЩИЕ ТОКИ, ПОКАЗЫВАТЬ МОЩНОСТЬ РАССЕИВАНИЯ, ПОКАЗЫВАТЬ ЛОГОЧЕСКОЕ
СОСТОЯНИЕ ВКЛ-ВЫКЛ.
ПОКАЗЫВАТЬ ВСЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТОЧКИ, КУРСОР В ВИДЕ ПЕРЕКРЕСТИЯ,
КООРДИНАТНАЯ СЕТКА, С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРОСТАНОВКИ КОНТРОЛЬНЫХ ТОЧЕК ЧЕРЕЗ
ОПРЕДЕЛЕННОЕ РАССТОЯНИЕ, ОТОБРАЖЕНИЕ РАМКИ И РАМКИ С ТИТУЛОМ, ПРИВЯЗКА
КОМПОНЕНТОВ, довольно удобная функция, позволяющая переносить компоненты
без разрыва соединительного проводника, или с разрывом. НАСТРОЙКА
ИНТЕРФЕСА
РАБОТА С ЭЛЕМЕНТАМИ, ПЕРВАЯ КНОПКА — КОПИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕННОГО
ЭЛЕМЕНТА ВМЕСТЕ С БЛИЖАЙШИМИ, КОПИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА С РАЗВОРОТОМ, ПОВОРОТ
КОМПОНЕНТА, РАЗВОРОТ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЕРТИКАЛИ, РАЗВОРОТ ОТНОСИТЕЛЬНО
ГОРИЗОНТАЛИ.
УВЕЛИЧЕНИЕ-УМЕНЬШЕНИЯ ВИДА СХЕМЫ
ПЕРВАЯ СХЕМА И ПЕРВИЧНЫЙ АНАЛИЗ
Далее следует открыть файл с первым примером:
На открывшейся схеме три базовых варианта включения транзистора, но
схема "наляпистая", поскольку рисовалась на скорую руку и ее
нужно немного окультурить. Для этого нажимаем следующее:
В этом случае на новом диалогом окне следует выбрать как вам удобней
нумерация элементов — сверху-вниз или слева-направо. Для согласование
описание и результатов полученных Вами следует выбрать переименование
СВЕРХУ-ВНИЗ и нажать ОК.
Ну а теперь можно немного посмотреть как собственно эти транзисторы работают.
В первую очередь следует проверять режимы по постоянному току, поскольку
если транзисторы не будут находиться в рабочих режимах дальнейшие проверки
бессмысленны — схема работать не будет. Для этого нажимаем:
Появляется следующее диалоговое окно:
Здесь предлагается выбрать отображаемые величины, в данном случае будут
отображатся ТЕКСТ, НОМИНАЛЫ И ПОРЯДКОВЫЕ НОМЕРА ЭЛЕМЕНТОВ, НАПРЯЖЕНИЯ
В ТОЧКАХ СОЕДИНЕНИЯ, можно включить отображение порядковых номеров
соединительных точек, протекающих токов, рассеиваемых мощностей, логическое
состояние и соединительные точки. Все это будет просчитано для температуры
элементов 27 град Цельсия. Последним окошком является шаг погрешности.
Можно конечно уменьшить, но это только займет больше времени на расчеты,
без какой либо практической пользы. Если в предлагаемом меню все устраивает
следует нажать кнопку ОК. Должна получится следующая схема:
В самом верху схема с общим коллектором, ниже —
с общим эмиттером, ну и в самом низу — с общей базой. Как видно
из схемы питание составляет 20 В, на левой стороне разделительных конденсаторов
С4-С6 примерно половина напряжения питания, т.е. транзисторы находятся
в оптимальном режиме работы. В качестве источника V1 используется генератор
синусоидального сигнала из библиотеки:
Теперь можно воспользоваться чем то похожим на осциллограф, т.е. произвести
анализ получившейся схемы:
Экран разделился на две части — в правой находится схема, а в левой
— пустой экран, а возле курсора, если водить его по схеме появился значок
V( ).Теперь, если навести курсор на интересующую
точку в левом окне появится график, соответствующий форме, амплитуде и
длительности напряжения в этой точке, т.е. по сути тоже самое, что показывает
обычный осциллограф. Для начала стоит попробовать верхний вывод генератора
синусоидального сигнала:
На рисунке видно, что "осциллограмма" совсем не похожа на
предполагаемую синусоиду. И не будет… У нас поставлена частота 200 Гц,
а "развертка" данного "осциллографа" по умолчанию
— 1мкС, следовательно это лишь фрагмент искомой синусоиды. Для того, чтобы
поменять "развертку" следует воспользоваться соответствующим
переключателем, определяющим время расчета параметров:
В меню которого необходимо выбрать желаемое время отображения, т.е.
"развертку":
Теперь получилась синусоида, правда несколько угловатая, тем не менее
на основании ее вида уже можно делать некоторые выводы о форме сигнала.
Разумеется, что вид синусоиды можно изменить — сделать более качественным,
но это не принципиально — для оценки искажений сигнала есть более точные
средства.
Нажимая повторно на верхний вывод генератора выключается изображение
и теперь можно проверить что происходит на выходах однокаскадных транзисторных
усилителей OUT1-OUT3. Для этого по порядку подводим курсор к точкам
OUT и нажимаем левую кнопку мышки. В результате в окне "осциллографа"
появляется следующие "осциллограммы":
Синий "луч" — OUT1, красный — OUT2, зеленый
— OUT3. Как видно из рисунка наиболее приемлемы является сигнал
с OUT1 и это не случайно — транзистор Q1 работает по схеме с общим коллектором,
т.е. в режиме эмиттерного повторителя и изменений в амплитуду сигнала
не вносит, поскольку усиливается только ток, т.е. увеличивается нагрузочная
способность. Для выяснения истинного, не искаженного выходного сигнала
следует уменьшить выходное напряжение генератора. Для этого следует щелкнуть
дважды по изображению генератора и изменить амплитуду выходного напряжения.
Кстати сказать — МИКРОКАП измеряет и показывает АМПЛИТУДНОЕ
значение синусоидального напряжения, следовательно для вычисления ДЕЙСТВУЮЩЕГО
значения необходимо получаемые величины делить на 1,414.
После уменьшения амплитуды напряжения с генератора с 1 В до 0,01 В, т.е.
в 100 раз еще раз проверяем напряжения на выходах однокаскадников:
На рисунке по прежнему синяя линия OUT1, красная
— OUT2, а зеленая — OUT3. Как видно амплитуда синей линии практически
нулевая, по сравнению с красной и зеленой, из этого можно сделать вывод,
что максимальное усиление амплитуды происходит в однокаскадном усилителе
по схеме с общим эмиттером. Однако учебники по электронике доказывают,
что как раз максимальное усиление напряжения дает схема с общей базой.
Однако данный опыт не ставит под вопрос правдивость учебников, а лишь
лишний раз доказывает, что в электронике имеются некоторые условности
позволяющие называть каскады так или иначе, хотя в чистом виде как в учебника
эти каскады не выглядят, ведь классический каскад выглядит несколько иначе:
Модель данного каскада не выкладывается, а предлагается самостоятельно
нарисовать данную схему и подбором резисторов и напряжения смещения V1
добиться максимального усиления.
Теперь можно попробовать снять характеристики полученных усилителей. Первой
следует попробовать амплитудо-частотную. Для этого следует через меню
АНАЛИЗ выбрать пункт ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Далее настраиваем окно расчетов до получения следующего вида:
После настройки следует нажать ВЫПОЛНИТЬ, т.е. RUN. в
итоге получается три графика АЧХ, поскольку были заданы параметры для
трех точек:
Рисунок обрезан — линии почти ровные до 20 кГц, а самое главное здесь
видно. Из рисунка можно сделать вывод, что самый верхний транзистор имеет
отрицательный коф. усиления, второй практически 49 дБ, ну а самый нижний
порядка 25 дБ.
У МИКРОКАП есть один, довольно существенный плюс — ведя курсор по линии
он показывает точное значение параметров именно в той точке, над которой
сейчас находится курсор, т.е. для более точных измерений не нужно зауживать
диапазоны.
Осталось выяснить еще один параметр, важный для усилителей — уровень искажений.
.
Для простоты вывода результатов лучше немного подкорректировать предлагаемое
по умолчанию заполнение:
Прежде всего стоит определиться на какой частоте производить замеры.
Обычно двух-трех базовых частот достаточно, поэтому лучше использовать
кратные частоты — предлагаемые 10 кГц, т.е. использовать 5 кГц, 2,5 кГц,
20 кГц. Для ввода частоты служит самое верхнее окошко ввода.
Ниже его находится окошко выбора источника, V2 как раз используется как
источник сигнала для исследуемой схемы.
Еще ниже окно, в котором выставляется амплитуда входного сигнала. Еще
раз — АМПЛИТУДА, но не действующее значение.
Еще ниже — окошко, в котором указывается на какой точке схемы исследовать
искажения, затем — температура при которой производить "замер",
еще ниже — в течении какого количества периодов следить за уровнем искажений.
Ниже — величина шага времени расчетов. Для звуковой техники этот параметр
можно не трогать.
Далее выбираются результаты "замеров", для скрупулезного анализа
лучше пользоваться первыми двумя, но это уже для более профессионального
использования, поэтому лучше воспользоваться уже суммированной величиной
всех искажений и использовать окошко с THD.
В самом нижнем окошке можно ни чего не ставить, но все же лучше им пользоваться
— благодаря наглядному изображению выходного сигнала можно судить об амплитуде
и соответственно определить не вошел ли усилитель в режим клиппинга.
Координатные сетки X и Y лучше вставить в режим автоматического масштабирования.
После всех манипуляций диалоговое окошко приобретет вид:
Другими словами заданы следующие параметры: частота
входного сигнала 10 кГц от источника V2 с амплитудой 10 мВ. Контролировать
сигнал в точке OUT2, т.е. на выходе каскада с общим эмиттером при температуре
схемы 27 град в течении 5 циклов изменения входного сигнала с шагом времени
0,1 мкС и вывести на экран уровень THD и рисунок выходного сигнала, причем
сделать это с автоматическим масштабированием обоих координат.
После нажатия кнопки RUN происходит просчет параметров исследуемой
схемы и выдача результатов:
На экране появится следующий рисунок, который означает, что THD немного
не дотягивает до 4,8 %, впрочем это даже видно на глаз — верхняя полуволна
сигнала явно "притуплена" и это происходит при амплитуде переменной
составляющей несколько больше 2-х вольт. В принципе для такого усилителя
это вполне терпимые параметры, поскольку при более низком выходном напряжении
искажения значительно меньше (уменьшите входное настолько, чтобы на выходе
получилась амплитуда 1, а затем 0,5 В).
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Для проверки примеров из этого раздела потребуется скачать еще один
архив и распаковать его в папку DATA.
Закон Ома проверяться не будет, хотя если кому то интересно, то это он
уже может проделать самостоятельно.
Для начала рассмотрим схему параметрического стабилизатора напряжения,
приведенного на рисунке ниже, модель experim01.CIR
в папке Experimental СКАЧАТЬ.
Схема довольно проста и должна быть знакома многим. В данном примере
в качестве вторичной обмотки трансформатора используется генератор синусоидального
сигнала V1. Диодный мост на популярных не дифицитных диодах, да и остальные
элементы не должны вызывать затруднений в опознании. В качестве нагрузки
выступает R2.
После запуска РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ значения появляются, но
вот они сильно отличаются от ожидаемых:
Модель генератора "вырабатывает" 30 В с частотой 50 Гц, однако
после диодного моста ни каких 30 В нет. Но если вдуматься, то их и быть
не может — генератор вырабатывает синусоиду в реальном времени и напряжение
на нем постоянно меняется, т.е. является динамической величиной, следовательно
для анализа данной схемы требуется не РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ,
а ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и запустив этот режим устанавливается
"развертка" в 40m и выбираем проводник идущий на коллектор Q2.
На появившейся "осциллограмме" видно, но напряжение на коллекторе
Q2 все таки есть, оно близко по значению к тому, что вырабатывает генератор,
а так же отчетливо видна амплитуда пульсаций этого напряжения, связанная
с тем, что емкость конденсатора С1 несколько меньше необходимого для данной
схемы.
Так же стоит обратить внимание на то, что кнопки управления режимов отображения
протекающих токов, напряжений и выделяемых мощностей активны и при их
использовании появляются усредненные значения выбранных режимов.
Для эксперимента уменьшите номинал резистора R2 до 10 Ом и снова запустите
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ и теперь проверте "осциллограмму"
на эмиттере Q2.
Как видно из рисунка на выходном напряжении появились явные провалы.
Их источник найти довольно просто — достаточно "посмотреть"
форму напряжения на коллекторе Q2 и станет ясно, что емкости конденсатора
явно не хватает:
Нажав кнопку отображения рассеиваемой мощности станет ясно, что потребляемой
мощности 18 Вт емкости конденсаторов следует увеличить.
Используя подобные схемы можно вычислять минимальную достаточность конденсаторов
фильтров питания в источниках питания и уже потом не гадать по какой причине
устройство работает не совсем так как хотелось и не перекраивать печатные
платы добавляя конденсаторов. Так же можно определить сколько ватт будет
рассеиваться на силовом транзисторе и уже на основании этого делать выводы
о необходимом размере теплоотвода.
Следующим примером для экспериментов возьмем модель experim02.CIR.
По сути это компенсационный стабилизатор напряжения и изменен "трансформатор",
который теперь имитирует источник постоянного напряжения V2, а генератор
V1 имитирует напряжение пульсаций.
В отличии от предыдущего варианта этот стабилизатор уже может менять свое
выходное напряжение и регулирующим является сопротивление резистора R4.
В этом варианте РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ уже работает вполне
адекватно, поэтому запустив его можно изменять сопротивление R4 и проверить
как изменяется напряжение.
Кроме штатных подсказок, выплывающих во время запуска РАСЧЕТА ПО ПОСТОЯННОМУ
ТОКУ можно использовать и некоторые элементы, позволяющие орентироваться
в измеряемых величинах более традиционным способом, а именно используя
измерительные приборы, светодиодные шкалы и отдельные светодиоды, а так
же еще несколько элементов из меню ANIMATED.
Для начала добавим вольтметр
Сразу после установки METER на схему появляется диалоговое окно для
выбора парметров этот "измерителя":
LOW — минимальное значение измеряемой величины,
работоспособно только при AUTOSCALE=OFF
HIGH — максимальное значение измеряемой величины, работоспособно
только при AUTOSCALE=OFF
SCALE — используемый множитель, например кило, микро и т.д.
AUTOSCALE — автоматическое изменение пределов измерения, положение
ON удобней использовать при ANALOG OR DIGITAL=DIGITAL, т.е. цифровой.
Положение OFF удобней при использовании ANALOG OR DIGITAL=ANALOG, т.е.
аналоговый, стрелочный
ANALOG OR DIGITAL — переключатель вида "метера" — цифровой
или стрелочный
AMPS OR VOLTS — измеряемая величина, амперы или вольты
После установки и выбора режимов работы (на рисунке выбран цифровой вид)
получившийся вольтметр следует подключить к схеме
Однако показания вольтметра не изменились и не изменяться пока не будет
запущен анализ схемы — РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ или ИССЛЕДОВАНИЕ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.
Таким же образом добавляется амперметр
Для большей наглядности кнопка отображением напряжения была отключена
В принципе эту схему можно оснастить довольно многими индикаторами:
Что то вроде светодиодного индикатора уровня, после установки на схему
появляется окно выбора параметров:
LOW — минимальное значение индицируемого напряжения
HIGH — максимальное значение индицируемого напряжения
В качестве нагрузки используем двигатель:
После установки выставляются параметры:
Через менб правка произведите перенумерацию элементов СВЕРХУ-ВНИЗ и
в результате должна получиться следующая схема:
Изменяя R3 измените выходное напряжение данного стабилизатора, а за
одно и проверьте работоспособность используемой измерительной аппаратуры.
Разумеется, что подобные схемы уже вряд ли кто будет собирать, поскольку
КРЕНки серьезно потеснили дискретные стабилизаторы. Однако на этих примерах
можно выяснить несколько довольно полезных вещей, а именно номиналы конденсаторов
фильтров питания, а так же тепловую мощность на регулирующем элементе,
ведь выделяемое тепло одинаково хоть для КРЕНки, хоть для дискретного
транзистора.
Следующей схемой можно рассмотреть усилитель для наушников, состоящий
из ОУ и двух эмиттеных повторителей на комплементарных парах. Модель данного
усилителя experim03.CIR.
Чего то особенного в даном усилителе нет — однполярное питание, средняя
точка формирутеся делителем напряжения на R1 и R2. Не смотря на видимою
простоту хараткеритики данного усилителя для наушников вполне приемлемые,
но могут быть улучшены переводом данной схемы на двуполярный источник
питания. Это предлагается проделать самостоятельно и получить в финале
ниже приведенную схему:
Качество схемы оставляет желать лучшего — потекла краска с принтера
и некоторые номиналы придется подбирать самостоятельно. Остался только
график THD:
Осталось попробовать заменить конденсатор С3 не полярным элетролитом,
т.е. конденсатором, собранным из двух элетролитических:
При РАСЧЕТЕ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ симуляция проиходит корректно,
а вот после запуска ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ на экране
монитора появляется далеко не дружелюбное окошко:
Если перевести по смыслу, то это означает, что в схеме ошибка — у одно
из элементов не гальванической связи с землей, а чуть ниже указывается
какой именно элемент висит, по мнению МИКРОКАП, в воздухе. В данном случае
это конденсатор С3 и после нажатия кнопки ОК данный элемент выделяется.
Эту ситуацию можно отнести к специфике расчетов МИКРОКАП и для решения
данной проблемы нужно "висящий" в воздухе вывод конденсатора
соединить с общим проводом, но просто так, а через много киллоомный резистор:
После этого "изменрения производяться обычными способами, а введеный
резистор R13 на плату, РЕАЛЬНУЮ плату не переносится
ПОЛНОЦЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
И БОЛЕЕ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ
С однокаскадным усилителем разобрались, с простым усилителем тоже, можно
попробовать что ни будь посерьезней. Поэтому закрываем все открытые схемы
и открываем другую — Shema02.CIR из папки SHEMS.
На экране появляется довольно старая схема автомобильного усилителя мощности
на транзисторах:
На схеме выделено желтым — модель акустической системы с частой резонанса
порядка 40 Гц и активным сопротивлением 4 Ома. Если планируется часто
моделировать усилители, то модель АС лучше сохранить отдельным файлом
и потом просто вставлять. Так гораздо быстрей, чем каждый раз рисовать
новую. Однако и эта модель не совсем корректная — в реальной АС как правило
2-3 динамические головки + фильтры. При желании, уже самостоятельно можете
разработать такую модель, однако предлагаемый вариант дает более точные
расчеты по сравнения с обычно используемым резистором на 4 Ома и его вполне
можно использовать для расчетов, давая поправку на то, что ЭТО широкополосная
динамическая головка.
С3 выполняет роль разделительного конденсатора, а вот следующая за ним
надпись OUT обозначает, что это ВЫХОД. Подобные надписи удобно расставлять
в контрольных точках, которые наиболее интересны, т.е. ТОЧКЕ присваивается
собственное имя и во время снятия характеристики именами намного проще
пользоваться. Подобная контрольная точка выполняется нажатием кнопки ввода
текста в подменю примитивов:
:
В данном случае интерес представляет ВЫХОД, соответственно набираем слово
OUT, а затем полученное слово выделяется курсором и переносится вплотную
к тому проводнику, за которым планируется осуществлять контроль.
Еще один маленький нюанс, который следует отметить — при "сборке"
схемы — МИКРОКАП крайне редко пишет типы активных компонентов, т.е. по
умолчанию проставляются номиналы только резисторов и конденсаторов. Однако
это удобно далеко не во всех случаях. Для отображения типа элемента на
схеме необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мышки по интересующему
компоненту и в открывшимся окне параметров поставить галочку отображения
типа компонента:
Теперь собственно можно приступить к снятию параметров. Первым лучше
всего проверить величины постоянного напряжения, для этого нажимается:
Выплывает диалоговое окно, предлагающее выбрать что именно отображать
и температурный режим. Предлагаемые параметры по умолчанию вполне приемлемы,
поэтому просто следует нажать кнопку ОК. После этого схема "обрастает"
дополнительными значениями, показывающими какое постоянное напряжение
в какой точке:
На панели управления отображением нажата кнопка индикации напряжения,
поскольку в диалоговом окне, всплывающем после нажатия РАСЧЕТ ПО ПОСТОЯННОМУ
ТОКУ, изменений не было внесено, а была просто нажата кнопка ОК.
Как видно из карты напряжений в точке соединения эмиттеров Q3 и Q4 получилась
половина напряжения питания, т.е. условие средней точки для минимальных
искажений для усилителей с однополярным питанием выполнено. Немного "поигравшись"
номиналом резистора R4 можно наблюдать как изменяется величина напряжения
на эмиттерах Q3 и Q4.
Следующим не маловажным параметром для получения минимальных искажений
является ток покоя, причем на параметры усилителя влияет не только ток
покоя оконечного каскада, но и токи покоя остальных транзисторов. Просто
при недостаточном токе покоя оконечного каскада искажения уже явно прослушиваются
в виде ступеньки при переходе синусоиды через ноль.
Для контроля за протекающим через элементы схемы тока необходимо "отжать"
кнопку отображения напряжения и "нажать" кнопку отображения
тока:
Получившийся рисунок приводится уже не будет — вы его видите в окне симулятора
и на нем видно какой ток протекает по какому проводнику и каждому элементу.
Далее проверяется рассеиваемое элементами тепло, для этого "отжимается"
кнопка отображения тока и "нажимается" кнопка отображения рассеиваемой
мощности:
Теперь возле каждого элемента появилась надпись, означающая сколько мощности
рассеивает каждый элемент и на основании этого уже можно делать вывод
до какой температуры и как быстро элементы будут нагреваться. Для сравнения
просто используйте аналог — свой паяльник, нагревающийся до 300 с небольшим
градусов на 3-4 минуты. Однако габариты паяльника значительно больше,
чем используемые компоненты и даже паяльник на 15 Вт при своих габаритах
позволяет паять контактные площадки мощных транзисторов. А учитывая, что
скорость нагрева компонентов будет гораздо большей, чем у паяльника, следовательно
элементы могут выйти из строя гораздо быстрей по причине теплового пробоя.
Поэтому при рассеиваемой мощности свыше указанной для каждого элемента
в справочной литературе следует иметь ввиду, что элемент может выйти из
строя именно из за перегрева. Некоторые элементы. например транзисторы
в корпусах ТО-126 и ТО-220 способны рассеивать довольно большую мощность,
но для этого им необходимы теплоотводы. Корпуса подобных элементов имеют
технологические приспособления для крепления на теплоотводы. В данном
примере это шлифованные поверхности на корпусе транзистора и отверстия,
позволяющие при помощи винтов или саморезов прикручивать корпуса транзисторов
к теплоотводам.
Однако из видимых в окне МИКРОКАПА значений следует, что при условии протекания
постоянного тока, т.е. БЕЗ входного сигнала тепла на элементах выделяется
сравнительно не много, поэтому радиаторы (теплоотводы) ПОКА не нужны ни
одному элементу и можно переходить к следующему измерению.
В качестве следующего теста можно проверить напряжения уже при "осциллографа".
Для этого следует перейти в режим:
Окно разделилось на два и теперь наведя курсор на проводник или элементов
в правом окне и нажав левую кнопку мыши в левой половине экрана будет
отображаться напряжение в этом проводнике или же напряжение падения, если
это пассивный элемент (резистор, конденсатор, диод).
Для начала следует посмотреть, что собственно выходит с генератора:
Это означает, что амплитуда входного сигнала составляет
0,4 В, а период 5 мС, т.е. переведя в Гц получаем 1 / 0,005 = 200 Гц.
Если закрыть окно проверки переходных процессов и дважды щелкнуть по генератору,
то будет видно, что действительно параметры генератора отличаются от тех,
которые программа предлагает по умолчанию — вместо 60 Гц с амплитудой
169,7 В на генераторе выставлена амплитуда 0,4 В и частота 200 Гц. Кроме
этого, вернувшись в окно проверки переходных процессов и проверив время
просчета убедиться, что оно тоже изменено с предлагаемой программой 1
мкС на 20мС.
Теперь можно организовать небольшую экскурсию по схеме. Для ее начала
необходимо нажать курсором на базу Q2.
Как видно из полученной "осциллограммы" 12 мС (отмечено красными
вертикальными линиями) кроме входного сигнала на базе присутствует изменение
постоянной составляющей — верхушка сигнала "сползает" вниз.
Это переходные процессы возникающие в момент включения из за зарядка конденсатора
С2. Страшного в этом ни чего нет, просто для себя необходимо сделать отметку,
что в момент включения усилителя в динамиках будет щелчок.
Далее щелкаем курсором в точку соединения эмиттеров Q3-Q4.
На "осциллограмме" появилась красная линия с этой точки, причем
масштаб изменился и сигнал на базе Q2 практически не виден. Немного исправить
эту ситуацию позволит нажатие кнопки задачи параметров отображения
Далее появляется диалоговое окно задачи параметров. Необходимо перейти
на вторую вкладку и снять флажок автоматического масштаба
Далее необходимо вручную определить минимальную и максимальную величины
отображаемого напряжения, причем сделать это для ОБОИХ "лучей"
данного осциллографа
Как видно из дальнейшего рисунка вид "осциллограммы" изменился
— она стала более подробной. Конечно не настолько, что стало отчетливо
видно сигнал на базе Q2, тем не менее уже можно понять, что рассматриваемый
усилитель инвертирующий — сигнал на выходе находится в противофазе входного
сигнала.
Далее повторно щелкаем на базу Q2 и на проводник от эмиттеров Q3-Q4, для
того, чтобы "отключить щупы осциллографа" от этих точек.
Следующими точками для экскурсии возьмем выход генератора и коллектор
Q2.
Синий луч — выход генератора, а красный — коллектор
Q2. Как видно сигнал сменил фазу на 180 градусов и довольно сильно
увеличился в амплитуде. По сути именно этот каскад и осуществляет усиление
сигнала. Для того, чтобы убедится в истинности данного утверждения достаточно
проверить сигналы на выходах следующих каскадов:
Здесь добавлены зеленая линия с эмиттера Q1 и розовая линия с эмиттера
Q3. Как видно амплитуда уже не увеличивается, а скорей наоборот — уменьшается.
Другими словами данный усилитель содержит всего один
каскад усиления по напряжению, выполненный на транзисторе Q2, причем
сигнал инвертируется. Остальные каскады необходимы для усиления тока,
т.е. увеличения нагрузочной способности и возможности работать на низкоомную
нагрузку.
На экране сейчас отображается 4 контролируемые точки, для их выключения
можно повторно "пощелкать" в тех узлах, которые они отображают,
но для этого потребуется 4 нажатия, а для очистки "экрана осциллографа"
можно воспользоваться более быстрым способом — закрыть и открыть повторно
окно исследования переходных процессов. В данном случае будет на одно
нажатие меньше, да и целится не надо, вспоминая откуда брался тот или
иной "луч". Ну а если отображается более 4 контролируемых точек,
то повторное открытие этого окна уже гораздо быстрее, чем повторный "щелчок"
по контролируемой точке.
После повторного запуска анализа переходных процессов можно поговорить
о назначении конденсаторов С1 и С5. Для наглядности необходимо "щелкнуть"
по эмиттеру Q3, а затем в точку соединения С1-R1, и следом по коллектору
Q3. На экране появилось 3 "осциллограммы".
На получившимся рисунке синяя линия — напряжение
на эмиттере Q3, красная — в точке соединения С1 и R1, а зеленая — напряжение
питания. Как видно из рисунка напряжение на коллекторе Q1 превышает
напряжение питания, позволяя транзистору формировать на своем эмиттере
величину достаточную для ввода транзистора Q3 в насыщение. Кроме этого
увеличивается амплитуда выходного напряжения на коллекторе Q2 — она больше
напряжения питания — щелкните на коллектор Q2 и убедитесь в этом самостоятельно.
Таким образом конденсатор С1 за счет своего постоянного перезаряда выходным
напряжением усилителя позволяет получить амплитуду большую напряжения
питания, что в итоге приводит к существенному увеличению КПД усилителя,
что для автомобильной аудиотехники всегда было весьма актуально. Для этих
же целей служит и конденсатор С5, только он увеличивает величину "отрицательного"
напряжения, т.е. напряжение становиться ниже минусового (общего) провода
источника питания.
Здесь синяя линия — по прежнему эмиттер Q3, красная
— коллектор Q5, а зеленая — общий провод. Таким образом конденсаторы
С1 и С5 осуществляют вольтодобавку, позволяющую существенно увеличить
КПД усилителя. Для большей наглядности удалите эти конденсаторы и проверьте
форму и амплитуду напряжения на коллекторе Q3.
Теперь немного об искажениях. Для начала можно проверить частотный диапазон:
Видно, что есть небольшой завал в области НЧ, но он на частоте 20 Гц
составляет всего — 4 дБ при общем коф. усиления 20 дБ, что для такого
простого усилителя вполне приемлемо. Усилитель охвачен ООС, определяющий
коф. усиления данного усилителя. Для определения элементов используемых
в ООС и их номиналов попробуйте самостоятельно их найти, если они явно
не бросились в глаза, и изменяя -возвращая каждый номинал резисторов попробуйте
добиться коф. усиления 26 дБ.
Далее можно проверить искажения:
THD около 1%, что для максимальной амплитуды тоже вполне приемлемо.
В небольших пределах на эту величину можно повлиять изменением тока покоя
оконечного каскада, на который влияют D1, D2, R7. Ради интереса, оперируя
этими деталями попробуйте добиться искажений (классическая ступенька)
на выходе усилителя:
Поскольку С1, С2, С3 и С5 имеет довольно большую емкость, то это подразумевает
использование электролитических конденсаторов, а они имеют полярность
и максимальное напряжение. Эти ньансы тоже можно выяснить при помощи МИКРОКАП.
Для выяснения полярности достаточно "щелкнуть" по выводам конденсаторов.
Сначала левый вывод С2, затем правый
Напряжение справа больше, следовательно вывод конденсатора с надписью
"+" должен быть подключен к базе Q2.Велична приложенного напряжения
к обкладкам конденсатора всего около 0,6 В, следовательно подойдет практически
любой конденсатор, даже на 6,3 В.
Далее туже операцию следует проделать с С1 и получить следующее изображение
Теперь напряжение слева больше чем справа, следовательно "+"
на коллектор Q1, а величина приложенного напряжения порядка 6 В, следовательно
нужен конденсатор на 16 В. Полярность С5 уже сможете определить самостоятельно,
а вот о С3 заслуживает отдельного внимания.
"Щелкнув" сначала слева, а затем справа по обкладкам конденсатора
С3 получаем следующую картинку
Определить полярность труда не составит, а вот с рабочим напряжением
можно наступить на грабли. С одной стороны разница напряжений всего 7
В и казалось бы, что конденсаторы на 10 В можно использовать ( что собственно
и было одно время на Китайских автомобильных балалайках). Однако данное
напряжение может изменяться. В этом конкретном случае используется конденсатор
на 2200 мкФ, однако самый популярный номинал для подобных усилителей 470
мкФ. Поэтому замените номинал С3 на 470 мкФ (если
еще не догадались, то в данном симуляторе вместо МЮ, обозначающее множитель
"микро" используется сходный по написанию символ "u").
Для большей убедительности следует уменьшить сопротивление R6 до 2-х Ом.
Теперь снова следует проверить напряжения на обкладках.
Как видно из рисунка разница напряжений на обкладках заметно выросла,
особенно на положительной полуволне сигнала и теперь уже составляет 9
В. Из этого следует сделать следующие выводы:
конденсаторы на 10 В для этих целей не пригодны, поскольку при уменьшении
нагрузки они успевают заряжаться полностью или близко к этому;
Слишком маленькая величина емкости проходного конденсатора
С3 вносит не только увеличения завала АЧХ на низких частотах, но и приводит
к увеличению искажений.
Опыт растет прямо пропорционально выведенному из строя
оборудованию.
М. Майоров (det)
Теги: