В первой из трех частей этой статьи обсуждались особенности токоизмерительных резисторов. В данной части рассматривается конструкция и использование усилителей для повышения до приемлемых уровней напряжения на этих резисторах. Третья часть будет посвящена использованию Funnel-усилителей в процессе измерения тока в тех случаях, когда нагрузка находится под высоким напряжением.
Токоизмерительные резисторы, также называемые шунтами, относятся к альтернативной технологии измерения силы тока. Для того чтобы минимизировать отрицательное влияние на протекающий ток, они имеют небольшое сопротивление, которое создает пропорционально малое падение напряжения. Поэтому разработчикам приходится использовать схему, которая усиливает это небольшое напряжение перед преобразованием с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Речь обычно идет об увеличении небольшого, — порядка десятков или сотен милливольт, — напряжения на шунтирующем резисторе до десятых долей вольта или нескольких вольт. Эта задача часто выполняется операционным усилителем (ОУ) или токовым усилителем. Чувствительным к току является специализированный ОУ с дополнительной цепью регулировки усиления на основе прецизионных резисторов с лазерной подстройкой. Как правило, коэффициент усиления у этого усилителя напряжения составляет 20…60, а иногда даже более.
В корпусе токоизмерительного усилителя может также размещаться токовый шунт. Для случаев с более мощными токами из-за рассеивания мощности, приводящей к нагреву, предпочтителен внешний шунтовый резистор.
Наиболее распространенная конфигурация сигнальной цепи для контроля протекающего тока включает шунтовый резистор, аналоговый интерфейс (AFE), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и системный контроллер (рис. 1). В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или токовый усилитель, который преобразует небольшое дифференциальное напряжение, падающее на шунтовом резисторе, в подходящее для АЦП значение.
Рис. 1. Способ измерения силы тока с использованием шунтового резистора
Есть два основных способа подключения шунтового резистора в цепь для измерения тока: на стороне низкого и высокого напряжения. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки.
- Измерение тока на стороне низкого напряжения
- Измерение тока на стороне высокого напряжения
- Усилители электрических сигналов
- Интегрированные или внешние резисторы подстройки усиления?
- Ламповые усилители, это неплохо. Добавим здравого смысла, часть11
- Возможности слуховых аппаратов. Функции слуховых аппаратов
- Интегрированная обработка сигнала
- Многонаправленное активное устранение обратной связи
- Высокоточный локатор
- Усилитель речи
- Расширитель диапазона слышимости
Измерение тока на стороне низкого напряжения
При измерении тока на стороне низкого напряжения токовый шунтовый резистор устанавливается между активной нагрузкой и заземлением. Наиболее подходящая схема измерения тока на стороне низкого напряжения показана на рисунке 2. В этой схеме используется токовый усилитель INA181 производства Texas Instruments, хотя и многие другие усилители также можно использовать для измерений на стороне низкого напряжения.
Рис. 2. Цепь измерения тока со стороны низкого напряжения с использованием INA181
Измерение тока со стороны низкого напряжения реализовать проще, поскольку напряжение с датчика на токовом шунтовом резисторе снимается относительно земли. Эта конфигурация позволяет использовать токовый усилитель с низким напряжением питания, потому что измеряемое напряжение лишь на единицы милливольт выше потенциала заземления схемы. В данной конфигурации снимаемое с датчика напряжение не накладывается на более высокое напряжение, поэтому не требуется подавление синфазного сигнала. Метод измерения со стороны низкого напряжения — самый простой и недорогой способ реализации.
Недостатком измерения тока на стороне низкого напряжения является то, что нагрузка в этом случае не имеет прямого соединения с заземлением из-за установки шунтового резистора, в результате чего нижняя сторона нагрузки находится под напряжением в несколько милливольт относительно земли.
Схема подключения без непосредственного соединения с цепью земли может вызвать проблемы в случае короткого замыкания между нагрузкой и ее корпусом. Такое короткое замыкание может произойти, например, если заключенная в металлический кожух нагрузка, например, двигатель, имеет короткое замыкание обмотки на корпус. Токоизмерительный резистор, возможно, не сможет обнаружить это короткое замыкание.
Кроме того, синфазное входное напряжение усилителя должно включать заземление для измерения на стороне низкого напряжения. Обычно это не проблема для усилителей, работающих с двухполярными источниками питания, но проблема может возникнуть в случае однополярного. Поэтому диапазон синфазного напряжения, который включает заземление, становится важным критерием при выборе подходящего усилителя для измерений на стороне низкого уровня напряжения.
Есть еще один важный аспект данного способа измерения тока. Обратите внимание, что АЦП Texas Instruments ADS114 на рис. 2 подключен по цепи питания непосредственно к заземлению, а входные цепи АЦП и усилителя INA181 на нижней стороне напряжения подключены к одной точке заземления.
При измерении тока с использованием малых напряжений, создаваемых на низкоомных шунтовых резисторах проходящим через них большим током нагрузки, важно помнить о том, что не все точки заземления могут иметь одинаковый потенциал. Когда по цепям или шинам заземления протекают большие токи от силовых нагрузок, довольно легко получить между двумя точками заземления в системе разность потенциалов в несколько милливольт. В качестве меры предосторожности всегда располагайте подключаемые к заземлению провода на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать разницу напряжения между ними.
Для устранения этого источника ошибки при измерении со стороны низкого напряжения опорный вывод заземления АЦП должен быть подключен в непосредственной близости от нижней стороны токоизмерительного резистора и входа токового усилителя. Не каждая удобная часть шины заземления может быть выбрана в качестве точки подключения. Для полной уверенности отметьте эту точку и все заземляющие подключения к ней по типу «звезда» непосредственно на схеме.
Аналогично, входное напряжение смещения усилителя тока непропорционально влияет на точность усиления, когда напряжение на токоизмерительном резисторе слишком маленькое. По этой причине лучше выбирать усилитель с очень низким входным напряжением смещения. Усилитель INA181, показанный на рисунке 2, имеет входное напряжение смещения ±150 мкВ для измерительных схем со стороны низкого напряжения, где отсутствует синфазное напряжение.
Несмотря на отдельные недостатки, схема измерения тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором, если нагрузка не требует непосредственного соединения с заземлением и, если внутренние короткие замыкания между нагрузкой и корпусом либо не являются проблемой, либо не должны обнаруживаться схемой измерения тока.
Тем не менее, для конструкций, которые должны соответствовать требованиям функциональной безопасности, лучшим выбором является метод измерения тока на стороне высокого напряжения.
Для проведения электроакустических, электромеханических и других экспериментальных исследований часто требуются мощные масштабные усилители постоянного тока, обеспечивающие максимально возможную линейность амплитудной, частотной и фазовой характеристик в диапазоне частот до 20 кГц. А также минимальный уровень паразитных спектральных составляющих при обработке сложных сигналов. Большое значение имеет и время установления выходного напряжения с заданной погрешностью от установившегося значения, если ток нагрузки изменяется скачкообразно или входное напряжение усилителя носит импульсный характер.
На основании проведенных исследований [1, 2] можно утверждать, что основной проблемой, возникающей при построении мощных масштабных усилителей повышенной точности, является подавление интермодуляционных искажений, которые определяются присутствием в выходном сигнале усилителя паразитных спектральных составляющих — продуктов перемножения сигналов, а также их гармоник.
По природе возникновения интермодуляционные искажения можно условно подразделить на следующие:
- тепловые;
- обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики разомкнутого (т. е. без ООС) усилителя;
- связанные с нарушением условия динамической линейности [3] замкнутого (т. е. охваченного ООС) усилителя.
Если выполняется условие динамической линейности
Vm >=2π×Uвых макс׃ср.ООС
где Vm — скорость нарастания выходного напряжения, Uвых макс — максимальное выходное напряжение, ƒср.ООС — частота среза усилителя по основному контуру ООС, то значение паразитной спектральной составляющей в выходном сигнале усилителя с выходным каскадом, работающим в классе В или АВ, можно оценить при помощи следующего выражения:
Up˜2πƒUвых×(U0+2IнR э )/Vm×(Kiooc+1)
где Uвых — выходное напряжение, U0 — зона нечувствительности, f — частота входного синусоидального сигнала, Kiooc — глубина ООС. на данной частоте, Iн — амплитуда тока нагрузки, R э — эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера мощного транзистора.
Если условие динамической линейности не выполняется, то при оценке глубину ООС в знаменателе вышеприведенного выражения следует положить равной нулю.
Кроме того, интермодуляция второго типа возникает в следующих случаях:
- во входном дифференциальном каскаде усилителя, который (для биполярных транзисторов) имеет нелинейную передаточную характеристику кубического типа [1];
- при реализации усилителя по схеме с последовательной ООС из-за нелинейной зависимости коэффициента ослабления синфазного сигнала от синфазного напряжения и частоты сигнала;
- в любом каскаде усиления напряжения, так как модуляция тока коллектора при изменении напряжения на переходе имеет в первом приближении кубический характер, а емкость коллекторного перехода зависит от напряжения на нем в степени ½
В высоковольтных (предоконечных) каскадах усиления напряжения эти явления усугубляются тепловой инерционностью транзисторов [1, 2], а также появлением соответствующего ей дополнительного фазового сдвига на частотах 40 — 150 Гц.
Тепловые явления особенно ярко проявляются при исследовании переходных процессов в масштабных усилителях постоянного тока (любой мощности), так как они вызывают значительное (в 5 — 10 раз по сравнению с расчетным значением) затягивание времени установления в зоне погрешностей менее 1 % от установившегося значения выходного напряжения. Установлено, что при реализации оптимальной для мощного масштабного усилителя «двухполюсной» амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) время установления выходного напряжения с погрешностью 1% от установившегося значения не должно превышать 5ƒ-1ср.ООС при отсутствии колебательности и резких изломов переходной характеристики (перерегулирование определяется указанной формойАЧХ).
В результате исследований выработаны следующие практические рекомендации по построению мощных масштабных усилителей повышенной точности, позволяющие при их учете минимизировать уровень паразитных спектральных составляющих, обусловленных интермодуляцией. А также реализовать приемлемое значение времени установления усилителя в зоне малых погрешностей: для мощного масштабного усилителя наиболее целесообразной является инвертирующая структурная схема с параллельным высокочастотным каналом усиления [4]; так как любые изменения напряжения питания усилителя являются для каскадов усиления напряжения паразитным синфазным сигналом, следует максимально подавить их воздействие при помощи стабилизирующих и фильтрующих элементов во всех токозадающих цецях: все усилительные каскады и генераторы тока необходимо строить по каскадным схемам.
С учетом изложенных соображений и рекомендаций было реализовано несколько вариантов мощных масштабных усилителей. Параметры усилителя типа У МВТ 50-84 следующие:
| 4; | |
| полоса пропускания, МГц | 1; |
| полоса пропускания при номинальной выходной мощности, кГц | 100; |
| скорость нарастания выходного напряжения (измеренная на импульсном сигнале со скважностью 5), В/мкс | 100; |
| время установления выходного напряжения 10 В с погрешностью 1 % от установившегося значения, мкс | 2; |
| векторная погрешность на частоте 20 кГц при выходной мощности 27 Вт не более, % | 0,1; |
| уровень паразитных спектральных составляющих всех видов не более, дБ | —80; |
| коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений, % | <0,01; |
| коэффициент передачи, примерно, В/В | 5; |
| приведенное ко входу напряжение шума от пика до пика в полосе 0,01 — 10 кГц, мкВ | 50; |
статические параметры усилителя определяются микросхемой К153УД2.
|
|
Усилитель УМВТ 50-84, схема которого приведена на рисунке, реализован по схеме с параллельным высокочастотным каналом усиления. Высокочастотный канал выполнен с использованием двух последовательно включенных широкополосных повторителей напряжения: истокового (Т1) и эмиттерного (Т2). Низкое выходное сопротивление этого канала необходимо для обеспечения быстрого перезаряда емкостей в точках суммирования сигналов параллельных каналов (базы транзисторов Т5 и Т9), а следовательно, и высокой скорости нарастания. Конденсаторы С6 и С7 обеспечивают развязку параллельных каналов по постоянному току.
Низкочастотный канал реализован на операционном усилителе (ОУ) М1 и транзисторах T3, T4, включенных по схеме с общей базой. Подстроечным конденсатором в цепи коррекции ОУ устанавливается максимально возможная глубина ООС всего усилителя на частоте 20 кГц, но при этом время установления должно удовлетворять приведенному выше соотношению. Размах выходного напряжения М1 не превышает 0,5 В на частоте 20 кГц при номинальной выходной мощности усилителя, поэтому ограничения по скорости нарастания выходного напряжения ОУ не происходит. Стабилизация М1 по постоянному току обеспечивается общей параллельной ООС усилителя через резистор R2. Напряжение смещения и дрейф усилителя полностью определяются соответствующими параметрами М1 так как ток затвора Т1 более чем на порядок меньше входного тока данного ОУ.
Фазовый сдвиг, вносимый М1 на высоких частотах, компенсируется высокочастотным каналом усиления, поэтому АЧХ усилителя в районе частоты среза определяется в основном параметрами единственного широкополосного каскада усиления напряжения (T5, T6, T8, T9), что позволило реализовать необходимый запас устойчивости усилителя и высокое значение частоты среза по основному контуру ООС. Высоковольтный усилитель напряжения выполнен по каскодной схеме, что обеспечило значительный коэффициент усиления (>103) в широкой полосе частот и подавление интермодуляции. Конденсатор С12 совместно с емкостями коллектор — база транзисторов T6, T8, входной емкостью усилителя тока, а также форсирующей цепью R5, С3 в высокочастотном канале формирует АЧХ усилителя на высоких частотах.
В цепи питания каскадов усиления напряжения включены достаточно эффективные пассивные фильтры и параметрические стабилизаторы напряжения для высокочастотного канала, ОУ и для фиксации напряжения на базах T3, T4. Низкочастотные пульсации в цепи питания высоковольтного каскада не подавляются фильтрами, но они не приводят к изменению рабочего тока (а следовательно, к появлению интермодуляции), так как режим работы каскада стабилизирован низкочастотным каналом усиления.
Выходной усилитель тока (T10 — Т11) реализован по классической схеме. Начальный ток выходных транзисторов (<50 мА) устанавливается переменным резистором R19. При работе на нагрузку с емкостной составляющей > 300 пФ последовательно с выходом усилителя необходимо включать разделительный дроссель (10 — 30 мкГн), зашунтированный резистором 5 — 20 Ом. Транзисторы T12, T13 снабжены теплоотводами площадью 20 см2, а T14, Т15 — 800 см2. Усилитель выполнен на печатной плате из стеклотекстолита размером 160 х 100 мм2. Применение гетинакса или текстолита недопустимо ввиду неудовлетворительных диэлектрических свойств этих материалов.
ЛИТЕРАТУРА
- Данилов А. А., Полонников Д. Е. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. М.: Радио и связь, 1983. Вып. 7. С. 101.
- Лихницкий А. М. Опыт, результаты, проблемы: повышение конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Таллин: Валгус, 1985. Вып. 3. С. 66.
- Данилов А. А., Полонников Д. Е. Автоматика и телемеханика. 1982. № 10. С. 159.
- Полонников Д. Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехннка. М.: Энергоатомпздат, 1983.
Институт проблем управления, Москва Поступила в редакцию 14.IX.1987
Измерение тока на стороне высокого напряжения
При измерении тока со стороны высокого напряжения в разрыв цепи между источником питания и активной нагрузкой устанавливается токовый шунтовый резистор (рис. 3) с использованием токового усилителя Texas Instruments INA240 в качестве аналогового интерфейса (AFE). Синфазное входное напряжение этой микросхемы может значительно превышать напряжение питания, что делает ее хорошим выбором для измерений тока на стороне высокого напряжения.
Рис. 3. В схеме измерения тока со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор устанавливается между источником питания и активной нагрузкой
Измерения тока со стороны высокого напряжения имеют два ключевых преимущества по сравнению с измерением со стороны низкого. Во-первых, легко обнаружить короткое замыкание на корпус, возникающее внутри нагрузки, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтовый резистор, создавая на нем повышенное напряжение. Во-вторых, этот метод измерения не связан с точкой заземления, поэтому дифференциальные напряжения на шине заземления, создаваемые большими протекающими токами, не влияют на измерение. Тем не менее, по-прежнему рекомендуется размещать соединение опорного заземления АЦП ближе к заземлению усилителя.
Метод измерения тока на стороне высокого напряжения имеет один главный недостаток. Как отмечалось выше, необходимо, чтобы токовый усилитель имел высокое подавление синфазного сигнала, поскольку небольшое напряжение, развиваемое на токовом шунте, лишь чуть ниже напряжения питания нагрузки. В зависимости от конструкции системы синфазное напряжение может быть довольно большим. Токовый усилитель тока INA240 на рисунке 3 имеет широкий диапазон колебаний синфазного напряжения от -4 до 80 вольт.
Усилители электрических сигналов
Простейшие схемы электроники
Финишные покрытия
После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов.
Все рассмотренные ранее элементы являются лишь частями огромного набора средств электроники, т. е. это детали, из которых, как из набора Лего можно разработать и построить множество электронных устройств.
Трудно точно утверждать, какие устройства наиболее распространены – аналоговые или цифровые, бытовые или промышленные. Они везде и перечислить их невозможно.
Однако исторически наверняка первыми появились устройства, помогающие изучать природу и, в первую очередь, саму электронику. Я имею в виду усилители электрических сигналов. Человек не имеет органов, позволяющих непосредственно изучать электрические процессы. Поэтому и понадобились придатки к рукам и голове для проникновения в мир электричества. А величины, подлежащие изучению, могут быть или очень маленькими или очень большими и их необходимо привести в разумный масштаб, усилить или наоборот уменьшить, причем, не искажая своими приборами форму и поведение электрических явлений.
Усилитель электрических сигналов — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведенного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямоугольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, определяющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рисунке 10.1.
Рисунок 10.1 — Обобщенная структурная схема усилителя
Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу которого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро— необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Рвх, выходная мощностьРвых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Рвх< Рвых < Ро. Следовательно, усилитель — это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала.
Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполярных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС), варикапов и других.
Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве случаев одного элемента недостаточно и в усилителе применяют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом.
Усилитель состоит из активных и пассивных элементов: к активным элементам относятся транзисторы, микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляющего сигнала на входных электродах. Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необходимый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие параметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально необходимого набора активных и пассивных элементов.
Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 — Схема многокаскадного усилителя
Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.
Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.
Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.
Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анодных цепях ламп; используется для поддержания заданных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.
Классификация усилительных устройств.
Усилительные устройства классифицируют по различным признакам.
По виду усиливаемых электрических
сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.
По ширине полосы пропускания
и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:
-усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты f
н = 0 до верхней рабочей частоты
f
в. УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.
—усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на:
а) усилители низкой частоты, УНЧ,
б) усилители высокой частоты, УВЧ,
в) усилители сверхвысокой частоты, СВЧ.
-избирательные усилители (усилители высокой частоты — УВЧ), для которых действительно отношение частот fв/fн≈1
;
-широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот fв/fн>>1
(например УНЧ — усилитель низкой частоты).
-усилители мощности— оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной Rвн. к = Rн, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).
По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).
Интегрированные или внешние резисторы подстройки усиления?
На рисунках 2 и 3 показаны конфигурации измерения тока на стороне низкого и высокого напряжений, в которых используются токовые усилители с интегрированными резисторами для настройки усиления. Такие интегрированные резисторы предлагают целый ряд конструктивных преимуществ, в том числе — упрощение конструкции, уменьшение количества компонентов платы и повышенную точность усиления с лазерной подгонкой. Один из основных недостатков таких усилителей заключается в том, что усиление постоянное и устанавливается на заводе. Это не составит проблемы, если настройка усиления подходит для данного применения. Однако в случае, если требуется особый коэффициент усиления, поскольку значение шунтового резистора было выбрано в первую очередь для соответствия другим критериям, предпочтительнее выбирать операционный усилитель в сочетании с дискретными резисторами.
На рис. 4 показана схема усилителя для измерений тока на стороне высокого напряжения на основе операционного усилителя MCP6H01 производства Microchip Technology с дискретными настройками коэффициента усиления настроечными резисторами.
Рис. 4. Измерение тока на стороне высокого напряжения с использованием дискретных резисторов и операционного усилителя
В этой схеме коэффициент усиления усилителя задается отношением R2 к R1. Также обратите внимание, что R1* = R1, R2* = R2, и что номинал токового шунтового резистора RSEN должен быть во много раз меньше, чем R1 или R2. Обычно это не проблема, потому что номинал токового шунтового резистора обычно составляет порядка миллиом или даже долей миллиом для схем с очень высоким током.
Формулы на рис. 4 дают понять, что использование операционного усилителя и дискретных резисторов требует больших знаний о параметрах компонентов, чем при использовании токовых усилителей с задающими усиление интегрированными резисторами.
Ламповые усилители, это неплохо. Добавим здравого смысла, часть11
Продолжение статьи по материалам электронной сети Интернет с размышлениями из «Записной книжки» Юрия Игнатенко и моими комментариями, поправками
Этап 2 Изготовление шасси
Многие делают ламповые усилители на фанере. Получается этакий макет. Вся беда в том, что внутренности усилителя получаются не экранированным от любых помех, и это в наш 21-й век. Напомним, как велико количество бытовых источников импульсных помех: энергосберегающие лампы, сотовая связь, компьютеры, радиостанции. Всё это оборудование даёт неслабые помехи. Для начала соберите на фанерке. Попробуйте. Настройте, пощупайте, что на какие параметры влияет. А потом и шасси сделаете нормальное. Чтоб не было наводок на выходные трансформаторы при плотном монтаже, для изготовления шасси нужен ферромагнитный материал. Магнитная сталь. Применение латуни, нержавейки, дюраля для экранирования бессмысленно. Нужна именно сталь (хотя нержавейка есть и магнитная). Если УНЧ изготовлен на железном шасси, толщиной 1,5мм и силовая часть находится сверху, а выходники в подвале, то в усилителе больше нечего экранировать. Шасси разделяет трансформаторы, служа преградой магнитному полю. Рекомендую ХК лист стали 1-1.5мм.
Металл размечают маркером, а затем по линиям, ведут маленькой болгаркой, при толщине круга 1мм. Вначале можно углубиться на половину толщины металла. Потом каждую канавку проходят повторно, поставив круг относительно листа под 45 град, выбирая металл с боку для последующего сгиба. После этого ненужные углы конверта обрезают, а места где сходятся две плоскости, вырезают под углом 45 град.
Далее примеряют трансформаторы, дроссели, сверлят отверстия для крепления, отверстия для охлаждения и для проводов в подвал к лампам, отверстия под регулятор громкости, входные и выходные клеммы, выключатель.
Если сверлить большим сверлом, сначала до развёртки, допустим 16мм, то зажмите лист железа между двумя дощечками, фанерками, ДСП. Это надо, чтобы сверло в конце сверления не задрало отверстие и не рвануло металл, искорёжив отверстие. Работать нужно очень внимательно, чтобы не покалечиться. В руках должна быть элементарная сила. Затем следует процедура гибки стального листа в тисках. По канавкам сталь гнётся ровно. Изнутри угловой шов по стыку пропаивают мощным паяльником (100-200Вт). Возможно применение инвертора для дуговой электросварки шва, электродом 2мм при малых токах. Снаружи шов запаивают припоем, затем зачищают напильником и шкуркой.
Примечание: В 21 веке распространение получил компактный гидравлический инструмент. Поэтому не следует рекомендовать применение варварского сверления стали шасси сверлами большого диаметра. Это просто небезопасно, нужна оснастка и опыт. Проще применить гидравлический перфоратор или пресс с набором штампов. Стандартные китайские штампы кстати подходят к большинству стандартных лампочек и панелек. Проверено на практике, штампы режут сталь как бумагу. Евгений Бортник
Продолжени статьи. Шасси шлифуют мелкой шкуркой, моют водой, высушивают и кроют одним слоем грунта. Через 10-15 мин. Красят и в сушку. 30 мин. при 80 градусах. Шасси готово. Делают кожухи на трансформаторы из стали толщиной 1,2 — 2мм. Кожух закрепляют по углам, снизу из подвала, винтами М3. До края шасси кожухи не доходят сзади и с боков 5мм. С боков, сзади и спереди расстояние от ТС и дросселей до стенки кожуха не менее — 1,5см. Сверху, расстояние между ТС и крышкой кожуха также не менее — 1,5см. Если нужно, изготавливают декоративные боковые накладки из дерева. Для стерео усилителя (на основе двух Ригонд 102). Толщина металла 1,5мм, а размер шасси 300 х 240 х 60 мм. Лучше 340 х 300 х 60 мм — а то паять тесно. Примерно так это народное творчество выглядит:
От кожуха до ламп должно быть не менее 3-х сантиметров.
Примечание: Подобное занятие приемлемо если есть соответствующие навыки, здоровье и характер, но маловато денег. Если же времени осталось не много, а средства позволяют, то можно рекомендовать покупку по интернету китайских корпусов — конструкторов. В докризисный 2014 год неплохой корпус в сборе с копаками и деревяшками можно было купить за 100-200 зелёных денег. Кроме того, рекомендацию применять колпаки из толстого железа следует отнести к зашкаливающей глупости. Вполне приемлем стальной колпак 0,3мм. Магнитная проницаемость ненасыщенной стали в 1000 и более раз выше воздуха. Поэтому экранирование трансформатора жестянкой от чайной банки просаживает индукцию поля рассеяния в тысячи раз при массе колпака в 5-10 раз меньшей. Соображения о пользе экранирования здесь уступают место соображениям о конструктивной прочности лампового УНЧ. Жалобы на гудение трансформаторов я не рассматриваю вовсе. Гудящие трансформаторы следует нести прямо на помойку. Евгений Бортник
Продолжение следует.
Евгений Бортник, август 2020, Россия, Красноярск
Возможности слуховых аппаратов. Функции слуховых аппаратов
- Интегрированная обработка сигнала
- Многонаправленное активное устранение обратной связи
- Высокоточный локатор
- Усилитель речи
- Расширитель диапазона слышимости
Интегрированная обработка сигнала
В традиционных слуховых аппаратах используется последовательная или параллельная обработка сигнала. Общий знаменатель этих двух методов состоит в том, что данные «текут» только в одном направлении: от входного сигнала, поступающего в слуховой аппарат, до выходного сигнала слухового аппарата. При применении метода Интегрированной обработки сигнала обеспечивается интеграция данных, поступающих из разных блоков обработки слухового аппарата.
Благодаря этому обмену данными результаты анализа каждого блока обработки при необходимости распределяется в остальные блоки для того, чтобы обеспечить высокую степень сложности обработки и полную интеграцию данных. Благодаря интеграции данных увеличивается уровень эффективности и точности, а также оптимизируется возможность приспособить настройку слухового аппарата к индивидуальным потребностям клиента.
Интегрированная обработка сигнала также позволяет внедрить более сложные адаптивные алгоритмы, обеспечивающие высочайшую степень точности в обработке. Преимущество данной интеграции состоит в том, что все процессы, осуществляющиеся в слуховом аппарате, являются полностью взаимосвязанными. Ни один процесс не осуществляется отдельно от других. Все процессы зависят от результатов других процессов. Все процессы имеют доступ к информации о других процессах.
Проводится анализ не только входного сигнала, но и исходящей информации от всех блоков обработки. Кроме этого, благодаря обмену данными между всеми компонентами, обеспечивается взаимосвязь сложных адаптивных алгоритмов. Для управления этим комплексным процессом компания Widex, разработала динамический интегратор.
Многонаправленное активное устранение обратной связи
В идеальном случае единственный звук, который поступал бы в микрофон слухового аппарата, усиливался и попадал в ушной канал пользователя, был бы звук окружающей обстановки. Однако случаи редко бывают идеальными. Зачастую часть усиленного звука возвращается из ушного канала в микрофон слухового аппарата через вентиляционное отверстие или через небольшое отверстие между ушным каналом и корпусом/вкладышем слухового аппарата.
Для описания траектории звука при возвращении из телефона слухового аппарата в его микрофон мы используем термин канал обратной связи. Для описания самого звука мы используем термин обратная связь. Перед тем как попасть в микрофон слухового аппарата, сигнал, проходя по каналу обратной связи, ослабляется. Затем он усиливается слуховым аппаратом и снова поступает в телефон слухового аппарата. Если степень ослабления звукового сигнала в канале обратной связи, ниже, чем степень усиления в слуховом аппарате, звуковой сигнал обратной связи с каждым разом будет становиться громче, и в результате возникнет слышимый свист обратной связи.
Акустическую обратную связь можно ограничить разными способами: увеличением расстояния между микрофоном и телефоном, построением барьера между ними или внедрением адаптивной системы управления обратной связью. Все эти способы могут увеличить разницу между усилением слухового аппарата и границей появления обратной связи.
Задача системы многонаправленного активного устранения обратной связи состоит в том, чтобы на основе информации от модуля отслеживания источника обратной связи распознавать сигнал обратной связи и устранить его из звукового сигнала, проходящего через слуховой аппарат. Когда в слуховом аппарате имеется адаптивная система направленного микрофона, изменяющиеся направленные характеристики также влияют на сигнал обратной связи.
Поэтому для эффективного решения проблемы обратной связи крайне важно обеспечить интеграцию информации об изменяющихся направленных характеристиках в работу алгоритма устранения обратной связи. На основе информации от модуля отслеживания источника обратной связи система многонаправленного активного устранения обратной связи выполняет двухступенчатый процесс моделирования и устранения сигнала обратной связи.
Высокоточный локатор
При разработке Высокоточного Локатора решались следующие задачи:
- Новая, адаптивная система направленности должна обеспечить общее улучшение соотношения сигнал-шум.
- В тихой звуковой обстановке с одним говорящим система направленности не должна отключать всенаправленный режим.
- Все нежелательные артефакты качества звука необходимо устранить — звучание всех речевых сигналов должно быть четким и ясным.
Высокоточный Локатор был разработан для слуховых аппаратов Widex Inteo. Он представляет собой новую, многоканальную и полностью адаптивную систему направленности Inteo. Данная система обеспечивает адаптивную направленность в 15 каналах и использует процентильную дифференциацию между речью и шумом для управления адаптацией 15 независимых направленных характеристик.
Усилитель речи
Для обеспечения оптимальной разборчивости речи Усилитель Речи использует данные от Динамического Интегратора. Модуль Высокоточного анализа звука постоянно анализирует звуковую обстановку вокруг пользователя слухового аппарата для того, чтобы получить точную и детальную информацию о входящем в слуховой аппарат сигнале.
Усилитель Речи получает эту информацию от модуля идентификации речи и шума и модуля отслеживания соотношения сигнал-шум. Модуль идентификации речи и шума постоянно анализирует звуковую обстановку вокруг пользователя слухового аппарата. Применяя метод процентильной оценки, запатентованный Widex, он идентифицирует речь и нежелательный шум в каждом из 15 частотных полос.
В результате применения данного статистического алгоритма анализируется распределение уровней речевых и шумовых сигналов. Таким образом, Модуль идентификации речи и шума проводит бинарный анализ в каждом канале для определения доминирующего сигнала (речь или шум).
Расширитель диапазона слышимости
В шестом веке, используя монохорд (однострунный музыкальный инструмент), греческий математик Пифагор доказал, что при уменьшении наполовину длины струны основной тон увеличивается на одну октаву. Октава — это интервал между двумя тонами, количество колебаний в секунду высшего из которых в два раза больше, чем низшего тона.
Если посмотрим на описание Пифагора с другой стороны, мы можем сказать, что при увеличении длины струны в два раза основной тон уменьшается на одну октаву. Данное уменьшение тона является основным принципом работы Расширителя Диапазона Слышимости. Он производит транспозицию звуков из высокочастотного диапазона в низкочастотный диапазон. Частотный диапазон, включающий наиболее значимую составляющую звукового сигнала, опускается на одну октаву, что равносильно уменьшению наполовину исходной частоты. Этот метод называется «линейная транспозиция».
При линейной транспозиции сохраняется взаиморасположение гармоник исходного частотного диапазона после перемещения в целевой частотный диапазон. Нет компрессии звука из целевого диапазона. Также нет искажения звука, появляющегося в целевом частотном диапазоне. Кроме этого, при линейной транспозиции также сохраняется исходная частота амплитудной модуляции тональных сигналов.
При транспозиции чистого тона в целевом диапазоне также появляется неискаженный, чистый тон. Из этого следует, что звуки сохраняют свой высокочастотный характер, даже после перемещения их в более низкочастотную область. Линейная транспозиция обеспечивает перенос частотной области без искажений и без компрессии. Транспозиция высокочастотных звуков является логичным подходом к решению важной проблемы людей с остаточным или отсутствующим слухом в области высоких частот, но с нормальным или почти нормальным слухом в области низких частот.
