Делитель напряжения

Делитель напряжения, что это такое, для чего он нужен — рассмотрим этот вопрос. Но прежде поясню, почему такая странная тема. От вас часто приходят вопросы, которые изначально некорректны из-за не понимая самого процесса работы аудиоустройства. Я не являются специалистом в данной области и если вы видите неточности или неверные интерпретации — пожалуйста смело поправляйте в комментариях.

Многие слышали, что такое в аудио класс А, и насколько это хорошо или не очень, или класс B, что такое искажение типа «ступенька», зона отсечки, зона насыщения и прочие моменты, но если чуть копнуть глубже для ощущения, что оппонент действительно понимает о чем говорит, тут многие и начинают плавать.

Усилитель Pioneer A-09 в классе А

Я, честно, хотел поговорить о более интересной теме, согласовании входного и выходного напряжений усилителя, что это такое, для чего нужно и как вообще работает. Но это планомерно подводило к тому, что тогда придется рассказать и о том, как вообще работает усилитель. А это в свою очередь привело бы к необходимости, до кучи, еще и объяснить неотъемлемую часть любой такой схемы — делитель напряжения.  Поэтому я решил, что стоит объяснение начать именно с делителя, а потом дойдем и до всего остального.

Если рассмотреть схему любого усилителя, конкретно одного каскада, то вы узнаете, что для работы транзистора типа NPN нужно подать плюсовое напряжение на коллектор (что-то типа слива), а минусовое на эмиттер (дно). И у вас ничего не заработает, потому что пока вы не подадите на базу напряжение не менее 0,6v транзистор будет всегда закрыт. Т.е. база — это краник перекрывающий весь поток. Приложите вы к нему напряжение в 0,6 вольта — краник (база) откроется и ток потечет дальше, не приложите, краник будет закрыт, потока электронов не будет, транзистор работать не будет.

Вы конечно можете всегда подать на базу аналоговый сигнал (он же является напряжением), но транзистор будет открываться (работать), только когда напряжение сигнала будет равно или превышать 0,6 вольта, а что ниже — молчок.

Но на самом деле мы будем видеть только плюсовую полуволну, ибо минусовая будет всегда приходиться на зону напряжения менее 0,6 вольта при которой транзистор всегда будет закрыт. Поэтому эту зону всегда сдвигают вверх по напряжению, чтобы весь сигнал уместился в границах открытого транзистора.

Поясню. Допустим звуковой сигнал у нас имеет размах от -1 вольт до + 1 вольт, т.е. в сумме это 2 вольта.

Транзистор, пока у нас напряжение меньше 0,6 вольт вообще всегда закрыт (не работает), следовательно, нам нужно принципиально подать 0,6 вольт по умолчанию на него, чтобы он открылся. Но так уместится только положительная полуволна. Следовательно, так как отрицательная полуволна у нас начиналась от -1 вольта, то к 0,6 вольта мы добавим еще 1 вольт. Получиться, что на транзистор нам нужно подать 0,6+1=1,6 вольта напряжения. Тогда весь звуковой сигнал совокупного напряжения в 2 вольта будет колыхаться в пределах между 0,6 вольта и 2,6 вольта.

1,6 вольта — это точка смещения транзистора.

Описанная схема имеет смысл при использовании одного транзистора NPN или PNP, этим трюком, смещая точку открытия транзистора мы умещаем весь сигнал в рамках открытого транзистора.

Если же у нас комплементарная пара транзисторов NPN + PNP, то в этом нет необходимости, так как NPN будет усиливать свою полуволну, а PNP — свою полуволну с противоположным знаком напряжения.

Но и тут возникает проблема искажения типа «ступенька», поэтому  мы так же начинаем использовать точку смещения, немного приоткрыв транзистор, но уже на 0,6 вольта, чтобы этой самой ступеньки не возникало.

Ключевое слово в описанных схемах — подать одно напряжение на коллектор + эмитер, и подать значительно меньшее напряжение 0,6-1,6 вольта на базу.

Неужели для этого придется использовать два трансформатора?

А теперь пусть гремят фанфары, мы подошли к сути темы.

Чтобы получить разные напряжения от одного источника питания необходим ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ.

Давайте рассмотрим такую схему — у нас есть источник питания постоянного тока 12 вольт и резистор (нагрузка) на 1 кОМ.

Бытовой пример нагрузкой для усилителя являются акустические системы.

Вот так это выглядит на схеме. Источник, резистор и похожая на антенку вверх тормашками «земля».

Что произойдет с напряжением 12 вольт, если оно пройдет, через нагрузку (резистор) в 1 кОм? Напряжение уменьшиться? Ведь сопротивление мешает току. Току мешает, но ток измеряется в амперах, а не вольтах, а мы говорим о напряжении.  Ток действительно взаимодействует с сопротивлением, и мы может узнать каково напряжение при определенном сопротивлении и силе тока по закону Ома, например:

U= I*R,

но пока такой цели не ставиться.

Мы так же зная напряжение можем узнать и силу тока

I= U/R,

и так далее.

Но что же с напряжением в схеме?

Подключим вольтметр в схему и посмотрим изменилось ли напряжение от того, что оно прошло через резистор (нагрузку) в 1 кОм.

Мы видим стрелочками движение тока, но так же видим и то, что вольтметр по прежнему показывает неизменное напряжение 12 вольт, как и было до резистора.

Кстати, легко проверить все значения, что нам показал симулятор everycircuit.

Посчитаем силу тока.

Прежде всего все расчеты ведутся в вольтах,  омах, амперах и никак иначе. Поэтому если у вас миллиамперы, или милливольты, сначала переведите их в вольты и амперы для рассчета.

1кОм=1000 Ом

I=U/R=12v/1000=0,012 А

На схеме указано миллиамперы, т.е.

1 Ампер = 1000 миллиампер, следовательно

0,012*1000=12 mA

Да, на схеме так и есть.

Но напряжение не изменилось.

Нужно разделить напряжение на два потока. Это можно сделать двумя резисторами.

Используем два резистора одинакового номинала 1 кОм.

Так как два резистора одного номинала, то напряжение разделилось ровно пополам.

Теперь если снять напряжение с боков нижнего резистора, то получим 6 вольт, а с верхнего — тоже 6 вольт.

Но вернемся к нашей задаче, подать на транзистор с одного источника строго 1,6 вольта, при том что источник питания у нас 12 вольт.

Еще один эксперимент, попробуем изменить номинал любого из резисторов, например нижнего в большую сторону. Увеличивая сопротивления резистора мы увеличиваем напряжение, ибо

напряжение пропорционально сопротивлению и обратно пропорционально силе тока.

Если переиначить поставив во главу угла силу тока, то вы получите определение из учебника.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Другими словами — увеличив сопротивление резистором, мы уменьшим силу тока (как краник перекрываем немного для потока воды), но на этом отрезке зато увеличиваем напряжение.

Уменьшив значение одного из резисторов (в нашем случае нижнего) до 154 Ом мы получили требуемое напряжение 1,6 вольт — смотрим скриншот.

Не забываем, что резисторы бывают не всех номиналов, поэтому смотрим существующий ряд и берем ближайшее значение.

Но вы сейчас спросите, а как я получил значение в 154 Ом, а я и отвечаю — покрутил ползунком в симуляторе, пока не увидел нужное напряжение, как результат.

Так и было, но это не отменяет существование формул для расчета.

Рассчитывается следующим образом по формуле:

(пусть верхний резистор — это R1, а нижний — R2)

U делителя R1 = U напряжения источника * R2 / (R1+R2)

U делителя R1= 12 вольт * (1000 Ом (это 1 кОм)/(1000+154))= 12 * 1000/1154=10,398=10,4

Соответственно с R2 мы снимем 12-10,398 =1,6 вольта.

Все точно как в аптеке. Но есть еще один нюанс, где порылась собака. Резисторы способны пропускать только определенную силу тока, они при непосильной ноше начинают греться и могут сгореть ибо представляют собой, как вариант, просто накрученные проволочки (не всегда).

Поэтому для делителя напряжение мы должны выбрать не просто резистор какого-то номинала , а еще и с соответствующим значением по току, на 250мА или 1 А и тд.

Считается это следующим образом:

I (сила тока) = U источника / R1

I = 12v/ 1000 Om = 0.012 A или 12 мА.

т.е. достаточно резистора R1 в данном случае с параметрами 1кОм и не менее 12 мА.

Аналогично посчитайте для резистора R2.

Ниже я покажу схему усилителя.

Синим прямоугольником обведен делитель напряжения, который как раз и реализует точку смещения транзистора. Слева мы так же видим конденсатор С1, который отсекает постоянный ток, что приходит от делителя напряжения, от аналогового сигнала, но об этом поговорим в другой раз.