Na tej lekcji chciałam Wam zaproponować budowę wzmacniacza mikrofonowego. To ciekawe i przydatne urządzenie możecie wykorzystać (jak zapewne się domyślacie) do wzmacniania głosu lub ogólnie rzecz biorąc dźwięku.

Do jego budowy wykorzystamy dwa nowe podzespoły: mikrofon i głośnik.

Jest to mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny). Jego membrana jest jednocześnie okładką kondensatora. Drgania powietrza zmieniają odległość pomiędzy okładkami kondensatora, co wpływa na zmiany jego pojemności.

Zanim przejdziemy do budowy wzmacniacza przeliczymy taki oto prosty układ:

Powyższy układ posłuży nam później do wzmacniania sygnału z mikrofonu, dlatego niektóre założenia muszą uwzględniać specyfikę pracy z mikrofonem.

Pewnie oglądaliście kiedyś film na którym ktoś analizował komputerowo głos lub dźwięk. Nie jest to nigdy jednolity sygnał – zmiany sygnału akustycznego powodują drgania membrany mikrofonu co przekłada się na zmiany napięcia na wyjściu z mikrofonu.

Jak się pewnie domyślacie  w naszym wzmacniaczu mikrofonowym, sygnał wzmacniany jest przez  tranzystor. Dociera on z mikrofonu (przykład przebiegu Ryc. 4.) do bazy tranzystora.

Muszę Wam jeszcze zdradzić, że głośnik docelowo będzie podłączony pomiędzy rezystorem R_C a tranzystorem. Z tego powodu skupimy się na zmianach napięcia pomiędzy ww. punktem a masą:

Sygnał z mikrofonu docierający do bazy tranzystora będzie powodował zmianę prądu bazy a co za tym idzie zmieniać się będzie prąd kolektora, wówczas napięcie na woltomierzu będzie maleć. W momencie, gdy sygnał docierający do bazy będzie zbyt niski, to woltomierz pokaże duże napięcie (tą samą zasadę działania tranzystora wykorzystaliśmy w budowie robota linefollower).

Zależność tą obrazują poniższe wykresy. Na wykresie ryc. 6a) mamy przykładowy sygnał docierający do bazy – jest on stosunkowo niewielki. W zależności od zmian napięcia bazy tranzystor będzie odpowiednio wzmacniał sygnał, a to w konsekwencji spowoduje zmiany napięcia na woltomierzu z powyższego schematu – wykres ryc. 6b).

Warto tu ponownie podkreślić, że mamy do czynienia z wzmacniaczem odwracającym – duży sygnał bazy to małe napięcie na woltomierzu i odwrotnie.

Gdybyśmy źle dobrali parametry podzespołów z ryc. 2 nasz wykres nieco przesunąłby się w dół lub w górę, a ponieważ nie możemy w naszym przypadku otrzymać napięcia poniżej 0V  lub wyższego od napięcia zasilania bezpowrotnie stracilibyśmy część informacji wychwyconej przez mikrofon:

Z tego właśnie powodu do obliczeń schematu z ryc. 2 przyjmiemy spadek napięcia na rezystorze R_C w wysokości 3V.

Pozostałe niezbędne założenia, które przyjęłam do obliczeń to:

I_C = 10mA

U_BE = 0,72V (tranzystor będzie znajdował się w stanie pracy liniowej)

β = 230

Zacznę od rezystancji rezystora RC:

R_C = U_C / I_C

R_C = 3V / 0,01A

R_C = 300Ω

Rezystory R1 i R2 wraz z linią obwodu doprowadzającą prąd do bazy tworzą typowy dzielnik napięcia. Jak pamiętamy z lekcji 6 prąd w dzielniku powinien być 10-krotnie wyższy niż w linii obwodu łączącej go z bazą tranzystora: I_DZ = 10 x I_B

Obliczenie prądu bazy i prądu dzielnika nie powinno nam sprawić większych trudności:

I_B = I_C / β

I_B = 0,01A / 230

I_B = 43,5μA

I_DZ = 10 x I_B

I_DZ = 10 x 43,5μA

I_DZ = 435μA

Spadek napięcia na rezystorze R1 to nic innego jak napięcie zasilania minus U_BE, czyli spadek napięcia na rezystorze R2.

U_R1 = U_ZAŚ – U_BE

U_R1 = 6V – 0,72V

U_R1 = 5,28V

Pozostało nam tylko obliczyć rezystancję rezystorów R1 i R2.

R1 = U_R1 / I_DZ

R1 = 5,28V / 435μA

R1 = 12,137kΩ

R2 = U_BE / I_DZ

R2 = 0,72V / 435μA

R2 = 1,65kΩ

Skoro obliczyliśmy układ z ryc. 2 pozostało nam już tylko stworzyć układ, który wzmacniałby dźwięk. A oto i on:

Jak widzicie nasz schemat z ryc. 2 został użyty w dwóch powtórzeniach. Dlaczego?

Z jednej strony chodzi o większe wzmocnienie sygnału z mikrofonu. Jeden tranzystor byłby za słaby, a dźwięk wydobywający się z głośnika zbyt cichy.

Z drugiej strony obie części układu z tranzystorami są wzmacniaczami odwracającymi: pierwszy tranzystor odwraca sygnał w fazie o 180 stopni (ryc. 6b) względem sygnału pierwotnego (ryc. 6a). Drugi tranzystor odwraca sygnał z pierwszego tranzystora w fazie również o 180 stopni, a my w efekcie otrzymujemy sygnał nieodwrócony względem sygnału pierwotnego.

Przed głośnikiem znajduje się kondensator 100uF. Jaka jest jego funkcja? On usuwa składową stałą. Co to znaczy? Gdyby go tam nie było to przez nasz głośnik stale płynąłby prąd ograniczony rezystorem 300Ω stale płynąłby prąd, w sytuacji gdy:

• tranzystor byłby wyłączony – cały prąd płynąłby do głośnika;
• tranzystor byłby włączony – część prądu płynęłaby do głośnika, a część przez tranzystor.

Pamiętamy, że kondensator podłączony do źródła prądu stałego naładuje się i przestanie przewodzić prąd. Dlatego po zastosowaniu kondensatora prąd przez głośnik będzie przepływał tylko w sytuacji gdy tranzystor będzie wyłączony.

Kolejna kwestia – dlaczego pomiędzy jednym i drugim układem tranzystorowym dodano kondensator o bardzo małej pojemności (100nF)? Powody są dwa, a pierwszy z nich to usunięcie składowej stałej (identycznie jak to miało miejsce w przypadku kondensatora 100uF).

Drugi powód to wycięcie niskich tonów. Chodzi o to, że taki wzmacniacz mikrofonowy lepiej wzmacnia niskie tony niż wysokie, tzn. lepiej wzmacniałby piskliwy cienki głosik niż np. męski basowy głos (pojawiałyby się trzaski). Kondensator użyty w tym miejscu ma działać jak taki „filtr” wycinając niskie tony, a to wszystko przez reaktancje:

X_C = 1 / 2πfC

XC – reaktancja [Ω]

C – pojemność [F]

f – częstotliwość [Hz]

Reaktancja to parametr kondensatora, który zależy od pojemności i częstotliwości. W naszym przypadku pojemność kondensatora jest stała, zmienia się tylko częstotliwość. Spadek częstotliwości spowoduje wzrost reaktancji, a tym samym słabsze przenoszenie niskich tonów.

Gdybyśmy użyli kondensatora o większej pojemności niż 100nF wzmacniacz lepiej wzmacniałby niskie tony.

W układzie z ryc. 8 pojawia się także rezystor 10kΩ. Do okładek mikrofonu musi dochodzić odpowiednie napięcie. Im to napięcie będzie większe (oczywiście w pewnym przedziale!) tym większa będzie czułość mikrofonu. Z dobraniem rezystora nie możemy przesadzić, ponieważ jeśli użyjemy rezystora o zbyt dużej rezystancji może się okazać, że do mikrofonu dochodzi zbyt małe napięcie, aby go zasilić. Ja doświadczalnie dobrałam rezystor 10kΩ.

Pozostał nam już tylko kondensator 1μF użyty pomiędzy mikrofonem a pierwszym tranzystorem. Identycznie jak w przypadku poprzedniego kondensatora chodzi o usunięcie składowej stałej i wycięcie niskich tonów. A dlaczego ma akurat taką pojemność. Cóż, w elektronice niekiedy jest tak, że pewne rzeczy trzeba przyjąć doświadczalnie. Oczywiście jest możliwość obliczenia najbardziej optymalnej pojemności tego kondensatora, ale niestety na obecnym etapie kursu jest to trudne i myślę że zbędne.

Skoro obliczyliśmy nasz układ pozostało nam jedynie przygotować:

1) głośnik – trzeba przylutować do niego przewody – plus i minus są oznaczone na spodzie jego obudowy:

2) mikrofon – tu także trzeba przylutować przewody (np. odcięte od rezystora nóżki) po spodniej stronie mikrofonu – punkt lutowniczy połączony z obudową to minus:

A oto mój wzmacniacz mikrofonowy: