Согласование сопротивлений | Усилитель звука на транзисторах #4

Согласование сопротивлений усилительных каскадов играет ключевую роль в работе усилителя вцелом.

Любой предварительный каскада можно представить в виде источника переменного тока со своим внутренним сопротивлением ВС, которое будет выводным Rвых по отношению к последующему каскаду или нагрузке. Последние также характеризуется своим R, которое относительно предварительного каскада будет входным Rвх. Для передачи максимальной мощности от источника питания к нагрузке необходимо чтобы их сопротивления были согласованы.

В качестве наглядного примера возьмем источник постоянного напряжения величиной 5 В и будем подключать к нему резисторы с разным значением R. Посмотрим, при каком значении сопротивления нагрузки СН будет реализована на ней максимальная мощность, но сначала заметим, что мощность определяется двумя параметрами током и напряжением P = UI. Одну и ту же мощность, например P = 100 Вт, можно получить либо при равных значениях тока и напряжения I = 10 А, U = 10 В; либо увеличивать значение одного параметра и снижать пропорционально этому увеличению второй параметр.

100 Вт = 10 А∙10 В = 5 А∙20 В = 20 А∙5 В.

Согласование сопротивлений источника и потребителя

Любой источник питания ИП характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением Rвн, которое для маломощных элементов питания составляет единицы ом, а для мощных – сотые и тысячные ома.

На примере элементарного расчета посмотрим, как влияет согласование сопротивлений на величину мощности, отдаваемую нагрузке. Для простоты расчетов примем Rвн = 10 Ом и оставим это значение неизменным на протяжении всего эксперимента, так как в реальных и в реальных условиях мы не можем повлиять на него. Мы будем изменять лишь значение Rн.

Следует заметить, что ВС по отношению к ИП является выходным. А СН относительно ИП будет входным. Наша задача сводится к тому, чтобы определить при каком значении СН реализуется наибольшая передача мощности от ИП к нагрузке.

Расчет мощности нагрузки

Выполним три расчета и проанализируем, при каких соотношения сопротивлений Rвх и Rвых достигается максимальная передача мощности P от источника питания к нагрузке.

1. Определим P при условии Rвх << Rвых. Зададимся значением Rвх = 1 Ом.

Сначала определим величину ток:

Падение напряжения на резисторе Rвх:

Мощность на входном R равна

Далее, для большей наглядности, результаты трех расчетов будет сведены в общую таблицу.

2. Определим P для второго условия Rвх >> Rвых. Зададимся Rвх = 100 Ом. Алгоритм расчета прежний.

3. Третье условие = 10 Ом.

Теперь, опираясь на выше выполненные расчеты, можно сделать важный вывод. Для того, чтобы на нагрузке реализовать максимальную мощность необходимо чтобы выходное сопротивление нагрузки равнялось входному сопротивлению источника питания, то есть следует стремиться к тому, чтобы они были равны между собой. Такое равенство называется согласование сопротивлений. По мере увеличения их отношений снижается мощность на нагрузке.

Для усилителя звука соотношение сопротивлений последующего и предыдущего каскадов также очень важно. Теперь мы понимаем, почему не было слышно звука при подключении его к предварительному или микрофонному усилителю. Ведь выходное R такого каскада несколько килоом, а динамика несколько ом (4 Ом, 8 Ом), то есть между ними слишком большое соотношение сопротивлений. Поэтому P, отбираемая динамиком, имеет очень малое значение, недостаточное для работы динамика. Эту проблему устраняют путем применения выходного усилителя, который позволяет согласовать выходное сопротивление предварительного усилителя с низким сопротивлением динамика (громкоговорителя).

Также следует заметить, что для получения максимального напряжения на нагрузке, что также очень часто имеет место в усилителях, необходимо увеличивать сопротивление нагрузки. А для получения максимального тока следует снижать Rн.