Układ podbicia basów — trzy proste obwody audio

Układ podbicia basów kształtuje charakterystykę toru audio tak, aby mocniej wyeksponować niskie częstotliwości. Może współpracować ze wzmacniaczem, głośnikiem lub subwooferem, a zależnie od konstrukcji zapewnia także regulację głośności i poziomu wzmocnienia. Poniżej przedstawiamy trzy przykładowe obwody oraz wyjaśniamy zasadę ich działania.

1. Czym jest układ podbicia basów?

Układ podbicia basów wzmacnia niskie częstotliwości

Układ podbicia basów to filtr lub stopień wzmacniający, który zwiększa poziom sygnałów o niskiej częstotliwości względem pozostałej części pasma. Rozwiązanie to spotyka się w wielu urządzeniach audio, od słuchawek po zestawy kina domowego.

2. Jak zbudować układ podbicia basów?

Poniżej opisano trzy różne projekty układów podbicia basów. 

Uwaga przed montażem: pierwotne opisy zawierają rozbieżności między listami elementów a instrukcjami połączeń. Przed lutowaniem porównaj wartości i połączenia ze schematem; sam opis nie stanowi zweryfikowanej instrukcji montażu. Dokładne parametry układów scalonych zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową.

Układ podbicia basów z tranzystorem 2N2222

Elementy elektroniczne:

Lutownica 45W - 65W - 1x

drut lutowniczy z topnikiem - 1x

Głośnik 8 Ohm - 1x

Bateria 9v DC - 1x

Potencjometr 100k - 1x

470k - 1x

10k - 1x

47k - 1x

470 Ohm - 1x

Tranzystor 2n2222 NPN - 1x

47uF - 1x

100nF - 2x

100uF - 1x

Klips do baterii - 1x

Płytka Veroboard - 1x

Montaż układu z tranzystorem

Krok pierwszy:

W układzie zastosowano tranzystor 2N2222. Źródło: Wikimedia Commons

Najpierw przylutuj tranzystor. Rezystor 47k połącz między bazą tranzystora a masą obwodu, a rezystor 470k między kolektorem i VCC. Następnie podłącz dodatnie wyprowadzenie kondensatora 47uF do bazy tranzystora.

Krok drugi:

Kondensator 100nF podłącz między bazę i emiter tranzystora. Następnie połącz rezystor 10k między VCC układu a kolektor. Rezystor 570 Ohm również podłącz między kolektor a VCC obwodu, a drugi kondensator 100pF między kolektor i VCC.

Krok trzeci:

Podłącz kondensator 470uF między kolektor tranzystora a wyjście audio obwodu. Do wyjścia przylutuj również potencjometr 100k. Następnie podłącz baterię 9V oraz wejście głośnika do środkowego wyprowadzenia potencjometru 10k i masy obwodu.

Krok czwarty:

Na końcu połącz wejście Audio IN z kondensatorem 57uF i masą układu, a wyjście Audio OUT z głośnikiem.

Zasada działania:

Wyjście audio smartfona dostarcza sygnał wejściowy do bazy tranzystora. Kondensator 100uF w torze wejściowym blokuje składową stałą, a przepuszcza zmienny sygnał audio.

Wzmocniony sygnał przechodzi następnie przez kondensator 47uF, który oddziela składową stałą od wyjścia. Potencjometr 100K służy do regulacji poziomu sygnału przekazywanego do głośnika 8 Ohm.

Układ podbicia basów ze wzmacniaczem LM741

Schemat obwodu:

Schemat układu podbicia basów z układem 741

Elementy elektroniczne:

Tranzystor BC348 - 1x

LM741 IC - 1x

Potencjometr 100k - 1x

Kondensator 10uF - 3x

Kondensator 0,0033uF - 3x

Kondensator 22uF - 1x

Kondensator 47uF - 1x

Rezystor 10k - 4x

Rezystor 50k - 2x

Rezystor 47k - 2x

Rezystor 56k - 2x

Rezystor 1k - 1x

rezystor 2,2k - 1x

Kroki:

Krok pierwszy:

 (Układ LM741 pomaga zapewnić wzmocnienie sygnału. Źródło: Wikimedia Commons)

Najpierw umieść w układzie LM741 oraz tranzystor Q1 BC348. Kondensator C1 10uF podłącz na wejściu. Do C1 dołącz rezystor 56k (R1), a do jego dodatniego wyprowadzenia rezystor 47k (R2). Rezystor 1k (R3) połącz z bazą tranzystora, natomiast kolektor tranzystora z VSS.

Krok drugi:

Polaryzowany kondensator C2 10uF podłącz do emitera tranzystora, a rezystor 2,2k (R4) do przeciwnego końca kondensatora. Kondensator C3 0.0033uF połącz z dodatnim wyprowadzeniem kondensatora 10uF. Do kondensatora 0,0033uF dołącz rezystor 50k (R9), a następnie drugi rezystor 50k (R10).

Krok trzeci:

Rezystory używane w obwodzie. Źródło: Wikimedia Commons

Do tego rezystora dołącz kondensator 0,0033 µF (C5), połączony z wyprowadzeniem 6 LM741. Wyprowadzenie 2 układu LM741 połącz z rezystorem 10k (R7) prowadzącym do kondensatora 0,0033uF. Następnie podłącz rezystor 56k (R12) i kondensator 22uF (C7) do masy. Rezystor 56k łączy się z rezystorem 47k (R11), a ten z VCC. Dodaj potencjometr 100k (VR1) połączony z kondensatorem C4 0,0033 uF i rezystorem R5 10k.

Krok czwarty:

Wyprowadzenie 4 układu LM741 podłącz do masy. Wyprowadzenie 7 połącz z VCC i kondensatorem 47uF (C6), którego drugie wyprowadzenie prowadzi do masy. Na końcu dołącz kondensator 10uF (C8) między wyprowadzenie 6 układu LM741 a wyjście.

Zasada działania:

Układ jest zasilany napięciem od 12V do 18V. Sygnał audio trafia przez kondensator sprzęgający C1 i rezystor R3 do bazy tranzystora. Rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik ustalający punkt pracy. Elementy C1, R3, R1, R2, R4, C2 i Q1 tworzą stopień przedwzmacniacza. Sygnał z emitera przechodzi następnie przez C2 do dalszej części toru.

Sygnał przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy złożony z C3, C5, R8, R9 i R10, który osłabia wyższe częstotliwości. Druga gałąź prowadzi przez R5, R6, R7 i C4. Na wyprowadzeniu 2 układu LM741 sygnały są sumowane, a wzmocniony sygnał pojawia się na wyprowadzeniu 6.

Część sygnału wraca przez pętlę sprzężenia zwrotnego do filtra, co umożliwia regulację względnego wzmocnienia poszczególnych zakresów częstotliwości. 

Potencjometr VR1 pozwala zwiększać lub zmniejszać poziom niskich częstotliwości.

Układ podbicia basów ze wzmacniaczem LM386

Schemat obwodu:

Elementy elektroniczne:

Bateria 9V DC - 1x.

Kondensator 1000uF - 1x

Kondensator 100uF - 1x

10uF - 1x

470pF - 1x

0.033uF - 1x

0.1uF - 3x

Rezystor 10 Ohm - 1x

Rezystor 10k - 1x

Potencjometr 10k - 3x

Płytka stykowa

Montaż układu z LM386

Krok pierwszy:

Układ LM386 używany do wzmacniania sygnału audio. Źródło: Wikimedia Commons

Najpierw podłącz dodatni i ujemny zacisk baterii do odpowiednich szyn płytki stykowej. Połącz odcinki szyn przewodami zwierającymi, zachowując ich polaryzację, a następnie włóż układ LM386. Pin 1 wyprowadź do osobnego pola. Dodaj potencjometr 10k regulujący wzmocnienie i połącz jego środkowe wyprowadzenie z pinem 1 LM386.

Krok drugi:

Pin 2 układu LM386 podłącz do masy. Pin 3 wyprowadź do osobnego pola i połącz z kondensatorem 470pF prowadzącym do masy. Z tego samego węzła poprowadź połączenie do środkowego wyprowadzenia potencjometru 10k regulującego głośność, a jego zewnętrzne wyprowadzenie połącz z masą.

Krok trzeci:

Drugie wyprowadzenie kondensatora 10uF podłącz do pinu 8 układu LM386, a dodatnie wyprowadzenie do osobnego pola płytki. Pole to połącz przewodem z potencjometrem wzmocnienia. Dodaj rezystor 10k omów między pin 7 i kolejny węzeł. Do rezystora podłącz dodatnie wyprowadzenie kondensatora 10uF, a jego drugie wyprowadzenie połącz z masą.

Krok czwarty:

Kondensator 1000uF. Źródło: Wikimedia Commons

Pin 6 podłącz do dodatniej szyny zasilania. Między pin 4 i pin 6 włącz kondensator 0,1uF. Pin 5 połącz z osobnym polem, a następnie dodaj szeregowy obwód kondensatora 0,1 uF i rezystora 10 Ohm prowadzący do masy. Do węzła wyjściowego podłącz kondensator 1000uF, zwracając uwagę, aby jego dodatnie wyprowadzenie znajdowało się po stronie rezystora, a ujemne prowadziło do kolejnego pola.

Krok piąty:

Dodaj kondensatory 0,1uF i 100 uF między dodatnią i ujemną szynę zasilania. Pin 4 połącz przewodem z masą. Dodatni przewód głośnika podłącz do przeciwnego końca kondensatora 1000uF, a ujemny do szyny masy. Sygnał lewego lub prawego kanału audio doprowadź do wolnego wyprowadzenia potencjometru głośności, a masę sygnałową do szyny masy.

Zasada działania układu z LM386

Wspólne i krótkie połączenie masy wejścia audio pomaga ograniczyć przydźwięk oraz zakłócenia wzmacniacza. Kondensator 470pF tłumi zakłócenia radiowe. Kondensatory 100uF i 0,1uF filtrują zasilanie w różnych zakresach częstotliwości i są podłączone przy baterii.

Rezystor 10k Ohm i kondensator 10uF tworzą szeregowe połączenie wpływające na wzmocnienie sygnału audio. Sekcja podbicia basów kształtuje pasmo niskich częstotliwości; jej działanie zależy również od kondensatora 0,0033 uF i potencjometru 10k.

3. Zastosowania układów podbicia basów

Układy podbicia basów stosuje się między innymi w słuchawkach dousznych

Głośniki

Systemy rozrywki domowej

Słuchawki douszne

Zestawy słuchawkowe dla graczy

4. Czy podbicie basów może uszkodzić głośniki?

Nadmierne podbicie basów może uszkodzić głośniki

Wiele głośników znosi umiarkowane podbicie basów bez szkody, lecz przy dużej głośności i wysokim poziomie ciśnienia akustycznego (SPL) szybko rośnie obciążenie przetwornika. Przed zwiększeniem poziomu niskich tonów warto więc zmniejszyć głośność.

Znaczenie ma także dopasowanie wzmacniacza do głośnika. Zbyt duża moc lub przesterowany sygnał może spowodować nadmierne wychylenie membrany, słyszalne zniekształcenia i uszkodzenie zawieszenia. Wysoka moc wydzielana w cewce prowadzi natomiast do jej przegrzania, a w skrajnym przypadku do przepalenia.

5. Półka basowa — przykład obliczeniowy

Rozważmy osobny, konkretny układ: wzmacniacz operacyjny w konfiguracji nieodwracającej. Rezystor Rf i kondensator C są połączone równolegle między wyjściem a wejściem odwracającym, natomiast Rg łączy wejście odwracające z masą. Sygnał doprowadzamy do wejścia nieodwracającego. Poniższe wyniki dotyczą tego modelu, a nie trzech wcześniejszych schematów.

Wzmocnienie napięciowe wynosi Vout/Vin = 1 + Zf/Rg, gdzie Zf to impedancja równoległego połączenia Rf i C. Przyjmujemy Rf = 47 kΩ, Rg = 10 kΩ oraz C = 100 nF. Są to wartości przyjęte do obliczeń, nie parametry katalogowe konkretnego wzmacniacza.

Poniżej obszaru przejściowego charakterystyka tworzy półkę około 15,1 dB, a powyżej niego zbliża się do 0 dB. Między fp a fz przebiega główna część tego przejścia; wartości półek są granicami, nie dokładnym wzmocnieniem na ich załamaniach. Model zakłada idealny wzmacniacz, podczas gdy rzeczywisty element ma skończone pasmo. Dobór stopnia wyjściowego warto rozpatrywać w kontekście rodzajów wzmacniaczy audio.

Dla porównania prosty filtr RC ma częstotliwość graniczną fc = 1/(2π·R·C). Przy R = 10 kΩ i C = 100 nF otrzymujemy fc ≈ 159 Hz. Tego wyniku nie należy utożsamiać z biegunem ani zerem opisanej półki: o jej charakterystyce decyduje także sprzężenie zwrotne.

6. Jak tolerancja elementów przesuwa charakterystykę?

Poniższe obliczenia zmieniają jeden element naraz; pozostałe zachowują wartości nominalne. Zależność odwrotna we wzorze na fp oznacza, że mniejsza pojemność lub rezystancja Rf przesuwa biegun ku wyższym częstotliwościom.

Przy kondensatorach elektrolitycznych lub ceramicznych o dużej tolerancji częstotliwość załamania może przesunąć się o dziesiątki procent. Zmiana Rf wpływa również na wzmocnienie niskich częstotliwości, bo Rf występuje we wzorze 1 + Rf/Rg. W doborze elementów pomocne jest zrozumienie działania kondensatorów; rzeczywistą tolerancję sprawdź w karcie katalogowej wybranej wersji.

7. Zapas amplitudy i sprawdzenie działania

W zakresie niskiej półki wejściowa amplituda U daje wyjściową amplitudę 5,7·U. Jeżeli przyjmiemy maksymalne wychylenie wyjścia ±7 V, granica amplitudy wejściowej wynosi Umax = 7 V / 5,7 ≈ 1,23 V. To amplituda szczytowa. Wartość ±7 V jest założeniem zależnym od zasilania i typu wzmacniacza, a nie deklarowanym parametrem LM741 lub LM386.

Podbicie wymaga zapasu napięcia: nagranie z mocnym basem może doprowadzić do obcinania szczytów, jeśli wymagane napięcie wyjściowe przekroczy możliwości wzmacniacza. Zmniejsz poziom wejściowy lub podbicie; sama zmiana częstotliwości załamania nie zapewnia zapasu amplitudy.

Metoda weryfikacji, nie wynik naszych pomiarów: podaj sinusoidę z generatora i przy stałej, niewielkiej amplitudzie wejścia sprawdź zakres 20 Hz–2 kHz. Oscyloskopem lub miernikiem przystosowanym do tego pasma odczytuj amplitudy wejścia i wyjścia, obliczaj ich stosunek i sporządź wykres wzmocnienia. Obserwuj przejście między półkami oraz ewentualne spłaszczenie wierzchołków sinusoidy. Fazę oceń przez porównanie przesunięcia czasowego przebiegów na oscyloskopie. Nie przedstawiamy tu zmierzonego wzmocnienia ani fazy.

Podsumowanie

Układ podbicia basów odpowiednio wzmacnia lub eksponuje niski zakres pasma audio. Jego charakterystykę wyznaczają rezystory, kondensatory i aktywny element wzmacniający, taki jak LM386. Dobrze dobrany obwód może poprawić brzmienie niewielkiego zestawu, ale nie usunie zniekształceń wynikających z przeciążenia wzmacniacza lub głośnika.

Przed montażem należy porównać wartości elementów ze schematem i sprawdzić polaryzację kondensatorów oraz dopuszczalne napięcia układów scalonych.