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प्रवर्धक परिपथ (Amplifier Circuits)

प्रवर्धक (amplifier) छोटे संकेत को बड़ा करता है, और इसके लिए बिजली की आपूर्ति से ऊर्जा लेता है। वोल्टता लब्धि = Vout / Vin; डेसिबल में लब्धि = 20 log10(Vout / Vin)। निम्न आवृत्ति (ऑडियो) प्रवर्धक ध्वनि के संकेत बढ़ाते हैं। उच्च आवृत्ति (रेडियो) प्रवर्धक हज़ारों से लाखों हर्ट्ज़ के संकेत बढ़ाते हैं, अक्सर एक स्टेशन पर ट्यून किए हुए। हर प्रवर्धक की एक बैंडविड्थ और आपूर्ति से तय सीमा होती है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. नीली छोटी लहर इनपुट है। यह माइक्रोफ़ोन का बहुत छोटा संकेत हो सकता है। प्रवर्धक बंद है, इसलिए आउटपुट कुछ नहीं।
  2. प्रवर्धक चालू करो। लाल आउटपुट लहर का आकार वही है, पर ऊँचाई 3 गुनी है। प्रवर्धक ने यह अपनी बैटरी (आपूर्ति) की ऊर्जा से किया।
  3. लब्धि 3 से 6 करो। लाल लहर और ऊँची हो गई। लब्धि यानी आउटपुट का आकार भाग इनपुट का आकार।
  4. लब्धि 12 कर दो। लाल लहर नारंगी रेखाओं (आपूर्ति की सीमा) से टकराती है और उसके सिरे कट जाते हैं। इसे क्लिपिंग कहते हैं। इससे आवाज़ कर्कश हो जाती है।
  5. अब आवृत्ति बढ़ाओ, यानी एक सेकंड में लहरों की गिनती। बहुत ऊँची आवृत्ति पर आउटपुट फिर छोटा हो जाता है। हर प्रवर्धक की तेज़ी की एक सीमा होती है। यही बैंडविड्थ है।
  6. खुद करो: दोनों स्लाइडर चलाओ। वह लब्धि खोजो जिस पर क्लिपिंग होती है, और वे आवृत्तियाँ खोजो जहाँ आउटपुट घटता है। कम और ज़्यादा, दोनों आवृत्तियों पर लब्धि गिरती है।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

क्या प्रवर्धक नई ऊर्जा बनाता है?

नहीं। अतिरिक्त शक्ति आपूर्ति से आती है। इनपुट सिर्फ़ यह तय करता है कि उसका कितना हिस्सा आउटपुट तक जाए। ध्यान दो, प्रवर्धक को चलने के लिए आपूर्ति चाहिए।

आउटपुट का आकार इनपुट जैसा ही क्यों रहता है?

अच्छा प्रवर्धक सिर्फ़ आकार (ऊँचाई) बदलता है, लहर का रूप नहीं। नीली और लाल लहर की तुलना करो: वही उतार-चढ़ाव, अलग ऊँचाई।

लब्धि ठीक-ठीक क्या है?

लब्धि यानी आउटपुट का आकार भाग इनपुट का आकार। लब्धि 3 से 6 करने पर लाल लहर दोगुनी ऊँची हो जाती है।

आवाज़ बहुत तेज़ करने पर कर्कश क्यों हो जाती है?

आउटपुट आपूर्ति की सीमा पर पहुँचकर लहर के सिरे कट जाते हैं। यह नया सपाट आकार अनचाही आवाज़ें जोड़ देता है।

बहुत ऊँची आवृत्ति पर आउटपुट कम क्यों हो जाता है?

पुर्ज़ों के भीतर छिपे छोटे संधारित्र बहुत तेज़ लहरों को रिसा देते हैं। आवृत्ति स्लाइडर बढ़ाओ और लाल लहर को छोटा होते देखो।

रेडियो प्रवर्धक ऑडियो प्रवर्धक से अलग क्यों होता है?

रेडियो प्रवर्धक बहुत ऊँची आवृत्ति पर चलता है, इसलिए उसे तेज़ पुर्ज़े चाहिए और अक्सर एक स्टेशन चुनने वाला ट्यून्ड परिपथ। आवृत्ति स्लाइडर चलाकर देखो कि लब्धि आवृत्ति पर कैसे निर्भर है।

प्रवर्धक क्या करता है

संकेत (signal) वह वोल्टता है जो समय के साथ बदलती है और कोई जानकारी ले जाती है, जैसे आवाज़ या रेडियो संदेश। कई संकेत बहुत कमज़ोर होते हैं। प्रवर्धक कमज़ोर संकेत की मज़बूत नक़ल बना देता है।

अतिरिक्त शक्ति कहीं से पैदा नहीं होती। प्रवर्धक उसे विद्युत आपूर्ति (बैटरी या अडैप्टर) से लेता है, और इनपुट संकेत तय करता है कि कितनी शक्ति आउटपुट तक पहुँचे।

अंदर मुख्य भाग आमतौर पर ट्रांज़िस्टर होता है (एक छोटा स्विच जैसा पुर्ज़ा जिसे बहुत छोटी धारा से नियंत्रित किया जाता है), या ट्रांज़िस्टरों से भरी चिप।

लब्धि और डेसिबल

वोल्टता लब्धि बताती है कि आउटपुट कितने गुना बड़ा है: Av = Vout / Vin। इसका कोई मात्रक नहीं होता, क्योंकि यह अनुपात है।

इंजीनियर अक्सर डेसिबल (dB) इस्तेमाल करते हैं: dB में लब्धि = 20 × log10(Vout / Vin)। लब्धि 10 मतलब 20 dB। लब्धि 100 मतलब 40 dB। लब्धि 1000 मतलब 60 dB। हर 20 dB बढ़ने पर लब्धि 10 गुनी होती है।

जब दो प्रवर्धक चरण एक के बाद एक जुड़ते हैं, तो लब्धियाँ गुणा होती हैं, पर डेसिबल सीधे जुड़ते हैं।

शक्ति लब्धि = Pout / Pin, और dB में 10 × log10(Pout / Pin)।

निम्न आवृत्ति (ऑडियो) प्रवर्धक

निम्न आवृत्ति प्रवर्धक कुछ हर्ट्ज़ से लगभग 20 kHz तक के संकेतों पर काम करते हैं, यानी हमारे सुनने की सीमा। ये म्यूज़िक प्लेयर, रेडियो, सार्वजनिक घोषणा प्रणाली और टीवी के अंतिम चरण में मिलते हैं।

आवृत्ति अनुक्रिया और बैंडविड्थ

प्रवर्धक हर आवृत्ति पर एक जैसी लब्धि नहीं देता। लब्धि बनाम आवृत्ति के ग्राफ़ को आवृत्ति अनुक्रिया कहते हैं। यह बीच में ऊँचा और दोनों सिरों पर नीचा होता है।

जहाँ लब्धि बीच के मान की लगभग 70% (0.707) रह जाती है, यानी 3 dB नीचे, वे दो बिंदु कट-ऑफ़ आवृत्तियाँ हैं। उनके बीच का अंतर बैंडविड्थ है: BW = fउच्च − fनिम्न।

निचला सिरा कपलिंग संधारित्र की वजह से गिरता है। ऊपरी सिरा ट्रांज़िस्टर और तारों की छोटी आवारा धारिताओं की वजह से गिरता है, जो तेज़ लहरों को बाहर रिसा देती हैं।

उच्च आवृत्ति (रेडियो) प्रवर्धक

उच्च आवृत्ति प्रवर्धक सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ से कई गीगाहर्ट्ज़ तक के रेडियो संकेतों पर काम करते हैं। इनके पुर्ज़े तेज़ होने चाहिए और तार बहुत छोटे, क्योंकि ऊँची गति पर आवारा धारिता ज़्यादा असर करती है।

चौड़ी पट्टी वाले प्रवर्धक में लब्धि × बैंडविड्थ लगभग तय रहती है: लब्धि ज़्यादा माँगो तो बैंडविड्थ कम मिलती है।

सीमाएँ: क्लिपिंग, शोर और विकृति

आउटपुट कभी आपूर्ति वोल्टता से ऊपर नहीं जा सकता। इनपुट बहुत बड़ा हो या लब्धि बहुत ज़्यादा, तो लहर के सिरे कट जाते हैं। इसे क्लिपिंग कहते हैं, और यह एक प्रकार की विकृति है। इससे नई, अनचाही आवाज़ें जुड़ जाती हैं।

शोर पुर्ज़ों से आने वाली अनियमित सरसराहट है। प्रवर्धक शोर को भी बढ़ाता है, इसलिए पहला चरण कम शोर वाला होना चाहिए।

ऋणात्मक पुनर्निवेश (आउटपुट का थोड़ा हिस्सा वापस भेजकर इनपुट घटाना) लब्धि घटाता है, पर उसे स्थिर और साफ़ बनाता है।

खुद करके देखो

3D दृश्य में लब्धि 12 करो और आउटपुट देखो। गिनो कि कितने वोल्ट होना चाहिए (0.5 V × 12 = 6 V)। आपूर्ति की सीमा 3.5 V है, इसलिए लहर कटती है। अब लब्धि इतनी घटाओ कि क्लिपिंग रुक जाए। घर पर फ़ोन में इयरफ़ोन लगाकर गाना बहुत तेज़ चलाओ: जो कर्कश आवाज़ सुनाई दे सकती है, वह फ़ोन के प्रवर्धक की क्लिपिंग है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक प्रवर्धक 20 mV इनपुट से 1 V आउटपुट देता है। वोल्टता लब्धि निकालो।

20 mV = 0.02 V। Av = 1 / 0.02 = 50।

2. लब्धि 50 को डेसिबल में निकालो।

dB = 20 log10(50) = 20 × 1.699 ≈ 34 dB।

3. माइक 5 mV देता है। दो चरणों वाले प्रवर्धक की लब्धियाँ 20 और 40 हैं। आउटपुट कितना होगा?

कुल लब्धि = 20 × 40 = 800। आउटपुट = 5 mV × 800 = 4000 mV = 4 V।

4. चरण 1 की लब्धि 20 dB और चरण 2 की 26 dB है। कुल लब्धि dB में और अनुपात में क्या होगी?

dB जुड़ते हैं: 20 + 26 = 46 dB। अनुपात: 20 dB यानी 10 गुना और 26 dB यानी लगभग 20 गुना, इसलिए कुल लगभग 200।

5. एक ट्यून्ड रेडियो प्रवर्धक की कट-ऑफ़ आवृत्तियाँ 455 kHz और 465 kHz हैं। बैंडविड्थ क्या है?

BW = 465 − 455 = 10 kHz।

6. लब्धि 30 और ±9 V आपूर्ति वाले प्रवर्धक को 0.5 V शिखर का इनपुट मिलता है। आउटपुट की चोटियों का क्या होगा?

आदर्श आउटपुट शिखर = 0.5 × 30 = 15 V। आपूर्ति की सीमा लगभग 9 V है, इसलिए लहर 9 V पर सपाट कट जाती है (ऊपर और नीचे दोनों)। विकृति होती है।

7. एक स्पीकर प्रवर्धक में 0.2 W जाता है और 20 W निकलता है। शक्ति लब्धि dB में निकालो।

अनुपात = 20 / 0.2 = 100। dB = 10 log10(100) = 20 dB।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. 0.1 V इनपुट पर प्रवर्धक 2 V आउटपुट देता है। वोल्टता लब्धि है:
2. वोल्टता लब्धि 100 कितने डेसिबल है?
3. क्लिपिंग तब होती है जब:
4. कुंडली और संधारित्र से एक रेडियो स्टेशन पर ट्यून होने वाला प्रवर्धक कौन सा है?
5. बैंडविड्थ है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

निम्न आवृत्ति और उच्च आवृत्ति प्रवर्धक में क्या अंतर है?

निम्न आवृत्ति (ऑडियो) प्रवर्धक लगभग 20 kHz तक के ध्वनि संकेतों पर काम करता है। उच्च आवृत्ति (रेडियो) प्रवर्धक बहुत तेज़ संकेतों पर काम करता है, अक्सर एक संकरी पट्टी पर ट्यून होता है, और उसे आवारा धारिता से जूझना पड़ता है।

ऊँची आवृत्ति पर लब्धि क्यों गिरती है?

ट्रांज़िस्टर और तारों की छोटी आवारा धारिताएँ तेज़ संकेत को भूमि की ओर रिसा देती हैं, इसलिए आउटपुट तक कम संकेत पहुँचता है।

3 dB नीचे का क्या मतलब है?

लब्धि बीच के मान की लगभग 70.7% रह गई है। इसी बिंदु को कट-ऑफ़ आवृत्ति माना जाता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Electronic Circuits

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