ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
Транзисторные усилители
Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.
В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.
В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.
В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности
где , – мощность выходного и входного сигналов соответственно.
Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока
; . (14.2)
Очевидно, что .
Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения , дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.
Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при и .
Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом . При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.
Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной обратной связью – операционные усилители.
Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).
Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания и источником смещения .
Резистор уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.
Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями (рис. 14.2 а, б).
В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц
.
В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC -связями) и трансформаторными связями.
Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).
Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.
Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.
14.1.2. Усилители на микросхемах
В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC -связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц . Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхемах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденсаторов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве– дена пунктиром) и схема его включения.
Источник питания должен выдавать стабильное или нестабильное двуполярное напряжение питания ±45V и ток 5А. Эта схема УНЧ на транзисторах весьма проста, так как в выходном каскаде используется пара мощных комплементарных транзисторов Дарлингтона . В соответствии с справочными характеристиками эти транзисторы могут коммутировать ток до 5А при напряжении эмиттерном-коллекторном переходе до 100V.
Схема УНЧ представлена на рисунке чуть ниже.
Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной состовляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3. Но следует учитовать, что слишком сильное увеличение сопротивления R7 приводет к возбуждению.
Режим работы по постоянному току обеспечивается подбором резистора R6. Выходной каскад на транзисторах Дарлингтона VT3 и VT4 работает в классе АВ. Диоды VD1 и VD2 нужны для стабилизации рабочей точки выходного каскада.
Транзистор VT5 ппредназначен для раскачки выходного каскада, на его базу поступает сигнал с выхода дифференциального предварительного усилителя, а так же постоянное напряжение смещения, которое определяет режим работы выходного каскада по постоянному току.
Все конденсаторы схемы должны быть рассчитаны на максимальное постоянное напряжение не ниже 100V. Транзисторы выходного каскада рекомендуется закрепить на радиаторы площадью не меньше 200 см в квадрате
Рассмотренная схема простого двухкаскадного усилителя разработана для работы с наушниками или для использования в простых устройствах с функцией предварительного усилителя.
Первый транзистор усилителя подсоединен по схеме с общим эмиттером, а второй транзистор с общим коллектором. Первый каскад предназначен для базового усиления сигнала по напряжению, а второй каскада усиливает уже по мощности.
Малое выходное сопротивление второго каскада двухкаскадного усилителя, называемого эмиттерным повторителем, позволяет подсоединять не только наушники с большим сопротивлением, но и другие виды преобразователей акустического сигнала.
Эта тоже двухкаскадная схема УНЧ выполненная на двух транзисторах, но уже противоположной проводимости. Ее главная особенность в том, что связь между каскадами непосредственная. Охваченная ООС через сопротивление R3 напряжение смещения со второго каскада проходит на базу первого транзистора.
Конденсатор СЗ, шунтирует резистор R4, уменьшает ООС по переменному току, тем самым уменьшающая усиление VT2. Путем подбора номинала резистора R3 задают режим работы транзисторов.
УМЗЧ на двух транзисторах |
Этот достаточно легкий усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) можно спаять всего на двух транзисторах. При напряжении питания 42В постоянного тока выходная мощность усилителя достигает 0,25 Вт при нагрузке 4 Ом. Потребляемый ток всего 23 mA. Усилитель работает в однотактном режиме «А».
Напряжение низкой частоты от источника сигнала подходит к регулятору громкости R1. Далее через защитный резистор R3 и конденсатор C1 сигнал оказывается на базе биполярного транзистора VT1 включенного по схеме с общим эмиттером. Усиленный сигнал через R8 подается на затвор мощного полевого транзистора VT2 включенный по схеме с общим истоком и его нагрузкой служит первичная обмотка понижающего трансформатора К вторичной обмотке трансформатора можно подключить динамическую головку или акустическую систему.
В обоих транзисторных каскадах присутствует местная отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току, так и общей цепью ООС.
В случае увеличения напряжения на затворе полевого транзистора сопротивление сток исток его канала уменьшается и напряжение на его стоке уменьшается. Это влияет и на уровень сигнала поступающий на биполярный транзистор, что снижает напряжения затвор-исток.
Совместно с цепями местной отрицательной обратной связи, таким образом, стабилизируются режимы работы обоих транзисторов даже в случае незначительного изменения питающего напряжения. Коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивлений резисторов R10 и R7. Стабилитрон VD1 предназначен для предотвращения выхода полевого транзистора из строя. Питание усилительного каскада на VT1 производится через RC фильтр R12C4. Конденсатор C5 блокировочный по цепи питания.
Усилитель может быть собран на печатной плате размерами 80×50 мм,на ней расположены все элементы кроме понижающего трансформатора и динамической головки
Наладку схемы усилителя осуществляют при том напряжении питания, при котором он будет работать. Для тонкой настройки рекомендуется использовать осциллограф, щуп которого подключают к выводу стока полевого транзистора. Подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 100 … 4000 Гц, с помощью регулировки подстроечного резистора R5 добиваются того, чтобы отсутствовали заметные искажения синусоиды при как можно большем размахе амплитуды сигнала на выводе стока транзистора.
Выходная мощность усилителя на полевом транзисторе небольшая, всего 0,25Вт, напряжение питания от 42В до 60В. Сопротивление динамической головки 4 Ома.
Аудио сигнал через переменное сопротивление R1, затем R3 и разделительную емкость C1 поступает на усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Далее с этого транзистора усиленный сигнал через сопротивление R10 проходит на полевой транзистор.
Первичная обмотка трансформатора является нагрузкой для полевого транзистора, а к вторичной обмотки подключен четырех омная динамическая головка. Соотношением сопротивлений R10 и R7 задаем степень усиления по напряжению. С целью защиты униполярного транзистора в схему добавлен стабилитрон VD1.
Все номиналы деталей имеются на схеме. Трансформатор можно использовать типа ТВК110ЛМ или ТВК110Л2, от блока кадровой развертки старого телевизора или аналогичный.
УМЗЧ по схеме Агеева |
Наткнулся на эту схему в старом выпуске журнала радио, впечатления от нее остались самыми приятными,во первых схема настолько проста, что ее сможет собрать и начинающий радиолюбитель,во вторых при условии рабочих компонентов и правильной сборки наладки она не требует.
Если вас заинтересовала эта схема, то остальные подробности по ее сборке вы сможете найти в журнале радио №8 за 1982 год.
Высококачественные транзисторные УНЧ |
Усилитель низкой частоты (УНЧ) является составной частью большинства радиотехнических устройств как то телевизора, плеера, радиоприемника и различных приборов бытового назначения. Рассмотрим две простые схемы двухкаскадного УНЧ на .
В первом варианте усилитель построен на кремниевых транзисторах n-p-n проводимости. Входной сигнал поступает через переменный резистор R1, который в свою очередь является нагрузочным сопротивлением для схемы источника сигнала. подсоединены к коллекторной электроцепи транзистора VT2 усилителя.
Настройка усилителя первого варианта сводится к подбору сопротивлений R2 и R4. Величину сопротивлений нужно подобрать такой, чтобы миллиамперметр, подключенный в коллекторную цепь каждого транзистора, показывал ток в районе 0,5…0,8 мА. По второй схеме необходимо также выставить коллекторный ток второго транзистора путем подбора сопротивления резистора R3.
В первом варианте возможно применить транзисторы марки КТ312, или их зарубежные аналоги, однако при этом необходимо будет выставить правильное смещение напряжения транзисторов путем подбора сопротивлений R2, R4. Во втором варианте в свою очередь, возможно применить кремневые транзисторы марки КТ209, КТ361, или зарубежные аналоги. При этом выставить режимы работы транзисторов можно путем изменения сопротивления R3.
В коллекторную электроцепь транзистора VT2 (обоих усилителей) взамен наушников возможно подключить динамик с высоким сопротивлением. Если же необходимо получить более мощное усиление звука, то можно собрать усилитель на , который обеспечивает усиление до 15 Вт.
Редакция сайта «Две Схемы» представляет простой, но качественный усилитель НЧ на транзисторах MOSFET. Его схема должна быть хорошо известна радиолюбителям аудиофилам, так как ей уже лет 20. Схема является разработкой знаменитого Энтони Холтона, поэтому её иногда так и называют — УНЧ Holton. Система усиления звука имеет низкие гармонические искажения, не превышающие 0,1%, при мощности на нагрузку порядка 100 Ватт.
Данный усилитель является альтернативой для популярных усилителей серии TDA и подобных попсовых, ведь при чуть большей стоимости можно получить усилитель с явно лучшими характеристиками.
Большим преимуществом системы является простая конструкция и выходной каскад, состоящий из 2-х недорогих МОП-транзисторов. Усилитель может работать с динамиками сопротивлением как 4, так и 8 Ом. Единственной настройкой, которую необходимо выполнить во время запуска — будет установка значения тока покоя выходных транзисторов.
Усилитель Холтон на MOSFET — схема
Схема является классическим двухступенчатым усилителем, он состоит из дифференциального входного усилителя и симметричного усилителя мощности, в котором работает одна пара силовых транзисторов. Схема системы представлена выше.
Печатная плата УНЧ — готовый вид
Вот архив с PDF файлами печатной платы — .
Транзисторы Т4 (BC546) и T5 (BC546) работают в конфигурации дифференциального усилителя и рассчитаны на питание от источника тока, построенного на основе транзисторов T7 (BC546), T10 (BC546) и резисторах R18 (22 ком), R20 (680 Ом) и R12 (22 ком). Входной сигнал подается на два фильтра: нижних частот, построенный из элементов R6 (470 Ом) и C6 (1 нф) — он ограничивает ВЧ компоненты сигнала и полосовой фильтр, состоящий из C5 (1 мкф), R6 и R10 (47 ком), ограничивающий составляющие сигнала на инфранизких частотах.
Нагрузкой дифференциального усилителя являются резисторы R2 (4,7 ком) и R3 (4,7 ком). Транзисторы T1 (MJE350) и T2 (MJE350) представляют собой еще один каскад усиления, а его нагрузкой являются транзисторы Т8 (MJE340), T9 (MJE340) и T6 (BD139).
Конденсаторы C3 (33 пф) и C4 (33 пф) противодействуют возбуждению усилителя. Конденсатор C8 (10 нф) включенный параллельно R13 (10 ком/1 В), улучшает переходную характеристику УНЧ, что имеет значение для быстро нарастающих входных сигналов.
Транзистор T6 вместе с элементами R9 (4,7 ком), R15 (680 Ом), R16 (82 Ом) и PR1 (5 ком) позволяет установить правильную полярность выходных каскадов усилителя в состоянии покоя. С помощью потенциометра необходимо установить ток покоя выходных транзисторов в пределах 90-110 мА, что соответствует падению напряжения на R8 (0,22 Ом/5 Вт) и R17 (0,22 Ом/5 Вт) в пределах 20-25 мВ. Общее потребление тока в режиме покоя усилителя должен быть в районе 130 мА.
Выходными элементами усилителя являются МОП-транзисторы T3 (IRFP240) и T11 (IRFP9240). Транзисторы эти устанавливаются как повторитель напряжения с большим максимальным выходным током, таким образом, первые 2 каскада должны раскачать достаточно большую амплитуду для выходного сигнала.
Резисторы R8 и R17 были применены, в основном, для быстрого измерения тока покоя транзисторов усилителя мощности без вмешательства в схему. Могут они также пригодиться в случае расширения системы на еще одну пару силовых транзисторов, из-за различий в сопротивлении открытых каналов транзисторов.
Резисторы R5 (470 Ом) и R19 (470 Ом) ограничивают скорость зарядки емкости проходных транзисторов, а, следовательно, ограничивают частотный диапазон усилителя. Диоды D1-D2 (BZX85-C12V) защищают мощные транзисторы. С ними напряжение при запуске относительно источников питания у транзисторов не должно быть больше 12 В.
На плате усилителя предусмотрены места для конденсаторов фильтра питания С2 (4700 мкф/50 в) и C13 (4700 мкф/50 в).
Самодельный транзисторный УНЧ на МОСФЕТ
Управление питается через дополнительный RC фильтр, построенный на элементах R1 (100 Ом/1 В), С1 (220 мкф/50 в) и R23 (100 Ом/1 В) и C12 (220 мкф/50 в).
Схема усилителя обеспечивает мощность, которая достигает реальных 100 Вт (эффективное синусоидальная), при входном напряжении в районе 600 мВ и сопротивлением нагрузки 4 Ома.
Усилитель Холтон на плате с деталями
Рекомендуемый трансформатор — тороид 200 Вт с напряжением 2х24 В. После выпрямления и сглаживания должно получиться двух полярное питание усилители мощности в районе +/-33 Вольт. Представленная здесь конструкция является модулем монофонического усилителя с очень хорошими параметрами, построенного на транзисторах MOSFET, который можно использовать как отдельный блок или в составе .
Появилось желание собрать более мощный усилитель «А» класса. Прочитав достаточное количество соответствующей литературы и выбрал из предлагавшегося самую последнюю версию. Это был усилитель мощностью 30 Вт соответствующий по своим параметрам усилителям высокого класса.
В имеющеюся трассировку оригинальных печатных плат никаких изменений вносить не предполагал, однако, ввиду отсутствия первоначальных силовых транзисторов, был выбран более надежный выходной каскад с использованием транзисторов 2SA1943 и 2SC5200. Применение этих транзисторов в итоге позволило обеспечить большую выходную мощность усилителя. Принципиальная схема моей версии усилителя далее.
Это изображение плат собранных по этой схеме с транзисторами Toshiba 2SA1943 и 2SC5200.
Если присмотреться, то сможете увидеть на печатной плате вместе со всеми компонентами стоят резисторы смещения, они мощность 1 Вт углеродного типа. Оказалось, что они более термостабильны. При работе любого усилителя большой мощности выделяется огромное количества тепла, поэтому соблюдение постоянства номинала электронного компонента при его нагреве является важным условием качественной работы устройства.
Собранная версия усилителя работает при токе около 1,6 А и напряжении 35 В. В результате чего 60 Вт мощности непрерывного рассеивается на транзисторах в выходном каскаде. Должен заметить, что это только треть мощности, которую они способны выдержать. Постарайтесь представить, сколько тепла выделяется на радиаторах при их нагреве до 40 градусов.
Корпус усилителя сделан своими руками из алюминия. Верхняя плита и монтажная плита толщиной 3 мм. Радиатор состоит из двух частей, его габаритные размеры составляют 420 x 180 x 35 мм. Крепеж - винты, в основном с потайной головкой из нержавеющей стали и резьбой М5 или М3. Количество конденсаторов было увеличено до шести, их общая ёмкость 220000 мкФ. Для питания был использован тороидальный трансформатор мощностью 500 Вт.
Хорошо видно устройство усилителя, которое имеет медные шины соответствующего дизайна. Добавлен небольшой тороид, для регулируемой подачи под управлением схемы защиты от постоянного тока. Так же имеется ВЧ фильтр в цепи питания. При всей своей простоте, надо сказать обманчивой простоте, топологии платы этого усилителя и звук им производится как бы без всякого усилия, подразумевающего в свою очередь возможность его бесконечного усиления.
Спад 3 дБ на 208 кГц
Синусоида 10 Гц и 100 Гц
Синусоида 1 кГц и 10 кГц
Сигналы 100 кГц и 1 МГц
Меандр 10 Гц и 100 Гц
Меандр 1 кГц и 10 кГц
Полная мощность 60 Вт отсечение симметрии на частоте 1 кГц
Таким образом становится понятно, что простая и качественная конструкция УМЗЧ не обязательно делается с применением интегральных микросхем - всего 8 транзисторов позволяют добиться приличного звучания со схемой, собрать которую можно за пол дня.
