Выходные усилители мощности на транзисторах. Выходной каскад. Классы работы звуковых усилителей

В главе 3 были рассмотрены принципы построения схем усилителей мощности, работающих в режимах А, В или АВ. Показано, что наиболее благоприятным режимом для выходных каскадов усиления мощности является режим класса АВ. Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности на однотипных биполярных транзисторах, работающего в режиме класса АВ, приведена на рис. 4.26. Небольшое смещение напряжения , подается на базы транзисторов с помощью резисторов .

Вместо резистора можно использовать прямосмещенный диод, создающий на базе транзистора напряжение смещения Для обеспечения режима класса АВ.

Диод осуществляет также термокомпенсацию рабочей точки покоя, так как при изменении температуры напряжение на эмиттерном переходе транзисторов и падение напряжения на открытом диоде меняются в одну и ту же сторону. Для получения большего эффекта термостабилизации диод и транзисторы следует подбирать.

Расчет выходной мощности, КПД и нелинейных искажений в каскаде усиления мощности класса АВ можно производить с статочной степенью точности по формулам (3.14), (3.16), (3.19), выведенным для режима класса В в § 3.2.

Трансформаторы, используемые в рассмотренных схемах, не позволяют снизить габариты и вес усилителей мощности, ухудшают их амплитудно-частотную характеристику. Изготовление трансформаторов требует больших затрат ручного труда, дефицитных материалов, и как элементы схемы трансформаторы имеют низкую надежность. Поэтому в настоящее время широко распространены бестрансформаторные двухтактные усилители мощности, построенные на паре транзисторов разного типа электропроводности (рис. 4.27, а).

Схема состоит из двух однотактных эмиттерных повторителей (плеч), работающих попеременно, в течение одного полупериода входного сигнала. Питание плеч осуществляется раздельно, от двух разнополярных источников постоянного напряжения , объединенных общей шиной, которая обычно заземляется. Благодаря разному типу электропроводности транзисторов каскад не требует парафазных входных напряжений.

Отрицательная обратная связь позволяет уменьшить нелинейные искажения, а также влияние асимметрии плеч. Однако в схемах с использованием эмиттерных повторителей выходное напряжение не может превышать входное, т. е. происходит по существу лишь усиление тока. Каскад (рис. 4.27, а) работает следующим образом.

В отсутствие входного сигнала точка имеет нулевой потенциал. На базе каждого транзисторов за счет делителя создается постоянное напряжение смещения , равное падению напряжения на соответствующем диоде и обеспечивающее работу каскада в режиме класса АВ.

Если пренебречь током смещения базы транзистора и положить через каждый диод протекает ток

При положительной полуволне входного напряжения с амплитудой диоды остаются открытыми. Напряжение поступает на базы транзисторов. При этом транзистор запирается, а ток базы транзистора увеличивается на величину

Ток через диод становится равным

где - ток через резистор R при положительном напряжении .

Ток станет равным нулю, т. е. диод закроется, при максимальном значении , которое можно определить из формулы (4.84), положив в ней . После преобразований получим

Таким образом, для расширения динамического диапазона входного сигнала необходимо уменьшать сопротивление резистора R в цепи смещения. Однако при уменьшении R шунтируется входное сопротивление эмиттерного повторителя, составляющего плечо каскада.

При отрицательной полуволне входного напряжения запирается транзистор и увеличивается ток транзистора .

Процессы преобразования входного сигнала в каскаде усиления мощности для положительной и отрицательной полуволн протекают в принципе одинаково. Поэтому формулы (4.83) и (4.84) Для обеих полуволн входного сигнала идентичны и отличаются лишь индексами, соответствующими открытому транзистору.

Графический расчет бестрансформаторного каскада производится по выходным характеристикам транзисторов и не отличается от графического расчета каскада с использованием . При этом роль сопротивления в бестрансформаторном каскаде играет сопротивление .

Для определения входного сопротивления, входной мощности и нелинейных искажений бестрансформаторного каскада следует пользоваться динамическими входными характеристиками, при построении которых по оси абсцисс следует откладывать не напряжение , а напряжение .

Наличие двух источников питания в схеме рис. 4.27, а может вызвать определенные неудобства при пользовании схемой. Для замены двух источников питания одним последовательно с нагрузкой включают разделительный конденсатор достаточно большой емкости (рис. ). По постоянному току транзисторы схемы включены последовательно. Поэтому при идентичных параметрах транзисторов постоянное напряжение на раздельном конденсаторе составляет и является «источником питания» для транзистора .

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора равно .

Для исключения искажений выходного сигнала за счет конденсатора необходимо, чтобы напряжение оставалось постоянным в течение отрицательного полупериода (транзистор открыт) входного синусоидального сигнала с частотой, соответствующей низшей частоте полосы пропускания. Тогда изменение напряжения на нагрузке будет определяться изменением напряжения на эмиттере открытого транзистора .

Емкость конденсатора выбирают, пользуясь соотношением

где - выходное сопротивление эмиттерного повторителя одного из плеч усилителя.

Методика расчета каскада не отличается от методики расчета рассмотренных каскадов усиления мощности, т. е. производится с использованием статических характеристик транзистора одного плеча. При этом следует учесть, что рабочая точка покоя соответствует уровню напряжения питания транзистора одного плеча .

Недостатком бестрансформаторных каскадов, приведенных на рис. 4.27, является большое различие параметров у разных типов электропроводностей. Для устранения этого недостатка промышленностью выпускаются «пары» транзисторов с одинаковыми параметрами, но разным типом электропроводности, так называемые комплементарные транзисторы, ассорти мент которых соответствует различным уровням выходной мощ ности усилителя, например .

Чтобы увеличить нагрузочную мощность усилителей мощности, выполненных на основе эмиттерных повторителей, используют составные транзисторы. Принципиальная схема такого усилителя мощности приведена на рис. 4.28. В схеме (рис. 4.28) вместо резисторов R, определяющих ток диодов смещения применяют источники постоянного тока I, позволяющие расширить динамический диапазон входного сигнала.

Действительно, заменяя в формуле на и приравнивая , получим

Кроме того, источники постоянного тока, обладая высоким внутренним сопротивлением, не шунтируют высокое входное сопротивление эмиттерных повторителей на составных транзисторах , что также является существенным преимуществом источника тока перед обычными резисторами .

В качестве источника постоянного тока можно использовать транзистор, включенный по схеме с общей базой, входная цепь которого обеспечивает постоянство тока эмиттера, т. е. . Тогда при различных изменениях коллекторного напряжения рабочая точка будет перемещаться только по одной ветви семейства выходных характеристик (рис. 4.29) и ток коллектора останется практически постоянным.

Точнее, изменение коллекторного тока при изменении коллекторного напряжения транзистора и постоянном токе эмиттера определяется значением дифференциального сопротивления коллекторного перехода

которое в схеме ОБ велико и составляет несколько (сравните с в схеме ОЭ).

В схеме рис. 4.30 источники постоянного тока выполнены на транзисторах . Через каждый из транзисторов протекает ток

где - падение напряжения на резисторе или напряжение стабилизации стабилитрона , которое, очевидно, должно превышать напряжение на эмиттерном переходе транзистора .

Кроме стабилитронов в цепях смещения транзистора можно использовать светодиод с красным свечением, падение напряжения на котором в открытом состоянии составляет 1,8 В, или два последовательно включенных выпрямительных диода.

Ток эмиттера транзистора выбирается из условия

где - амплитуда базового тока транзистора .

Ток в делителе выбирается равным коллекторному току транзистора . Тогда сопротивления находятся из формулы

Дома давно без дела стояла переделанная колонка типа С-90. Для нее давно задумывал сделать мощный транзисторный усилитель, только всё времени не было собрать. И вот решил не мучить себя транзисторами и собрать не менее xороший выходной монофонического типа (поскольку колонка была единственной) на современной базе. Мой выбор из многочисленныx микросxем остановился на всем отлично известную TDA7294. Почему выбрал именно ее? Ничтожная цена, если учесть выxодную мощность микросxемы, очень xорошие звуковые параметры, большая выxодная мощность, простая сxема включения, высокий бассовый потенциал и многое другое.

Особенно понравилось то, что данный усилитель отлично чувствует себя на полной громкости при питании 30 вольт. Но если нужно, то питание можно подавать до 36 вольт, даже подавал 40 и на полной громкости не наблюдал искажений. Но рисковать не стоит - мало ли что. Долговременная мощность у микросxемы чистыx 70 ватт.

Корпус - магнитола автомобиля. Заранее из нее снять все внутренности, оставив только панельку.

Сначала собирался собрать по сxеме Чавильча с выxодными транзисторами, но не решился, поскольку отзывы теx кто собирал настораживали. В таком подключении микросxема работает как предварительный усилитель, а основная нагрузка лежит на мощныx выxодныx транзистораx. Если есть желающие попробовать этот вариант - выкладываю схему, но не советую, ведь xотя у нее мощность примерно 130 ватт, при большой громкости звук делается неузнаваем.

Трансформатор был от ч/б телевизора с мощностью 200 ватт, хотя подойдет любой от 150 до 300 ватт. Конечно можно больше, но смысла нет, поскольку усилитель на пикаx потребляет не более 100-120 ватт. Трансформатор нужно слегка переделать, поскольку нам нужно питание +/- 30 вольт, то есть 15 вольт на плечо. Если у вас трансформатор от телевизора, там на каждой катушке есть 12 вольтовые отмотки и мотать трансформатор самому уже не нужно. Если вам не повезло и трансформатор не тот, придётся мотать вторичку. Для этого разбираем трансформатор снимая железки и все вторичные обмотки оставляя только сетевую. Затем берем провод с диаметром 1 мм и мотаем 50 витков затем делаем отвод и мотаем еще столько. После намотки обратно собираем трансформатор.

Диодный мост делаем из диодов типа КД2010 с любой буквой, главное - чтоб диоды держали ток минимум 5 ампер. Конденсаторы на фильтре ставим на 35, 40 или 50 вольт. Микрофарады побольше, начиная минимум от 4700 микрофарад. Для лучшей фильтрации паралельно к конденсаторам подключаем неполярные конденсаторы на 0,1 микрофарад. Дальше собираем сам усилитель мощности по сxеме. Вxодной конденсатор не критичен, но можно сделать подбор по лучшему звучанию. После сборки, микросхему усилителя без радиатора прикрутил на корпус магнитолы и дополнил изделие вентилятором от компьютерного БП.

Блок питания собран отдельно и подключается через трехразъемную вилку к общему усилительному блоку. Звуковой регулятор находится сзади корпуса, а электронный регулятор на панельке не играет никакой роли, просто дополняет дизайн конструкции выходного усилителя. Если вы любитель громкой музыки, стоит собрать вариант мостового включения двуx микросxем TDA7294, этим возможно получить до 180 ватт чистой мощности. Но естественно этот вариант тоже работает в моно режиме, поскольку здесь использована суммарная мощность обеих микросxем.

При сборке мостового варианта усилителя учтите, что выxодная нагрузка каждой микросxемы 4 ома, то есть вам понадобится динамическая головка с сопротивлением 8 ом, а иx не очень то и просто найти. Правда можно для получении нагрузки 8 ом подключить последовательно два динамика по 4 ома.

Если желаете собрать стерео вариант на двуx микросxемаx, мой личный совет - для получении более высокого качества звука питайте микросxемы от отдельных источников тока, то есть берите один трансформатор с мощностью 200-300 ватт и для каждого усилителя мотайте свою независимую обмотку, снабжайте отдельными диодными мостами и конденсаторным блоком фильтров, а если найдутся экстремалы которые все же решат дополнить усилитель выxодными транзисторами по сxеме Чавильча, то между транзисторами и микросxемой ставьте дополнительную сxему на транзистораx - это повышет надежность и стабильность работы выходного усилителя. Статью прислал - АКА.

Обсудить статью ВЫХОДНОЙ УСИЛИТЕЛЬ

16922

Двухсторонняя печатная плата усилителя JLH2005 под винтажные выходные транзисторы в металлических корпусах

Радиаторы драйверного и транзистора источника тока для надежности стянуты шпильками JLH2003

Установка выходных транзисторов 2sc5200 в усилитель JLH 2003 в пластиковых корпусах

Выходные транзисторы КТ-819 гм по три в плечо показали себя не хуже импортных

Два выходных транзистора и транзистор электронного фильтра вынесены на свитых проводах за габарит печатной платы

Бюджетный вариант усилителя JLH1969 на германиевых транзисторах гт404а и мп42б
Подбор выходных транзисторов в усилитель JLH1969 испытываются кт803

На платах оконечников JLH2003 установлены предварительные усилители на микросхемах

Печатные платы и корпус этого усилителя JLH2003 из китайского интернет магазина

Выходные транзисторы в усилитель JLH2003 впаяны непосредственно в платы

Усилитель класса А идеологии JLH собран по схеме - двойное моно, плоский тороидальный трансформатор находится по экраном

Подбор транзисторов в усилитель JLH

Выходные транзисторы

В усилителе JLH основное внимание нужно уделять подбору выходных транзисторов в пары и по максимальному значению Кус. Если у вас в качестве выходных будут работать ну очень хорошие и удобные для монтажа MJL21194, у которых Кус не очень высок (максимум 50-80), то в драйвер нужно ставить транзистор средней мощности с бетой не меньше 150-200, для транзисторов MJ15003 это не так актуально т.к. у них есть экземпляры с Кус = 90-120. MJ15003 более предпочтительны для выходного каскада из-за параметров, но с ними сложнее в конструктивном плане т.к. их нужно изолировать от радиаторов.

Входной транзистор либо с теми, либо с теми транзисторами должен иметь Кус не менее 250-300. Подбирать транзисторы для источников тока в версии усилителя 2003 года не обязательно, хотя для успокоения души тоже можно. У меня выходные транзисторы подобраны с точностью 3-4% и при этом особенно извращаться не пришлось т.к. я купил заведомо оригинальные приборы правда при этом прилично за них переплатив. Из купленных 16-ти транзисторов MJ15003 разброс коэффициента усиления у них не превышал 10-15% при токе коллектора 2,5 Ампера. Если четыре (восемь) выходных транзисторов подобрать с точностью 3-5% не получается, тогда советую транзисторы с большим Кус ставить в нижнее плечо каждого канала усилителя (по схеме 1969 года это Tr1). Повторюсь, что оригинальные транзисторы из одной партии и с одной датой выпуска имеют разброс беты не более 15% (ИМХО).

Измерение Кус выходных транзисторов

Мультиметром подбирать мощные транзисторы по коэффициенту усиления - распространенная ошибка. Ток, на котором производится измерение Кус промышленными мультиметрами и тестерами - десятки миллиампер, а нам нужен ток, примерно равный току покоя в рабочем режиме, т.е. 1,5 - 3 А. Лучший способ подбора - непосредственно после установки в макет усилителя по падению напряжения на резисторах, включенных в эмиттеры мощных транзисторов. К тому же в макете усилителя выходные транзисторы прогреются до рабочей температуры, плюс через них будет протекать полный рабочий ток. Можно отбирать транзисторы и вне схемы усилителя. Для этого нужно подключить коллектор транзистора к плюсу блока питания, а эмиттер через резистор 0,1-0,3 ома к минусу. Базу транзистора нужно подключить через резистор номиналом 1-2 кОм к плюсу, можно сделать цепь из постоянного резистора 0,5 кОм и подстроечного 1-5 кОм, тогда можно будет менять ток коллектора и вычислять Кус транзистора при разном его значении. Транзистор в обязательном порядке нужно прикрутить к радиаторы или опустить в банку с дистиллированной водой (нам нужно нормальное охлаждение, чтобы транзистор не разогрелся выше 50-60 градусов). После сборки схемы подаем напряжение, выставляем подстроечным резистором ток через транзистор в р-не 1,5-2.5 А (ток контролируем по падению напряжения на резисторе 0,1-0,3 Ома) и даем транзистору прогреться около 10-15 минут. Такую же процедуру проводим для остальных транзисторов, потом составляем пары и четверки приборов с максимально близкими значениями падения напряжения на эмитерном резисторе 0,1-0,3 Ома. Такого подбора транзисторов для JLH будет вполне достаточно.

Лучше измерять ток базы при фиксированных , и отбирать пары, которые имеюр близкий ток базы во всех трех точках измерения. У меня для охлаждения транзисторов была приспособлена толстая пластина из дюраля. К ней я прикручивал сразу по нескольку транзисторов и первый перед началом цикла измерений разогревал током 3 А до фиксации температуры радиатора на 60 градусах. Остальные транзисторы принимали ту же температуру и режим измерения оказывался близким к реальным условиям работы в оконечном каскаде.

Собрал сегодня один канал усилителя . На входе поставил германиевый МП20А с Кус около 70. В драйверный каскад впаял ГТ404Г с Кус 89, на выход поставил КТ908А без отбора по бете. КТ908А поставил на общий радиатор площадью 900 кв.см. через слюдяные прокладки и пасту. После получасового прогрева радиатор можно было трогать, температура по ощущениям была около 60 градусов. На слух звучание очень понравилось. Не знаю с чем это связано, с 908 на выходе или с двумя германиевыми на входе и драйвере, но когда я собирал то же самое со всеми кремниевыми транзисторами звук меня совсем не убедил. Потом попробовал 908 транзисторы заменить на КТ808, звук с ними понравился меньше и разогрелись они практически мгновенно. Осциллографа у меня не было поэтому причину быстрого разогрева и был ли с 808-ми возбуд, я так и не понял. Пробовал менять 808 на КТ803 и КТ-819, и те и те работают хуже 908 это точно. По крайней мере для себя я их оставил в приоритете.

Транзисторы СССР = Остапенко Игорь

Доброго времени суток! В результате экспериментов остановился на таком варианте: Первый транзистор АС125 с Кус 460 (от этого транзистора максимально зависит голос всего усилителя). До АС125 пробовал ставить советский МП10, 2N3906, BC327… эти были явно хуже. В драйверный каскад пробовал советские КТ801 и КТ630д. С КТ630 усилок без сигнала возбуждался, но звучал лучше, чем с импортным BD139. КТ801 не понравился по звуку. В итоге в драйвере оставил BD139 с Кус 160, а с КТ630 буду еще экспериментировать и пробовать убирать возбуд. На выходе у меня побывали 100% оригинальные TIP3055 и советские КТ819ГМ и КТ903А с бетой примерно 60-80. Импортные транзисторы оказались по звуку такими же как КТ903, а КТ-819ГМ остались в аутсайдерах. Итого: оставил КТ903 для которых у меня в радиаторах имелись готовые дырки. Если бы КТ819ГМ или TIP3055 сыграли лучше, радиаторы пришлось бы перепиливать.

Теперь про измерения и звук: Попробовал мерять усилок через RMAA. Толком не получилось потому, что у моей USB карты Беринжер искажения и собственный шум оказались выше чем у усилителя. Из чего я определил, что шум собственно усилителя не более 90 дБ, а искажения 0,07 % или около того. Спектр обогащен густым лесом идущим от звуковой карты(. При амплитуде 22 В на выходе синусоида чистая в диапазоне 20 Гц - 20000 кГц. Получилось около 8 ватт на 8-ми Омной нагрузке. Включал усилитель в раздолбанные S-90. Если честно, то был удивлен…Звук мощный и густой, такой «праздничный» что ли… Давно не слышал, чтобы при восьми ваттах в S-90 выплевывались низкочастотные динамики.

Гибрид JLH1969 и JLH2005 = and4841

У меня аппарат с однополярным питанием, в драйверном каскаде стоит источник тока, а усилитель напряжения запитан через стабилизатор на микросхеме LM. В выходном каскаде трудятся по две пары подобранных по Кус (80-90) 2N3055. Пробовал ставить в выходной каскад 2SC-5200, не понравилось по звучанию… Хочу сказать про мощностные характеристики т.к. изначально не ожидал получить от JLH большую мощу без риска сжечь редкий импорт. Максимальная амплитуда каждой полуволны почти 16 Вольт до среза верхушки. На 4 ома при токе покоя 3 А выходная мощность достигает 64 Ватт. Это пиковое значение и при таком токе транзисторы греются нещадно, хоть и установлены на радиаторе около 8000 кв.см. Сейчас ток покоя уменьшен до 2,1 А, и при нем пиковая мощность около 45 Ватт, зато транзисторы работают более - менее в нормальном режиме. Радиатор при всей его монструозности с отводом тепла не справляется и в помощь к нему приставлены четыре тихоходным 120 мм кулера. В каждом канале стоят по два трансформатора ТПП мощностью 90 Ватт каждый. Итого, усилитель у меня потребляет и соответственно рассеивает 360 ватт в непрерывном режиме. После трансформаторов стоит два диодных моста на 40 ампер и фильтры емкостью 3 х 10000 мкФ на канал. Земляная шина разведена звездой с минусовых выводов конденсаторов фильтра. Транзисторы на радиаторах стоят без прокладок, а сами радиаторы изолированы от корпуса. Для устранения хлопка в колонках стоит схема задержки.

Про транзисторы тезисно:

• В JLH-59 неплохо идет Tosiba 1943 и 5200, и мне почему-то показалось, что с транзисторами прямой проводимости на выходе - звук лучше. При применении "перевёрнутой" схемы есть один плюс и один минус в плане подбора транзисторов: плюс - "хороших" входных n-p-n гораздо бОльший выбор (начиная от ВС239, ВС339, 2N2222, 2N3904, 2SC2240...); минус - предвыходных p-n-p выбор - гораздо меньший (в принципе, только BD140, 2SA1815, 2SB647, 2SB667).
• Маломощный вариант усилителя JLH1969 лучше собирать на импорте в драйвере 2N3906 или советском КТ602БМ и выходными КТ908А при токе покоя 1,5 А и напряжении 12-14 В; а более мощный на 2SD667 - 2SD669 или MJE3055T и выходными MJ15003 током покоя 2,5 А и питанием 18-20 В. Маломощный вариант на 5-10 Вт можно собирать с среднемощными BD-139 с бетой 120-150 и током покоя 0,5 - 1 А.
• Схема усилителя с двухполярным питанием и современными деталями: Выходной каскад на 2sc5200, предвыходной - BD137 Philips и BD139 Fairchild, 2SC3421 (2SC5171 порадовал детальностью), входной малошумящий - 2SA970 (BL) и BC560 (C), транзисторы источников тока - MPSA56/92… звучит весьма интересно, гармоники ограничиваются 3-ей и её совсем мало. Измерялось на 30 кГц.
• В обеих версиях усилителя нет коррекции ВЧ, поэтому при использовании ВЧ транзисторов возможно самовозбуждение и многие советуют применять транзисторы НЧ. Но НЧ транзисторы заваливают фронт меандра, с ВЧ транзисторами все намного лучше, с ними нужно применять коррекцию, причем частота первого полюса должна быть более 25кгц, потому как при полюсе ниже 20-25 кгц завал по верхам слышен явно.
• На звуке сильна разница между инвертирующим и не инвертирующем варианте усилителя (те параллельной и последовательной ООС). Разница между схемами 1969 и 2005 года не так велика, хотя, как по мне, то 1969 приятнее. Для схемы 1969 года при транзисторах 2sc5200 на выходе, параллельно резистору ООС идущему с выхода на эмиттер первого транзистора нужно поставить конденсатор емкостью 33-68 пФ (при уменьшении этого резистора вдвое - до 1,2 кОм, емкость этого конденсатора нужно увеличить до 47-100 пФ). Второй элемент коррекции - это емкость между коллектором и базой предвыходного транзистора, ставьте 6-15 пФ, а если уменьшите номинал резистора в коллекторе первого каскада до 4 кОм, то 10-27 пФ. Эту емкость нужно выбирать минимальной при отсутствии возбуждения. Единственная проблема у инвертирующей схемы - ее входное сопротивление постоянно и равно номиналу резистора на входе (на схеме 1 кОм), а значит здесь нужен нестандартный низкоомный регулятор громкости номиналом меньше 1 кОм. Плюс инвертирующая схема накладывает жесткое ограничение на выходное сопротивление источника сигнала, которое не должно превышать сотен Ом. В инверсном включении звук намного лучше и входной транзистор работает с ОБ (меньше искажений). По звуку пока лучшее что я слышал = FEDGEN
• Из транзисторов для применения в выходном каскаде лучше MJ15024/ MJ15025 не встречал, с предвыходными вообще беда. Можно попробовать Тosiba 2SA1302\2SC3281, 2SA1987\2SC5359,они стабильнее и комплиментарнее = Vlad Bo.
• Проблемы в современных транзисторах - что с ними не делай в области ВЧ присутствует писклявость особенно SANKEN-ах а в LAPT-овых (многэмитерные). Люблю Моторолу MJ15025, на японских усилителях, которые мне попадались заменил все японские на моторолу. Транзисторы MJ15025 идеальные для звука по частотным свойствам лучших пока нет. Да и на слух Мотороловские MJE15003, MJE15004 звучат лучше Тошибы - 2sc5200, 2sc1943.

P. S. Кто собирал этот аппарат - хвалят. Особенно применив старые Мотороллы или старый наш германий. Если реализовать схему

Выходные усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадного усилителя и предназначены для обеспечения заданной мощности нагрузки РН при заданном сопротивлении нагрузки RН, как правило, низкоомной. Получение на выходе усилителя большой мощности предполагает работу его транзисторов при больших значениях токов и напряжений. Отсюда следует, что одним из основных параметров усилителя становится его КПД. К тому же переменные составляющие токов и напряжений в этом случае соизмеримы с постоянными составляющими сигналов. На свойства усилителя сильно влияют связь параметров транзистора с режимами его работы и нелинейность характеристик. В выходных усилителях мощности должны использоваться транзисторные каскады с малым выходным сопротивлением, а вводимые цепи ООС должны быть только по напряжению. Это обусловило применение в усилителях мощности только двухтактных схем усиления, обеспечивающих работу транзисторов в режимах класса В и АВ. Усилители, работающих в режиме класса А (выходной транзистор всегда в открытом состоянии), имеют малое КПД, поэтому при больших мощностях сигналов такие схемы используется редко. На рис. 11.17 показана двухтактная схема усилителя мощности, работающая в режиме класса В. Усилитель, собранный на двух биполярных транзисторах различного типа проводимости, имеющих одинаковые параметры, получил название комплементарный усилитель. Транзистор VT1 открыт при положительных значениях сигнала, а транзистор VT2 - при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторный ток отсутствует и мощность, рассеиваемая на транзисторах, близка к нулю. При выходной мощности 10 Вт каждый транзистор рассеивает мощность менее 10 Вт, максимально возможный коэффициент полезного действия схемы составляет 78%

Рис. 11.17. Двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса В

Этой схеме присуще следующее свойство: выходной сигнал повторяет входной с разницей на величину падения напряжения UБЭ, на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной будет таким, как показано на рис. 11.11, а. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Для улучшения формы сигнала нужно немного сместить двухтактный каскад в состояние проводимости, как показано на рис.11.18.

Рис.11.18. Двухтактный усилитель, работающий в режиме класса АВ

Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря чему этому напряжение на базе VT1 превышает входное напряжение на величину напряжения на диоде, а напряжение на базе VT2 на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. При нулевом входном сигнале оба транзистора немного приоткрыты, их рабочие точки находятся в начале линейного участка входных характеристик (рис. 11.9). Резистор R выбран так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала. В этой схеме несколько увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и уменьшается КПД. Для улучшения параметров схемы часто используют двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис.11.19). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах VT1 и VT2. Поскольку напряжение на нагрузке RН примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рис.11.19. Усилитель мощности с ОУ

Рассмотренный выше усилитель имеет один серьезный недостаток: он не обладает температурной стабильностью. При нагревании выходных транзисторов (они нагреваются, так как рассеивают мощность), напряжение uКЭ начинает убывать, а коллекторный ток покоя — возрастать. Выделяющееся при этом дополнительное тепло усугубляет положение и повышает вероятность того, что в схеме получится неконтролируемая тепловая положительная обратная связь (эта вероятность зависит от ряда факторов: насколько велик радиатор для отвода тепла, совпадает ли температура диодов с температурой транзисторов и т.д.). Для исключения этого эффекта используют схему с параметрической температурной стабилизацией режима (рис. 11.20). Для примера здесь показан случай, когда входной сигнал снимается с коллектора предшествующего каскада, резистор выполняет двойную функцию: он является коллекторным резистором транзистора VT1 и формирует ток для смещения диодов и смещающего резистора в основной двухтактной схеме. Резисторы R3 и R4 обычно имеют сопротивление несколько ом и ниже, они уменьшают влияние критического смещения тока покоя: напряжение между базами выходных транзисторов должно быть немного больше, чем удвоенное падение напряжения на диоде, дополнительное падение напряжения обеспечивает регулируемый резистор смещения R2 (иногда его заменяют еще одним диодом).

Рис.11.20. Усилитель с температурной параметрической стабилизацией режима

Падение напряжения на резисторах R3 и R4 составляют несколько десятых долей вольта, благодаря этому температурное изменение напряжения UБЭ не приводит к быстрому возрастанию тока (чем больше падение напряжения на R3 и R4, тем менее чувствителен к температуре усилитель) и схема работает стабильно. Стабильность увеличивается, если диоды имеют тепловой контакт с выходными транзисторами (размещены на их корпусе). Еще одно преимущество схемы состоит в том, что регулировка тока покоя позволит управлять величиной переходных искажений. При выборе тока покоя следует найти компромисс между уменьшением искажений и рассеиваемой мощностью в состоянии покоя. Составной транзистор. Если соединить транзисторы, как показано на рис. 11.21, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов.

Рис.11.21. Составной транзистор

Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс. Для улучшения параметров схемы между базой и эмиттером транзисторов включают резистор R, который предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов VT1 и VT2. Сопротивление резистора выбирают таким, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение на диоде в предыдущей схеме, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе. Промышленность выпускает составные транзисторы в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор.

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.