Транзисторен усилвател: видове, схеми, прости и сложни

Най-простият транзисторен усилвател може да бъде добър инструмент за изучаване на свойствата на устройствата. Схемите и дизайните са доста прости, можете да направите устройството сами и да проверите неговата работа, да измерите всички параметри. Благодарение на модерния полеви транзистори Можете буквално да направите три елемента от миниатюрен микрофон. И го свържете към персонален компютър, за да подобрите параметрите на запис. Да, и събеседниците по време на разговорите ще бъдат много по-добри и по-ясни, за да чуят вашата реч.

Честотен спектър

Нискочестотни (звукови) усилватели се предлагат в почти всички домакински уреди - музикални центрове, телевизори, радиостанции, радио и дори персонални компютри. Но все още има RF усилватели на транзистори, лампи и микросхеми. Разликата им е, че ULF може само да усили сигнала на аудиочестотата, която се възприема от човешкото ухо. Усилватели на звука транзисторите ви позволяват да възпроизвеждате сигнали с честоти в диапазона от 20 Hz до 20,000 Hz.

Следователно, дори и най-простото устройство може да усили сигнала в този диапазон. И го прави възможно най-равномерно. Печалбата зависи пряко от честотата на входния сигнал. Парцелът на тези стойности е практически права линия. Ако входният сигнал на усилвателя с честота извън обхвата, качеството и ефективността на устройството бързо ще намалее. ULF каскадите обикновено се сглобяват на транзистори, работещи в ниски и средни честотни диапазони.

Класове за усилване на звука

Всички усилващи устройства са разделени на няколко класа, в зависимост от степента на потока през периода на работа на тока през каскадата:

1. Клас "А" - текущите потоци без прекъсване през целия период на работа на каскадата на усилвателя.
2. В клас на работа "В" текущите потоци за половината от периода.
3. Клас "AB" казва, че токът преминава през каскадата на усилвателя за време, равно на 50-100% от периода.
4. В режим "С" електрическият поток протича за по-малко от половината от периода на работа.
5. Режим "D" ULF се използва в практиката на любителското радио съвсем наскоро - малко повече от 50 години. В повечето случаи тези устройства се изпълняват на базата на цифрови елементи и имат много висока ефективност - над 90%.

Наличието на изкривявания в различни класове нискочестотни усилватели

Работната зона на транзисторния усилвател клас "А" се характеризира с относително малка нелинейна деформация. Ако входящият сигнал излъчва импулси с по-високо напрежение, това води до насищане на транзисторите. В изходния сигнал по-високите (до 10 или 11) започват да се появяват близо до всяка хармоника. Поради това се появява метален звук, характерен само за транзисторните усилватели.

При нестабилно захранване изходният сигнал ще бъде амплитудно моделиран в близост до честотата на мрежата. Звукът ще стане по-твърд от лявата страна на честотната характеристика. Но колкото по-добра е стабилизацията на усилвателя, толкова по-трудна става конструкцията на цялото устройство. ULF, работещи в клас "А", имат сравнително малка ефективност - по-малко от 20%. Причината е, че транзисторът е постоянно отворен и през него непрекъснато тече ток.

За да увеличите (макар и незначителна) ефективност, можете да използвате push-pull схеми. Един недостатък е, че половината вълни на изходния сигнал стават асиметрични. Ако преведем от клас "А" на "АВ", нелинейните изкривявания ще се увеличат 3-4 пъти. Но ефективността на цялата верига устройство все още се увеличава. ULF класове “AB” и “B” характеризират увеличаването на изкривяването с намаляване на нивото на сигнала на входа. Но дори и да увеличите силата на звука, това не помага напълно да се отървете от недостатъците.

Работа в междинни класове

Всеки клас има няколко разновидности. Например, има клас на усилватели "А +". В него входните транзистори (ниско напрежение) работят в режим "А". Но високо напрежение, инсталирано в изходните етапи, работи или в "B" или в "AV". Такива усилватели са много по-икономични от работата в клас "А". Забележимо по-малко нелинейни изкривявания - не повече от 0,003%. По-високи резултати могат да бъдат постигнати чрез биполярни транзистори. Принципът на работа на усилвателите върху тези елементи ще бъде разгледан по-долу.

Но все още има голям брой по-високи хармоници в изходния сигнал, причинявайки звука да стане характерен металик. Има и усилвателни схеми, работещи в клас АА. В тях нелинейните изкривявания са дори по-малко - до 0.0005%. Но основният недостатък на транзисторните усилватели е все още там - характерен метален звук.

"Алтернативни" проекти

Не може да се каже, че те са алтернативни, а само някои специалисти, които участват в проектирането и монтирането на усилватели за висококачествено възпроизвеждане на звука, все повече предпочитат конструкциите на тръбите. Ламповите усилватели имат такива предимства:

1. Много ниско ниво на нелинейно изкривяване на изходния сигнал.
2. По-високите хармоници са по-малки, отколкото в транзисторните конструкции.

Но има един огромен недостатък, който надхвърля всички предимства - определено трябва да инсталирате устройство за одобрение. Факт е, че каскадата на лампата има много голямо съпротивление - няколко хиляди ома. Но съпротивлението на намотката на високоговорителите е 8 или 4 ома. За да ги координирате, трябва да инсталирате трансформатор.

Разбира се, това не е голям недостатък - има и транзисторни устройства, които използват трансформатори, за да съответстват на изходния етап и системата на високоговорителите. Някои експерти твърдят, че най-ефективната схема е хибрид - в който се използват единични усилватели, които не са обхванати от отрицателна обратна връзка. Освен това всички тези каскади работят в ULF клас "А" режим. С други думи, като ретранслатор се използва усилвател на транзисторна мощност.

Освен това, ефективността на такива устройства е доста висока - около 50%. Но не трябва да се фокусирате само върху показателите за ефективност и мощност - те не говорят за висококачествено възпроизвеждане на звука от усилвател. От много по-голямо значение са линейността на характеристиките и тяхното качество. Затова трябва да обърнем внимание предимно на тях, а не на властта.

Единична ULF транзисторна верига

Най-простият усилвател, построен по схема с общ емитер, работи в клас "А". Веригата използва полупроводникови елементи с npn структура. В колекторната верига е инсталирано съпротивление R3, ограничаващо токовия поток. Колекторната верига е свързана към положителния захранващ проводник и емитерната верига е свързана с отрицателната. В случай на използване на полупроводникови транзистори с pnp структура, веригата ще бъде точно същата, само ще бъде необходимо да се промени полярността.

С помощта на свързващ кондензатор С1 е възможно да се отдели променливия входен сигнал от източника постоянен ток В този случай, кондензаторът не е пречка за протичането на променлив ток по пътя на базовия емитер. Вътрешното съпротивление на възела-източник-източник заедно с резисторите R1 и R2 представляват най-простия делител на напрежението. Обикновено резистор R2 има съпротивление от 1-1.5 kΩ - най-типичните стойности за такива вериги. В този случай захранващото напрежение се разделя точно наполовина. И ако захранване на веригата с напрежение от 20 волта, можете да видите, че стойността на текущата печалба h21 ще бъде 150. Трябва да се отбележи, че HF усилватели на транзистори се извършват в съответствие с подобни схеми, те само малко по различен начин.

В същото време емитерното напрежение е 9 V и спадът в схемата „EB“ е 0.7 V (което е характерно за транзисторите на силициевите кристали). Ако разгледаме усилвателя на германиеви транзистори, тогава в този случай падът на напрежението в секцията „EB“ ще бъде равен на 0,3 V. Токът в колекторната верига ще бъде равен на този, който тече в емитера. Възможно е да се изчисли чрез разделяне на емитерното напрежение на съпротивлението R2 - 9V / 1 kΩ = 9 mA. За да се изчисли стойността на базовия ток, е необходимо да се разделят 9 mA с коефициента на усилване h21 - 9mA / 150 = 60 μA. В конструкцията на ULF обикновено се използват биполярни транзистори. Принципът на действие е различен от полевите.

На резистора R1 вече е възможно да се изчисли стойността на падане - това е разликата между базовата и напрежението на захранването. В този случай базовото напрежение може да се разпознае по формулата - сумата от характеристиките на излъчвателя и прехода „EB“. При захранване от източник от 20 волта: 20 - 9.7 = 10.3. Оттук е възможно да се изчисли стойността на съпротивлението R1 = 10.3 V / 60 μA = 172 kΩ. Във веригата има капацитет С2, който е необходим за реализирането на верига, по която пропуска променливият компонент на емитерния ток.

Ако не инсталирате кондензатор С2, променливият компонент ще бъде много ограничен. Поради това, такъв транзисторен аудио усилвател ще има много ниско текущо усилване h21. Трябва да се отбележи, че при горните изчисления, основите и колекторните токове се приемат за равни. А базовият ток бе взет от този, който се влива в веригата от излъчвателя. Това се случва само при условие, че към изхода на базата на транзистора се прилага напрежение на отклонение.

Но имайте предвид, че абсолютно винаги, независимо от наличието на пристрастие, колектор изтичане ток протича през основната схема. В схеми с общ емитер токът на утечка се увеличава поне 150 пъти. Но обикновено тази стойност се отчита само при изчисляване на усилватели на германиеви транзистори. В случая на силиций, при който токът на веригата “КБ” е много малък, тази стойност просто се игнорира.

MOSFET усилватели

Представеният в диаграмата усилвател на полевия транзистор има много аналози. Включително и използването биполярни транзистори. Ето защо е възможно да се разглежда като подобен пример конструкцията на звуков усилвател, сглобен съгласно схема с общ излъчвател. Снимката показва верига, направена в съответствие с веригата с общ източник. На входните и изходните вериги се събират RC-връзки, така че устройството да работи в режим на усилвател клас "А".

Променлив ток от източника на сигнала се отделя от постояннотоково захранващо напрежение с кондензатор С1. Транзисторен усилвател с полеви ефект трябва да има потенциал на затвора, който ще бъде по-нисък от подобна характеристика на източника. В представената схема портата е свързана към общия проводник чрез резистор R1. Съпротивлението му е много голямо - обикновено в конструкцията се използват 100-1000 k are резистора. Подобно голямо съпротивление е избрано така, че входният сигнал да не е шунтиран.

Това съпротивление почти не преминава електрически ток, в резултат на което потенциалът на портата (при липса на сигнал на входа) е същият като този на земята. При източника потенциалът е по-висок от този на земята, само поради спада на напрежението в съпротивлението R2. От това става ясно, че портата има по-малък потенциал от източника. А именно, това е необходимо за нормалното функциониране на транзистора. Трябва да се обърне внимание на факта, че C2 и R3 в тази усилвателна верига имат същата цел както в горната конструкция. И входният сигнал се измества спрямо изхода на 180 градуса.

ULF с изходен трансформатор

Можете да направите такъв усилвател със собствените си ръце за домашна употреба. Извършва се по схемата, работеща в клас "А". Дизайнът е същият, както е описано по-горе - с общ емитер. Една от характеристиките е, че е необходимо да се използва трансформатор за съвпадение. Това е недостатък на този транзисторен аудио усилвател.

Колекторната верига на транзистора се зарежда от първичната намотка, която развива изходния сигнал, предаван през вторичната към високоговорителите. Резисторите R1 и R3 сглобяват делителя на напрежението, което ви позволява да изберете работната точка на транзистора. С помощта на тази верига се осигурява захранващо напрежение към основата. Всички други компоненти имат същата цел, както в горните схеми.

Push-pull аудио усилвател

Това не означава, че това е прост транзисторен усилвател, тъй като неговото функциониране е малко по-сложно от тези, разгледани по-рано. В двутръбния ULF входният сигнал се разделя на две полу-вълни, различни във фаза. И всяка от тези полу-вълни се усилва от каскадата, изпълнена на транзистор. След усилването на всяка половин вълна, двата сигнала се свързват и подават към високоговорителите. Такива сложни трансформации могат да предизвикат изкривяване на сигнала, тъй като динамичните и честотни свойства на два транзистора, дори на един и същи тип, ще бъдат различни.

В резултат на това изходът на усилвателя значително намалява качеството на звука. Когато е в ход усилвател в клас "А", не е възможно да се възпроизведе качествено комплексния сигнал. Причината е, че увеличеният ток тече непрекъснато по раменете на усилвателя, полу-вълните са асиметрични, а възникват фазови изкривявания. Звукът става по-малко четлив и при нагряване изкривяването на сигнала се подобрява, особено при ниски и ултра ниски честоти.

Трансформаторна ULF

Усилвателят на LF на транзистора, направен с помощта на трансформатор, въпреки факта, че дизайнът може да има малки размери, все още е несъвършен. Трансформаторите са все още тежки и обемисти, така че е най-добре да се отървете от тях. Много по-ефективна е веригата, изградена от допълнителни полупроводникови елементи с различни видове проводимост. По-голямата част от съвременните УЛЧ се изпълняват по такива схеми и работят в клас “В”.

Два мощни транзистора, използвани при проектирането, работят в съответствие с веригата на излъчвателя (общ колектор). В този случай входното напрежение се предава към изхода без загуба и усилване. Ако на входа няма сигнал, транзисторите са на ръба на включване, но те все още са изключени. Когато към входа се приложи хармоничен сигнал, положителната половин вълна на първия транзистор се отваря, а вторият в момента е в режим на прекъсване.

Следователно, само положителните половини вълни могат да преминат през товара. Но отрицателните отварят втория транзистор и напълно заключват първия. В този случай се зареждат само отрицателни полу-вълни. В резултат на това усилвателният сигнал се извежда от устройството. Такава транзисторна схема на усилвател е доста ефективна и може да осигури стабилна работа, висококачествено възпроизвеждане на звука.

ULF схема на един транзистор

След като изучава всички горепосочени функции, можете да монтирате усилвателя със собствените си ръце на проста елементарна база. Транзисторът може да бъде използван за вътрешен KT315 или някой от чуждестранните му партньори - например BC107. Като товар трябва да използвате слушалки, чието съпротивление е 2000-3000 ома. В основата на транзистора е необходимо да се приложи напрежението на отклонението чрез резистор от 1 мама и разединителен кондензатор от 10 μF. Захранването на веригата може да се извърши от източник 4,5-9 волта, ток - 0,3-0,5 A.

Ако съпротивлението R1 не е свързано, тогава няма да има ток в основата и колектора. Но когато е свързано, напрежението достига ниво от 0,7 V и позволява да тече ток от около 4 μA. В този случай, текущата печалба ще бъде около 250. От тук можете да направите просто изчисление на усилвателя транзистори и да разберете колектор ток - Оказва се, че е 1 mA. Чрез събиране на този усилвател схема на транзистор, можете да го тествате. Свържете изхода към изхода - слушалки.

Докоснете входа на усилвателя с пръст - трябва да се появи характерен шум. Ако не, тогава, най-вероятно, дизайнът е сглобен неправилно. Проверете отново всички връзки и оценки на елементите. За да направите демонстрацията по-ясна, свържете източник на звук към ULF вход - изход от плейър или телефон. Слушайте музика и се насладете на качеството на звука.