ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
По просьбам поситителей сайта, представляю вашему вниманию статью полностью посвященную транзисторным усилителям. В 8 - ом уроке мы немного коснулись темы усилителей - усилительных каскадов на транзисторах поэтому с помощью данной статьи, я попытаюсь устранить все пробелы в отношении транзисторных усилителей. Некоторые теоретические основы представленные здесь, справедливы как для транзисторных усилителей, так и для ламповых. В начале статьи обзорно будут рассмотрены основные виды и методы включения усилительных каскадов, в конце статьи мы рассмотрим основные плюсы и минусы однотактных трансформаторных и бестрансформатоных усилителей и особенно подробно рассмотрим двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители, т. к. именно они довольно часто используются и представляют большой интерес. В конце статьи как и в предыдущих уроках будет практическая работа. Собственно эта статья ни чем не отличается от уроков, с той единственной разницей что эта и все последующие статьи будут иметь конкретные названия, что позволяет по желанию выбирать тему для изучения. В любом случае чтобы смело выбирать любую из последующих тем, нужно обязательно пройти полный курс состоящий из 10 уроков.
Усилительным транзисторным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими деталями, которые обеспечивают ему условия работы как усилителя. Для громкого воспроизведения колебаний звуковой частоты транзисторный усилитель должен быть минимум двух - трехкаскадным. В усилителях, содержащих несколько каскадов, различают каскады предварительного усиления и выходные, или оконечные, каскады. Выходным называют последний каскад усилителя, работающий на телефоны или динамическую головку громкоговорителя, а предварительными - все находящиеся перед ним каскады. Задача одного или нескольких каскадов предварительного усиления заключается в том, чтобы увеличить напряжение звуковой частоты до значения, необходимого для работы транзистора выходного каскада. От транзистора выходного каскада требуется повышение мощности колебаний звуковой частоты до уровня, необходимого для работы динамической головки. Для выходных каскадов наиболее простых транзисторных усилителей радиолюбители часто используют маломощные транзисторы, такие же, что и в каскадах предварительного усиления. Объясняется это желанием делать усилители более экономичными, что особенно важно для переносных конструкций с питанием от батарей. Выходная мощность таких усилителей небольшая - от нескольких десятков до 100 - 150 мВт, но и ее бывает достаточно для работы телефонов или маломощных динамических головок. Если же вопрос экономии энергии источников питания не имеет столь существенного значения, например при питании усилителей от электроосветительной сети, в выходных каскадах используют мощные транзисторы. Каков принцип работы усилителя, состоящего из нескольких каскадов? Схему простого транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ вы видите на (рис. 1). Рассмотрите ее внимательно. В первом каскаде усилителя работает транзистор V1, во втором - транзистор V2. Здесь первый каскад является каскадом предварительного усиления, второй - выходным. Между ними - разделительный конденсатор С2. Принцип работы любого из каскадов этого усилителя одинаков и аналогичен знакомому вам принципу работы однокаскадного усилителя. Разница только в деталях: нагрузкой транзистора V1 первого каскада служит резистор R2, а нагрузкой транзистора V2 выходного каскада - телефоны В1 (или, если ыходной сигнал достаточно мощный, головка громкоговорителя). Смещение на базу транзистора первого каскада подается через резистор R1, а на базу транзистора второго каскада - через резистор R3. Оба каскада питаются от общего источника Uи.п., которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель. Режимы работы транзисторов устанавливают подбором резисторов R1 и R3, что обозначено на схеме звездочками.
Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.
Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им срезаны. В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными. Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).
Простые, двухкаскадные усилители
Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.
Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).
В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) или сетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите на макетной плате, после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.
Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.
Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе "радиолюбительские технологии" .
Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.
Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.
Стабилизация режима работы транзистора
Усилитель первого или второго вариантов (по схемам на рис.2), смонтированный и налаженный в помещении, будет работать лучше, чем на улице, где он окажется под горячими лучами летнего солнца или зимой на морозе. Почему так получается? Потому, что, к сожалению, с повышением температуры режим работы транзистора нарушается. А первопричина тому - неуправляемый обратный ток коллектора Iкбо и изменение статического коэффициента передачи тока h21Э при изменении температуры. В принципе ток Iкбо небольшой. У низкочастотных германиевых транзисторов малой мощности, например, этот ток, измеренный при обратном напряжении на коллекторном р - n переходе 5 В и температуре 20С, не превышает 20 - 30 мкА, а у кремниевых транзисторов меньше 1 мкА. Но он значительно изменяется при воздействии температуры. С повышением температуры на 10С ток Iкбо германиевого транзистора увеличивается примерно вдвое, а кремниевого транзистора - в 2,5 раза. Если, например, при температуре 20С ток Iкбо германиевого транзистора составляет 10 мкА, то при повышении температуры до 60С он возрастает примерно до 160 мкА. Но ток Iкбо характеризует свойства только коллекторного р - n перехода. В реальных же рабочих условиях напряжение источника питания оказывается приложенным к двум р - n переходам - коллекторному и эмиттерному. При этом обратный ток коллектора течет и через эмиттерный переход и как бы усиливает сам себя. В результате значение неуправляемого, изменяющегося под воздействием температуры тока увеличивается в несколько раз. А чем больше его доля в коллекторном токе, тем нестабильнее режим работы транзистора в различных температурных условиях. Увеличение коэффициента передачи тока h21Э с температурой усиливает нестабильность. Что же при этом происходит в каскаде, например, на транзисторе V1 усилителя первого или второго вариантов? С повышением температуры общий ток коллекторной цепи увеличивается, вызывая все большее падение напряжения на нагрузочном резисторе R3 (см. рис. 3). Напряжение же между коллектором и эмиттером при этом уменьшается, что приводит к появлению искажений сигнала. При дальнейшем повышении температуры напряжение на коллекторе может стать столь малым, что транзистор вообще перестанет усиливать входной сигнал. Уменьшение влияния температуры на ток коллектора возможно либо путем использования в аппаратуре, предназначенной для работы со значительными колебаниями температуры, транзисторов с очень малым током Iкбо. например кремниевых, либо применением специальных мер, термостабилизирующих режим транзисторов. Один из способов термостабилизации режима работы германиевого транзистора структуры p - n - р показан на схеме рис. 5, а. Здесь, как видишь, базовый резистор Rб подключен не к минусовому проводнику источника питания, а к коллектору транзистора. Что это дает? С повышением температуры возрастающий коллекторный ток увеличивает падение напряжения на нагрузке Rн и уменьшает напряжение на коллекторе. А так как база соединена (через резистор Rб) с коллектором, на ней тоже уменьшается отрицательное напряжение смещения, что в свою очередь уменьшает ток коллектора. Получается обратная связь между выходной и входной цепями каскада - увеличивающийся коллекторный ток уменьшает напряжение на базе, что автоматически уменьшает коллекторный ток. Происходит стабилизация заданного режима работы транзистора. Но во время работы транзистора между его коллектором и базой чероз тот же резистор Rб возникает отрицательная обратная связь по переменному току, что снижает общее усиление каскада. Таким образом, стабильность режима транзистора достигается ценой проигрыша в усилении. Жаль, но приходится идти на эти потери, чтобы при изменении температуры транзистора сохранить нормальную работу усилителя.
Рис. 5 Усилительные каскады с термостабилизацией режима транзистора.
Существует, однако, способ стабилизации режима работы транзистора с несколько меньшими потерями в усилении, но достигается это усложнением каскада. Схема такого усилителя показана на (рис. 5, б). Режим покоя транзистора по постоянному току и напряжению остается тот же: ток коллекторной цепи равен 0,8 - 1 мА, отрицательное напряжение смещения на базе относительно эмиттера равно 0,1 В (1,5 - 1,4 = 0,1 В). Но режим устанавливается с помощью двух дополнительных резисторов: Rб2 и Rэ. Резисторы Rб1 и Rб2 образуют делитель с помощью которого на базе поддерживается устойчивое напряжение. Эмиттерный резистор Rэ является элементом термостабилизации. Термостабилизация режима транзистора происходит следующим образом. По мере возрастания коллекторного тока под действием тепла падение напряжения на резисторе Rэ увеличивается. При этом разность напряжений между базой и эмиттером уменьшается, что автоматически снижает коллекторный ток. Получается такая же обратная связь, только теперь между эмиттером и базой, благодаря которой режим транзистора стабилизируется. Прикройте бумагой или пальцем конденсатор Сэ, подключенный параллельно резистору Rэ и, следовательно, шунтирующий его. Что теперь напоминает вам эта схема? Каскад с транзистором, включенным по схеме ОК (эмиттерный повторитель). Значит, при работе транзистора, когда на резисторе Rэ происходит падение напряжения не только постоянной, но и переменной составляющих, между эмиттером и базой возникает 100% - ная отрицательная обратная связь по переменному напряжению, при которой усиление каскада меньше единицы. Но так может случиться лишь тогда, когда не будет конденсатора С3. Этот конденсатор создает параллельный путь, по которому, минуя резистор Rэ, идет переменная составляющая коллекторного тока, пульсирующего с частотой усиливаемого сигнала, и отрицательная обратная связь не возникает (переменная составляющая коллекторного тока уходит в общий провод). Емкость этого конденсатора должна быть такой, чтобы не оказывать сколько - нибудь заметного сопротивления самым низшим частотам усиливаемого сигнала. В каскаде усиления звуковой частоты этому требованию может отвечать электролитический конденсатор емкостью 10 - 20 и более мкФ. Усилитель с такой системой стабилизации режима транзистора практически не чувствителен к колебаниям температуры и, кроме того, что не менее важно, к смене транзисторов. Во всех ли случаях именно так следует стабилизировать режим работы транзистора? Нет, конечно. Ведь все зависит от того, для какой цели предназначается усилитель. Если усилитель будет работать только в домашних условиях, где перепад температур незначительный, жесткая термостабилизация не обязательна. А если вы собираетесь строить усилитель или приемник, который бы устойчиво работал и дома, и на улице, то, конечно, надо стабилизировать режим транзисторов, даже если устройство придется усложнять дополнительными деталями.
Двухтактный усилитель мощности
Рассказывая в начале этой статьи о назначении каскадов усилителя, я, как бы забегая вперед, сказал, что в выходных каскадах, являющихся усилителями мощности, радиолюбители используют такие же маломощные транзисторы, как и в каскадах усиления напряжения. У вас тогда, естественно, мог возникнуть вопрос, а может быть возникал: как это достигается? Отвечаю на него сейчас. Такие каскады называют двухтактными усилителями мощности. Причем они могут быть трансформаторными, т.е. с использованием в них трансформаторов, или бестрансформаторными. В ваших конструкциях будут применены обе разновидности двухтактного усилителя колебаний звуковой частоты. Разберемся в принципе их работы. Упрощенная схема двухтактного трансформаторного каскада усиления мощности и графики, иллюстрирующие его работу, приведены на (рис. 6). В нем, как видите, два трансформатора и два транзистора. Трансформатор Т1 межкаскадный, связывающий предоконечный каскад со входом усилителя мощности, а трансформатор Т2 - выходной. Транзисторы V1 и V2 включены по схеме ОЭ. Их эмиттеры, как и средний вывод вторичной обмотки межкаскадного трансформатора, заземлены - соединены с общим проводником источника питания Uи.п. - отрицательное напряжение питания на коллекторы транзисторов подается через первичную обмотку выходного трансформатора Т2: на коллектор транзистора V1 - через секцию Iа, на коллектор транзистора V2 - через секцию Iб. Каждый транзистор и относящиеся к нему секции вторичной обмотки межкаскадного трансформатора и первичной обмотки выходного трансформатора представляют обычный, уже знакомый вам однотактный усилитель. В этом нетрудно убедиться, если прикрыть листком бумаги одно из таких плеч каскада. Вместе же они образуют двухтактный усилитель мощности.
Рис. 6 Двухтактный трансформаторный усилитель мощности и графики, иллюстрирующие его работу.
Сущность работы двухтактного усилителя заключается в следующем. Колебания звуковой частоты (графика на рис. 6) с предоконечного каскада подаются на базы обоих транзисторов так, что напряжения на них изменяются в любой момент времени в противоположных направлениях, т.е. в противофазе. При этом транзисторы работают поочередно, на два такта за каждый период подводимого к ним напряжения. Когда, например, на базе транзистора V1 отрицательная полуволна, он открывается и через секцию Iа первичной обмотки выходного трансформатора идет ток только этого транзистора (график б). В это время транзистор V2 закрыт, так как на его, базе положительная полуволна напряжения. В следующий полупериод, наоборот, положительная полуволна будет на базе транзистора V1, а отрицательная - на базе транзистора V2. Теперь открывается транзистор V2 и через секцию Iб первичной обмотки выходного трансформатора идет ток его коллектора (график в), а транзистор V1, закрываясь, отдыхает. И так при каждом периоде звуковых колебаний, подводимых к усилителю. В обмотке трансформатора коллекторные токи обоих транзисторов суммируются (график г), в результате на выходе усилителя получаются более мощные электрические колебания звуковой частоты, чем в обычном однотактном усилителе. Динамическая головка В, подключенная ко вторичной обмотке трансформатора, преобразует их в звук. Теперь, пользуясь схемой на (рис. 7), разберемся в принципе работы бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности. Здесь также два транзистора, но они разной структуры: транзистор Vl - p - n - p, транзистор V2 - n - p - n. По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делитель напряжения питающего их источника постоянного тока. При этом на коллекторе транзистора V1 относительно средней точки между ними, называемой точкой симметрии, создается отрицательное напряжение, равное половине напряжения источника питания, а на коллекторе транзистора V2 - положительное, и также равное половине напряжения источника питания Uн.п. Динамическая головка В включена в эмиттерные цепи транзисторов: для транзистора V1 - через конденсатор С2, для транзистора V2 - через конденсатор С1. Таким образом, транзисторы по переменному току включены по схеме ОК (эмиттерными повторителями) и работают на одну общую нагрузку - головку В.
Рис. 7 Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности.
На базах обоих транзисторов усилителя действует одинаковое по значению и частоте переменное напряжение, поступающее от предоконечного каскада. А так как транзисторы разной структуры, то и работают они поочередно, на два такта: при отрицательной полуволне напряжения открывается только транзистор V1 и в цепи головка В - конденсатор С2 появляется импульс коллекторного тока (на рис. 6 - график б), а при положительной полуволне открывается только транзистор V2 и в цепи головка - конденсатор С1 появляется импульс коллекторного тока этого транзистора (на рис. 6 - график в). Таким образом, через головку течет суммарный ток транзисторов (график г на рис. 6), представляющий собой усиленные по мощности колебания звуковой частоты, которые она преобразует в звуковые колебания. Практически получается тот же эффект, что и в усилителе с трансформаторами, но, благодаря использованию транзисторов разной структуры, отпадает надобность в устройстве для подачи на базы транзисторов сигнала в противофазе. Вы должны были заметить одно противоречие в моем объяснении работы двухтактных усилителей мощности: на базы транзисторов не подавались напряжения смещения. Вы правы, но особой ошибки здесь нет. Дело в том, что транзисторы двухтактного каскада могут работать без начального напряжения смещения. Но тогда в усиливаемом сигнале появляются искажения типа ступенька, особенно сильно ощущаемые при слабом входном сигнале. Ступенькой же их - называют потому, что на осциллограмме синусоидального сигнала они имеют ступенчатую форму (рис. 8). Наиболее простой способ устранения таких искажений - подача на базы транзисторов напряжения смещения, что и делают на практике.
Рис. 8 Искажения типа Ступенька.
Теперь, прежде чем начать разговор об усилителях, обеспечивающих громкое звуковоспроизведение, хочу познакомить вас с некоторыми параметрами и классами усиления характеризующими усилитель НЧ. Ниже будут подробно рассмотренны все плюсы двухтактных усилителей.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЧ УСИЛИТЕЛЕЙ
О качестве и пригодности усилителя для тех или иных целей судят по
нескольким
параметрам, наиболее важными из которых можно считать три: выходная мощность Рвых,
чувствительность и
частотная характеристика. Это те основные параметры, которые вы должны знать и
разбираться в
них.
Выходная мощность - это мощность электрических колебаний звуковой
частоты, выраженная
в ваттах или в милливаттах, которую усилитель отдает нагрузке - обычно динамической
головке прямого
излучения. В соответствии с установленными нормами различают номинальную Рном и
максимальную мощности
Рmах. Номинальной называют такую мощность, при которой так называемые нелинейные
искажения выходного
сигнала, вносимые усилителем, не превышают 3 - 5% по отношению к неискаженному сигналу.
Чувствительностью усилителя называют напряжение сигнала звуковой
частоты, выраженное в
вольтах или милливольтах, которое надо подать на его вход, чтобы мощность на нагрузке
достигла
номинальной. Чем меньше это напряжение, тем, естественно, лучше чувствительность
усилителя. Частотную характеристику - АЧХ (или полосу рабочих частот усилителя)
выражают
графически горизонтальной, несколько искривленной линией, показывающей зависимость
напряжения выходного
сигнала Uвых от его частоты при неизменном входном напряжении Uвх. Дело в том, что любой
усилитель по
ряду причин неодинаково усиливает сигналы разных частот. Как правило, хуже всего
усиливаются колебания
самых низших и самых высших частот звукового диапазона. Поэтому линии - частотные
характеристики
усилителей - неравномерны и обязательно имеют спады (завалы) по краям.
Классы усиления НЧ усилителей. Роль класса усиления в достижении мощностных параметров и высокого КПД
До сих пор мы не говорили о том, в каких количествах расходуется энергия на создание усиленного сигнала, на создание мощной копии входного сигнала. У нас, собственно говоря, и не возникало такого вопроса. Нужно сказать, что поставщиком энергии для создания усиленного сигнала может быть батарея или блок питания. При этом считается очевидным, что батарея обладает большими запасами энергии и жалеть ее нечего лишь бы создать усиленный сигнал. Теперь же, когда цель достигнута, когда мы научились с помощью транзистора усиливать слабый сигнал, попробуем выяснить, какую энергию должен отдавать ее поставщик - коллекторная батарея. Попробуем выяснить, сколько стоит ватт усиленного сигнала, сколько ватт мощности постоянного тока должна за него заплатить батарея. Сделав ряд допущений предположив, что прямолинейный участок входной характеристики начинается прямо от нуля, что на выходной характеристике тоже нет загибов, что в качестве коллекторной нагрузки включен элемент (например, трансформатор), на котором не теряется постоянное напряжение, мы придем к выводу, что в лучшем случае только половина потребляемой от батареи мощности переходит в усиленный сигнал. Об этом можно сказать иначе: к. п. д. (коэффициент полезного действия) транзисторного усилителя не превышает 50%. За каждый ватт мощности выходного сигнала приходится платить двойную цену, два ватта мощности коллекторной батареи (рис. 9).
Рис. 9 Чем выше КПД усилителя, тем меньшую мощность он потребляет для создания заданной выходной мощности.
Доказать справедливость этого вывода довольно просто. Чтобы
подсчитать мощность,
потребляемую от батареи, нужно умножить ее постоянное напряжение Ек на
потребляемый ток,
то есть на коллекторный ток покоя Iк.п.. транзистора (Pпот. =
Eк *
Iк.п.). С другой стороны, амплитуда переменной составляющей коллекторного тока
никак не может
быть больше тока покоя, иначе транзистор будет работать с отсечкой. В лучшем случае амплитуда
переменной
составляющей равна току покоя Iк.п. и при этом эффективное значение
переменной
составляющей коллекторного тока равно Iн.эф. = 07 * Iк.п.. Точно так же и
амплитуда
переменного напряжения на нагрузке не может быть больше напряжения батареи, иначе в какие - то
моменты на коллекторе
будет появляться не минус, а плюс. А это в лучшем случае приведет к
сильнейшим
искажениям. Таким образом, эффективное значение выходного напряжения
Uн.эф. не может
превышать Uн.эф. = 07 * Ек. Теперь остается только перемножить
07 * Iк.п.. на
07 * Ек. и получить, что наибольшая эффективная мощность, которую может отдать
усилитель, не
превышает Рэф. = 0,5 * Iк.п. * Eк = Вт.эф., то есть не превышает половины
потребляемой
мощности. Решение это окончательное, однако оно подлежит обжалованию. Есть возможность ценой
определенных жертв
повысить коэффициент полезного действия усилителя, перейти рубеж пятидесяти процентов к. п. д. Чтобы
повысить
коэффициент полезного действия, нужно, чтобы усилитель создавал более мощный сигнал при той же
потребляемой
мощности. А для этого нужно, не увеличивая тока покоя Iк.п. и постоянного
напряжения
Ек, повысить переменные составляющие коллекторного тока
Iн и
напряжения на нагрузке Uн. Что же мешает нам повысить эти две
составляющие?
Искажения. Мы можем увеличить и ток Iн (для
этого достаточно,
например, повысить уровень входного сигнала), и напряжение Uн (для этого
достаточно опять
- таки увеличить входной сигнал или увеличить сопротивление нагрузки для (переменного тока). Но и в
том и в другом
случае исказится форма сигнала, окажутся срезанными его отрицательные полуволны. И хотя такая жертва
кажется
недопустимой (кому нужен экономичный усилитель, если он выдает бракованную продукцию?), мы все же
пойдем на нее. Во
- первых, потому, что допустив искажения (а потом избавившись от них), мы сумеем перевести усилитель
в более
экономичный режим и поднять его коэффициент полезного действия.
Усиление без искажений, когда амплитуда переменной составляющей
коллекторного тока не
превышает тока покоя Iк.п., называется классом усиления (А). Одиночный усилитель,
рабатающий в классе А,
называется однотактным усилителем. Если при усилении часть сигнала
срезается, если
амплитуда переменной составляющей коллекторного тока больше, чем Iк.п., и в коллекторной
цепи происходит
отсечка тока, то мы получаем один из классов усиления (АБ), (Б) или (С).
Рис. 10 Двухтактный каскад и классы усиления.
Правда для получения неискаженного сигнала из двух искаженных нам пришлось создать сравнительно сложную схему сшивания половинок (такая схема, как это обсуждалось выше в этой статье, называется двухтактной), по сути дела состоящую из двух самостоятельных усилительных каскадов. Но как это уже выше объяснялось, наш проигрыш (в данном случае усложнение схемы усилителя) приносит значительно больший выигрыш. Общая мощность, которую развивает двухтактный усилитель, больше, чем мощность, которую дали бы в отдельности обе его половины. А стоимость одного ватта выходного сигнала оказывается значительно меньше, чем в однотактном усилителе. В идеальном случае (ключевой режим) один ватт выходного сигнала можно получить за такой же ватт потребляемой мощности, то есть в идеальном случае к. п. д. двухтактного усилителя может достигать 100 процентов. Реальный к. п. д., конечно, меньше: практически он составляет 67%. Но ведь в однотактном усилителе, работающем в классе А, мы получали к. п. д., равный 50%, тоже только в идеальном случае. А реально однотактный усилитель позволяет получить к. п. д. не более 30 - 40%. И поэтому в двухтактном усилителе каждый ватт выходной мощности обходится нам в два - три раза дешевле, чем в однотактном. Для переносной транзисторной аппаратуры повышение к. п. д. имеет особо важное значение. Чем выше к. п. д., тем меньше расход энергии коллекторной батареи при одной и той же выходной мощности. А это, в свою очередь, означает, что чем выше к. п. д., тем реже нужно будет менять эту батарею или тем меньше может быть батарея при неизменном сроке службы. Вот почему в миниатюрной транзисторной аппаратуре, в частности в миниатюрных приемниках, где, казалось бы, нужно экономить вес и место, применяют двухтактные усилители, включая для этого в схему целый ряд лишних деталей. Схемы двухтактных усилителей для повторения будут приведены в практической работе. Практически во всех схемах двухтактных, транзисторных оконечных усилителях используют класс АБ или Б. Однако при работе в классе Б появляются некоторые трудно устранимые искажения (из - за загиба входной характеристики), и этот класс в усилителях НЧ используется реже. Класс С в этих усилителях вообще не используется из - за появления неустранимых искажений. Управляющее напряжение на выходные транзисторы подается с так называемог фазоинверсного каскада, выполненного на транзисторе по трансформаторной схеме. Есть и другие схемы фазоинверторов, но все они выполняют одну и ту же задачу создают два противофазных напряжения, которые необходимо подать на базы транзисторов двухтактной схемы. Если на эти транзисторы подать одно и то же напряжение, то они будут работать не через такт, а синхронно, и поэтому оба будут усиливать только положительные или, наоборот, только отрицательные полупериоды сигнала. Чтобы транзисторы двухтактного каскада работали поочередно, нужно подавать на их базы, как было выше сказано противофазные напряжения. В фазоинверторе с трансформатором два управляющих напряжения получаются благодаря разделению вторичной обмотки на две равные части. А противофазными эти напряжения становятся потому, что заземлена средняя точка вторичной обмотки. Когда на верхнем (по схеме) ее конце появляется плюс относительно средней точки, на нижнем конце относительно этой точки оказывается минус. А поскольку напряжение переменное, то плюс и минус все время меняются местами (рис. 11).
Рис. 11 Фазоинвертор создает два переменных напряжения, сдвинутых по фазе на 180 градусов.
Трансформаторный фазоинвертор прост и надежен, его практически не нужно налаживать. Двухтактный усилитель для транзисторного приемника или небольшой радиолы можно собрать по любой из схем усилителя НЧ которые будут приведены в практической работе или схем промышленного приемника. Например, по схеме приемников Альпинист, Нева-2, Спидола и др.
Немного подробней об отрицательной обратной связи которая упоминалась в начале этой статьи при описании однотактных усилителей. Каким же образом отрицательная обратная связь снижает искажения, исправляет форму сигнала? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что искажение формы сигнала, по сути дела, означает появление в сигнале новых гармоник, новых синусоидальных составляющих. По цепи отрицательной обратной связи новые, появившиеся в результате искажений гармоники подаются на вход усилителя в такой фазе (противофазе), что они сами себя ослабляют. Мощность этих гармоник на выходе усилителя оказывается меньше, чем она была бы без обратной связи. Одновременно, конечно, ослабляются и полезные составляющие, из которых должен складываться неискаженный сигнал, но это дело поправимое. Чтобы скомпенсировать эту вредную деятельность отрицательной обратной связи, можно увеличить уровень сигнала, поступающего на вход усилителя, может быть даже добавив для этого еще один каскад. Отрицательная обратная связь в усилителях НЧ, особенно в двухтактных усилителях, работающих в классах АБ и Б, находит очень широкое применение: отрицательная обратная связь позволяет сделать то, что никакими другими средствами не достигается, она позволяет уменьшить искажения формы сигнала, уменьшить так называемые нелинейные искажения. Отрицательная обратная связь позволяет выполнить еще одну важную операцию осуществить регулировку тембра, то есть в нужном направлении изменить частотную характеристику усилителя Рис. 12.
Рис. 12. Приблизительный график амплитудно частотной характеристики (АЧХ), усилителей. Подобным графиком можно охарактеризовать АЧХ любого усилителя.
Эта характеристика показывает, как меняется усиление с изменением частоты сигнала. Для идеального усилителя частотная характеристика это просто прямая линия: усиление на всех частотах у такого усилителя одинаково. Но у реального усилителя частотная характеристика загнута, завалена в области самых низких и самых высоких частот. Это значит, что низшие и высшие частоты звукового диапазона усиливаются хуже, чем средние частоты. Причины появления таких завалов частотной характеристики могут быть разными, но корень у них общий. Неодинаковое усиление на разных частотах получается потому, что в схеме имеются реактивные элементы конденсаторы и катушки, сопротивление которых меняется с частотой. Существует много способов исправления частотной характеристики, в том числе и введение частотно - зависимых элементов в цепь обратной связи. Пример таких элементов цепочка R13, C9 в усилителе представленном на (рис. 13).
Рис. 13 Практическая конструкция бестрансформаторного двухтактного усилителя.
Сопротивление этой цепочки с уменьшением частоты растет, обратная связь уменьшается, и благодаря этому создается некоторый подъем частотной характеристики в области низших частот. В усилителе имеется еще несколько цепей отрицательной обратной связи. Это конденсатор С6, соединяющий коллектор транзистора Т2 с его базой; резистор R12, который подает на базы выходных транзисторов не только постоянное смещение, но еще и некоторую часть выходного сигнала. Цепочка, которая создает обратную связь третьего каскада со вторым, но уже не по переменному, а по постоянному току (такая обратная связь повышает термостабильность усилителя). Динамическая головка включена в коллекторные цепи выходных транзисторов через разделительный конденсатор C4. Сопротивление звуковой катушки в данной схеме может составлять 6 - 10 ом. Усилитель развивает мощность до 100 мВт. при напряжении входного сигнала около 30 - 50 мв. Существует довольно большое число схем бестрансформаторных усилителей на транзисторах разной проводимости. В большинстве из них в выходном каскаде используют составные транзисторы, то есть в каждое плечо включают два транзистора. Отсутствие трансформаторов и уменьшение числа разделительных конденсаторов позволяет в таких усилителях получить очень хорошую частотную характеристику. Однако начинающему радиолюбителю этот выигрыш достается довольно дорогой ценой. Бестрансформаторные усилители, да еще с составными транзисторами, не всегда просто наладить. И поэтому, если у вас еще нет большого опыта в налаживании транзисторной аппаратуры, лучше собрать усилитель по классической двухтактной схеме с трансформаторами (рис. 14).
Рис. 14 Двухтактный УНЧ с трансформаторным выходным каскадом.
Главная особенность этого усилителя фиксированное от отдельной батареи Б2 смещение на базу первого каскада Т1. Благодаря этому коллекторный ток транзистора Т1 остается практически неизменным при уменьшении напряжения коллекторной батареи вплоть до 3,5 в. С нижней части делителя R4, R5, включенного в эмиттерную цепь Т1 подается смещение на базы транзисторов выходного каскада. И поэтому при уменьшении коллекторного напряжения смещение транзисторов Т2, Т3 не меняется. В результате усилитель работает при пониженном напряжении, хотя и с меньшей выходной мощностью (при 3,5в., 20 мВт.), но без искажений. Ток, потребляемый от батареи Б2, не превышает 500 мка. В усилителе имеется простейший регулятор тембра R6 и цепь обратной связи R8, C8 снижающая искажения. Резистор R9 необходим для того, чтобы при выключении Б2 (может случиться так, что Вк2, разомкнет цепь на какие - то доли секунды раньше, чем Bк1 транзистор Т1 не оказался с висящей базой. Конденсаторы С7, С6 элементы отрицательной обратной связи, предотвращающие самовозбуждение на сверхзвуковых частотах. Ту же задачу выполняет конденсатор С3. Трансформаторы Tр1 и Тр2 взяты от приемника Альпинист. Динамическая головка с сопротивлением звуковой катушки около 4 - 6 ом. При коллекторном напряжении 9 в. усилитель развивает мощность 180 мВт. и потребляет от батареи Б2 ток не более 20 - 25 ма. Если нужно повысить выходную мощность, можно включить в качестве T2 и Т3 мощные транзисторы, например П201. В этом случае нужно уменьшить в два раза R7 и подобрать R5 с таким расчетом, чтобы общий коллекторный ток покоя Т2 и Т3 составлял 15 - 25 ма.Для мощных транзисторов нужен другой выходной трансформатор, например, с такими данными: сердечник сечением около 3,5 см2 (Ш17 х 17); первичная обмотка 330 + 330 витков ПЭВ 0,31, вторичная обмотка 46 витков ПЭВ 0,51. С транзисторами П201 усилитель развивает выходную мощность 1,52 - 2 Вт. Налаживание всех усилителей НЧ сводится к подбору режимов транзисторов. Для двухтактных схем желательно предварительно подобрать для обоих плеч транзисторы с близкими параметрами: коэффициентом усиления по току и обратным током коллектора Если все детали исправны и схема собрана правильно, то усилитель, как правило, сразу начинает работать. И единственная серьезная неприятность, которая может обнаружиться при включении усилителя, это самовозбуждение. Один из способов борьбы с ним введение развязывающих фильтров, которые предотвращают связь между каскадами через источники питания.
Практическая работа
В практической работе хочу представить еще несколько несложных усилителей для повторения и закрепления теоретической части этой статьи. Приведенные в конце статьи примеры двухтактных усилителей тоже вполне пригодны для повторения. Эти схемы, как и многие другие рисунки, взяты из литературных источников 60 - 70х годов, но актуальности они не утратили. Почему спросите вы, я использую именно такие устаревшие рисунки? Я скажу, есть как минимум 2 - причины: 1). Катастрофически не хватает времени их рисовать самому, хотя некоторые из них все же стараюсь рисовать. 2). Как ни странно, именно рисунки из литературы прошлых - давно забытых лет, в полной степени отражают суть изучаемых процессов. Вероятно, сказывается не погоня за гонорарами как сейчас это принято, а важность качественной подачи материала. Да и работники цензуры в те годы не зря т. с. ели свой хлеб.
Так вот, вместо указанных на схемах транзисторов П13 - П16, можно применять МП39 - 42, МП37, МП38 из кремниевых транзисторов можно применить КТ315, КТ361 соответственно обращайте внимание на тип проводимости и мощность используемых транзисторов. Если усилитель имеет на схеме мощные выходные транзисторы типа П213 - 215, их как правило можно заменить кремниевыми мощными транзисторами типа КТ814 - 817 или КТ805, КТ837, с соблюдением типа проводимости соответственно. В любом случае, при замене германиевых транзисторов на кремниевые, нужно произвести корректировку номиналов резисторов в цепях заменяемых транзисторов.
Простой бестрансформаторный двухтактный усилитель мощностью 1.5 Вт..Высокочастотный транзистор П416 применен здесь из соображения как можно больше снизить шумы входного каскада, потому как помимо того что он высокочастотный, он еще и малошумящий. Практически его можно заменить на МП39 - 42, с ухудшением шумовых характеристик соответственно или на кремниевые транзисторы КТ361 или КТ3107 с любой буквой.. Для предотвращения искажений типа ступенька, между базами VT2, VT3, фазоинверсного каскада включен диод VD1 - Д9, который вы применяли в детекторном приемнике , благодаря чему на базах транзисторов образуется напряжение смещения. Напряжение в средней точке (минусовой вывод конденсатора С2) будет равно 4,5в. Его устанавливают подбором резисторов R2, R4. Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора С2 может быть 6в.
Еще варианты усилителей, 1-й, 2-й, доступных для повторения начинающими радиолюбителями, в том числе и на кремниевых транзисторах. Так же показаны варианты предварительного усилителя и простейщего пассивного темброблока. (откроется в отдельном окне).
