Страница 1 из 2
Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.
В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор R K , а используя резистор R б, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение U БЭ, а сопротивление резистора R б, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
R б =(G K -U БЭ)/I Б.
Так как U БЭ обычно составляет не более 0,2...0,3В для германиевых транзисторов и 0,6...0,8 В — для кремниевых, а напряжение G K измеряется единицами или даже десятками вольт, то U БЭ <
R б ≈G K /I Б.
Из выражений следует, что независимо от типа транзистора VT ток его базы будет постоянным: I Б = G K /R б. Поэтому такая схема получила название схемы с общим эмиттером (ОЭ)
и фиксированным током базы.
Режим работы транзистора в усилительном каскаде при постоянных токах и напряжениях его электродов называют исходным, или режимом покоя.
Включение нагрузки в коллекторную цепь транзистора приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки, равному произведению I K R K .
В результате напряжение, действующее между коллектором и эмиттером Uкэ транзистора, оказывается меньше, чем напряжение G K источника питания на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки, т. е.:
U КЭ =G K -I K R K .
Если эту зависимость отобразить графически на семействе статических выходных характеристик транзистора, то она будет иметь вид прямой линии. Для ее построения достаточно определить всего две принадлежащие ей точки (так как через две точки можно провести только одну прямую). Каждая точка должна быть задана двумя координатами: I K и U КЭ.
Задавшись конкретным значением одной из координат, определяют вторую координату, решая уравнение U КЭ =G K -I K R K . Прямая, построенная в соответствии с уравнением на семействе статических выходных характеристик, транзистора, называется нагрузочной прямой.
Нагрузочная прямая, показанная на рисунке (а), построена для случая, когда G K =10В и R К =200 Ом.
1-я точка: =0;U КЭ =G K —0R K =G K =10 В;
2-я точка: I K =30 мА; U КЭ =10—30-10^3-200=10—6=4 В.
Если в исходном режиме (режиме покоя) ток базы равен 2 мА, этот режим будет определяться точкой A, лежащей на нагрузочной прямой в месте пересечения ее со статической выходной характеристикой, полученной при I БО =2 мА. При этом I КО =20 мА; U КЭO =5,8 В. Если перенести точку A на семейство входных характеристик (рис., б), можно найти U БЭО. Оно равно 0,25 В.
При подаче на вход усилителя переменного напряжения с амплитудой 50 мВ (0,05 В) на оси напряжений входных характеристик относительно напряжения U БЭО =0,25 В откладывают по обе стороны отрезки, соответствующие напряжению 0,05 В, и из их концов восстанавливают перпендикуляры к оси U БЭ до пересечения со статической характеристикой, на которой расположена точка А, обозначающая режим покоя усилителя. В точках пересечения перпендикуляров с характеристикой проставляют буквы В и С. Таким образом, при поступлении на вход переменного напряжения режим работы будет уже определяться не точкой А, а ее перемещениями между точками В и С. При этом ток базы изменяется от 1 до 3 мА. Другими словами, переменное напряжение на входе усилителя приводит к появлению переменной составляющей в его входном токе — токе базы. В данном примере амплитуда переменной составляющей тока базы, как видно из рисунка, равна 1 мА.
Точки B и С можно перенести на семейство выходных характеристик. Они будут находиться в местах пересечения нагрузочной характеристики со статическими, полученными при токах базы, равных 1 и 3 мА. Из этого рисунка, видно, что в режиме с нагрузкой появилась переменная составляющая коллекторного напряжения. Иначе, коллекторное напряжение теперь не остается постоянным, а изменяется синхронно
с изменениями входного напряжения. Причем изменение коллекторного напряжения ΔU КЭ =7,5—4,3=3,2В оказывается больше изменения входного напряжения ΔU БЭ =0,3—0,2=0,1В в 32 раза; т. е. получено усиление входного напряжения в 32 раза.
Поскольку напряжение источника питания G K постоянное, изменение коллекторного напряжения равно изменению напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, т. е.ΔU КЭ = ΔI К R К. Из этого выражения видно, что чем больше сопротивление резистора R К, тем сильнее изменяется на нем напряжение и тем больше будет усиление. Однако увеличивать сопротивление резистора R K можно лишь до некоторого предела, превышение которого может привести даже к снижению усиления и появлению больших искажений усиливаемого сигнала.
В усилителе, схема которого приведена на верхнем рисунке, режим работы транзистора определяется током базы, который устанавливается резистором R б. Режим работы транзистора можно также установить, подав на его эмиттерный переход напряжение с делителя R1R2.
Ток делителя I Д, протекающий через резисторы R1 и R2, вызывает на сопротивлении резистора R2 падение напряжения, которое подается на эмиттерный переход транзистора и смещает его в прямом направлении. Это напряжение определяется в основном соотношением сопротивлений резисторов R1,R2 и протекающим через них током I Д и почти не зависит от типа транзистора. Поэтому такую схему иногда называют схемой с фиксированным напряжением смещения.
УНЧ с фазоинвертором на одном первом транзисторе. Многочисленные расчёты и эксперименты по созданию мощного высококачественного усилителя низкой частоты привели меня к мысли, что наиболее перспективным путём его конструирования может стать использование фазоинвертора на одном первом транзисторе. Любопытно, что такие усилители могли бы появиться лет сорок назад, но этого не произошло в силу ряда причин.
Прежде всего, с созданием транзисторов с n-р-n-переходом появилась возможность разделять сигнал за счёт свойств самих транзисторов, поскольку одни из них открываются положительным импульсом, а другие — отрицательным. Усилители на таких транзисторах существенно упростились, однако на их выходе появились значительные искажения сигнала. Чтобы избавиться от них, радиоконструкторы стали усложнять схемы усилителей, а не искать иные способы построения схем УНЧ.
И ещё одной, пожалуй, главной причиной неприятия схем с фазоинвертором на первом транзисторе стал значительный перегрев выходных транзисторов таких усилителей, исключающий их сколько-нибудь длительную работу при большой выходной мощности.
Все эти соображения заставили меня, музыканта и композитора, внимательно проанализировать известные схемы УНЧ с целью найти причину искажений. При этом я шёл своим путём, опираясь на свои знания «ламповой» радиоэлектроники. Для этого мне пришлось научиться конструировать и рассчитывать схемы, создавать сотни экспериментальных макетов, в итоге мне удалось отыскать причину перегрева и устранить её. В итоге разработанные мной усилители низкой частоты работают при напряжении питания до 90 В, развивая при этом на выходе мощность около 300 Вт.
Предлагаю вниманию читателей описание конструкции одного из таких усилителей с фазоинвертором на одном транзисторе — его выходная мощность составляет 120 Вт.
Фазоинвертор на одном транзисторе, созданный по аналогии с ламповым, производит точное разделение сигнала по фазе для верхнего и нижнего плечей схемы усилителя, исключая при этом появление «ступенек» и «звона». Работа же каскадов усиления по току в линейном режиме практически не вызывает других искажений.
В итоге получился усилитель с практически линейной характеристикой, не дающий искажений; «окраска» звука на выходе транзисторного УНЧ получается практически такой же, как у прошедшего через качественный ламповый усилитель.
Конструкция УНЧ с выходной мощностью 120 Вт с фазоинвертором на первом транзисторе
На первом транзисторе VТ-1 выполнен фазоинвертор, разделяющий сигнал по фазе для верхней и нижней частей схемы, и усилитель сигнала по напряжению для нижней части схемы УНЧ.
На транзисторе VТ-2 собран усилитель по напряжению эмиттерных импульсов от VТ-1. Для верхней части схемы сигнал снимается с эмиттера VT-1 и усиливается по напряжению транзистором VT-2, включённым по схеме с общей базой. На VT-4 — VT-13 производится усиление сигнала по току. На транзисторах VT-4 — VT-5 собраны фазоинверторы, которые использовались для того, чтобы на выходе можно было применить транзисторы типа КТ808А, КТ808БМ, КТ-819Г или другие п-р-п-транзисторы такой же мощности.
В усилителе используются три каскада усиления по току -как показала практика, двух каскадов для нормальной работы усилителя явно недостаточно.
(VT-1, VT-2, VT-3 — КТ-815Г; VT-4, VT-5 -КТ-814Г; VT-6, VT-7 — КТ-315Б; VT-8, VT-9 — КТ-817 Г; VT10, VT-11, VT-12, VT-13 — КТ-808А; VT-14 — КТ-808А; VD-1, VD-2 — Д-814В- VD-3 VD-4-Д-220)
Питание баз транзисторов VT-2 и VT-4 — от стабилитрона, что обеспечивает весьма «ровную» работу усилителя. Транзисторные фильтры на VT-3 и VT-14 практически полностью убирают фон переменного тока.
Транзисторы VT-6 и VT-7 обеспечивают защиту от перегрузок, возникающих в момент включения УНЧ в сеть; на качество сигнала они не влияют. Динамики подключены к выходу усилителя через конденсаторы по полумостовой схеме.
Между эмиттером VT-8 и базами VT-10 и VT-11 (равно как и между VT-9 и VT-12 — VT-13) включены RC цепочки R30, С5 и R31.C6, с помощью которых смещение на базах VT-10 — VT-13 при максимальном сигнале уменьшается и транзисторы не перегреваются. Отсутствие таких цепочек приводит к перегреву выходных транзисторов.
Конденсаторы С8, С-9, С-10 и С-11 должны быть рассчитаны на рабочее напряжение в 100В. Кстати, в 1970-е годы электролитические конденсаторы большой ёмкости были весьма дороги и дефицитны, что заставляло конструкторов разработать способ включения динамиков без этих электроэлементов, однако такая система защиты оказывалась порой дороже самих усилителей и не отличалась надёжностью.
Настраивается усилитель очень легко, всего за несколько минут. Первое включение желательно произвести через последовательно подсоединённую лампу накаливания мощностью от 40 до 75 Вт. Если усилитель собран правильно, лампа при подключении ярко вспыхивает, а затем гаснет. В процессе работы возможно неяркое свечение нити накала лампы.
Движок резистора R14 устанавливается в нижнее положение, R15 — в верхнее, R9 и R10 — в среднее.
К базе транзистора VT12 следует подсоединить высокоомный вольтметр на напряжение 1 — 3 В и резистором R15 выставить напряжение 0,4 — 0,5 В. Резистором R10 следует выставить напряжение на средней точке, равное половине напряжения питания. Резистором R14 на коллекторе VT-2 устанавливается такое же напряжение, как на коллекторе VT1. Резистором R9 уравниваются сигналы, идущие на верхнюю и нижнюю части схемы — это несложно сделать и на слух.
Затем следует включить усилитель, отсоединив лампу накаливания, и все настройки повторить. Если УНЧ был собран правильно и из исправных электроэлементов, можно сразу подключать к нему динамики.
Выходные транзисторы смонтированы на радиаторах с поверхностью охлаждения 1200 см2, VT8 и VT9 — на радиаторах площадью 80 см2 и VT-14 — 500 см2.
Диоды в блоке питания должны быть рассчитаны на ток не менее 20 А, а у остальных — на ток более 50 А.
Сопротивление нагрузки усилителя составляет 3-8 Ом. Коэффициент усиления по току выходных транзисторов должен быть не меньше 20 единиц, а у остальных - более 50 единиц.
Усилитель обладает хорошей термостабильностью и может работать неограниченно долго, причём за это время режимы работы транзисторов не меняются. Звук на выходе УНЧ получается чистым, естественным, мало отличающимся от того, что воспроизводят динамики качественного лампового усилителя.
В. СМИРНОВ, Воронежская область, р.п. Таловая
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для усиления электрических сигналов.
Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Первые управляются сигналом тока, подаваемым на его вход, а вторые - напряжением. Биполярный транзистор имеет два электронно-дырочных, перехода и три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимостями, а полевые с р или п каналами. Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.
На рис. 2 показаны схемы включения биполярного транзистора прямой проводимости их основные характеристики: а) – с общей базой; б) с общим коллектором; в) с общим эмиттером:
где К i – коэффициент усиления по току; K u – коэффициент усиления по напряжению; R вх – входное сопротивление; R вых – выходное сопротивление.
Преимущественное распространение имеет схема с общим эмиттером (рис. 2, в).
Свойства транзистора в статическом режиме при такой схеме включения определяются семействами входных и выходных характеристик, показанных нарис. 3, а, б. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется выражением
I к = βI б + I к.о,
где I к - ток коллектора; I б -ток базы; I к.о - обратный ток коллектора; β -коэффициент передачи тока базы. Значение коэффициента β в зависимости от типа транзистора и режима его работы может быть от 30 до 300. Биполярный транзистор имеет малое входное и значительное выходное сопротивление. Если в цепь коллектора включить резистор, то при изменении тока базы будут одновременно изменяться ток и напряжение коллектора. При этом изменение мощности, выделяемой в коллекторной цепи, будет значительно больше изменения мощности на входе транзистора. На этом основана работа транзисторного усилителя.
По роду усиливаемого, сигнала различают транзисторные усилители постоянного и переменного тока. Так как с помощью одного каскада не удается решить задачу усиления, то усилители обычно выполняются многокаскадными. В многокаскадных усилителях переменного тока связи между каскадами, между источником сигнала и входом усилителя, а также между выходом и нагрузкой выполняются с помощью конденсаторов или трансформаторов. В усилителях постоянного тока эти связи выполняются непосредственно. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельные каскадов.
Каскад (усиления) – это функциональный узел устройства, содержащий усилительный элемент, связанный с предыдущими или последующими узлами устройства.
Схема усилительного каскада переменного тока с ёмкостной связью показана на рис. 4, а.
