Tranzistorový zosilňovač napriek svojej dlhej histórii zostáva obľúbeným predmetom štúdia pre začiatočníkov aj skúsených rádioamatérov. A to je pochopiteľné. Je to nevyhnutná súčasť najpopulárnejších amatérskych rádiových zariadení: rádiových prijímačov a nízkofrekvenčných (zvukových) zosilňovačov. Pozrieme sa, ako sa vyrábajú najjednoduchšie nízkofrekvenčné tranzistorové zosilňovače.
Frekvenčná odozva zosilňovača
V každom televíznom alebo rozhlasovom prijímači, v každom hudobnom centre alebo zosilňovači zvuku nájdete tranzistorové zosilňovače zvuku (nízkofrekvenčné - LF). Rozdiel medzi audio tranzistorovými zosilňovačmi a inými typmi spočíva v ich frekvenčnej odozve.
Tranzistorový audio zosilňovač má jednotnú frekvenčnú odozvu vo frekvenčnom pásme od 15 Hz do 20 kHz. To znamená, že všetky vstupné signály s frekvenciou v tomto rozsahu sú konvertované (zosilnené) zosilňovačom. O tom istom. Obrázok nižšie ukazuje ideálnu krivku frekvenčnej odozvy pre audio zosilňovač v súradniciach "zosilnenie zosilňovača Ku - frekvencia vstupného signálu".
Táto krivka je takmer plochá od 15Hz do 20kHz. To znamená, že takýto zosilňovač by sa mal používať špeciálne pre vstupné signály s frekvenciami medzi 15 Hz a 20 kHz. Pri vstupných signáloch s frekvenciami nad 20 kHz alebo pod 15 Hz sa jeho účinnosť a výkon rýchlo zhoršia.
Typ frekvenčnej odozvy zosilňovača je určený elektrickými rádiovými prvkami (ERE) jeho obvodu a predovšetkým samotnými tranzistormi. Zosilňovač zvuku na báze tranzistorov je zvyčajne zostavený na takzvaných nízko- a stredofrekvenčných tranzistoroch s celkovou šírkou pásma vstupných signálov od desiatok a stoviek Hz do 30 kHz.
Trieda zosilňovača
Ako viete, v závislosti od stupňa kontinuity toku prúdu počas jeho periódy cez tranzistorový zosilňovací stupeň (zosilňovač) sa rozlišujú tieto triedy jeho činnosti: "A", "B", "AB", "C", "D ".
V triede prevádzky prúd "A" preteká cez stupeň počas 100 % periódy vstupného signálu. Kaskáda v tejto triede je znázornená na nasledujúcom obrázku.
V zosilňovacom stupni triedy "AB" ním preteká prúd viac ako 50 %, ale menej ako 100 % periódy vstupného signálu (pozri obrázok nižšie).
V triede prevádzky stupňa „B“ním preteká prúd presne 50 % periódy vstupného signálu, ako je znázornené na obrázku.
Nakoniec, v prevádzkovej triede stupňa „C“ním prúd preteká menej ako 50 % periódy vstupného signálu.
NF-tranzistorový zosilňovač: skreslenie v hlavných triedach práce
V pracovnej oblasti má tranzistorový zosilňovač triedy "A" nízku úroveň nelineárneho skreslenia. Ale ak má signál impulzné rázy napätia, ktoré vedú k saturácii tranzistorov, potom sa okolo každej „štandardnej“harmonickej výstupného signálu objavia vyššie harmonické (až do 11.). To spôsobuje fenomén takzvaného tranzistorového alebo kovového zvuku.
Ak majú nízkofrekvenčné výkonové zosilňovače na tranzistoroch nestabilizované napájanie, ich výstupné signály sú modulované v amplitúde blízko sieťovej frekvencie. To vedie k drsnosti zvuku na ľavom okraji frekvenčnej odozvy. Rôzne metódy stabilizácie napätia robia návrh zosilňovača zložitejším.
Typická účinnosť jednopólového zosilňovača triedy A nepresahuje 20 % vďaka stále zapnutému tranzistoru a nepretržitému toku jednosmernej zložky. Môžete urobiť zosilňovač triedy A push-pull, účinnosť sa mierne zvýši, ale polovičné vlny signálu sa stanú asymetrickejšími. Presun kaskády z pracovnej triedy „A“do pracovnej triedy „AB“štvornásobne zvyšuje nelineárne skreslenie, hoci účinnosť jej obvodu sa zvyšuje.
Bzosilňovače tried "AB" a "B" skreslenie narastá so znižovaním úrovne signálu. Nedobrovoľne chcete zosilniť taký zosilňovač, aby ste naplno pocítili silu a dynamiku hudby, ale často to príliš nepomôže.
Stredne pokročilá trieda práce
Pracovná trieda „A“má variáciu – trieda „A+“. V tomto prípade nízkonapäťové vstupné tranzistory zosilňovača tejto triedy pracujú v triede "A" a vysokonapäťové výstupné tranzistory zosilňovača, keď ich vstupné signály prekročia určitú úroveň, prechádzajú do tried "B" resp. "AB". Účinnosť takýchto kaskád je lepšia ako v čistej triede "A" a nelineárne skreslenie je menšie (do 0,003%). Tiež však znejú „kovovo“kvôli prítomnosti vyšších harmonických vo výstupnom signáli.
Zosilňovače inej triedy - "AA" majú ešte nižší stupeň nelineárneho skreslenia - asi 0,0005%, ale sú prítomné aj vyššie harmonické.
Vrátiť sa k tranzistorovému zosilňovaču triedy A?
V súčasnosti mnohí špecialisti v oblasti vysokokvalitnej reprodukcie zvuku obhajujú návrat k elektrónkovým zosilňovačom, pretože úroveň nelineárneho skreslenia a vyšších harmonických, ktoré vnášajú do výstupného signálu, je zjavne nižšia ako u tranzistorov. Tieto výhody sú však do značnej miery kompenzované potrebou prispôsobeného transformátora medzi vysokoimpedančným elektrónkovým výstupným stupňom a nízkoimpedančnými reproduktormi. Jednoduchý tranzistorový zosilňovač však môže byť vyrobený s výstupom transformátora, ako je uvedené nižšie.
Existuje aj názor, že len hybridný elektrónkový-tranzistorový zosilňovač môže poskytnúť maximálnu kvalitu zvuku, ktorého všetky stupne sú jednostranné, nepokryté negatívnou spätnou väzbou a pracujú v triede „A“. To znamená, že takýto výkonový sledovač je zosilňovač na jednom tranzistore. Jeho schéma môže mať maximálnu dosiahnuteľnú účinnosť (v triede "A") nie viac ako 50%. Ale ani výkon, ani účinnosť zosilňovača nie sú indikátormi kvality reprodukcie zvuku. Zároveň je mimoriadne dôležitá kvalita a linearita charakteristík všetkých ERE v obvode.
Keďže okruhy s jedným zakončením získajú túto perspektívu, nižšie sa pozrieme na ich možnosti.
Jednopólový jednotranzistorový zosilňovač
Jeho obvod, vyrobený so spoločným emitorom a R-C pripojeniami pre vstupné a výstupné signály pre prevádzku v triede "A", je znázornený na obrázku nižšie.
Zobrazuje n-p-n tranzistor Q1. Jeho kolektor je pripojený ku kladnému pólu +Vcc cez odpor obmedzujúci prúd R3 a jeho emitor je pripojený k -Vcc. Tranzistorový zosilňovač p-n-p bude mať rovnaký obvod, ale napájacie vodiče budú zamenené.
C1 je oddeľovací kondenzátor, ktorý oddeľuje vstupný zdroj striedavého prúdu od zdroja jednosmerného napätia Vcc. C1 zároveň nebráni prechodu striedavého vstupného prúdu cez prechod báza-emitor tranzistora Q1. Rezistory R1 a R2 spolu s odporomprechod "E - B" tvorí napäťový delič Vcc na výber pracovného bodu tranzistora Q1 v statickom režime. Typická pre tento obvod je hodnota R2=1 kOhm a poloha pracovného bodu je Vcc / 2. R3 je zaťažovací odpor kolektorového obvodu a používa sa na vytvorenie výstupného signálu s premenlivým napätím na kolektore.
Predpokladajme, že Vcc=20 V, R2=1 kOhm a prúdové zosilnenie h=150. Zvolíme napätie na emitore Ve=9 V a úbytok napätia na prechode "A - B" je braný rovný Vbe=0,7 V. Táto hodnota zodpovedá takzvanému kremíkovému tranzistoru. Ak by sme uvažovali o zosilňovači na báze germániových tranzistorov, potom by úbytok napätia na otvorenom prechode "E - B" bol Vbe=0,3 V.
Emitorový prúd, približne rovnaký ako kolektorový prúd
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Základný prúd Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Pokles napätia na rezistore R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20 V - 9,7 V=10,3 V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 je potrebný na vytvorenie obvodu na prechod premennej zložky prúdu emitora (v skutočnosti prúdu kolektora). Ak by tam nebol, potom by rezistor R2 výrazne obmedzoval premennú zložku, takže príslušný bipolárny tranzistorový zosilňovač by mal nízke prúdové zosilnenie.
V našich výpočtoch sme predpokladali, že Ic=Ib h, kde Ib je prúd bázy, ktorý do nej prúdi z žiariča a vzniká, keď sa na bázu aplikuje predpätie. Avšak vždy cez základňu (s odsadením aj bez neho)existuje tiež zvodový prúd z kolektora Icb0. Preto je skutočný kolektorový prúd Ic=Ib h + Icb0 h, t.j. zvodový prúd v obvode s OE sa zosilní 150-krát. Ak by sme uvažovali o zosilňovači na báze germániových tranzistorov, potom by sa táto okolnosť musela brať do úvahy pri výpočtoch. Faktom je, že germániové tranzistory majú významné Icb0 rádovo niekoľko μA. V kremíku je o tri rády menšia (asi niekoľko nA), takže sa pri výpočtoch zvyčajne zanedbáva.
Jednopólový tranzistorový zosilňovač MIS
Ako každý tranzistorový zosilňovač s efektom poľa, aj tento obvod má svoj analóg medzi bipolárnymi tranzistorovými zosilňovačmi. Zvážte preto analóg predchádzajúceho obvodu so spoločným emitorom. Je vyrobený so spoločným zdrojom a R-C pripojeniami pre vstupné a výstupné signály pre prevádzku v triede "A" a je znázornený na obrázku nižšie.
C1 je tu rovnaký oddeľovací kondenzátor, pomocou ktorého je vstupný zdroj striedavého prúdu oddelený od zdroja jednosmerného napätia Vdd. Ako viete, každý tranzistorový zosilňovač s efektom poľa musí mať hradlový potenciál svojich MOS tranzistorov pod potenciálmi ich zdrojov. V tomto obvode je hradlo uzemnené pomocou R1, ktorý má typicky vysoký odpor (100 kΩ až 1 MΩ), takže nezosúva vstupný signál. Cez R1 neprechádza prakticky žiadny prúd, takže potenciál brány pri absencii vstupného signálu sa rovná potenciálu zeme. Potenciál zdroja je vyšší ako potenciál zeme v dôsledku poklesu napätia na rezistore R2. TakžePotenciál brány je teda nižší ako potenciál zdroja, ktorý je potrebný pre normálnu prevádzku Q1. Kondenzátor C2 a odpor R3 majú rovnaký účel ako v predchádzajúcom obvode. Keďže ide o obvod so spoločným zdrojom, vstupné a výstupné signály sú mimo fázy o 180°.
Zosiľňovač výstupu transformátora
Tretí jednostupňový jednoduchý tranzistorový zosilňovač, znázornený na obrázku nižšie, je tiež vyrobený podľa obvodu so spoločným emitorom pre prevádzku v triede „A“, ale je pripojený k reproduktoru s nízkou impedanciou prostredníctvom prispôsobenia transformátor.
Primárne vinutie transformátora T1 je záťažou kolektorového obvodu tranzistora Q1 a vytvára výstupný signál. T1 posiela výstupný signál do reproduktora a zabezpečuje, aby sa výstupná impedancia tranzistora zhodovala s nízkou (rádovo niekoľko ohmov) impedanciou reproduktora.
Delič napätia kolektorového napájacieho zdroja Vcc, namontovaný na rezistoroch R1 a R3, umožňuje voľbu pracovného bodu tranzistora Q1 (dodávajúceho predpätie do jeho bázy). Účel zostávajúcich prvkov zosilňovača je rovnaký ako v predchádzajúcich obvodoch.
Push-pull audio zosilňovač
Dvojtranzistorový push-pull nízkofrekvenčný zosilňovač rozdeľuje vstupný audio signál na dve mimofázové polvlny, z ktorých každá je zosilnená vlastným tranzistorovým stupňom. Po vykonaní takéhoto zosilnenia sa polvlny spoja do kompletného harmonického signálu, ktorý sa prenáša do reproduktorovej sústavy. Takáto transformácia nízkej frekvenciesignál (rozdelenie a opätovné splynutie), samozrejme, spôsobuje v ňom nezvratné skreslenie, kvôli rozdielu vo frekvencii a dynamických vlastnostiach dvoch tranzistorov obvodu. Toto skreslenie znižuje kvalitu zvuku na výstupe zosilňovača.
Push-pull zosilňovače pracujúce v triede „A“nereprodukujú komplexné zvukové signály dostatočne dobre, pretože v ich ramenách neustále prúdi zvýšený konštantný prúd. To vedie k asymetrii polovičných vĺn signálu, fázovým skresleniam a v konečnom dôsledku k strate zrozumiteľnosti zvuku. Po zahriatí dva výkonné tranzistory zdvojnásobia skreslenie signálu v nízkych a infra-nízkych frekvenciách. Hlavnou výhodou push-pull okruhu je však jeho prijateľná účinnosť a zvýšený výstupný výkon.
Push-pull tranzistorový výkonový zosilňovač je znázornený na obrázku.
Toto je zosilňovač triedy "A", ale dá sa použiť aj trieda "AB" a dokonca aj "B".
Beztransformátorový tranzistorový výkonový zosilňovač
Transformátory, napriek pokroku v ich miniaturizácii, sú stále najobjemnejšie, najťažšie a najdrahšie ERE. Preto sa našiel spôsob, ako eliminovať transformátor z push-pull obvodu jeho prevádzkou na dvoch výkonných komplementárnych tranzistoroch rôznych typov (n-p-n a p-n-p). Väčšina moderných výkonových zosilňovačov používa tento princíp a sú navrhnuté tak, aby fungovali v triede "B". Obvod takéhoto výkonového zosilňovača je znázornený na obrázku nižšie.
Oba jeho tranzistory sú zapojené podľa spoločného obvodu kolektora (sledovača emitora). Preto obvod prenáša vstupné napätie na výstup bez zosilnenia. Ak nie je k dispozícii žiadny vstupný signál, oba tranzistory sú na hranici zapnutého stavu, ale sú vypnuté.
Keď je na vstupe harmonický signál, jeho kladná polvlna otvorí TR1, ale uvedie p-n-p tranzistor TR2 do režimu úplného vypnutia. Záťažou teda preteká len kladná polvlna zosilneného prúdu. Záporná polvlna vstupného signálu otvára iba TR2 a vypína TR1, takže do záťaže sa privádza záporná polvlna zosilneného prúdu. Výsledkom je, že do záťaže je dodávaný sínusový signál s plným výkonom (v dôsledku zosilnenia prúdu).
Jeden tranzistorový zosilňovač
Aby sme si osvojili vyššie uvedené, zostavíme jednoduchý tranzistorový zosilňovač vlastnými rukami a zistíme, ako to funguje.
Ako záťaž nízkovýkonového tranzistora T typu BC107 zapneme slúchadlá s odporom 2-3 kOhm, na bázu privedieme predpätie z vysokoodporového odporu R 1. MΩ zapneme v základnom obvode T oddeľovací elektrolytický kondenzátor C s kapacitou 10 μF až 100 μF. Obvod budeme napájať z batérie 4,5 V / 0,3 A.
Ak rezistor R nie je pripojený, potom neexistuje prúd bázy Ib ani prúd kolektora Ic. Ak je odpor pripojený, napätie na základni stúpne na 0,7 V a preteká ním prúd Ib \u003d 4 μA. Koeficientprúdové zosilnenie tranzistora je 250, čo dáva Ic=250 Ib=1 mA.
Po zostavení jednoduchého tranzistorového zosilňovača vlastnými rukami ho teraz môžeme otestovať. Pripojte slúchadlá a položte prst na bod 1 na schéme. Budete počuť hluk. Vaše telo vníma vyžarovanie elektrickej siete s frekvenciou 50 Hz. Hluk, ktorý počujete zo slúchadiel, je toto žiarenie, len zosilnené tranzistorom. Poďme si tento proces vysvetliť podrobnejšie. Na bázu tranzistora je cez kondenzátor C pripojené striedavé napätie 50 Hz. Napätie na báze sa teraz rovná súčtu jednosmerného predpätia (približne 0,7 V) prichádzajúceho z rezistora R a striedavého prstového napätia. Výsledkom je, že kolektorový prúd dostáva striedavú zložku s frekvenciou 50 Hz. Tento striedavý prúd sa používa na pohyb membrány reproduktorov tam a späť pri rovnakej frekvencii, čo znamená, že na výstupe môžeme počuť tón s frekvenciou 50 Hz.
Počúvanie 50 Hz hladiny hluku nie je veľmi zaujímavé, takže môžete pripojiť nízkofrekvenčné zdroje (CD prehrávač alebo mikrofón) k bodom 1 a 2 a počuť zosilnenú reč alebo hudbu.
