Запуск унч по пунктам

Искусство схемотехники. Часть 10 — Усилители низкой частоты

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

11.3. Усилители низкой частоты

Как работает усилитель низкой частоты

Требования к УНЧ. Прежде чем приступить к изготовлению усилителя низкой частоты (УНЧ), коснемся самым кратким образом основ его работы. Основную функцию УНЧ можно сформулировать одной фразой – усилить входной звуковой сигнал до мощности, необходимой для его воспроизведения акустической системой (АС), и при этом внести в сигнал минимальные искажения.

Для выполнения этой функции УНЧ должен:

Вдобавок ко всему, форма этих характеристик зависит еще и от частоты сигнала, подаваемого на вход, хотя на низких частотах эта зависимость редко приобретает катастрофические масштабы. Как же в таких условиях добиться качественной работы усилителей?

Рис. 11.16. Передаточные характеристики:
а – передаточная характеристика транзистора;
б – подана постоянная составляющая

Передаточные характеристики. Рассмотрим для примера передаточную характеристику транзистора (рис. 11.16, а). Она представляет собой замысловатую кривую, которую с массой оговорок можно назвать экспонентой.

На графике (рис. 11.16, а) легко можно увидеть, что верхняя часть кривой более-менее похожа на прямую линию (по крайней мере, по сравнению с нижней ее частью). Если бы нам удалось для усиления сигнала использовать только верхнюю часть кривой, то мы получили бы достаточно хорошее приближение к идеалу.

Сделать это довольно просто – надо подать на вход транзистора вместе с усиливаемым сигналом еще дополнительную постоянную составляющую, которая сместит усиливаемый сигнал в «почти прямую» область передаточной характеристики (рис. 11.16, б). Эта дополнительная составляющая так и называется – «смещение».

Режимы работы усилительных элементов. В зависимости от соотношения величины сигнала и величины смещения различаются несколько режимов работы усилительных элементов:

  • режим А – величина смещения заведомо больше любого возможного сигнала на входе усилителя;
  • режим В – величина смещения такова, что суммарный сигнал может заходить в область начального изгиба передаточной кривой, а порой даже и в левую часть графика, где транзистор вовсе не усиливает сигнал;
  • режим С – смещение как таковое отсутствует совсем.

Конечно, самый лучший в плане приближения к идеалу – режим А, но за такое приближение приходится платить очень дорогую цену, ведь усилительный элемент усиливает не только полезный сигнал, но и поданное смещение. Усиление же связано с выделением теплоты – так уж устроила природа. КПД усилителей класса А (класс усилителя определяется режимом работы его выходных транзисторов) даже теоретически не может быть больше 50%, в реальности же он еще меньше.

Непременный атрибут усилителей класса А – гигантские радиаторы. Поэтому в чистом виде класс А в УНЧ применяется достаточно редко, обычно это все-таки некая разновидность класса В.

Главный недостаток класса В – то, что входной сигнал может временами оказываться в области, где усиления сигнала нет вовсе. Во что превратится в этом случае выходной сигнал, лучше даже не думать. Как решить эту проблему?

До ответа специалисты додумались много десятилетий назад – нужно, чтобы сигнал усиливал не один элемент, а два! Один – одну «половину» сигнала, другой – другую. Сделать это довольно просто – нужно подать входной сигнал на два транзистора разной проводимости (т. н. комплементарная пара) либо подать на два одинаковых транзистора два противофазных сигнала, а усиленные сигналы определенным образом сложить.

Передаточная характеристика такой «парочки» получается не совсем прямой, в области небольших сигналов у нее присутствует т. н. «ступенька», но ее в некоторой степени можно «задавить» смещением. Усилители, в которых для усиления сигнала используется пара усилительных элементов, называются двухтактными, в отличие от однотактных, в которых такой элемент один.

Класс С, несмотря на свою высокую экономичность, в УНЧ используется редко – слишком велики вносимые им искажения. Зато этот класс с успехом применяется в передатчиках. Ведь в силу специфики излучаемого передатчиком сигнала в передающей технике существуют эффективные способы устранения искажений, вносимых каскадом, работающим в классе С. При этом экономичность каскада при излучаемой передатчиком мощности в единицы, десятки или даже сотни киловатт становится слишком серьезным фактором, чтобы им пренебрегать.

Впрочем, инженерная мысль и здесь не дремлет – в культовом УНЧ «Quad-405» и его клонах разработчики путем оригинального технического решения заставили-таки выходные транзисторы работать в классе C, и получить при этом прекрасный звук!

Обратная связь. И здесь на помощь разработчикам УНЧ приходит техническое решение, широко применяющееся в устройствах автоматического регулирования – обратная связь (рис. 11.17). Идея обратной связи проста – усиливаемый сигнал подается не на вход усилительного элемента, а на вход специального блока сравнения.

Рис. 11.17. Обратная связь

На другой его вход через делитель напряжения R1, R2 подается сигнал с выхода усилительного элемента. Если оба сигнала одинаковы, на выходе устройства сравнения сигнала нет. Если же они отличаются, на выходе устройства сравнения появляется такой сигнал. Будучи поданным на усилительный элемент, он приведет выходной сигнал усилителя в точное соответствие его входному сигналу. Поэтому выходной сигнал усилителя всегда будет пропорционален входному, а коэффициент пропорциональности (читай – коэффициент усиления) будет определяться только соотношением величин резисторов делителя напряжения R2/R1. Эти резисторы по природе своей являются элементами с той самой линейной передаточной характеристикой, которую мы так стремимся получить.

Качество звука. Сказав «качество звука», мы поднимаем целый пласт вопросов, связанный с объективной оценкой качества усилителя: субъективные-то оценки давать проще простого – «не нравится» и точка! Для оценок качества звучания усилителя используются различные показатели. Например, коэффициент гармоник – рассчитанное по результатам измерений соотношение величины гармоник сигнала к основному тону (грубо говоря, сколько отсебятины вносит усилитель в исходный сигнал).

Понятно, что чем меньше вносимые усилителем искажения, тем лучшими, по большому счету, будут соответствующие коэффициенты. Нужно только не забывать, что вы, уважаемый радиолюбитель, делаете усилитель не для того, чтобы наслаждаться низким коэффициентом гармоник, а чтобы слушать музыку.

Итак, по необходимости краткий экскурс в область, касающуюся усилителей низкой частоты, закончен. Поскольку в качестве примеров мы с вами рассматривали транзисторы, первый вариант усилителей у нас и будет на транзисторах.

Продолжение читайте здесь

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10. 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3. 12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20. 30 кОм и переменный сопротивлением 100. 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 — 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Читайте также  Технология намотки трансформатора преобразователя для электрошокера

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2. 4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5. 0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50. 60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30. 50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1. 2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2. 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

TTauto › Блог › Секреты подключения и настройки автоусилителей

Правильная настройка усилителя — залог его качественной работы. Без специальных знаний выполнить её не просто. Если у вас небольшой опыт в настройке музыкальной системы в машине или вы вообще впервые взялись за это, то вам пригодятся данные советы.

Вы решили улучшить звучание системы в машине и купили усилитель. Теперь надо разобраться, как его правильно подключить к магнитоле и акустике, а затем настроить, чтобы добиться лучшего качества звучания. Ряд действий надо выполнить перед первым включением усилителя и затем правильно его отрегулировать.

Настройка перед первым включением

Прежде чем включить усилитель, важно произвести его предварительную настройку. Это можно сделать ещё на не установленном усилителе, зная состав компонентов аудиосистемы:

1) регулятор Gain или Level должен быть на минимуме;

2) фильтр LP для сабвуферного канала должен быть включен предварительно на 80 Гц, а фильтр Subsonic можно выставить на 20-30 Гц, если используется сабвуфер в фазоинверторном корпусе;

3) фильтр HP предварительно выставляем в положение Full для дверных динамиков или в задней полке, а если усилитель будет подключен к маленьким динамикам 8-10 см в торпедо, тогда включаем HPF на 120 Гц;

4) при использовании усилителя в поканальном режиме фильтр HP для твитеров и LP для мидбасов должны быть включены предварительно на 4 кГц;

5) переключатель HiLow Level должен соответствовать виду подключения. Если на усилитель будет приходить сигнал с акустических проводов, тогда нужно установить регулятор в положение Hi Level. Если сигнал взят с линейных выходов магнитолы, тогда регулятор выставляем, соответственно, в положение Low Level;

6) басбусты и эквалайзеры должны быть выключены на этапе предварительной регулировки;

7) на усилителях, оснащённых селектором входов, можно обойтись без Y-разветвителей. Например, переключив селектор входов в положение 2CH (копировать сигнал с двух RCA входов на все остальные каналы), можно подключить 5-канальный усилитель к магнитоле, имеющей всего одну пару линейных выходов. Но при использовании всех линейных RCA входов надо не забыть выключить селектор, иначе пропадёт возможность регулировки звука с магнитолы.

Как правило, все регуляторы усилителей «утоплены» в корпус, чтобы избежать случайных изменений настроек, а в некоторых моделях регулировочная панель скрыта съёмной крышкой.

Первое включение

Включаем усилитель и, в первую очередь, смотрим на индикатор подключения — красный он или зелёный. Если вы все правильно подключили и никакой усик из проводки не замкнул, тогда индикатор будет светиться зеленым цветом, а если что-то не так — красным. Начинать настройку можно только в первом случае. Если индикатор красный — найдите неточность в подключении и устраните ее.

Читайте также  Простая рация на каскадах

Сперва настраиваем входную чувствительность (регулятор Gain или Level). Для этого на магнитоле с выключенными эквалайзерами и тонкомпенсацией (LOUD) добавляем уровень громкости до появления клипированного сигнала (шума, «хрипа» и т. п.). А затем возвращаем немного «назад» регулятор громкости, чтобы слышимые искажения исчезли. Оставляя звук на данном уровне громкости, переходим к регулятору усилителя Gain или Level и так же находим на слух крайнее громкое неискажённое звучание фронтальной акустики. Повторяем ту же процедуру с уровнями остальных каналов и подгоняем их под заданный в начале уровень громкости фронтальной акустики.

В поканальном режиме настраиваем неискажённый звук в первую очередь для пищалок, так как они тяжелее переносят клиппирование усилителя.

Использовать или нет HPF для дверных динамиков 165 мм или овалов в задней полке, определяем на слух. По теории, в аудиосистемах с сабвуфером нужно разгружать динамики от низкого баса, чтобы они чище воспроизводили средние частоты и чтобы ограничить ход диффузора. На практике в некоторых системах низкие частоты кажутся неестественными с HPF. Возможно, при отключении фильтра басы станут более плотными, убедительными и т. п.

Применение басбуста среди профессиональных настройщиков звука считается не рациональным как для динамиков, так и для сабвуфера. Басбуст увеличивает, как правило, частоту 40 Гц. Динамики с гораздо меньшим ходом диффузора в сравнении с сабвуферным ходом не способны громко и чисто воспроизвести эти частоты, а сабвуфер, играющий только одну ноту, мягко говоря, подойдёт не для всех стилей музыки. Фильтр сабсоник применяется для сабвуферов с фазоинвертоным оформлением. Если в закрытом объёме чрезмерный ход диффузора тормозит сжатый воздух, то в корпусах с трубой тормозить ход диффузора будет только сабсоник. Обычно этот фильтр выставляют на частоте немного (на несколько Гц) ниже настройки фазоинвертора используемого сабвуфера.

Как видим, процесс подключения и начальной настройки усилителя не такой простой, как с обычным усилителем в стереосистеме. Тем не менее, если следовать приведенным советам и инструкции к устройству, то у вас все получиться.

Как работает усилитель на транзисторе

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.


А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

  • не закрывается;
  • не переходит в режим насыщения;
  • не искажает сигнал;
  • и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Читайте также  Намотка тороидального трансформатора глазами практика. отделка и крепёж

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

УМОЩНЕНИЕ МИКРОСХЕМ-УНЧ ТРАНЗИСТОРАМИ

Микросхемы усилителей мощности, такие как LM3886 и TDA7294, очень популярны среди радиолюбителей. Схемы просты в сборке, минимумом внешних деталей для комплектации усилителя. В отличие от дискретных УНЧ на транзисторах, усилители мощности на м/с намного проще. Тем не менее, существуют некоторые ограничения на использование этих усилителей, из-за их сравнительно низких максимальных пределов рассеяния тепла.

У них выходной ток ограничен, поскольку просто невозможно эффективно отводить тепло от переходов силового транзистора к радиатору. В то время как LM3886 может выдавать заявленные 40 Вт на 8 Ом от источников питания ± 28 В, мощность при 4 Ома нагрузке ограничена 68 Вт, а даже использование ± 35 В при нагрузке 4 Ом обеспечивает ту же мощность, потому что схема внутренней защиты усилителя не позволяет выдавать больше тока. Внутренний предел тока составляет ± 11,5 А (заявленный производителем), но обычно он будет ниже, поскольку защита снизит его, когда напряжение (и / или температура) будет выше чем норма.

Пиковый выходной ток составляет 11,5 А, но это его максимальная длительность в 10 мс при питании 20 В. Работа на полной мощности с источником питания 35 В в значительной степени гарантирует, что внутренняя тепловая защита микросхемы сработает отключив усилитель, пока он не остынет. Максимальное рассеяние мощности микросхемы составляет 125 Вт, и это достаточно много для перемещения тепла от кристалла чипа к радиатору через относительно небольшой тепловой переход.

LM3886 и TIP35 — TIP36 транзисторы

Схема, которую решено было испытать, работала нормально долгое время, без перегревов и срабатывания защит. И даже 4 транзистора могут быть добавлены под 200 ваттный громкоговоритель 4 Ом, в принципе и 400 Вт может быть снято. Не забудьте только использовать изоляцию в радиаторе, в сборке транзисторов и интегральных микросхем.

При добавлении ещё одной пары выходных транзисторов, как показано на схеме ниже, большая часть выходного тока контролируется уже ними. Сама LM3886 обеспечивает приблизительно 1 А пиковых токов, в зависимости от напряжения питания и сопротивления нагрузки. При источниках питания ± 35 В и нагрузке 4 Ом возможно снятие более 100 Вт путем распределения их по транзисторам в среднем на 25 Вт (пик 70 Вт). LM3886 потребляет всего около 18 Вт (в среднем) или менее 40 Вт. Можете если что даже добавить другую пару транзисторов (мощность R8 должна быть соответственно увеличена), тогда схема потянет и нагрузку 2 Ом.

Схемы содержат пару диодов от выхода до клемм питания. Они являются необязательными, поскольку внешние транзисторы не позволяют встроенному защитному устройству войти в режим защиты, а необходимы диоды для распределения обратной ЭДС от нагрузки. Поскольку защита отключена, диоды в значительной степени являются необязательным дополнением. В тестовой схеме всё работало даже когда на выходе было 110 Вт с нагрузкой 4 Ом!

Транзисторы поглощают большую часть напряжения LM3886, поэтому она не перегреется, даже если устройство работает непрерывно с более 100 Вт. Транзисторы должны быть конечно хорошо охлаждены.

Большинство схем в выходном сигнале также имеют последовательную индуктивность 0,7 мкГн. Это рекомендуется для одной лишь LM3886, но необязательно при добавлении транзисторов к усилителю мощности. Её целью является поддержание постоянной мощности при емкостных нагрузках, но здесь микросхема изолирована от нагрузки благодаря резистору 2,7 Ом, который используется для открытия внешних транзисторов. Тестовая схема не была с дросселем и никаких проблем не наблюдалось. При использовании дросселя его изготавливают путем намотки 10 витков провода 0,5 мм на корпус резистора 10 Ом 1 Вт.

LM3886 параллельное соединение

Даже многочисленные коммерческие УМЗЧ использовались с параллельной парой LM3886. Но это совсем не дело. Даже очень небольшое смещение постоянного или переменного тока вызывает сильный ток между встроенными выходными контактами. Большинство схем рекомендует 0,1 Ом, но если разница между выходами двух усилителей составляет 1 В, это означает что ток равен уже 5 А.

Хотя это может показаться допустимым, надо учитывать допуски сопротивления и встроенные напряжения смещения. Используя один конденсатор для линии обратной связи C2, два усилителя имеют точно такое же низкочастотное АЧХ, что исключает возможность прохождения очень низкой частоты, которая вызывает большие смещения на выходах интеграторов усилителя мощности.

В большинстве схем используются резисторы с допуском 1%, и, как правило, они идеально подходят для обеспечения правильной работы УНЧ. Однако в показанной схеме самая большая ошибка заключена в том, что допуски на сопротивление накапливаются, формируя максимальную погрешность. Для примера предположим, что резисторы являются абсолютными, за исключением R2 (1%, 22,220 Ом) и R5 (1%, 21 780 Ом). Это означает что первый интегратор имеет 23,22, а второй — 23,78. Следовательно, U1 имеет выход 23,22 В, а U2 на выходе 22,78 В, разница 440 мВ. Конечно 440 мВ не производит большого шума, но между нулевой нагрузкой на выходе и выходом U1 и U2 будет течь ток в 2,2 А!

Если используются резисторы с допуском 0,1%, можно ожидать, что наихудший циркулирующий ток между интегральными схемами будет около 220 мА при том же пиковом напряжении, что представляет собой значительное снижение. Это уменьшит распределение нагрузки с 28 Вт до 3 Вт (в зависимости от выходного напряжения). Обратите внимание, что смещение по постоянному току не учитывается, но всё-же должно приниматься во внимание.

В общем лучший совет, который можем дать о параллельной работе LM3886 — не делайте этого!

TDA7294 можно использовать в мостовом включении, но только при нагрузке 8 Ом, а напряжение питания не должно превышать ± 35 В. Добавление внешних силовых транзисторов позволяет использовать и усилители мощности LM3886 в мосте, но общая схема станет очень дорогая и сложная.

Используя методы, описанные здесь, без проблем удалось получить 110 Вт на 4 Ом. Тем не менее, общее искажение не является слишком хорошим, особенно на высоких уровнях. От выходного напряжения (при 1 кГц) около 4 В RMS, искажение было чуть более 0,05%, что является хорошо. На более низких уровнях сигнала (где выходные транзисторы вообще не работают) искажение упало примерно до 0,02%.

Нет сомнений в том, что метод усиления транзисторами работает, но это не то, что можно предложить для системы hi-fi. Если же используете сабвуфер, скорее всего вообще не услышите искажения, так как они уменьшаются с уменьшением частоты.

Подведем итоги

Добавление транзисторов-бустеров позволяет микросхемному усилителю звука обеспечивать большую мощность при нагрузках с более низким сопротивлением, чем это возможно в других случаях, но с оговорками. Главной из них является искажение. Оно не будет слышно если усилитель используется для низкочастотного динамика (в 3-полосной системе) или сабвуфера, но, вероятно, будет заметно, если вы попытаетесь использовать эту технологию с усилителем полного диапазона частот 20 Гц — 20 кГц. Также микросхема не может работать при более высоком напряжении, чем она рассчитана, поэтому мощность большинства типовых нагрузок АС (6-8 Ом) не будет значительно улучшена. Разве что при их параллельном включении.

Форум по обсуждению материала УМОЩНЕНИЕ МИКРОСХЕМ-УНЧ ТРАНЗИСТОРАМИ