TRANSISTOR LÅGFREKVENS FÖRSTÄRKARE. EFFEKT FÖRSTÄRKARE
På begäran av webbplatsbesökare presenterar jag en artikel som helt ägnas åt transistorförstärkare. I den 8:e lektionen berörde vi lite ämnet förstärkare - förstärkningssteg på transistorer, så med hjälp av denna artikel kommer jag att försöka eliminera alla luckor angående transistorförstärkare. Några teoretisk grund som presenteras här är giltiga för både transistorförstärkare och rörförstärkare. I början av artikeln kommer huvudtyperna och metoderna för att koppla på förstärkarsteg att granskas i slutet av artikeln, vi kommer att överväga de viktigaste för- och nackdelarna med ensidiga transformatorer och transformatorlösa förstärkare, och vi kommer att överväga i; speciell detalj push-pull transformator och transformatorlösa förstärkare, eftersom de används ganska ofta och representerar ett stort intresse. I slutet av artikeln, liksom i tidigare lektioner, kommer det att vara praktiskt arbete. Den här artikeln skiljer sig faktiskt inte från lektionerna, med den enda skillnaden är att denna och alla efterföljande artiklar kommer att ha specifika titlar, vilket gör att du kan välja ett ämne att studera om du vill. I vilket fall som helst, för att med säkerhet kunna välja något av följande ämnen, måste du gå igenom full kurs bestående av 10 lektioner.
Förstärkartransistorsteg Det är vanligt att kalla en transistor med motstånd, kondensatorer och andra delar som ger den driftsförhållanden som en förstärkare. Att spela vibrationer högt ljudfrekvens transistorförstärkare måste vara minst två - tre steg . I förstärkare som innehåller flera steg särskiljs steg förförstärkning och utmatning, eller slutsteg . Slutsteget är det sista steget i förstärkaren, som fungerar på telefoner eller det dynamiska huvudet på en högtalare, och de första stegen är alla steg framför den. Ett eller flera förförstärkarstegs uppgift är att öka ljudfrekvensspänningen till det värde som krävs för att driva utgångsstegets transistor. Transistorn i utgångssteget krävs för att öka effekten av ljudfrekvensoscillationer till den nivå som krävs för driften av det dynamiska huvudet. För utgångsstegen för de enklaste transistorförstärkarna använder radioamatörer ofta lågeffekttransistorer, samma som i förförstärkarstegen. Detta förklaras av önskan att göra förstärkare mer ekonomiska, vilket är särskilt viktigt för bärbara batteridrivna konstruktioner. Uteffekten för sådana förstärkare är liten - från flera tiotal till 100 - 150 mW, men det är också tillräckligt för att driva telefoner eller dynamiska huvuden med låg effekt. Om frågan om att spara energi från strömförsörjning inte är så betydande, till exempel när man driver förstärkare från ett elektriskt belysningsnätverk, används kraftfulla transistorer i slutstegen. Vad är funktionsprincipen för en förstärkare som består av flera steg? Du kan se diagrammet för en enkel transistor tvåstegs lågfrekvensförstärkare i (Fig. 1). Titta noga på det. I det första steget av förstärkaren arbetar transistorn V1, i den andra transistorn V2. Här är det första steget förförstärkningssteget, det andra är slutsteget. Mellan dem - frånkopplingskondensator C2. Funktionsprincipen för något av stegen i denna förstärkare är densamma och liknar den välbekanta funktionsprincipen för en enstegsförstärkare. Den enda skillnaden ligger i detaljerna: belastningen på transistor V1 i det första steget är motståndet R2, och belastningen på transistor V2 i utgångssteget är telefoner B1 (eller, om utsignalen är tillräckligt kraftfull, högtalarhuvudet). Förspänningen appliceras på basen av transistorn i det första steget genom motståndet R1 och till basen av transistorn i det andra steget - genom motståndet R3. Båda kaskaderna drivs från en gemensam UiP-källa, som kan vara ett batteri av galvaniska celler eller en likriktare. Transistorernas driftlägen ställs in genom att välja motstånd R1 och R3, som indikeras i diagrammet med asterisker.
Ris. 1 tvåstegs transistorförstärkare.
Effekten av förstärkaren som helhet är följande. Den elektriska signalen som tillförs genom kondensatorn Cl till ingången på det första steget och förstärks av transistorn VI, från belastningsmotståndet R2 genom separeringskondensatorn C2 matas till ingången på det andra steget. Här förstärks den av transistor V2 och telefoner B1, kopplade till transistorns kollektorkrets och omvandlas till ljud. Vilken roll har kondensatorn C1 vid förstärkaringången? Den utför två uppgifter: den överför fritt växelsignalspänning till transistorn och förhindrar att basen kortsluts till emittern genom signalkällan. Föreställ dig att denna kondensator inte är i ingångskretsen, och källan till den förstärkta signalen är en elektrodynamisk mikrofon med lågt internt motstånd. Vad kommer att hända? Genom mikrofonens låga motstånd kommer transistorns bas att anslutas till emittern. Transistorn stängs av eftersom den kommer att fungera utan den initiala förspänningen. Den öppnas endast med negativa halvcykler av signalspänningen. Och de positiva halvcyklerna, som ytterligare stänger transistorn, kommer att "avbrytas" av den. Som ett resultat kommer transistorn att förvränga den förstärkta signalen. Kondensator C2 ansluter förstärkarstegen via växelström. Den ska väl passera den variabla komponenten av den förstärkta signalen och fördröja den konstanta komponenten i kollektorkretsen för förstastegstransistorn. Om kondensatorn tillsammans med den variabla komponenten också leder likström, kommer driftläget för slutstegstransistorn att störas och ljudet blir förvrängt eller försvinner helt. Kondensatorer som utför sådana funktioner kallas kopplingskondensatorer, övergångs- eller isoleringskondensatorer . Ingångs- och övergångskondensatorer måste passera väl hela frekvensbandet för den förstärkta signalen - från den lägsta till den högsta. Detta krav uppfylls av kondensatorer med en kapacitet på minst 5 μF. Användningen av kopplingskondensatorer med stor kapacitans i transistorförstärkare förklaras av transistorernas relativt låga ingångsresistanser. Kopplingskondensatorn ger kapacitivt motstånd mot växelström, som blir mindre ju större dess kapacitans. Och om det visar sig vara större än transistorns ingångsresistans, kommer en del av spänningen att falla över den växelström, större än transistorns ingångsresistans, vilket kommer att resultera i en förlust i förstärkning. Kapacitans kopplingskondensator måste vara minst 3 - 5 gånger mindre än transistorns ingångsresistans. Därför placeras stora kondensatorer vid ingången, såväl som för kommunikation mellan transistorsteg. Här används vanligtvis små elektrolytiska kondensatorer med obligatoriskt iakttagande av polariteten för deras anslutning. Dessa är de flesta egenskaper element i en tvåstegs transistor-lågfrekvensförstärkare. För att konsolidera i minnet principen för driften av en tvåstegs lågfrekvensförstärkare för transistorer, föreslår jag att montera, ställa in och testa de enklaste versionerna av förstärkarkretsar nedan. (I slutet av artikeln kommer alternativ för praktiskt arbete att föreslås; nu måste du montera en prototyp av en enkel tvåstegsförstärkare så att du snabbt kan övervaka teoretiska påståenden i praktiken).
Enkla tvåstegsförstärkare
Schematiska diagram av två versioner av en sådan förstärkare visas i (Fig. 2). De är i huvudsak en upprepning av kretsen för den nu demonterade transistorförstärkaren. Endast de anger detaljerna för delarna och anger tre ytterligare element: R1, NW och S1. Motstånd R1 - belastning av källan för ljudfrekvensoscillationer (detektormottagare eller pickup); SZ - kondensator som blockerar högtalarhuvudet B1 vid högre ljudfrekvenser; S1 - strömbrytare. I förstärkaren i (fig. 2, a) arbetar transistorer av p-n-p-strukturen, i förstärkaren i (fig. 2, b) - i n-p-n-strukturen. I detta avseende är polariteten för att slå på batterierna som driver dem annorlunda: en negativ spänning tillförs kollektorerna på transistorerna i den första versionen av förstärkaren, och en positiv spänning tillförs kollektorerna på transistorerna i den andra versionen. Polariteten för att slå på elektrolytkondensatorer är också annorlunda. Annars är förstärkarna exakt likadana.
Ris. 2 Tvåstegs lågfrekventa förstärkare på transistorer med p - n - p-strukturen (a) och på transistorer med n - p - n-strukturen (b).
I vilket som helst av dessa förstärkaralternativ kan transistorer med en statisk strömöverföringskoefficient h21e på 20 - 30 eller mer fungera. En transistor med en stor koefficient h21e måste installeras i förförstärkningssteget (första) - Rollen för belastning B1 för utgångssteget kan utföras av hörlurar, en DEM-4m telefonkapsel. För att driva förstärkaren, använd ett 3336L batteri (populärt kallat ett fyrkantigt batteri) eller nätverksströmförsörjning(som föreslogs göras i den 9:e lektionen). Förmontera förstärkaren på bakbord , och överför sedan dess delar till kretskortet, om en sådan önskan uppstår. Montera först endast delarna av det första steget och kondensatorn C2 på brödbrädan. Slå på hörlurarna mellan den högra (enligt diagrammet) terminalen på denna kondensator och den jordade ledaren på strömkällan. Om du nu ansluter förstärkarens ingång till utgångsjacken på till exempel en detektormottagare som är inställd på någon radiostation, eller ansluter någon annan källa till en svag signal till den, ljudet från en radiosändning eller en signal från ansluten källa visas i telefonerna. Genom att välja resistansen för motståndet R2 (samma som när man justerar driftläget för en enkeltransistorförstärkare, det jag pratade om i lektion 8), uppnå högsta volymen. I detta fall bör en milliammeter ansluten till transistorns kollektorkrets visa en ström lika med 0,4 - 0,6 mA. Med en strömförsörjningsspänning på 4,5 V är detta det mest fördelaktiga driftläget för denna transistor. Montera sedan delarna av förstärkarens andra (utgångs-) steg och anslut telefonerna till transistorns kollektorkrets. Telefoner bör nu låta betydligt högre. Kanske kommer de att låta ännu högre efter att valet av motstånd R4 är installerat samlarström transistor 0,4 - 0,6 mA. Du kan göra det annorlunda: montera alla delar av förstärkaren, välj motstånd R2 och R4 för att ställa in de rekommenderade transistorlägena (baserat på strömmarna i kollektorkretsarna eller spänningarna på transistorernas kollektorer) och kontrollera först därefter dess funktion för ljudåtergivning. Det här sättet är mer tekniskt. Och för mer komplex förstärkare, och du kommer att ha att göra med sådana förstärkare, det är den enda korrekta. Jag hoppas att du förstår att mitt råd om att sätta upp en tvåstegsförstärkare gäller lika för båda alternativen. Och om strömöverföringskoefficienterna för deras transistorer är ungefär desamma, bör ljudvolymen för telefoner och förstärkare vara densamma. Med en DEM-4m kapsel, vars resistans är 60 Ohm, måste kaskadtransistorns viloström ökas (genom att minska motståndet för motståndet R4) till 4 - 6 mA. Det schematiska diagrammet för den tredje versionen av en tvåstegsförstärkare visas i (Fig. 3). Det speciella med denna förstärkare är att i sitt första steg fungerar en transistor av p - n - p-strukturen, och i den andra - en n - p - n-struktur. Dessutom är basen av den andra transistorn ansluten till kollektorn för den första inte genom en övergångskondensator, som i förstärkaren av de två första alternativen, utan direkt eller, som de också säger, galvaniskt. Med en sådan anslutning utökas frekvensområdet för förstärkta svängningar, och den andra transistorns driftläge bestäms huvudsakligen av driftsättet för den första, som ställs in genom att välja motståndet R2. I en sådan förstärkare är belastningen av transistorn i det första steget inte motståndet R3, utan emitter-p-n-övergången för den andra transistorn. Motståndet behövs bara som ett förspänningselement: spänningsfallet som skapas över det öppnar den andra transistorn. Om denna transistor är germanium (MP35 - MP38), kan motståndet hos motståndet R3 vara 680 - 750 Ohm, och om det är kisel (MP111 - MP116, KT315, KT3102) - cirka 3 kOhms. Tyvärr är stabiliteten för en sådan förstärkare låg när matningsspänningen eller temperaturen ändras. Annars gäller allt som sägs i förhållande till förstärkarna av de två första alternativen för denna förstärkare. Kan förstärkare drivas från en källa? likström med en spänning på 9 V, till exempel från två 3336L eller Krona-batterier, eller omvänt från en källa med en spänning på 1,5 - 3 V - från ett eller två element 332 eller 316? Naturligtvis är det möjligt: vid en högre spänning på strömförsörjningen bör belastningen på förstärkaren - högtalarhuvudet - låta högre, vid en lägre spänning - tystare. Men samtidigt bör transistorernas driftlägen vara något annorlunda. Dessutom, när nätspänningen är 9 V märkspänningar elektrolytkondensatorer C2 av de två första förstärkaralternativen måste vara minst 10 V. Så länge förstärkardelarna är monterade på en bryggbräda är allt detta enkelt att testa experimentellt och dra lämpliga slutsatser.
Ris. 3 Förstärkare med transistorer av olika struktur.
Att montera delarna av en etablerad förstärkare på ett permanent kort är ingen svår uppgift. Till exempel (fig. 4) visar kretskortet för förstärkaren av det första alternativet (enligt diagrammet i fig. 2, a). Skär skivan av getinax eller glasfiber med en tjocklek på 1,5 - 2 mm. Dess mått som visas i figuren är ungefärliga och beror på måtten på de delar du har. Till exempel, i diagrammet anges motståndens effekt som 0,125 W, kapacitansen för de elektrolytiska kondensatorerna anges som 10 μF. Men detta betyder inte att endast sådana delar ska installeras i förstärkaren. Effektförlusten hos motstånd kan vara vilken som helst. Istället för elektrolytkondensatorer K5O - 3 eller K52 - 1, som visas på kretskortet, kan det finnas kondensatorer K50 - 6 eller importerade analoger, även för högre märkspänningar. Beroende på vilka delar du har kan detta variera. tryckt kretskort förstärkare Du kan läsa om metoder för att installera radioelement, inklusive installation av tryckta kretsar, i avsnittet "skinka radioteknik" .
Ris. 4 Kretskort tvåstegs lågfrekvent förstärkare.
Någon av förstärkarna som jag pratade om i den här artikeln kommer att vara användbar för dig i framtiden, till exempel för en bärbar transistormottagare. Liknande förstärkare kan användas för trådbundna telefonkommunikation med en vän som bor i närheten.
Stabilisering av transistorns driftläge
En förstärkare av det första eller andra alternativet (enligt diagrammen i fig. 2), monterad och justerad inomhus, kommer att fungera bättre än utomhus, där den kommer att utsättas för de varma strålarna från sommarsolen eller i kylan på vintern. Varför händer detta? Eftersom, tyvärr, när temperaturen ökar, störs transistorns driftläge. Och grundorsaken till detta är den okontrollerade omvända kollektorströmmen Ikbo och förändringen i den statiska strömöverföringskoefficienten h21E med temperaturförändringar. I princip är nuvarande Ikbo liten. För lågfrekventa germaniumtransistorer med låg effekt, till exempel, mäts denna ström vid omvänd spänning vid kollektorns p-n-övergång på 5 V och en temperatur på 20 ° C, överstiger inte 20 - 30 μA, och för kiseltransistorer är den mindre än 1 μA. Men det förändras avsevärt när det utsätts för temperatur. Med en ökning av temperaturen med 10°C fördubblas strömmen Ikbo för en germaniumtransistor ungefär, och en kiseltransistor ökar med 2,5 gånger. Om till exempel vid en temperatur på 20°C strömmen Ikbo för en germaniumtransistor är 10 μA, då när temperaturen stiger till 60°C ökar den till ungefär 160 μA. Men den nuvarande Ikbo kännetecknar egenskaperna hos endast kollektorns p-n-övergång. Under verkliga driftsförhållanden appliceras strömkällans spänning till två p-n-övergångar - kollektor och emitter. I det här fallet flyter den omvända kollektorströmmen också genom emitterövergången och förstärker så att säga sig själv. Som ett resultat ökar värdet på den okontrollerade strömmen, som ändras under påverkan av temperaturen, flera gånger. Och ju större andelen är av kollektorströmmen, desto mer instabil är transistorns driftläge under olika temperaturförhållanden. En ökning av strömöverföringskoefficienten h21E med temperaturen ökar instabiliteten. Vad händer i kaskaden, till exempel på transistor V1 i förstärkaren av det första eller andra alternativet? När temperaturen stiger ökar den totala kollektorkretsens ström, vilket orsakar ett ökande spänningsfall över belastningsmotståndet R3 (se fig. 3). Spänningen mellan kollektorn och emittern minskar, vilket leder till signalförvrängning. Med ytterligare temperaturökning kan spänningen vid kollektorn bli så liten att transistorn inte längre kommer att förstärka insignalen alls. Att reducera effekten av temperaturen på kollektorströmmen är möjligt antingen genom att använda transistorer med en mycket låg ström Ikbo i utrustning utformad för att fungera med betydande temperaturfluktuationer. till exempel kisel eller användning av speciella åtgärder som termiskt stabiliserar transistorernas mod. En av metoderna termisk stabilisering av driftläget en germaniumtransistor med p - n - p-strukturen visas i diagrammet i fig. 5, a. Här, som du kan se, är basmotståndet Rb inte anslutet till strömkällans negativa ledare, utan till transistorns kollektor. Vad ger detta? Med ökande temperatur ökar den ökande kollektorströmmen spänningsfallet över belastningen Rн och minskar spänningen över kollektorn. Och eftersom basen är ansluten (genom motstånd Rb) till kollektorn, minskar även den negativa förspänningen på den, vilket i sin tur minskar kollektorströmmen. Resultatet är återkoppling mellan kaskadens utgångs- och ingångskretsar - den ökande kollektorströmmen minskar spänningen vid basen, vilket automatiskt minskar kollektorströmmen. Transistorns specificerade driftläge är stabiliserat. Men under drift av transistorn uppstår negativ AC-återkoppling mellan dess kollektor och bas genom samma motstånd Rb, vilket minskar den totala förstärkningen av kaskaden. Således uppnås stabiliteten hos transistormoden till bekostnad av förlust i förstärkning. Det är synd, men du måste göra dessa förluster för att behålla normalt arbete förstärkare
Ris. 5 förstärkarsteg med termisk stabilisering av transistorläget.
Det finns dock ett sätt att stabilisera transistorns driftläge med något lägre förluster i förstärkning, men detta uppnås genom att komplicera kaskaden. Kretsen för en sådan förstärkare visas i (fig. 5, b). Transistorns viloläge när det gäller likström och spänning förblir densamma: kollektorkretsströmmen är 0,8 - 1 mA, den negativa förspänningen vid basen i förhållande till emittern är 0,1 V (1,5 - 1,4 = 0,1 V). Men läget ställs in med två extra motstånd: Rb2 och Re. Motstånden Rb1 och Rb2 bildar en delare med hjälp av vilken en stabil spänning upprätthålls vid basen. Emittermotståndet Re är ett element termisk stabilisering . Termisk stabilisering av transistorläget sker enligt följande. När kollektorströmmen ökar under inverkan av värme, ökar spänningsfallet över motståndet Re. I detta fall minskar spänningsskillnaden mellan basen och emittern, vilket automatiskt minskar kollektorströmmen. Samma återkoppling erhålls, först nu mellan emittern och basen, tack vare vilken transistorläget stabiliseras. Täck kondensatorn Se med papper eller fingret, parallellkopplad med motståndet Re och shunta den därför. Vad påminner detta diagram dig om nu? En kaskad med en transistor ansluten enligt OK-kretsen (emitterföljare). Detta innebär att under drift av transistorn, när det över motståndet Re finns ett spänningsfall av inte bara konstanten utan även de variabla komponenterna, uppstår ett spänningsfall mellan emittern och basen. 100 % negativ AC-spänningsåterkoppling , där kaskadförstärkningen är mindre än enhet. Men detta kan bara hända när det inte finns någon kondensator C3. Denna kondensator skapar en parallell bana längs vilken, förbigående av motståndet Re, växelkomponenten av kollektorströmmen flyter, pulserande med frekvensen av den förstärkta signalen, och negativ återkoppling inte inträffar (kollektorströmmens växelkomponent går in i den gemensamma tråd). Kapacitansen hos denna kondensator bör vara sådan att den inte ger något märkbart motstånd mot de lägsta frekvenserna hos den förstärkta signalen. I ljudfrekvensförstärkningssteget kan detta krav uppfyllas Elektrolytkondensator med en kapacitet på 10 - 20 eller fler mikrofarader. En förstärkare med ett sådant system för att stabilisera transistorläget är praktiskt taget okänslig för temperaturfluktuationer och dessutom, och inte mindre viktigt, för att ändra transistorer. Är det så här transistorns driftläge ska stabiliseras i alla fall? Självklart inte. Det beror trots allt på vilket syfte förstärkaren är avsedd för. Om förstärkaren bara fungerar hemma, där temperaturskillnaden är obetydlig, är strikt termisk stabilisering inte nödvändig. Och om du ska bygga en förstärkare eller mottagare som skulle fungera tillförlitligt både hemma och på gatan, måste du naturligtvis stabilisera transistorernas läge, även om enheten måste vara komplicerad med ytterligare delar .
Push-pull effektförstärkare
När jag pratade i början av den här artikeln om syftet med förstärkarstegen, sa jag, som om jag tittade framåt, att i slutstegen, som är effektförstärkare, använder radioamatörer samma lågeffekttransistorer som i spänningsförstärkningsstegen. Då kan naturligtvis en fråga dyka upp i ditt sinne, eller kanske uppstå: hur uppnås detta? Jag svarar på det nu. Sådana steg kallas push-pull effektförstärkare. Dessutom kan de vara transformatorbaserade, dvs. använda transformatorer i dem, eller transformatorlösa. Dina konstruktioner kommer att använda båda typerna av push-pull ljudfrekvensoscillationsförstärkare. Låt oss förstå principen för deras arbete. Ett förenklat diagram över ett kraftförstärkningssteg för en push-pull-transformator och grafer som illustrerar dess funktion visas i (fig. 6). Som du kan se innehåller den två transformatorer och två transistorer. Transformator T1 är mellansteg, ansluter pre-terminalsteget med ingången på effektförstärkaren, och transformator T2 är utgång. Transistorerna V1 och V2 är anslutna enligt OE-kretsen. Deras utsläppare, typ genomsnittlig produktion sekundärlindning av mellanstegstransformatorn, "jordad" - ansluten till den gemensamma ledaren för strömkällan Ui.p. - negativ matningsspänning tillförs transistorkollektorerna genom primärlindningen av utgångstransformatorn T2: till kollektorn på transistorn V1 - genom sektionen Ia, till kollektorn för transistorn V2 - genom sektionen Ib. Varje transistor och de tillhörande sektionerna av mellanstegstransformatorns sekundärlindning och utgångstransformatorns primärlindning representerar en vanlig, redan välkänd enkeländsförstärkare. Detta är lätt att verifiera om du täcker en av dessa kaskadarmar med ett papper. Tillsammans bildar de en push-pull effektförstärkare.
Ris. 6 Push-pull transformator effektförstärkare och grafer som illustrerar dess funktion.
Kärnan i driften av en push-pull-förstärkare är som följer. Ljudfrekvensoscillationer (grafik i fig. 6) från pre-terminalsteget matas till baserna på båda transistorerna så att spänningarna på dem ändras när som helst i motsatta riktningar, d.v.s. i motfas. I detta fall arbetar transistorerna växelvis, under två cykler för varje period av spänningen som tillförs dem. När det till exempel finns en negativ halvvåg vid basen av transistor V1, öppnas den och strömmen för endast denna transistor flyter genom sektion Ia av primärlindningen på utgångstransistorn (graf b). Vid denna tidpunkt är transistor V2 stängd, eftersom det finns en positiv halvvågsspänning vid dess bas. I nästa halvcykel, tvärtom, kommer den positiva halvvågen att baseras på transistor V1, och den negativa halvvågen kommer att baseras på transistor V2. Nu öppnar transistor V2 och kollektorströmmen flyter genom sektion Ib av primärlindningen på utgångstransformatorn (graf c), och transistor V1, som stänger, "vilar". Och så vidare för varje period av ljudvibrationer som tillförs förstärkaren. I transformatorlindningen summeras kollektorströmmarna för båda transistorerna (graf d), som ett resultat erhålls mer kraftfulla elektriska svängningar av ljudfrekvens vid förstärkarens utgång än i en konventionell enkeländad förstärkare. Dynamiskt huvud B, anslutet till transformatorns sekundärlindning, omvandlar dem till ljud. Nu, med hjälp av diagrammet i (Fig. 7), låt oss förstå principen för drift transformatorlös push-pull förstärkare kraft. Det finns också två transistorer, men de har olika struktur: transistor Vl - p - n - p, transistor V2 - n - p - n. För likström är transistorerna seriekopplade och bildar, så att säga, en spänningsdelare för likströmskällan som matar dem. I detta fall skapas en negativ spänning lika med halva strömkällans spänning vid transistorns V1 kollektor i förhållande till mittpunkten mellan dem, kallad symmetripunkten, och en positiv spänning skapas vid transistorns V2 kollektor, också lika med halva spänningen från strömkällan Unp. Dynamiskt huvud B är anslutet till transistorernas emitterkretsar: för transistor V1 - genom kondensator C2, för transistor V2 - genom kondensator C1. Således är AC-transistorerna anslutna enligt OK-kretsen (sändare följare) och arbeta på en gemensam last - huvud B.
Ris. 7 Push-pull transformatorlös effektförstärkare.
Vid basen av båda transistorerna i förstärkaren fungerar en växelspänning av samma värde och frekvens, som kommer från pre-terminalsteget. Och eftersom transistorerna har olika strukturer fungerar de växelvis, i två cykler: med en negativ halvvågsspänning öppnar endast transistorn V1 och i kretshuvudet B - kondensatorn C2 uppträder en kollektorströmpuls (i fig. 6 - graf). b), och med en positiv halvvåg. Vid halvvåg öppnas endast transistor V2 och i huvud-kondensator Cl-kretsen uppträder en puls av kollektorströmmen för denna transistor (i fig. 6 - graf c). Således flyter transistorernas totala ström genom huvudet (graf d i fig. 6), som representerar effektförstärkta ljudfrekvensoscillationer, som den omvandlar till ljudvibrationer. Praktiskt taget erhålls samma effekt som i en förstärkare med transformatorer, men tack vare användningen av transistorer av olika strukturer finns det inget behov av en anordning för att leverera en signal till basen av transistorerna i motfas . Du kanske har märkt en motsägelse i min förklaring av push-pull effektförstärkare: ingen förspänning applicerades på transistorernas baser. Du har rätt, men det är inget speciellt misstag här. Faktum är att push-pull-transistorer kan fungera utan en initial förspänning. Men då snedvridningar som "steg" , speciellt starkt känt med en svag insignal. De kallas steg eftersom de på oscillogrammet av en sinusformad signal har en stegform (Fig. 8). Det enklaste sättet att eliminera sådana distorsioner är att applicera en förspänning på transistorernas baser, vilket är vad som görs i praktiken.
Ris. 8 "Steg"-typ distorsion.
Nu, innan vi börjar prata om förstärkare som ger hög ljudåtergivning, vill jag presentera några parametrar och förstärkningsklasser som kännetecknar en lågfrekvent förstärkare. Alla fördelar med push-pull-förstärkare kommer att diskuteras i detalj nedan.
HUVUDPARAMETRAR FÖR LF FÖRSTÄRKARE
Kvaliteten och lämpligheten hos en förstärkare för vissa ändamål bedöms av flera parametrar, av vilka de viktigaste är tre: uteffekt Pout, känslighet och frekvensgång. Det här är de grundläggande parametrarna som du bör känna till och förstå. Uteffekt är den elektriska effekten av en ljudfrekvens, uttryckt i watt eller milliwatt, som en förstärkare levererar till en belastning - vanligtvis en drivrutin för direktstrålning. I enlighet med fastställda standarder skiljer man på nominellt Rnom och maximal kraft Pmax. Märkeffekt är den effekt vid vilken den sk icke-linjär distorsion utsignalen, bidragit från förstärkaren, inte överstiga 3 - 5 % i förhållande till den oförvrängda signalen. När effekten ökar ytterligare ökar den olinjära distorsionen av utsignalen. Den effekt vid vilken distorsion når 10 % kallas maximal. Den maximala uteffekten kan vara 5 - 10 gånger högre än märkeffekten, men med den märks distorsion även på gehör. När jag pratar om förstärkare i den här artikeln kommer jag i allmänhet att rapportera deras genomsnittliga uteffekter och helt enkelt hänvisa till dem som uteffekter. Känsligheten hos en förstärkare är ljudfrekvenssignalspänningen, uttryckt i volt eller millivolt, som måste appliceras på dess ingång för att effekten vid belastningen ska nå märkvärdet. Ju lägre denna spänning, desto naturligt bättre känslighet förstärkare Till exempel kommer jag att säga: känsligheten hos de allra flesta amatör- och industriella förstärkare avsedda för att återge signaler med linjeutgång bandspelare, DVD-spelare och andra källor, kan vara 100 - 500 mV och upp till 1V, känsligheten för mikrofonförstärkare är 1 - 2 mV. Frekvenssvar - frekvenssvar (eller förstärkarens arbetsfrekvensband) uttrycks grafiskt av en horisontell, lätt böjd linje som visar beroendet av utsignalspänningen Uout på dess frekvens vid en konstant inspänning Uin. Faktum är att vilken förstärkare som helst, av ett antal anledningar, förstärker signaler med olika frekvenser ojämnt. Som regel är vibrationer av de lägsta och högsta frekvenserna i ljudområdet sämst förstärkta. Därför är linjerna - förstärkarnas frekvensegenskaper - ojämna och har nödvändigtvis dips (blockeringar) vid kanterna. Oscillationer av extremt låga och höga frekvenser, vars förstärkning jämfört med fluktuationer av mellanfrekvenser (800 - 1000 Hz) sjunker till 30 %, anses vara gränserna för förstärkarens frekvensband. Frekvensbandet för förstärkare avsedda för återgivning av musikaliska verk måste vara minst från 20 Hz till 20 - 30 kHz, förstärkare för nätverkssändningsmottagare - från 60 Hz till 10 kHz, och förstärkare för små transistormottagare - från cirka 200 Hz till 3 - 4 kHz. För att mäta de grundläggande parametrarna för förstärkare behöver du en ljudfrekvensoscillator, en växelspänningsvoltmeter, ett oscilloskop och några andra mätinstrument. De finns tillgängliga i produktionsradiolaboratorier, radioelektronikklubbar, och för mer produktiva radioelektronikstudier bör du försöka köpa dem själv så att de alltid finns till hands.
Förstärkningsklasser av lågfrekventa förstärkare. Rollen för förstärkningsklass för att uppnå effektparametrar och hög effektivitet
Hittills har vi inte pratat om hur mycket energi som går åt på att skapa en förstärkt signal, på att skapa " kraftfull kopia» ingångssignal. I själva verket hade vi aldrig en sådan fråga. Det måste sägas att energileverantören för att skapa en förstärkt signal kan vara ett batteri eller strömförsörjning. Samtidigt anses det vara uppenbart att batteriet har stora energireserver och det finns inget att spara på bara för att skapa förstärkt signal. Nu när målet har uppnåtts, när vi har lärt oss hur man förstärker en svag signal med hjälp av en transistor, låt oss försöka ta reda på vilken typ av energi som ska levereras av dess leverantör - kollektorbatteriet. Låt oss försöka ta reda på hur mycket en watt förstärkt signal kostar, hur många watt likström batteriet måste betala för det. Efter att ha gjort ett antal antaganden, förutsatt att den raka sektionen av ingångskarakteristiken börjar direkt från "noll", att det inte finns några böjar i utgångskarakteristiken, att ett element (till exempel en transformator) ingår som en kollektorlast, på vilken den konstanta spänningen inte går förlorad, kommer vi till slutsatsen att vad i bästa fallet endast hälften av den energi som förbrukas från batteriet omvandlas till en förstärkt signal. Detta kan sägas annorlunda: effektivitet (effektivitet) transistorförstärkare överstiger inte 50%. För varje watt utsignalseffekt måste du betala dubbelt så mycket, två watt kollektorbatteri (Fig. 9).
Ris. 9 Ju högre verkningsgrad en förstärkare har, desto mindre effekt förbrukar den för att skapa en given uteffekt.
Att bevisa giltigheten av denna slutsats är ganska enkel. För att beräkna strömförbrukningen från ett batteri måste du multiplicera dess DC-spänning Ek på den förbrukade strömmen, det vill säga på den vilokollektorströmmen Ik.p. . transistor (Ppot. = Ek * Ik.p.) . Å andra sidan kan amplituden för kollektorströmmens växelkomponent inte på något sätt vara större än viloströmmen, annars kommer transistorn att arbeta med en cutoff. I bästa fall är den variabla komponentens amplitud lika med viloströmmen Ik.p. och vari effektivt värde den variabla komponenten av kollektorströmmen är lika med In.ef. = 07 * Ik.p .. På samma sätt kan amplituden för växelspänningen på lasten inte vara större än batterispänningen, annars kommer vid vissa ögonblick inte ett "minus", utan ett "plus" att visas på kollektorn. Och detta kommer i bästa fall att leda till allvarliga snedvridningar. Således det effektiva värdet på utspänningen Uneff. kan inte överstiga Uneff. = 07 * Ek . Nu återstår bara att föröka sig 07 * Ik.p.. den 07 * Ek. och få det som är störst effektiv kraft, som förstärkaren kan leverera inte överstiger Ref. = 0,5 * Ik.p. * Ek = W.eff. , det vill säga inte överstiger hälften av strömförbrukningen. Detta beslut är slutgiltigt, men det kan överklagas. Det är möjligt, till bekostnad av vissa uppoffringar, att öka effektiviteten hos förstärkaren, att passera gränsen för femtio procents verkningsgrad. För att öka effektiviteten är det nödvändigt för förstärkaren att skapa en kraftfullare signal vid samma effektförbrukning . Och för detta behöver du, utan att öka viloströmmen Ik.p. Och DC spänning Ek , öka kollektorströmmens alternerande komponenter I och belastningsspänning Fn. Vad hindrar oss från att öka dessa två komponenter? Förvrängningar . Vi kan också öka strömmen I (för detta räcker det till exempel att öka ingångssignalnivån) och spänningen Fn (för att göra detta räcker det igen att öka insignalen eller öka belastningsresistansen för (växelström). Men i båda fallen kommer signalformen att förvrängas, dess negativa halvvågor kommer att skäras av. Och även om sådana en uppoffring verkar oacceptabel (vem behöver en ekonomisk förstärkare, om den producerar defekta produkter?), vi kommer fortfarande att satsa på det. För det första, för genom att tillåta distorsion (och sedan bli av med den), kommer vi att kunna byta förstärkaren till. ett mer ekonomiskt läge och öka dess effektivitet. Förstärkning utan distorsion, när amplituden för kollektorströmmens växelkomponent inte överstiger viloströmmen Ic.p., kallas förstärkningsklass (A). En enstaka förstärkare som fungerar i klass A kallas en enda förstärkare. Om under förstärkningen en del av signalen är "avstängd", om amplituden för kollektorströmmens växelkomponent är större än Ic.p., och en strömavbrott inträffar i kollektorkretsen, får vi en av de amplifieringsklasser (AB), (B) eller (C). Med förstärkning i klass B är cutoff lika med halvcykel, d.v.s. Under halva perioden är det ström i kollektorkretsen och under den andra halvan av perioden är det ingen ström. Om det är ström under mer än halva perioden så har vi förstärkningsklass AB, om mindre, klass C. (Oftare anger vinstklasser med latinska bokstäver A, AB, B, C). Föreställ dig att vi inte har en, utan två identiska förstärkare som arbetar i klass B: en reproducerar positiva halvcykler av signalen, den andra - negativa. Föreställ dig nu att båda arbetar för en gemensam belastning. I det här fallet kommer vi att få en normal, oförvrängd växelström i lasten - en signal som om den sys från två halvor (fig. 10).
Ris. 10 Push-pull-kaskad- och förstärkningsklasser.
Det är sant att för att få en oförvrängd signal från två förvrängda, var vi tvungna att skapa en relativt komplex krets för att sy ihop halvorna (en sådan krets, som diskuteras ovan i den här artikeln, kallas push-pull), i huvudsak bestående av två oberoende förstärkningssteg. Men som förklarats ovan, vår förlust (i I detta fallöka komplexiteten hos förstärkarkretsen) ger betydligt större vinster. Den totala effekten som en push-pull-förstärkare utvecklar är större än den effekt som båda halvorna skulle producera separat. Och "kostnaden" för en watt av utsignalen visar sig vara betydligt mindre än i en ensidig förstärkare. I ett idealiskt fall (switch mode) kan en watt utsignal erhållas för samma watt strömförbrukning, det vill säga i ett idealiskt fall kan effektiviteten hos en push-pull-förstärkare nå 100 procent. Den verkliga effektiviteten är naturligtvis lägre: praktiskt taget är den 67%. Men i en ensidig förstärkare som fungerar i en klass A, vi uppnådde en verkningsgrad lika med 50 %, också endast i det ideala fallet. Men i verkligheten låter en ensidig förstärkare dig få en effektivitet på högst 30 - 40%. Och därför i en push-pull-förstärkare kostar varje watt uteffekt oss två till tre gånger "billigare" än i en entaktsförstärkare. För portabel transistorutrustning är det särskilt viktigt att öka effektiviteten. Ju högre verkningsgrad, desto lägre energiförbrukning för kollektorbatteriet vid samma uteffekt. Och detta betyder i sin tur att ju högre effektivitet, desto mindre ofta behöver detta batteri bytas eller desto mindre kan batteriet vara med en konstant livslängd. Det är därför i miniatyrtransistorutrustning, särskilt i miniatyrmottagare, där det verkar vara nödvändigt att spara vikt och utrymme, används push-pull-förstärkare, inklusive för detta ändamål i kretsen hela raden onödiga detaljer. Kretsar av push-pull-förstärkare för repetition kommer att ges in praktiskt arbete. I nästan alla kretsar av push-pull, transistor slutförstärkare, klass AB eller B används dock när man arbetar i klass B några svåra att ta bort distorsioner uppstår (på grund av böjningen av ingångskarakteristiken), och denna klass används mer sällan i lågfrekventa förstärkare. Klass C används inte alls i dessa förstärkare på grund av uppkomsten av oundviklig distorsion. Styrspänningen tillförs utgångstransistorerna från den sk fasinversionskaskad , gjord på en transistor enligt en transformatorkrets. Det finns andra system basreflexer , men de utför alla samma uppgift de skapar två motfasspänningar som måste appliceras på baserna på push-pull-transistorerna. Om samma spänning appliceras på dessa transistorer, kommer de inte att fungera genom en klocka, utan synkront, och därför kommer båda att förstärka endast positiva eller omvänt endast negativa halvcykler av signalen. För att transistorerna i push-pull-kaskaden ska fungera växelvis är det nödvändigt att applicera på deras baser, som nämnts ovan motfasspänningar . I en fasväxelriktare med transformator erhålls två styrspänningar genom att dela sekundärlindningen i två lika delar. Och dessa spänningar blir motfas eftersom sekundärlindningens mittpunkt är jordad. När ett "plus" visas i dess övre ände (enligt diagrammet) i förhållande till mittpunkten, visas ett "minus" i den nedre änden i förhållande till denna punkt. Och eftersom spänningen är variabel byter "plus" och "minus" alltid plats (fig. 11).
Ris. 11 Fasomriktaren skapar två växelspänningar, 180 grader ur fas.
Transformator basreflex enkel och pålitlig, den behöver praktiskt taget inte ställas in. En push-pull-förstärkare för en transistormottagare eller en liten radio kan monteras med någon av de lågfrekventa förstärkarkretsarna som kommer att ges i praktiskt arbete eller kretsarna i en industriell mottagare. Till exempel, enligt schemat för mottagarna "Alpinist", "Neva-2", "Spidola", etc.
Lite mer om det negativa respons som nämndes i början av den här artikeln när man beskrev enändade förstärkare. Hur minskar negativ återkoppling distorsion och korrigerar signalformen? För att svara på denna fråga måste vi komma ihåg att vågformsförvrängning i huvudsak betyder utseendet på nya övertoner , nya sinusformade komponenter. Längs den negativa återkopplingskedjan, nya som dök upp som ett resultat harmonisk distorsion tillförs förstärkarens ingång i en sådan fas (motfas) att de dämpar sig själva. Effekten av dessa övertoner vid utgången av förstärkaren är mindre än den skulle vara utan återkoppling. Samtidigt försvagas förstås också de användbara komponenterna från vilka en oförvrängd signal ska vara sammansatt, men detta är en åtgärdsbar sak. För att kompensera för denna skadliga negativa återkopplingsaktivitet kan du öka nivån på signalen som kommer in i förstärkarens ingång, kanske till och med lägga till ytterligare ett steg för att göra detta. Negativ återkoppling i lågfrekventa förstärkare, speciellt push-pull-förstärkare som fungerar i klasser AB Och B, finner mycket bred tillämpning: negativ feedback låter dig göra något som inte kan uppnås på något annat sätt, det tillåter minska vågformsdistorsion, minska så kallad olinjär distorsion . Negativ feedback låter dig utföra en annan viktig operation: justera tonen, det vill säga i önskad riktning förändra frekvenssvar förstärkare Fig. 12 .
Ris. 12. Ungefärlig graf över amplitud-frekvenssvar (AFC) för förstärkare. En liknande graf kan karakterisera frekvenssvaret för vilken förstärkare som helst.
Denna egenskap visar hur förstärkningen ändras med signalens frekvens. För idealisk förstärkare Frekvenssvaret är helt enkelt en rak linje: förstärkningen vid alla frekvenser är densamma för en sådan förstärkare. Men i en riktig förstärkare är frekvensgången böjd, översvämmad i området för de lägsta och högsta frekvenserna. Detta innebär att de låga och höga frekvenserna i ljudområdet är mindre förstärkta än mellanfrekvenserna. Orsakerna till uppkomsten av sådana blockeringar i frekvenssvaret kan vara olika, men de har en gemensam rot. Ojämn vinst på olika frekvenser Det visar sig eftersom kretsen innehåller reaktiva element, kondensatorer och spolar, vars resistans varierar med frekvensen. Det finns många sätt att korrigera frekvensgången, inklusive introduktionsfrekvens - beroende element in i återkopplingskretsen. Ett exempel på sådana element är kedjan R13, C9 i förstärkaren som visas i (fig. 13).
Ris. 13 Praktisk design av en transformatorlös push-pull-förstärkare.
Motståndet i denna kedja ökar med minskande frekvens, återkopplingen minskar, och på grund av detta skapas en viss ökning av frekvensgången i de lägre frekvenserna. Förstärkaren har flera fler negativa återkopplingskretsar. Detta är kondensatorn C6, som ansluter kollektorn på transistorn T2 till dess bas; motstånd R12, som inte bara tillhandahåller en konstant förspänning till baserna på utgångstransistorerna, utan också en del av utgångssignalen. En kedja som skapar återkoppling från det tredje steget till det andra, men inte i växelström, utan i likström (sådan återkoppling ökar förstärkarens termiska stabilitet). Det dynamiska huvudet är anslutet till utgångstransistorernas kollektorkretsar genom en isoleringskondensator C4. Motståndet hos talspolen i denna krets kan vara 6 - 10 ohm. Förstärkaren utvecklar effekt upp till 100 mW. vid en insignalspänning på ca 30 - 50 mV. Det finns ganska stort antal kretsar av transformatorlösa förstärkare som använder transistorer med olika konduktiviteter. De flesta av dem använder sammansatta transistorer i slutsteget, det vill säga två transistorer ingår i varje arm. Frånvaron av transformatorer och en minskning av antalet kopplingskondensatorer gör att sådana förstärkare kan få ett mycket bra frekvenssvar. Men för en nybörjare på radioamatör kommer denna vinst till ett ganska högt pris. Transformatorlösa förstärkare, och även med komposittransistorer är det inte alltid lätt att ställa in. Och därför, om du ännu inte har mycket erfarenhet av att ställa in transistorutrustning, är det bättre att montera förstärkaren med en klassisk push-pull-krets med transformatorer (fig. 14).
Ris. 14 Push-pull ULF med transformatorslutsteg.
Huvudfunktionen hos denna förstärkare är en fast förspänning från ett separat batteri B2 till basen av det första steget T1. På grund av detta förblir kollektorströmmen för transistor T1 praktiskt taget oförändrad när spänningen på kollektorbatteriet minskar till 3,5 V. Från botten av delaren R4, R5, ansluten till emitterkretsen T1, appliceras en förspänning på baserna för utgångsstegets transistorer. Och därför, när kollektorspänningen minskar, förändras inte förspänningen hos transistorerna T2, T3. Som ett resultat arbetar förstärkaren med en reducerad spänning, dock med mindre uteffekt (vid 3,5 V, 20 mW), men utan distorsion. Strömmen som förbrukas från batteri B2 överstiger inte 500 μA. Förstärkaren har en enkel tonkontroll R6 och en återkopplingskrets R8, C8 som reducerar distorsion. Motstånd R9 är nödvändigt så att när B2 är avstängd (det kan hända att Bk2 öppnar kretsen några bråkdelar av en sekund tidigare än Bk1, transistor T1 inte slutar med en "hängande bas." Kondensatorer C7, C6 är negativa återkopplingselement som förhindrar självexcitering vid supersoniska frekvenser. Samma uppgift utförs av kondensatorn Tr1 och Tr2 V, utvecklar förstärkaren en effekt på 180 mW B2 batterier är inte mer än 20 - 25 mA om du behöver öka den. uteffekt, kan du slå på kraftfulla transistorer, till exempel P201, som T2 och T3. I det här fallet måste du halvera R7 och välja R5 så att den totala vilokollektorströmmen T2 och T3 är 15 - 25 mA. För kraftfulla transistorer behöver du till exempel en annan utgångstransformator med följande data: en kärna med ett tvärsnitt av ca 3,5 cm2 (B17 x 17); primärlindning 330 + 330 varv PEV 0,31, sekundärlindning 46 varv PEV 0,51. Med P201-transistorer utvecklar förstärkaren en uteffekt på 1,52 - 2 W. Att ställa in alla lågfrekventa förstärkare handlar om att välja transistorlägen. För push-pull-kretsar är det lämpligt att först välja transistorer för båda armarna med liknande parametrar: strömförstärkning och omvänd kollektorström. Om alla delar fungerar och kretsen är korrekt monterad, då är förstärkaren som regel. börjar genast fungera. Och det enda allvarliga problem som kan upptäckas när man slår på förstärkaren är självexcitering. Ett sätt att bekämpa detta är att införa frånkopplingsfilter, som förhindrar kommunikation mellan stegen genom strömförsörjning.
Praktiskt arbete
I praktiskt arbete skulle jag vilja presentera några fler enkla förstärkare för att upprepa och konsolidera den teoretiska delen av denna artikel. Exemplen på push-pull-förstärkare som ges i slutet av artikeln är också ganska lämpliga för upprepning. Dessa diagram, liksom många andra teckningar, är hämtade från litterära källor från 60- och 70-talen, men de har inte förlorat sin relevans. Varför, frågar du, använder jag sådana föråldrade ritningar? Jag kommer att säga att det finns minst två skäl: 1). Jag har desperat inte tillräckligt med tid att rita dem själv, även om jag fortfarande försöker rita några av dem. 2). Märkligt nog är det teckningarna från litteraturen från tidigare, sedan länge bortglömda år som fullt ut återspeglar kärnan i de processer som studeras. Förmodligen är det inte jakten på avgifter, som det är brukligt nu, som påverkar, utan vikten av en högkvalitativ presentation av materialet. Och det var inte för inte som censurerade arbetare under dessa år. åt deras bröd.
Så istället för transistorer P13 - P16 som anges på diagrammen, kan du använda MP39 - 42, MP37, MP38 från kiseltransistorer, du kan använda KT315, KT361, var uppmärksam på typen av ledningsförmåga och effekt hos de använda transistorerna; . Om förstärkaren har kraftfulla utgångstransistorer som P213 - 215 i kretsen, kan de vanligtvis ersättas med silikon. kraftfulla transistorer typ KT814 - 817 eller KT805, KT837, med hänsyn till typen av konduktivitet. I alla fall, när du byter ut germaniumtransistorer med kiseltransistorer, är det nödvändigt att justera motståndsvärdena i kretsarna för de ersatta transistorerna.
En enkel transformatorlös push-pull-förstärkare med en effekt på 1,5 W. Den högfrekventa transistorn P416 används här för att reducera bruset i ingångssteget så mycket som möjligt, eftersom den förutom att vara högfrekvent även är lågbrus. I praktiken kan den ersättas med MP39 - 42, med en försämring av brusegenskaperna, eller med kiseltransistorer KT361 eller KT3107 med vilken bokstav som helst som används i detektormottagare, på grund av vilken en förspänning bildas vid transistorernas baser. Spänningen vid mittpunkten (den negativa terminalen på kondensatorn C2) kommer att vara lika med 4,5V. Den installeras genom att välja motstånd R2, R4. Den maximalt tillåtna driftspänningen för kondensator C2 kan vara 6V.
Fler förstärkaralternativ 1:a, 2:a, tillgänglig för upprepning av nybörjare radioamatörer, inklusive de som använder kiseltransistorer. Alternativ för en förförstärkare och ett enkelt passivt tonblock visas också. (öppnas i ett separat fönster).
|Nu på Internet kan du hitta ett stort antal kretsar av olika förstärkare på mikrokretsar, främst TDA-serien. De har ganska bra egenskaper, bra effektivitet och är inte så dyra, varför de är så populära. Men mot sin bakgrund förblir de oförtjänt bortglömda transistorförstärkare, som, även om de är svåra att sätta upp, inte är mindre intressanta.
Förstärkarkrets
I den här artikeln kommer vi att titta på monteringsprocessen mycket ovanlig förstärkare, som fungerar i klass "A" och innehåller endast 4 transistorer. Detta system utvecklades redan 1969 av den engelske ingenjören John Linsley Hood, trots sin höga ålder, är det fortfarande aktuellt.Till skillnad från förstärkare på mikrokretsar kräver transistorförstärkare noggrann inställning och val av transistorer. Detta schema är inget undantag, även om det ser extremt enkelt ut. Transistor VT1 – ingång, PNP-struktur. Du kan experimentera med olika lågeffekts PNP-transistorer, inklusive germanium, till exempel MP42. Transistorer som 2N3906, BC212, BC546, KT361 har visat sig väl i denna krets som VT1. Transistor VT2 - NPN-strukturer, medium eller låg effekt, KT801, KT630, KT602, 2N697, BD139, 2SC5707, 2SD2165 är lämpliga här. Särskild uppmärksamhet Det är värt att uppmärksamma utgångstransistorerna VT3 och VT4, eller snarare deras förstärkning. KT805, 2SC5200, 2N3055, 2SC5198 är väl lämpade här. Du måste välja två identiska transistorer med förstärkningen så nära som möjligt, och den bör vara mer än 120. Om förstärkningen på utgångstransistorerna är mindre än 120, måste du sätta en transistor med en hög förstärkning (300 eller mer) ) i förarsteget (VT2).
Val av förstärkarvärden
Vissa värden i diagrammet är valda baserat på kretsens matningsspänning och belastningsresistans, några möjliga alternativ visas i tabellen:
Det rekommenderas inte att öka matningsspänningen över 40 volt. En egenskap hos klass A-förstärkare är en stor viloström, och följaktligen stark uppvärmning av transistorerna. Med en matningsspänning på till exempel 20 volt och en viloström på 1,5 ampere förbrukar förstärkaren 30 watt, oavsett om en signal tillförs dess ingång eller inte. Samtidigt kommer 15 watt värme att försvinna på var och en av utgångstransistorerna, och detta är kraften hos en liten lödkolv! Därför måste transistorerna VT3 och VT4 installeras på en stor radiator med termisk pasta.
Denna förstärkare är benägen att självexcitera, så en Zobel-krets är installerad vid dess utgång: ett 10 Ohm motstånd och en 100 nF kondensator kopplade i serie mellan jord och den gemensamma punkten för utgångstransistorerna (denna krets visas som en prickad linje i diagrammet).
När du sätter på förstärkaren första gången måste du slå på en amperemeter för att övervaka viloströmmen. Tills utgångstransistorerna värms upp till driftstemperatur, han kan flyta lite, det här är ganska normalt. När du slår på den för första gången måste du också mäta spänningen mellan den gemensamma punkten för utgångstransistorerna (kollektor VT4 och emitter VT3) och jord, det ska vara halva matningsspänningen där. Om spänningen skiljer sig uppåt eller nedåt måste du vrida trimmotståndet R2.
Förstärkarkort:
(nedladdningar: 405)
Tavlan är gjord med LUT-metoden.
Förstärkare jag byggde
Några ord om kondensatorer, ingång och utgång. Kapacitansen för ingångskondensatorn i diagrammet anges som 0,1 µF, men en sådan kapacitans räcker inte. En filmkondensator med en kapacitet på 0,68 - 1 µF bör användas som ingång, annars är en oönskad cutoff av låga frekvenser möjlig. Utgångskondensatorn C5 ska ställas in på en spänning som inte är lägre än matningsspänningen, du ska inte heller vara girig med kapacitansen.
Fördelen med denna förstärkares krets är att den inte utgör någon fara för det akustiska systemets högtalare, eftersom högtalaren är ansluten via en kopplingskondensator (C5), betyder det att om en konstant spänning uppträder vid utgången, t.ex. till exempel när förstärkaren misslyckas kommer högtalaren att förbli intakt, trots allt kommer kondensatorn inte att tillåta DC-spänning att passera igenom.
Det fanns redan publikationer på Habré om DIY-rörförstärkare, som var mycket intressanta att läsa. Det råder ingen tvekan om att deras ljud är underbart, men för dagligt bruk är det lättare att använda en enhet med transistorer. Transistorer är bekvämare eftersom de inte kräver uppvärmning före drift och är mer hållbara. Och alla kommer inte att riskera att starta en lampsaga med anodpotentialer under 400 V, och transformatorer under transistorpar tiotals volt är mycket säkrare och helt enkelt mer tillgängligt.
Som en krets för reproduktion valde jag en krets från John Linsley Hood från 1969, med författarens parametrar baserade på impedansen hos mina 8 Ohm-högtalare.
Den klassiska kretsen från en brittisk ingenjör, publicerad för nästan 50 år sedan, är fortfarande en av de mest reproducerbara och får extremt positiva recensioner. Det finns många förklaringar till detta:
- det minsta antalet element förenklar installationen. Man tror också att än enklare design, desto bättre ljud;
- trots att det finns två utgångstransistorer behöver de inte sorteras i komplementära par;
- en uteffekt på 10 watt är tillräcklig för vanliga människors bostäder, och en ingångskänslighet på 0,5-1 volt stämmer mycket väl överens med utsignalen från de flesta ljudkort eller spelare;
- klass A - det är också klass A i Afrika, om vi pratar om bra ljud. Jämförelse med andra klasser kommer att diskuteras nedan. 
Inredningsdesign
En förstärkare börjar med effekt. Det är bäst att separera två kanaler för stereo med två olika transformatorer, men jag begränsade mig till en transformator med två sekundärlindningar. Efter dessa lindningar existerar varje kanal för sig, så vi får inte glömma att multiplicera med två allt som nämns nedan. På en brödbräda gör vi broar med Schottky-dioder för likriktaren.
Det är möjligt med vanliga dioder eller till och med färdiga broar, men då måste de kringgås med kondensatorer, och spänningsfallet över dem är större. Efter bryggorna finns CRC-filter som består av två 33 000 uF kondensatorer och ett 0,75 Ohm motstånd mellan dem. Om du tar en mindre kapacitans och ett motstånd blir CRC-filtret billigare och värms upp mindre, men krusningen ökar, vilket inte är comme il faut. Dessa parametrar, IMHO, är rimliga ur priseffektsynpunkt. Ett kraftfullt cementmotstånd behövs för filtret vid en viloström på upp till 2A, det kommer att avleda 3 W värme, så det är bättre att ta det med en marginal på 5-10 W. För de återstående motstånden i kretsen kommer 2 W effekt att vara tillräckligt.
Därefter går vi vidare till själva förstärkarkortet. Onlinebutiker säljer många färdiga kit, men det finns inte färre klagomål på kvaliteten på kinesiska komponenter eller analfabeter på brädorna. Därför är det bättre att göra det själv, efter eget gottfinnande. Jag gjorde båda kanalerna på en enda brödbräda så att jag senare kunde fästa den i botten av fodralet. Kör med testelement:
Allt utom utgångstransistorerna Tr1/Tr2 finns på själva kortet. Utgångstransistorerna är monterade på radiatorer, mer om det nedan. Följande anmärkningar bör göras till författarens diagram från den ursprungliga artikeln:
Allt behöver inte lödas ordentligt på en gång. Det är bättre att först ställa in motstånden R1, R2 och R6 som trimmers, avlöda dem efter alla justeringar, mäta deras motstånd och löda de slutliga konstanta motstånden med samma motstånd. Inställningen kommer ner till följande operationer. Först, med R6, ställs den in så att spänningen mellan X och noll är exakt hälften av spänningen +V och noll. I en av kanalerna hade jag inte tillräckligt med 100 kOhm, så det är bättre att ta dessa trimmers med en reserv. Sedan, med hjälp av R1 och R2 (behåller deras ungefärliga förhållande!) ställs viloströmmen in - vi ställer in testaren att mäta likström och mäter just denna ström vid den positiva ingångspunkten för strömförsörjningen. Jag var tvungen att avsevärt minska motståndet hos båda motstånden för att få erforderlig ström fred. Viloströmmen för en förstärkare i klass A är maximal, och i frånvaro av en insignal går allt till värmeenergi. För 8-ohm högtalare bör denna ström, enligt författarens rekommendation, vara 1,2 A vid en spänning på 27 Volt, vilket innebär 32,4 Watt värme per kanal. Eftersom inställning av strömmen kan ta flera minuter måste utgångstransistorerna redan vara på kylradiatorer, annars kommer de snabbt att överhettas och dö. Eftersom de huvudsakligen är uppvärmda.
Det är möjligt att du som ett experiment kommer att vilja jämföra ljudet från olika transistorer, så du kan också lämna möjligheten att bekvämt ersätta dem. Jag provade 2N3906, KT361 och BC557C vid ingången, det var en liten skillnad till förmån för den senare. Under förhelgen provade vi KT630, BD139 och KT801, och slog oss ner på importerade. Även om alla ovanstående transistorer är mycket bra, kan skillnaden vara ganska subjektiv. Vid utgången installerade jag omedelbart 2N3055 (ST Microelectronics), eftersom många gillar dem.
När du justerar och sänker förstärkarens motstånd kan den lågfrekventa gränsfrekvensen öka, så för ingångskondensatorn är det bättre att inte använda 0,5 µF, utan 1 eller till och med 2 µF i en polymerfilm. Det finns fortfarande ett ryskt bildschema av en "Ultralinear Class A Amplifier" som flyter runt på Internet, där denna kondensator generellt föreslås som 0,1 uF, vilket är fyllt med en cutoff av all bas vid 90 Hz:
De skriver att denna krets inte är benägen att självexcitera, men för säkerhets skull placeras en Zobel-krets mellan punkt X och jord: R 10 Ohm + C 0,1 μF.
- säkringar, de kan och bör installeras både på transformatorn och på kretsens strömingång.
- Det skulle vara mycket lämpligt att använda termisk pasta för maximal kontakt mellan transistorn och kylflänsen.
Metallarbete och snickeri
Nu om den traditionellt svåraste delen i DIY - kroppen. Måtten på höljet bestäms av radiatorer, och i klass A måste de vara stora, kom ihåg cirka 30 watt värme på varje sida. Först underskattade jag denna kraft och gjorde ett fodral med genomsnittliga radiatorer på 800 cm² per kanal. Men med viloströmmen inställd på 1,2A värmdes de upp till 100°C på bara 5 minuter, och det stod klart att något mer kraftfullt behövdes. Det vill säga, du behöver antingen installera större radiatorer eller använda kylare. Jag ville inte göra en quadcopter, så jag köpte en jätte, stilig HS 135-250 med en yta på 2500 cm² för varje transistor. Som praxis har visat visade sig denna åtgärd vara lite överdriven, men nu kan förstärkaren lätt röras med händerna - temperaturen är bara 40°C även i viloläge. Att borra hål i radiatorerna för fästen och transistorer blev lite av ett problem - de initialt inköpta kinesiska metallborrarna borrades extremt långsamt, varje hål skulle ha tagit minst en halvtimme. Koboltborrar med en skärpningsvinkel på 135° från en välkänd tysk tillverkare kom till undsättning - varje hål passeras på några sekunder!Jag gjorde själva kroppen av plexiglas. Vi beställer omedelbart skurna rektanglar från glasmästare, gör de nödvändiga hålen för fästen i dem och målar dem med baksidan svart färg.
Plexiglaset målat på baksidan ser väldigt vackert ut. Nu återstår bara att montera ihop allt och njuta av musiken... åh ja, vid slutmonteringen är det också viktigt att fördela marken ordentligt för att minimera bakgrunden. Som upptäcktes decennier före oss måste C3 anslutas till signaljorden, d.v.s. till minus av input-ingången, och alla andra minus kan skickas till "stjärnan" nära filterkondensatorerna. Om allt görs korrekt kommer du inte att kunna höra någon bakgrund, även om du för örat till högtalaren på maximal volym. En annan "jord"-funktion som är typisk för ljudkort som inte är galvaniskt isolerade från datorn är störningar från moderkortet, som kan ta sig via USB och RCA. Att döma av Internet uppstår problemet ofta: ljud kan höras i högtalarna HDD-drift, skrivare, mus och bakgrundsströmförsörjningsenhet. I det här fallet är det enklaste sättet att bryta jordslingan att täcka jordanslutningen på förstärkarkontakten med eltejp. Det finns inget att frukta här, för... Det kommer att finnas en andra jordslinga genom datorn.
Jag gjorde ingen volymkontroll på förstärkaren, eftersom jag inte kunde få några högkvalitativa ALPS, och jag gillade inte prasslet av kinesiska potentiometrar. Istället installerades den vanligt motstånd 47 kOhm mellan jord och insignal. Dessutom finns regulatorn på ett externt ljudkort alltid till hands, och varje program har också en reglage. Det enda som inte har en volymkontroll är vinylspelare, så för att lyssna på den kopplade jag en extern potentiometer till anslutningskabeln.
Jag kan gissa den här behållaren på 5 sekunder...
Äntligen kan du börja lyssna. Ljudkällan är Foobar2000 → ASIO → extern Asus Xonar U7. Microlab Pro3 högtalare. Den största fördelen med dessa högtalare är ett separat block av sin egen förstärkare på LM4766-chippet, som omedelbart kan tas bort någonstans bort. En förstärkare från ett Panasonic minisystem med en stolt Hi-Fi-inskription eller en förstärkare från den sovjetiska Vega-109-spelaren lät mycket mer intressant med denna akustik. Båda ovanstående enheter fungerar i klass AB. JLH, som presenteras i artikeln, slog alla ovan nämnda kamrater med en wicket, enligt resultaten av ett blindtest för 3 personer. Även om skillnaden var hörbar för blotta örat och utan några tester, var ljudet klart mer detaljerat och transparent. Det är till exempel ganska lätt att höra skillnaden mellan MP3 256kbps och FLAC. Jag trodde tidigare att den förlustfria effekten var mer som placebo, men nu har min uppfattning ändrats. Likaså har det blivit mycket trevligare att lyssna på filer okomprimerade från loudness war – dynamiskt omfång mindre än 5 dB är inte alls is. Linsley-Hood är värt investeringen av tid och pengar, eftersom en liknande märkesförstärkare kommer att kosta mycket mer.Materialkostnader
Transformator 2200 rub.Utgångstransistorer (6 st. med en reserv) 900 rub.
Filterkondensatorer (4 st) 2700 rub.
"Rassypukha" (motstånd, små kondensatorer och transistorer, dioder) ~ 2000 rub.
Radiatorer 1800 rub.
Plexiglas 650 rub.
Måla 250 rub.
Kontakter 600 rub.
Kretskort, ledningar, silverlod etc. ~1000 rub.
TOTALT ~12100 rub.
En lågfrekvensförstärkare (LF) är en integrerad del av de flesta radioapparater som TV, spelare, radio och olika hushållsapparater. Låt oss överväga två enkla tvåstegskretsar ULF på.
Den första versionen av ULF på transistorer
I den första versionen är förstärkaren byggd på kiseltransistorer n-p-n konduktivitet. Ingångssignalen kommer igenom variabelt motstånd R1, som i sin tur är belastningsresistansen för signalkällans krets. ansluten till kollektorkretsen för transistor VT2 på förstärkaren.
Att ställa in förstärkaren för det första alternativet handlar om att välja resistans R2 och R4. Resistansvärdet måste väljas så att milliammetern som är ansluten till kollektorkretsen för varje transistor visar en ström i området 0,5...0,8 mA. Enligt det andra schemat är det också nödvändigt att ställa in kollektorströmmen för den andra transistorn genom att välja motståndet för motståndet R3.
I det första alternativet är det möjligt att använda transistorer av märket KT312, eller deras utländska analoger, men det kommer att vara nödvändigt att ställa in korrekt offset transistorspänning genom att välja resistans R2, R4. I det andra alternativet är det i sin tur möjligt att använda kiseltransistorer av märkena KT209, KT361 eller utländska analoger. I det här fallet kan du ställa in transistorernas driftlägen genom att ändra motståndet R3.
Istället för hörlurar är det möjligt att ansluta en högimpedans högtalare till kollektorkretsen på transistor VT2 (båda förstärkarna). Behöver du få kraftfullare ljudförstärkning kan du montera en förstärkare som ger förstärkning på upp till 15 W.
Transistor - Det är ett halvledarelement designat för att förstärka elektriska signaler.
Transistorer är uppdelade i bipolär och fälteffekt. De förra styrs av en strömsignal som tillförs dess ingång, och de senare av spänning. En bipolär transistor har två elektronhålsövergångar och tre terminaler - emitter, bas och kollektor. Bipolära transistorer kan vara direkt eller omvänd ledning, och fälteffekttransistorer kan vara det R eller P kanaler. Det finns tre möjliga transistorkopplingsscheman: med gemensam bas, med en gemensam samlare och med vanlig sändare.
I fig. Figur 2 visar omkopplingskretsar för en framåt bipolär transistor, deras huvudsakliga egenskaper: a) – med en gemensam bas; b) med en gemensam samlare; c) med en gemensam sändare:
Var TILL i – strömförstärkning; K u – spänningsförstärkning; R in– ingångsresistans; R ut – utgångsmotstånd.
Den dominerande fördelningen är kretsen med en gemensam sändare (Fig. 2, V).
Transistorns egenskaper i statiskt läge med ett sådant anslutningsschema bestäms av familjerna av ingångs- och utgångsegenskaper som visas i fig. 3, a , b. Kollektorströmmens beroende av basströmmen bestäms av uttrycket
jag k = p jag b + jag k.o,
Var jag k - kollektorström; jag b - basström; jag k.o - omvänd kollektorström; β - basströmöverföringskoefficient. Värdet på koefficienten β, beroende på typen av transistor och dess driftläge, kan vara från 30 till 300. En bipolär transistor har en låg ingång och betydande utgångsresistans. Om ett motstånd ingår i kollektorkretsen, då när basströmmen ändras, kommer kollektorströmmen och spänningen att ändras samtidigt. I detta fall kommer förändringen i effekt som frigörs i kollektorkretsen att vara betydligt större än förändringen i effekt vid transistorns ingång. Driften av en transistorförstärkare är baserad på detta.
Baserat på typen av signal som förstärks särskiljs transistorförstärkare med lik- och växelström. Eftersom det inte går att lösa förstärkningsproblemet med hjälp av ett enda steg, görs förstärkare vanligtvis i flersteg. I flerstegs AC-förstärkare görs anslutningar mellan steg, mellan signalkällan och förstärkaringången och mellan utgången och belastningen med hjälp av kondensatorer eller transformatorer. I DC-förstärkare görs dessa anslutningar direkt. Förstärkningen hos en flerstegsförstärkare är lika med produkten av förstärkningarna för de enskilda stegen.
Kaskad(förstärkning) är en funktionell enhet av en anordning som innehåller ett förstärkningselement kopplat till tidigare eller efterföljande enheter av anordningen.
Kretsen för det kapacitivt kopplade AC-förstärkarsteget visas i fig. 4, A.
