УНЧ із фазоінвертором на одному першому транзисторі. Численні розрахунки та експерименти зі створення потужного високоякісного підсилювачанизької частоти привели мене до думки, що найперспективнішим шляхом його конструювання може стати використання фазоінвертора на першому першому транзисторі. Цікаво, що такі підсилювачі могли б з'явитися років сорок тому, але цього не сталося через низку причин.
Насамперед, зі створенням транзисторів з n-р-n-переходом з'явилася можливість розділяти сигнал рахунок властивостей самих транзисторів, оскільки одні їх відкриваються позитивним імпульсом, інші — негативним. Підсилювачі на таких транзисторах суттєво спростилися, проте на їхньому виході з'явилися значні спотворення сигналу. Щоб позбавитися їх, радіоконструктори стали ускладнювати схеми підсилювачів, а чи не шукати інші способи побудови схем УНЧ.
І ще однієї, мабуть, головною причиноюнеприйняття схем з фазоінвертором на першому транзисторі став значний перегрів вихідних транзисторів таких підсилювачів, що виключає їх скільки-небудь тривалу роботу за великої вихідної потужності.
Всі ці міркування змусили мене, музиканта та композитора уважно проаналізувати відомі схеми УНЧ з метою знайти причину спотворень. При цьому я йшов своїм шляхом, спираючись на свої знання лампової радіоелектроніки. Для цього мені довелося навчитися конструювати та розраховувати схеми, створювати сотні експериментальних макетів, у результаті мені вдалося знайти причину перегріву та усунути її. У результаті розроблені мною підсилювачі низької частоти працюють при напрузі до 90 В, розвиваючи при цьому на виході потужність близько 300 Вт.
Пропоную до уваги читачів опис конструкції одного з таких підсилювачів із фазоінвертором на одному транзисторі — його Вихідна потужністьскладає 120 Вт.
Фазоінвертор на одному транзисторі, створений за аналогією з ламповим, робить точне поділ сигналу по фазі для верхнього та нижнього плечей схеми підсилювача, виключаючи при цьому поява сходів і дзвону. Робота ж каскадів посилення струму в лінійному режимі практично не викликає інших спотворень.
У результаті вийшов підсилювач із майже лінійною характеристикою, що не дає спотворень; "забарвлення" звуку на виході транзисторного УНЧ виходить практично такий же, як у минулого через якісний ламповий підсилювач.
Конструкція УНЧ із вихідною потужністю 120 Вт із фазоінвертором на першому транзисторі
На першому транзисторі VТ-1 виконаний фазоінвертор, що розділяє сигнал по фазі для верхньої та нижньої частин схеми, та підсилювач сигналу по напрузі для нижньої частини схеми УНЧ.
На транзисторі VТ-2 зібраний підсилювач напруги емітерних імпульсів від VТ-1. Для верхньої частини схеми сигнал знімається з емітера VT-1 і посилюється напругою транзистором VT-2, включеним за схемою із загальною базою. На VT-4 - VT-13 проводиться посилення сигналу струму. На транзистори VT-4 - VT-5 зібрані фазоінвертори, які використовувалися для того, щоб на виході можна було застосувати транзистори типу КТ808А, КТ808БМ, КТ-819Г або інші п-р-п-транзистори такої ж потужності.
В підсилювачі використовуються три каскади посилення по струму -як показала практика, двох каскадів для нормальної роботи підсилювача явно недостатньо.
(VT-1, VT-2, VT-3 - КТ-815Г; VT-4, VT-5-КТ-814Г; VT-6, VT-7 - КТ-315Б; VT-8, VT-9 - КТ -817 Р; VT10, VT-11, VT-12, VT-13 - КТ-808А; VT-14 - КТ-808А; VD-1, VD-2 - Д-814В- VD-3 VD-4-Д -220)
Живлення баз транзисторів VT-2 і VT-4 - від стабілітрона, що забезпечує дуже рівну роботу підсилювача. Транзисторні фільтри на VT-3 та VT-14 практично повністю прибирають фон змінного струму.
Транзистори VT-6 і VT-7 забезпечують захист від навантажень, що виникають у момент включення УНЧ до мережі; на якість сигналу вони впливають. Динаміки підключені до виходу підсилювача через конденсатори за схемою напівмостової.
Між емітером VT-8 і базами VT-10 і VT-11 (як і між VT-9 і VT-12 - VT-13) включені RC ланцюжки R30, С5 і R31.C6, за допомогою яких зсув на базах VT- 10 - VT-13 при максимальному сигналі зменшується і транзистори не перегріваються. Відсутність таких ланцюжків призводить до перегріву вихідних транзисторів.
Конденсатори С8, С-9, С-10 та С-11 повинні бути розраховані на робочу напругу 100В. До речі, в 1970-і роки електролітичні конденсатори великої ємності були дуже дорогими і дефіцитними, що змушувало конструкторів розробити спосіб включення динаміків без цих електроелементів, проте така система захисту виявлялася часом дорожчою за самих підсилювачів і не відрізнялася надійністю.
Налаштовується підсилювач дуже легко, лише за кілька хвилин. Перше включення бажано зробити через послідовно підключену лампу розжарювання потужністю від 40 до 75 Вт. Якщо підсилювач зібраний правильно, лампа при підключенні яскраво спалахує, а потім гасне. У процесі роботи можливе неяскраве свічення нитки розжарювання лампи.
Двигун резистора R14 встановлюється в нижнє положення, R15 - у верхнє, R9 і R10 - у середнє.
До бази транзистора VT12 слід приєднати високоомний вольтметр на напругу 1 - 3 В і резистором R15 виставити напругу 0,4 - 0,5 В. Резистором R10 слід виставити напругу на середній точці, що дорівнює половині напруги живлення. Резистором R14 на колекторі VT-2 встановлюється така сама напруга, як на колекторі VT1. Резистором R9 зрівнюються сигнали, що йдуть на верхню та нижню частини схеми – це нескладно зробити і на слух.
Потім слід увімкнути підсилювач, від'єднавши лампу розжарювання, і повторити всі налаштування. Якщо УНЧ було зібрано правильно та зі справних електроелементів, можна відразу підключати до нього динаміки.
Вихідні транзистори змонтовані на радіаторах з поверхнею охолодження 1200 см2, VT8 та VT9 – на радіаторах площею 80 см2 та VT-14 – 500 см2.
Діоди в блоці живлення повинні бути розраховані на струм не менше 20 А, а в інших - струм більше 50 А.
Опір навантаження підсилювача становить 3-8 Ом. p align="justify"> Коефіцієнт посилення по струму вихідних транзисторів повинен бути не менше 20 одиниць, а в інших - більше 50 одиниць.
Підсилювач має хорошу термостабільність і може працювати необмежено довго, причому за цей час режими роботи транзисторів не змінюються. Звук на виході УНЧ виходить чистим, природним, що мало відрізняється від того, що відтворюють динаміки якісного лампового підсилювача.
В. СМИРНОВ, Воронезька область, Р.П. Талова
Помітили помилку? Виділіть її та натисніть Ctrl+Enter , щоб повідомити нас.
Транзистор -це напівпровідниковий елемент, призначений посилення електричних сигналів.
Транзистори поділяються на біполярні та польові. Перші управляються сигналом струму, поданим з його вхід, а другі - напругою. Біполярний транзистор має два електронно-діркові, переходи і три висновки – емітер, базу та колектор. Біполярні транзистори можуть бути прямою або зворотною провідностями, а польові з рабо пканалами. Можливі три схеми включення транзистора: із загальною базою, із загальним колектором та із загальним емітером.
На рис. 2 показані схеми включення біполярного транзистора прямої провідності їх основні характеристики: а) – із загальною базою; б) із загальним колектором; в) із загальним емітером:
де До i – коефіцієнт посилення струму; K u – коефіцієнт посилення за напругою; R вх- Вхідний опір; R вих –вихідний опір.
Переважне поширення має схема із загальним емітером (рис. 2, в).
Властивості транзистора в статичному режимі за такої схеми включення визначаються сімействами вхідних і вихідних характеристик, показаних нарис. 3, а , б.Залежність струму колектора від струму бази визначається виразом
Iдо = β Iб + Iк.о,
де Iдо - Струм колектора; Iб -струм бази; Iк.о – зворотний струм колектора; β-коефіцієнт передачі струму бази. Значення коефіцієнта β в залежності від типу транзистора та режиму його роботи може бути від 30 до 300. Біполярний транзистор має малий вхідний та значний вихідний опір. Якщо в колектор колектора включити резистор, то при зміні струму бази одночасно змінюватимуться струм і напруга колектора. При цьому зміна потужності, що виділяється в колекторному ланцюзі, буде значно більшою за зміну потужності на вході транзистора. На цьому ґрунтується робота транзисторного підсилювача.
По роду посилюваного сигналу розрізняють транзисторні підсилювачіпостійного та змінного струму. Так як за допомогою одного каскаду не вдається вирішити задачу посилення, підсилювачі зазвичай виконуються багатокаскадними. У багатокаскадних підсилювачах змінного струму зв'язки між каскадами, між джерелом сигналу та входом підсилювача, а також між виходом та навантаженням виконуються за допомогою конденсаторів або трансформаторів. У підсилювачах постійного струму ці зв'язки виконуються безпосередньо. Коефіцієнт посилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремих каскадів.
Каскад(посилення) – це функціональний вузол пристрою, що містить підсилювальний елемент, пов'язаний з попередніми або наступними вузлами пристрою.
Схема підсилювального каскадузмінного струму з ємнісним зв'язком показано на рис. 4, а.
Мета роботи: Вивчення роботи електронних підсилювачів та їх схемотехніка. Експериментальне та комп'ютерне дослідження впливу ООС на основні характеристики підсилювача низької частоти.
Вступ. Основні поняття
Для збільшення амплітуди напруги або сили струму, а також потужності електричних сигналів використовують спеціальні пристрої, які називаються електронними підсилювачами.
Усі підсилювачі можна поділити на два класи – з лінійним режимом роботи та нелінійним.
До підсилювачів з лінійним режимом роботи висуваються вимоги отримання вихідного сигналу, близького формою до вхідного. Спотворення форми сигналу, що вносяться підсилювачем, повинні бути мінімальними. Це досягається завдяки пропорційній передачі підсилювачем миттєвих значень напруги та струму, що становлять у часі вхідний сигнал.
Найважливішим показником підсилювачів, як лінійних чотириполюсників з лінійним режимом роботи є комплексний коефіцієнт передачі за напругою або струмом:
.
Величина 
є комплексним, тобто. характеризує зміну як амплітуди, і фази сигналу на виході підсилювача проти їхніми значеннями на вході. Модуль коефіцієнта передачі підсилювача 
називають коефіцієнтом посилення. Залежність модуля комплексного коефіцієнта передачі від частоти, визначеного для гармонійного вхідного сигналу, є амплітудно-частотною характеристикою(АЧХ) підсилювача. Залежність аргументу комплексного коефіцієнта передачі частоти 
носить назву фазово-частотної характеристики підсилювача
Залежно від виду АЧХ підсилювачі з лінійним режимом роботи поділяються на:
підсилювачі сигналу, що повільно змінюється (підсилювачі постійного струму – УПТ),
підсилювачі низької частоти (УНЧ),
підсилювачі високої частоти(УВЧ),
широкосмугові, імпульсні підсилювачі (ШПУ),
виборчі, вузькосмугові підсилювачі (УПУ)
Характерна риса УПТ – здатність посилювати сигнали з нижньою частотою, що наближається до (f n 0). Верхня межа частоти f в УПТ може становити в залежності від призначення 10 3 10 8 Гц. УНЧ характеризуються частотним діапазоном від десятків герц до десятків кілогерців. УВЧ мають смугу пропускання від десятків кілогерців до десятків і сотень мегагерців. ШПУ мають нижню межу частот приблизно таку ж, як у УНЧ, а верхню - як УВЧ. На основі ШПУ виконуються лінійні імпульсні підсилювачі. УПУ – характеризуються пропусканням вузької смуги частот.
f у f f н f у f f н f у f f н f у f f o f
В підсилювачах з нелінійним режимом роботи пропорційність передачі миттєвих значень вхідного сигналу відсутня. Залежно від закону зміни вихідного сигналу від вхідного 
, до підсилювачів з нелінійним режимом роботи можна віднести: підсилювачі обмежувачі, логарифмічні підсилювачі і т.п. потужність.
Розглянемо основні параметри та характеристики підсилювачів.
Коефіціент посилення
.
Коефіцієнт посилення за напругою 
різних підсилювачів досягає десятків тисяч. Часто для досягнення необхідного 
використовують багатокаскадні підсилювачі, в яких 
попереднього каскаду є 
для наступного та загальний коефіцієнт посилення дорівнює:
Коефіцієнт посилення - величина безрозмірна і в ряді випадків прийнято підсилювальні властивості виражати в логарифмічних одиницях - децибелах:
.
Для багатокаскадного підсилювача:
Використовують також коефіцієнт посилення струму і потужності, які теж можна виражати в децибелах.
.
Вхідний та вихідний опір . Підсилювач можна розглядати як активний чотириполюсник, до вхідних затискачів якого приєднано джерело сигналу, що посилюється з ЕРС Є вх і внутрішнім опором R вт, а до вихідних - опір навантаження R н.Для вихідного ланцюга підсилювач представляє джерело ЕРС Е вих з внутрішнім опором R вих.
Для сигналу, що посилюється, підсилювач характеризується вхідним опором 
. Опір R вих визначають між вихідними затискачами підсилювача при відключеному навантаженні.
R вт R вих I вих = I н
Е вх U вх R вх E вих U вих R н
Підсилювач
Протікає від джерела сигналу підсилювач струм і вхідна напруга визначають формулами:
.
Залежно від співвідношення між R вт
і
R вх
джерело сигналу може працювати в режимах: а) холостого ходу, якщо R вх > R вт ,
коли 
; б) короткого замикання, якщо
R вх< R вт
и
значит I вх
E вх
/
R вт ;
в)
узгодження, коли R вх R вт і підсилювач передається найбільша потужність.
Потужність, що передається підсилювачу:
Прирівнявши похідну нулю 
, отримаємо 
. При цьому в підсилювач надходить 
, тобто. чверть потенційної потужності джерела сигналу Аналогічні режими роботи можливі для вихідного ланцюга.
При узгодженні навантаження та вихідного опору підсилювача у навантаженні виділяється максимальна потужність.
Вихідна потужність . При чисто активному навантаженні та синусоїдальній напрузі
де 
- діюче та амплітудне значення вихідної напруги; 
- Амплітуда струму в навантаженні.
Коефіцієнт корисної дії
.
ККД 
, де Р – потужність, що споживається підсилювачем джерел живлення.
Слід зазначити, що будь-який підсилювач, на якому виді енергії він не функціонував, є, по суті, лише регулятором для потужності Р вих , пропускається від джерела живлення в навантаження, а вхідний сигнал лише регулює значення цієї пропускної потужності, витрачаючи на це потужність Р вх .
Амплітудна характеристика підсилювача. Амплітудна характеристика відбиває залежність амплітуди вихідної напруги від зміни амплітуди напруги на вході. За цією характеристикою судять про можливі межі зміни вхідного та вихідного сигналів підсилювача. Її знімають при гармонійному вхідному сигналі області середніх частот.
Типовий вид амплітудної характеристики показаний малюнку. Ділянка 1-3 відповідає пропорційному посиленню. Ділянка нижче точки 1 амплітудної характеристики не використовується, оскільки корисний сигнал важко від власних шумів підсилювача.
U 
вих. м .
U max 3 U вих.
U min . 1 U вих.1
Ділянка 3 – 4 відповідає порушення пропорційної залежності вихідної напруги від вхідної. Ділянка за точкою 4 відповідає стану обмеження вихідного сигналу. Відношення амплітуди максимально допустимої вихідної напруги до мінімально допустимої 
, називається динамічним діапазоном підсилювача.
Амплітудно-частотна характеристика . (АЧХ) Це залежність коефіцієнта посилення (за напругою) від частоти сигналу, що посилюється:
.
Зразковий вид АЧХ для різних типівпідсилювачів показаний на малюнку класифікації підсилювачів по частотному діапазону сигналів, що підсилюються. Величина 
вказує на смугу пропускання підсилювача у частотному діапазоні.
Фазочастотна характеристика . (ФЧХ) Вона є залежністю кута зсуву фаз “” між вхідною і вихідною напругами підсилювача від частоти сигналу.
Нелінійні спотворення
.
Вони є ступенем зміни форми кривої сигналу, що посилюється. Основна причина їх виникнення – нелінійність показників підсилювальних елементів. На малюнку як приклад наведено вхідну характеристику транзистора, включеного за схемою з ОЕ, і показано, як спотворюється форма струму 
, тобто. вхідного струму підсилювача, порівняно з синусоїдальною формою вхідної напруги 
. В результаті нелінійних спотворень вихідна напруга підсилювача містить окрім постійної складової та основної (першої) ще й вищі гармонійні складові.
I б I б + I m
Ступінь спотворення сигналу підсилювачем оцінюється коефіцієнтом нелінійних спотворень,представляє квадратний корінь з відношення потужностей всіх вищих гармонік вихідного сигналу до повної вихідної потужності:
,
або близьким до нього коефіцієнтом гармонік:
,
де 
- діючі (або амплітудні) значення першої, другої тощо. гармонік вихідної напруги при синусоїдальному сигналі на вході. Ці коефіцієнти часто виражають у %.
Під час роботи транзистора в режимі A неможливо реалізувати високий к.п.д. підсилювача. Як альтернатива може підійти режим роботи B, але він призводить до значних . Однак якщо реалізувати два підсилювачі, що працюють в режимі B, і змусити їх посилювати позитивну та негативну напівхвилі синусоїди окремо, а потім з'єднати ці напівхвилі разом, то вийде підсилювач, що працює майже без спотворень. Подібний підсилювач отримав назву двотактного підсилювача. В іноземній (та перекладній) літературі зберігається стара назва цієї схеми — push-pull (тягни-штовхай). Схема двотактного каскаду підсилювача, реалізованого на n-p-n та p-n-p транзисторах, наведена на малюнку 1.
Малюнок 1 Схема двотактного каскаду на n-p-n та p-n-p транзисторах
Застосування двох транзисторів дозволяє їм допомагати одне одному. У наведеній малюнку 1 схемою позитивна напівхвиля синусоїдальної напруги відкриває транзистор VT1 і закриває VT2. Негативна напівхвиля - замикає транзистор VT1 і відкриває VT2. Таким чином кожен з транзисторів посилює тільки половинку вхідної напруги, однак на виході, на опорі навантаження (у звукових підсилювачах на динаміці) ці половинки підсумовуються і форма вхідної напруги відновлюється. Тимчасові діаграми напруги та струмів у двотактному каскаді наведені на малюнку 2.
Рисунок 2 Тимчасові діаграми напруги та струмів у двотактному каскаді
У наведеній схемі транзистори включені за схемою із загальним колектором, тому коефіцієнт посилення двотактного каскаду за напругою приблизно дорівнює одиниці. Такий каскад зазвичай використовується спільно з каскадом попереднього посилення, зібраного за схемою із загальним емітером. Для спрощення схеми між каскадами застосовується безпосередній зв'язок (без розподільчої ємності). В результаті стає можливим для формування напруги на базах транзисторів VT1 і VT2 скористатися колекторною напругою каскаду. Схема такого підсилювача з двотактним каскадом на виході наведена на малюнку 2.
Рисунок 3 Схема підсилювача з двотактним каскадом на виході та безпосереднім зв'язком між каскадами
Слід зазначити, що у схемі двотактного підсилювача, наведеної малюнку 2, суворо кажучи використовується не клас B, а клас C! Це викликано тим, що точка перегину вхідної характеристики кремнієвого транзистора не відповідає нулю, а від нього від 0,7 В. Для забезпечення режиму B у двотактному підсилювачі на бази транзисторів необхідно подати напругу 0,7 В. Це можна зробити за допомогою резистора, зашунтованого по змінному струму конденсатором, проте для усунення впливу температурного догляду вхідний характеристики транзистора як джерело напруги 0,7 застосовуються кремнієві діоди (тим більше, що їх опір змінному струму при протіканні постійного струму близько до нуля). Схема двотактного підсилювача, у якому режим роботи B забезпечується кремнієвими діодами, наведено малюнку 4.
Малюнок 4 Схема двотактного підсилювача з формуванням зміщення на діодах
Слід зазначити, що з вихідного каскаду звукового підсилювачав основному потрібна максимальна потужність. Зазвичай, від одиночного транзистора не вдається отримати струм, достатній для отримання потужності 50 або 100 Вт. Тому у двотактному підсилювачі застосовується схема складеного транзистора (схема Дарлінгтона).
Ще одним недоліком схеми, наведеної на малюнку 3, є низький вхідний опір. Це обумовлюється застосуванням паралельного негативного зворотного зв'язку. Додамо ще один каскад для того, щоб можна було застосувати послідовний негативний зворотний зв'язок. В результаті отримаємо схему підсилювача звукових частот, яка широко застосовувалась у сімдесяті роки XX століття. Вона наведена малюнку 5.
Рисунок 5 Підсилювач потужності із двотактним вихідним каскадом на схемі Дарлінгтона
У цій схемі при напрузі живлення 12 можна одержати на навантаженні 4 Ом потужність до 3 Вт. Звертає увагу, що у цій схемі підсилювача потужності усунення двотактний каскад формується на транзисторі VT3. Це дозволяє уникнути застосування чотирьох діодів і дозволяє забезпечити плавне регулювання напруги усунення двотактного підсилювача.