Transistorový zesilovač: typy, obvody, jednoduché a složité

Nejjednodušší tranzistorový zesilovač může být dobrým nástrojem pro studium vlastností zařízení. Schémata a návrhy jsou poměrně jednoduché, můžete přístroj sami provést a zkontrolovat jeho provoz, měřit všechny parametry. Díky modernímu tranzistory s efektem pole Můžete doslova vytvořit tři prvky miniaturního zesilovače mikrofonu. A připojte jej k osobnímu počítači, abyste zlepšili parametry nahrávání. Ano a partneři během rozhovorů budou mnohem lépe a jasněji slyšet vaše řeči.

Frekvenční odezva

Nízkofrekvenční (zvukové) zesilovače jsou k dispozici téměř ve všech domácích spotřebičích - hudebních centrech, televizorech, rádiích, rozhlase a dokonce i osobních počítačích. Ale stále existují RF zesilovače na tranzistory, lampy a mikroobvody. Jejich rozdíl spočívá v tom, že ULF může pouze zvýšit signál zvukové frekvence, kterou vnímá lidské ucho. Zvukové zesilovače tranzistory umožňují reprodukovat signály s frekvencí v rozmezí od 20 Hz do 20 000 Hz.

Proto i nejjednodušší zařízení může zesilovat signál v tomto rozsahu. A dělá to co nejrovnoměrněji. Zisk závisí přímo na frekvenci vstupního signálu. Graf těchto hodnot je prakticky přímý. Pokud je vstupní signál zesilovače s kmitočtem mimo rozsah, kvalita a účinnost zařízení se rychle sníží. Kaskády ULF se obvykle skládají na tranzistorech pracujících v oblasti nízkého a středního kmitočtu.

Třídy výkonu zvukových zesilovačů

Všechna zesilovací zařízení jsou rozdělena do několika tříd, v závislosti na tom, jaký stupeň průtoku během doby provozu proudu přes kaskádu:

1. Třída "A" - proud protéká nepřetržitě po celou dobu provozu kaskády zesilovače.
2. Ve třídě práce "B" proudí na polovinu období.
3. Třída "AB" říká, že proud protéká kaskádou zesilovače po dobu rovnající se 50 až 100% doby.
4. V režimu "C" proudí elektrický proud po dobu kratší než polovina provozní doby.
5. Režim "D" ULF se v amatérském radiotelegrafii používá nedávno - o něco více než 50 let. Ve většině případů jsou tato zařízení implementována na bázi digitálních prvků a mají velmi vysokou účinnost - přes 90%.

Přítomnost zkreslení v různých třídách nízkofrekvenčních zesilovačů

Pracovní plocha tranzistorového zesilovače třídy "A" je charakterizována poměrně malým nelineárním zkreslením. Pokud příchozí signál vysílá impulsy s vyšším napětím, způsobí to, že se tranzistory stanou nasycenými. Ve výstupním signálu se u každé harmonické začínají objevovat vyšší (až 10 nebo 11). Z tohoto důvodu se objevuje kovový zvuk, který je charakteristický pouze pro tranzistorové zesilovače.

Při nestabilním napájení bude výstupní signál amplitudově modelován v blízkosti síťové frekvence. Z levé strany frekvenční odezvy se zvuk zpevní. Ale čím lepší je stabilizace výkonu zesilovače, tím obtížnější je návrh celého zařízení. ULF pracující ve třídě "A" mají poměrně malou účinnost - méně než 20%. Důvodem je to, že tranzistor je neustále otevřený a protéká proudem.

Chcete-li zvýšit (i když menší) efektivitu, můžete použít schémata push-pull. Jedna nevýhoda spočívá v tom, že poloviny vln na výstupním signálu jsou asymetrické. Pokud přeložíme z třídy "A" do "AV", nelineární zkreslení se zvýší o 3-4 krát. Účinnost celého okruhu zařízení se však stále zvyšuje. ULF třídy "AB" a "B" charakterizují zvýšení zkreslení se snížením úrovně signálu na vstupu. Ale i když zvýšíte hlasitost, nepomůže vám zcela odstranit nedostatky.

Práce ve středních třídách

Každá třída má několik odrůd. Například existuje třída pracovních zesilovačů "A +". Vstupní tranzistory (nízké napětí) pracují v režimu "A". Ale vysokonapěťové, instalované ve výstupních stupních, pracují buď v "B" nebo v "AV". Takové zesilovače jsou mnohem hospodárnější než práce ve třídě "A". Znatelně méně nelineárních deformací - ne více než 0,003%. Vyšší výsledky lze dosáhnout pomocí bipolárních tranzistorů. Princip fungování zesilovačů na těchto prvcích bude popsán níže.

Ale přesto je ve výstupním signálu velký počet vyšších harmonických, což způsobuje, že se zvuk stane charakteristickým kovem. K dispozici jsou také zesilovací obvody ve třídě AA. V nich jsou nelineární zkreslení ještě menší - až 0,0005%. Ale hlavní nevýhoda tranzistorových zesilovačů je stále - charakteristický kovový zvuk.

"Alternativní" návrhy

Nelze říci, že jsou alternativní, jen někteří odborníci, kteří se podílejí na návrhu a montáži zesilovačů pro vysoce kvalitní reprodukci zvuku, stále více preferují návrhy trubek. Zesilovače lampy mají tyto výhody:

1. Velmi nízká úroveň nelineárního zkreslení výstupního signálu.
2. Vyšší harmonické jsou menší než v konstrukcích tranzistorů.

Existuje však jedna obrovská nevýhoda, která převažuje nad všemi výhodami - určitě potřebujete instalovat zařízení ke schválení. Faktem je, že kaskáda žárovek má velmi velký odpor - několik tisíc ohmů. Ale odpor vinutí reproduktoru je 8 nebo 4 ohmy. Pro jejich koordinaci je nutné nainstalovat transformátor.

Samozřejmě, není to velká nevýhoda - existují také tranzistorová zařízení, která používají transformátory, aby odpovídaly výstupnímu stupni a systému reproduktorů. Někteří experti tvrdí, že nejúčinnějším schématem je hybrid - ve kterém jsou použity jednokoncové zesilovače, které nejsou pokryty negativní zpětnou vazbou. Kromě toho všechny tyto kaskády pracují v režimu ULF třídy "A". Jinými slovy, jako zesilovač je použit tranzistorový zesilovač výkonu.

Účinnost těchto zařízení je navíc poměrně vysoká - asi 50%. Ale neměli byste se soustředit pouze na indikátory účinnosti a výkonu - nehovoří o kvalitní reprodukci zvuku zesilovačem. Důležitější je linearita vlastností a jejich kvalita. Proto je třeba věnovat jim především pozornost a nikoli moc.

Jednoduchý tranzistorový obvod ULF

Nejjednodušší zesilovač, sestavený podle schématu se společným emitorem, pracuje ve třídě "A". Obvod používá polovodičový prvek s npn strukturou. V kolektorovém obvodu je instalován odpor R3, který omezuje tok proudu. Kolektorový obvod je připojen k kladnému napájecímu vodiči a obvod emitoru je připojen k zápornému. V případě použití polovodičových tranzistorů s pnp strukturou bude obvod přesně stejný, pouze bude nutné měnit polaritu.

Pomocou spojovacího kondenzátoru C1 je možné oddělit variabilní vstupní signál ze zdroje stejnosměrný proud V tomto případě není kondenzátor překážkou proudu střídavého proudu podél cesty základny-emitoru. Vnitřní odpor vysílací základny spolu s odpory R1 a R2 představují nejjednodušší dělič napětí. Typicky rezistor R2 má odpor 1-1,5 kΩ - nejtypičtější hodnoty pro takové obvody. V tomto případě je napájecí napětí rozděleno přesně na polovinu. A pokud napájíte obvod s napětím 20 voltů, uvidíte, že hodnota ziskového proudu h21 bude 150. Mělo by být poznamenáno, že zesilovače HF na tranzistorech jsou prováděny podle podobných schémat, pracují jen trochu jinak.

Současně je emitorové napětí 9 V a pokles v obvodu "EB" je 0,7 V (což je charakteristické pro tranzistory na krystalech křemíku). Pokud zvážíme zesilovač na germaniových tranzistorech, v tomto případě pokles napětí v části "EB" bude rovný 0,3 V. Proud v kolektorovém obvodu bude stejný jako proud, který proudí v emitoru. Je možné vypočítat vydělením napětí emitoru odporem R2 - 9V / 1 kΩ = 9 mA. Pro výpočet hodnoty základního proudu je nutné rozdělit 9 mA na zisk h21 - 9mA / 150 = 60 μA. Při konstrukci bipolárních tranzistorů ULF se obvykle používají. Princip fungování se liší od polních.

Na rezistoru R1 je nyní možné vypočítat hodnotu poklesu - to je rozdíl mezi základním a výkonovým napětím. V tomto případě lze základní napětí rozpoznat podle vzorce - součtem charakteristik emitoru a přechodu "EB". Při napájení ze zdroje 20 voltů: 20 - 9,7 = 10,3. Odtud je možné vypočítat hodnotu odporu R1 = 10,3 V / 60 μA = 172 kΩ. V obvodu je kapacita C2, která je nezbytná pro realizaci obvodu, podél kterého může procházet proměnná složka emitorového proudu.

Pokud nenainstalujete kondenzátor C2, bude variabilní složka velmi omezená. Z tohoto důvodu bude takový tranzistorový zesilovač mít velmi nízký proudový zisk h21. Je třeba poznamenat, že ve výše uvedených výpočtech se předpokládalo, že základní a kolektorové proudy jsou stejné. A základní proud byl vzat tím, který proudí do okruhu od emitoru. Vyskytuje se pouze za předpokladu, že na výstup tranzistoru je aplikováno zkreslení napětí.

Mějte však na paměti, že absolutně vždy bez ohledu na přítomnost zkreslení proudí sběrný proud kolektoru základním obvodem. U obvodů se společným emitorem se svodový proud zvýší nejméně 150krát. Tato hodnota je obvykle zohledněna pouze při výpočtu zesilovačů na germaniových tranzistorech. V případě křemíku, ve kterém je proud obvodu "KB" velmi malý, je tato hodnota jednoduše ignorována.

Zesilovače MOSFET

Zesilovač tranzistorového pole s efektem pole, který je uveden v diagramu, má mnoho analogů. Včetně použití bipolární tranzistory. Proto je možné považovat za podobný příklad konstrukci zvukového zesilovače sestaveného podle schématu se společným emitorem. Na obrázku je znázorněn okruh vyrobený podle obvodu se společným zdrojem. Na vstupních a výstupních obvodech se shromažďuje spojení RC, takže zařízení pracuje v režimu zesilovače třídy "A".

Střídavý proud ze zdroje signálu je oddělena od stejnosměrného napájecího napětí kondenzátorem C1. Zesilovač s tranzistorovým efektem musí mít potenciál brány, který bude nižší než podobná zdrojová charakteristika. V uvedeném obvodu je brána připojena ke společnému vodiči přes rezistor R1. Jeho odpor je velmi velký - v konstrukci se obvykle používají odpory 100-1000 kΩ. Takový velký odpor je zvolen tak, aby vstupní signál nebyl posunut.

Tento odpor téměř neprochází elektrickým proudem, v důsledku čehož potenciál brány (při absenci signálu na vstupu) je stejný jako odpor zeminy. U zdroje je potenciál vyšší než potenciál země, pouze kvůli poklesu napětí přes odpor R2. Z toho je zřejmé, že brána má nižší potenciál než zdroj. To znamená, že je zapotřebí pro normální fungování tranzistoru. Je třeba věnovat pozornost tomu, že C2 a R3 v tomto obvodu zesilovače mají stejný účel jako ve výše uvedené konstrukci. Vstupní signál se posune o 180 stupňů vzhledem k výstupu.

ULF s výstupním transformátorem

Takový zesilovač můžete vyrobit vlastním rukama pro domácí použití. Provádí se podle schématu pracujícího ve třídě "A". Návrh je stejný, jak je popsáno výše - se společným emitorem. Jednou funkcí je, že je nutné použít transformátor pro přizpůsobení. To je nevýhoda tohoto tranzistorového zesilovače.

Cirkulační kolektor tranzistoru je zatížen primárním vinutím, který vyvíjí výstupní signál vysílaný sekundárně k reproduktorům. Rezistor R1 a R3 sestavený dělič napětí, který vám umožní vybrat pracovní bod tranzistoru. Pomocí tohoto řetězce je zajištěno napájení předpětí na základně. Všechny ostatní komponenty mají stejný účel jako ve výše uvedených schématech.

Push-pull audio zesilovač

To neznamená, že jde o jednoduchý tranzistorový zesilovač, protože jeho provoz je o něco komplikovanější než ty, které byly dříve zvažovány. U push-pull ULF je vstupní signál rozdělen na dvě poloviny, různé fáze. A každá z těchto polovičních vln je zesílena svou kaskádou provedenou na tranzistoru. Po zesílení každé poloviny vlny jsou oba signály připojeny a napájeny k reproduktorům. Takové složité transformace mohou způsobit zkreslení signálu, protože dynamické a kmitočtové vlastnosti dvou, dokonce stejného typu, tranzistorů budou jiné.

Výsledek zesilovače výrazně snižuje kvalitu zvuku. Při použití push-pull zesilovače třídy "A" nelze kvalitní komplexní signál reprodukovat. Důvodem je to, že zvýšený proud proudí nepřetržitě po ramenou zesilovače, poloviny vlny jsou asymetrické a dochází k fázovým zkreslením. Zvuk se stává méně čitelným a při zahřátí dochází k dalšímu zkreslení signálu, zejména při nízkých a ultra nízkých frekvencích.

Transformátorové ULF

Zesilovač LF na tranzistoru, vyrobený pomocí transformátoru, přestože design může mít malé rozměry, je stále nedokonalý. Transformátory jsou stále těžké a objemné, takže je nejlepší se je zbavit. Obvod vytvořený na komplementárních polovodičových prvcích s různými typy vodivosti je mnohem účinnější. Většina moderních ULF se provádí podle těchto schémat a pracuje ve třídě "B".

Dva výkonné tranzistory používané v konstrukčních pracích podle obvodu sledovače emitoru (společný kolektor). V tomto případě se vstupní napětí přenáší na výstup bez ztráty a zesílení. Pokud na vstupu není signál, tranzistory jsou na hranici zapnutí, ale jsou stále vypnuté. Když je na vstup aplikován harmonický signál, otevře se pozitivní poloviční vlna prvního tranzistoru a druhá je v režimu vypnutí v tomto okamžiku.

Proto mohou zátěž projít pouze pozitivní poloviční vlny. Ale záporné otvírají druhý tranzistor a zcela zablokují první. V tomto případě jsou načteny pouze záporné poloviční vlny. Výsledkem je, že ze zařízení je vyveden signál zesíleného výkonu. Takový tranzistorový zesilovač je poměrně účinný a schopný zajistit stabilní provoz a vysokou kvalitu reprodukce zvuku.

Obvod ULF na jediném tranzistoru

Po zkontrolování všech výše uvedených funkcí můžete zesilovač sestavit vlastním rukama na jednoduché základně. Transistor může být použit doma KT315 nebo některý z jeho zahraničních protějšků - například BC107. Jako zatížení je třeba používat sluchátka, jejichž odpor je 2000-3000 Ohmů. Na základně tranzistoru je nutné aplikovat napětí předpětí přes rezistor 1 mámy a oddělovací kondenzátor 10 μF. Napájení obvodu může být provedeno ze zdroje 4,5-9 voltů, proud - 0,3-0,5 A.

Pokud odpor R1 není připojen, nebude v základně a kolektoru žádný proud. Při připojení je však napětí dosaženo úrovně 0,7 V a umožňuje průtok proudem asi 4 μA. V tomto případě bude aktuální zisk asi 250. Odtud můžete udělat jednoduchý výpočet tranzistorů zesilovače a zjistit kolektorový proud - je to 1 mA. Tím, že sesbíráte obvod zesilovače na tranzistoru, můžete jej otestovat. Připojte výstup k výstupním sluchátkům.

Dotkněte se vstupu zesilovače prstem - objeví se charakteristický šum. Pokud tomu tak není, pak je s největší pravděpodobností návrh sestaven nesprávně. Znovu zkontrolujte všechny připojení a hodnocení prvků. Chcete-li provést demonstraci jasnější, připojte ke vstupu ULF zdroj zvuku - výstup z přehrávače nebo telefonu. Poslouchejte hudbu a vychutnejte si kvalitu zvuku.