Схема № 1
Выбор класса усилителя . Сразу предупредим радиолюбителя - делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста - как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом - вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.
Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика - и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами - трансформатором или конденсатором, - и оба варианта, что называется, один хуже другого.
Принципиальная схема
Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.
Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы - простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы - она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.
Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него - на резистор R5.
Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.
Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него - на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.
Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал - с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.
Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле
F = 1 / (R×C) .
Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.
Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно . Хочу сразу предупредить радиолюбителя - звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.
Элементная база . При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.
Остальные транзисторы - любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы - любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы - электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.
Радиаторы для усилителя . Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.
Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:
P = (U × U) / (8 × R), Вт ,
где U - напряжение питания усилителя, В; R - сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).
Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:
P рас = 0,25 × P, Вт .
В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:
S = 20 × P рас, см 2
В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.
Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить - радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно - посчитайте сами!
Качество звучания . Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.
Причина этого - «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 - на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.
Причина этого также очевидна - больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.
Продолжение читайте
Хочу предложить начинающим любителям качественного звуковоспроизведения одну из разработанных и опробованных схем УНЧ. Данная конструкция поможет сделать качественный усилитель, который можно дорабатывать с минимальными затратами и использовать усилитель для исследований схемных решений.
Это поможет в пути от простого к сложному и более совершенному. К описанию прилагаются файлы печатных плат, которые можно трансформировать под конкретный корпус.
В представленном варианте использовался корпус от Радиотехники У-101.
Данный усилитель мощности я разрабатывал и делал в прошлом веке из того, что возможно было приобрести без затруднений. Хотелось сделать конструкцию с максимально возможным соотношением цены и качества. Это не High-End, но и не третий сорт. Усилитель имеет качественное звучание, отличную повторяемость и прост в наладке.
Принципиальная схема усилителя
Схема полностью симметрична для положительной и отрицательной полуволн низкочастотного сигнала. Входной каскад выполнен на транзисторах VT1 – VT4. От прототипа он отличается транзисторами VT1 и VT4, которые повышают линейность каскадов на транзисторах VT2 и VT3. Существует множество схемных разновидностей входных каскадов, обладающих различными достоинствами и недостатками. Этот каскад выбран из-за простоты, возможности снижения нелинейности амплитудной характеристики транзисторов. С появлением более совершенных схем входных каскадов можно проводить его замену.Сигнал отрицательной обратной связи (ООС) берется с выхода усилителя напряжения и поступает в эмиттерные цепи транзисторов VT2 и VT3. Отказ от общей ООС обусловлен желанием избавиться от влияния на ООС всего лишнего, что не является выходным сигналом схемы. В этом есть свои плюсы и минусы. При данной комплектации это оправдано. При более качественных комплектующих элементах можно пробовать и с различными типами обратной связи.
В качестве усилителя напряжения выбрана каскодная схема, которая обладает большим входным сопротивлением, малой проходной емкостью и меньшими нелинейными искажениями в сравнении со схемой ОЭ. Недостатком каскодной схемы является меньшая амплитуда выходного сигнала. Такова плата за меньшие искажения. Если установить перемычки, то на печатной плате можно собирать и схему ОЭ. Питание усилителя напряжения от отдельного источника напряжения не вводилось из-за желания упростить конструкцию УНЧ.
Выходной каскад представляет собой параллельный усилитель, обладающий рядом преимуществ перед другими схемами. Одно из важных преимуществ – линейность схемы при значительном разбросе параметров транзисторов, что проверялось при сборке усилителя. Этот каскад должен обладать, возможно, большей линейностью, т.к. нет общей ООС и от него очень зависит качество выходного сигнала усилителя. Напряжение питания усилителя 30 В.
Конструкция усилителя
Печатные платы я разрабатывал для «доступных» корпусов от усилителей Радиотехника У-101. Схему разместил на двух частях печатной платы. На первой части, которая закреплена на радиаторе, размещены «параллельный» усилитель и усилитель напряжения. На второй части платы размещен входной каскад. Эта плата крепится на первой плате при помощи уголков. Такое разбиение платы на две части позволяет с минимальными конструктивными изменениями проводить усовершенствование усилителя. Кроме того, такая компоновка может служить и для лабораторных исследований каскадов.Собирать усилитель необходимо в несколько этапов. Сборка начинается с параллельного усилителя и его налаживания. Вторым этапом собирается и налаживается остальная часть схемы и проводится окончательная минимизация искажений схемы. При размещении транзисторов выходного каскада на радиаторе необходимо помнить о необходимости теплового контакта корпусов попарно транзисторов VT9, VT14 и VT10, VT13.
Печатные платы разработаны с помощью программы Sprint Layout 6, что позволит корректировать размещение элементов на плате, т.е. подгонять под конкретную комплектацию или корпус. См. архивы внизу.
Детали усилителя
Параметры усилителя зависят от качества применяемых радиоэлементов и их расположения на плате. Примененные схемные решения позволяют обойтись без подбора транзисторов, но желательно применять транзисторы с граничной частотой усиления от 5 до 200 МГц и запасом предельного рабочего напряжения более чем в 2 раза в сравнении с напряжением питания каскада.Если есть желание и возможность, то желательно выбирать транзисторы по принципу «комплементарности» и одинаковости усилительных характеристик. Пробовались варианты изготовления с подбором транзисторов и без него. Вариант с подобранными «комплементарными» отечественными транзисторами показал значительно лучшие характеристики, чем без подбора. Только КТ940 и КТ9115 из отечественных транзисторов являются комплементарными, а у остальных комплементарность условная. Среди зарубежных транзисторов комплементарных пар очень много и информацию об этом можно взять на сайтах производителей и в справочниках.
В качестве VT1, VT3, VT5 возможно применение транзисторов серии КТ3107 с любыми буквами. В качестве VT2, VT4, VT6 возможно применение транзисторов серии КТ3102 с буквами, которые имеют характеристики схожие с примененными транзисторами для другой полуволны звукового сигнала. Если возможен подбор транзисторов по параметрам, то лучше сделать это. Почти все современные тестеры позволяют это сделать без проблем. При больших отклонениях временные затраты при настройке будут больше и результат скромнее. Для VT6 подойдут транзисторы КТ9115А, КП960А, а для VT7 – КТ940А, КП959А.
В качестве VT9 и VT12 можно применять транзисторы КТ817В (Г), КТ850А, а в качестве VT10 и VT11 – КТ816В (Г), КТ851А. Для VT13 подойдут транзисторы КТ818В (Г), КП964А, а для VT14 – КТ819В (Г), КП954А. Вместо стабилитронов VD3 и VD4 можно использовать по два последовательно соединенных светодиода АЛ307 или им подобные.
Схема позволяет применять и другие детали, но может потребоваться коррекция печатных плат. Конденсатор С1 может иметь емкость от 1 мкФ до 4,7 мкФ и обязательно полипропиленовый или другой, но качественный. На радиолюбительских сайтах можно найти об этом информацию. Подключение напряжения питания, входного и выходного сигналов проводится с использованием клемм для печатного монтажа.
Налаживание усилителя
При первом включении УНЧ следует подключать через мощные керамические резисторы (10 – 100 Ом). Это спасет элементы от перегрузок и выхода из строя при ошибке в монтаже. На первой части платы выставляется резистором R23 ток покоя УНЧ (150-250 мА) при отключенной нагрузке. Далее надо установить отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя при подключенном эквиваленте нагрузки. Это делается изменением номинала одного из резисторов R19 или R20.После монтажа остальной части схемы резистор R14 выставить в среднее положение. На эквиваленте нагрузки проверяется отсутствие возбуждения усилителя и резистором R5 устанавливаем отсутствие постоянного напряжения на выходе усилителя. Усилитель можно считать настроенным в статическом режиме.
Для налаживания в динамическом режиме параллельно эквиваленту нагрузки подключается последовательная RС цепь. Резистор мощностью 0,125 Вт и номиналом 1,3-4,7 кОм. Конденсатор неполярный 1-2 мкФ. Параллельно конденсатору подключаем микроамперметр (20-100 мкА). Затем, подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 5-8 кГц, по подключенному к выходу осциллографу и вольтметру переменного тока нужно оценить пороговый уровень насыщения усилителя. После этого снижаем входной сигнал до уровня 0,7 от насыщения и резистором R14 добиться минимума показания микроамперметра. В некоторых случаях, для снижения искажений на верхних частотах, необходимо проводить коррекцию фазы по опережению установкой конденсатора С12 (0,02-0,033 мкФ).
Конденсаторы С8 и С9 подбираются по наилучшей передаче импульсного сигнала частотой 20 кГц (ставятся при необходимости). Конденсатор С10 можно не ставить, если схема устойчива. Изменением номинала резистора R15 устанавливают одинаковое усиление для каждого из каналов стереофонического или многоканального варианта. Изменяя величину тока покоя выходного каскада можно попытаться найти наиболее линейный режим работы.
Оценка звучания
Собранный усилитель обладает весьма хорошим звучанием. Долгое прослушивание усилителя не приводит к «утомлению». Конечно, есть и лучше усилители, но по соотношению затрат и полученного качества схема понравится многим. При более качественных деталях и их подборе можно добиться и еще более значительных результатов.Ссылки и файлы
1. Король В., "УМЗЧ с компенсацией нелинейности амплитудной характеристики" - Радио, 1989, № 12, с. 52-54.09-06-2017 - Исправлена схема, перезалиты все архивы.
▼
🕗 09/06/17 ⚖️ 24,43 Kb ⇣ 17
Здравствуй, читатель!
Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель.
Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!
Высокое входное сопротивление и неглубокая ОС - основной секрет теплого лампового звучания. Ни для кого не секрет, что именно на лампах реализуются самые высококачественные и дорогие усилители, которые относятся к разряду HI-End. Давайте поймем, что такое качественный усилитель? Качественным имеет право называться тот усилитель мощности НЧ, который полностью повторяет форму входного сигнала на выходе, не искажая его, разумеется выходной сигнал уже усиленный. В сети можно встретить несколько схем действительно высококачественных усилителей, которые имеют право относится к разряду HI-End и совсем не обязательна ламповая схематика. Для получения максимального качества, нужен усилитель, выходной каскад которого работает в чистом классе А. Максимальная линейность схемы дает минимальное кол-во искажений на выходе, поэтому в строении высококачественных усилителей особое внимание уделяется именно этому фактору. Ламповые схемы хороши, но не всегда доступны даже для самостоятельной сборки, а промышленные ламповые УМЗЧ от брендовых производителей стоят от нескольких тысяч, до нескольких десятков тысяч долларов США - такая цена уж точно не по карману многим.
Возникает вопрос - можно ли аналогичных результатов добиться от транзисторных схем? ответ будет в конце статьи.
Линейных и сверхлинейных схем усилителей мощности НЧ достаточно много, но схему, которая будет сегодня рассмотрена является ультралинейной схемой высокого качества, которая реализована всего на 4-х транзисторах. Схема была создана в далеком 1969 году, британским инженером-звуковиком Джоном Линсли-Худом (John Linsley-Hood). Автор является создателем еще нескольких высококачественных схем, в частности класса А. Некоторые знатоки называют этот усилитель самым качественным среди транзисторных УНЧ и я в этом убедился еще год назад.
Первая версия такого усилителя была представлена на . Удачная попытка реализации схемы заставила создать двухканальный УНЧ по этой же схеме, собрать все в корпусе и использовать для личных нужд.
Особенности схемы
Не смотря на простоту, схема имеет несколько особенностей. Правильный режим работы может нарушиться из-за неправильной разводки платы, неудачного расположения компонентов, неправильное питание и т.п..
Именно питание - особо важный фактор - крайне не советую питать данный усилитель от всевозможных блоков питания, оптимальный вариант аккумулятор или блок питания с параллельно включенным аккумулятором.
Мощность усилителя составляет 10 ватт с питанием 16 Вольт на нагрузку 4 Ом. Саму схему можно приспособить для головок 4, 8 и 16 Ом.
Мною была создана стереофоническая версия усилителя, оба канала расположены на одной плате.
Второй - предназначен для раскачки выходного каскада, поставил КТ801 (раздобыл достаточно трудно.
В самом выходном каскаде поставил мощные биполярные ключи обратной проводимости - КТ803 именно с ними получил несомненно высокое качество звучание, хотя экспериментировал со многими транзисторами - КТ805, 819 , 808, даже поставил мощные составные - КТ827, с ним мощность на много выше, но звук не сравниться с КТ803, хотя это лишь мое субъективное мнение.
Входной конденсатор с емкостью 0,1-0,33мкФ, нужно использовать пленочные конденсаторы с минимальной утечкой, желательно от известных производителей, тоже самое и с выходным электролитическим конденсатором.
Если схема рассчитана под нагрузку 4 Ом, то не стоит повышать напряжение питания выше 16-18 Вольт.
Звуковой регулятор решил не поставить, он в свою очередь тоже оказывает влияние на звук, но параллельно входу и минусу желательно поставить резистор 47к.
Сама плата - макетная. С платой пришлось долго повозиться, поскольку линии дорожек тоже оказывали некое влияние на качество звука в целом. Этот усилитель имеет очень широкий диапазон воспроизводимых частот, от 30 Гц до 1мГц.
Настройка - проще простого. Для этого нужно переменным резистором добиться половины питающего напряжения на выходе. Для более точной настройки стоит использовать многооборотный переменный резистор. Один шуп мультиметра присоединяем с минусом питания, другой ставим к линии выхода, т.е к плюсу электролита на выходе, таким образом, медленно вращая переменник добиваемся половины питания на выходе.
Усилители низкой частоты
Усилители низкой частоты (УНЧ) являются относительно простыми устройствами по своей структуре и вместе с тем весьма сложными для оценки. До сих пор не существует объективных параметров для их сравнения и пока непонятно, возможно ли это в принципе. Так, до сих пор не утихают споры между сторонниками и противниками ламповых усилителей. Но, поскольку усилители все же надо как-то оценивать, то давайте поближе познакомимся с их классификацией и общепринятыми параметрами, применяемыми для их оценки. Мы не будем затрагивать другие виды усилителей, кроме усилителей мощности низкой частоты переменного тока и именно их будем иметь в виду под аббревиатурой УНЧ, хотя многие параметры одинаковы для всех видов усилителей.
Абсолютно необходимо упомянуть о том, что мы будем рассматривать усилители, предназначенные для качественного воспроизведения звука, поэтому все оценки усилителей и их параметров, типа лучше-хуже, будут исходить именно из этого критерия. Идеалом является Hi-End, классический Hi-End в инженерном, а не аудиофильском понимании этого слова, развитие старого доброго Hi-Fi - высокая верность воспроизведения в терминах технических параметров и научных терминов, измеряемая и воспроизводимая.
Эти лекции полностью посвящены интегральным усилителям низкой частоты. Никто не знает, что будет завтра, но сегодня не существует таких интегральных УНЧ, которые могли бы по качеству воспроизведения сравниться с усилителями на дискретных элементах. Их достоинства - это низкая стоимость (в тысячи и десятки тысяч раз), малые габариты и простота использования. Есть и еще ряд достоинств, возникающих благодаря технологии производства. Такой идентичности параметров транзисторов дифференциальных пар как у тех, которые выращены на одном кристалле, на дискретных элементах добиться невозможно. Автоматический контроль за тепловыми и электрическими режимами важнейших силовых структур, находящимися на одном кристалле со всей остальной схемой - легко и просто. Все преимущества и весь опыт, накопленный в процессе производства операционных усилителей, к вашим услугам. Недостаток интегральных УНЧ - это, прежде всего, затрудненный отвод тепла и сложность работы с большими и малыми токами одновременно на одной подложке. Кроме того, при их разработке не ставится задача добиться чего-то эксклюзивного. Это, прежде всего дешевый массовый продукт, позволяющий легко, дешево и удобно получать прекрасные результаты.
Для того чтобы было легче понять, о чем идет речь, необходимо вспомнить ряд общих вопросов. Специалисты, безусловно, могут этого не читать, но большинству читателей хотелось бы освежить в памяти ряд вопросов, тем более, что современной литературы по данному вопросу на русском языке немного. Для начинающих эти вопросы, наверное, покажутся недостаточно полно освещенными, но ведь это и не учебник.
Основные параметры усилителей
Усилителем электрических сигналов называется устройство, которое за счет энергии источника питания обеспечивает увеличение амплитуды тока и/или напряжения на выходе, по сравнению с входным сигналом, не изменяя его формы. Наверное, это не самое лучшее определение, но для наших целей вполне пригодно (кстати, абсолютно корректных определений я не встречал). Уже из определения можно сделать ряд выводов. Часто говорят об усилителях напряжения, усилителях тока и усилителях мощности. В принципе это не совсем корректные выражения. Их можно употреблять, говоря о главой задаче данного усилителя или о конкретной нагрузке. Когда мы говорим об УНЧ, то всегда имеем ввиду усиление мощности В каких единицах измеряется усиление? На сегодняшний день общепринятым мировым стандартом являются децибелы (дБ). Впервые децибелы были введены в практику для обозначения отношения мощностей.
Это связано с тем, что громкость для человеческого уха воспринимается как прямое увеличение интенсивности акустического воздействия (т.е. выходной мощности усилителя), а как ее логарифм. Считалось, что децибел -это минимальная различимая человеком величина. Сегодня общепринятой нормой стало принимать за минимальную чувствительность уха величину 0,5 дБ. Из эгого и следует исходить, оценивая различные характеристики усилителей. Несколько позже децибел стал применяться и для обозначения просто отношения напряжений, хотя это и не совсем корректно, а потоми других величин. Из сказанного следует и такой вывод: усилитель, мощность которого в 10 раз больше, звучит громче всего в два раза. Это надо помнить при выборе выходной мощности усилителя.
Коэффициент усиления по напряжению для усилителей определяется при синусоидальном входном сигнале как отношение выходного напряжения к входному и, вообще говоря, является комплексной величиной, зависящей от частоты.
В технике под коэффициентом усиления понимается его модуль.
где Uo - выходное напряжение, aUiN - входное напряжение.
Измерения коэффициента усиления, как и всех остальных параметров усилителя или любого другого прибора, производятся при заранее оговоренных производителем условиях и не всегда эти условия одинаковы для разных производителей.
Коэффициент усиления по току определяется так же, как и по напряжению, но эта характеристика УНЧ применяется редко, так же как и коэффициент усиления по мощности, поэтому в дальнейшем, под коэффициентом усиления будем понимать именно коэффициент усиления по напряжению.
Коэффициент усиления (любой) не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов. В частности он зависит от частоты входного сигнала. Зависимость коэффициента усиления от частоты является одной из важнейших характеристик усилителя и называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или полосой пропускания (frequencyresponse).
Идеальный усилитель имеет абсолютно плоскую АЧХ, однако реальные усилители далеки от этого. Все усилители имеют спад АЧХ в области высоких частот по ряду причин, главной из которых являются ограниченные частотные свойства активных элементов: транзисторов, ламп и т.п. Многие усилители имеют спад в области низких частот, обусловленный влиянием разделительных емкостей. Следует заметить, что для УНЧ идеальной характеристикой является вовсе не прямая линия. Для них представляет интерес лишь диапазон от16 Гц до 20 кГц, т.е. диапазон звуковых колебаний, который слышит человеческое ухо. Лишние частотные области, в которых нет полезного сигнала, а присутствуют только шумы, как от внутренних, так и от внешних источников, только ухудшают работу усилителя, уменьшая его КПД, а высокочастотная область, в случае не слишком удачных схемных решений, даже представляет некоторую опасность для выходных каскадов и акустики при возникновении автогенерации. Однако в усилителях высокого класса некоторый запас по частоте необходим по ряду причин, как психоакустического, так и технического характера. Поэтому верхняя граница идеальной характеристики устанавливается в районе 25...50 кГц. Абсолютного стандарта здесь нет. Можно только сказать, что если характеристика конкретного прибора выходит за эти рамки, то ее искусственно ограничивают. В некоторых случаях эту область сужают гораздо больше, если выходное устройство принципиально не может воспроизводить весь частотный спектр, как, например, мегафон или телефон, или данная область содержит большое количество помех от внешних источников, как в автомобильной технике.
Выглядят АЧХ по-разному даже в пределах информации, предоставляемой одним разработчиком. Иногда это график зависимости коэффициента усиления от частоты, иногда - затухание выходного сигнала. Встречается и нормированные характеристики, когда по оси Y откладывается отношение выходного напряжения или коэффициента усиления к этой же величине, замеренной на средней частоте. Последнее время широкое распространение получил термин POWERBANDWIDTH (BW),to есть полоса пропускания по мощности. Самое главное при оценке этих характеристик помнить, что граница АЧХ определяется по уровню 0,5 от уровня на средних частотах, если это мощностная характеристика (т.е. по уровню -3 дБ) и по уровню 0,707 (или -6 дБ), если это напряжение. Поскольку у современных усилителей эти характеристики весьма равномерны, то чаще всего их графики даже не приводятся, а просто даются табличные данные о полосе пропускания или о граничных частотах, т.е. о тех частотах, на которых спад АЧХ достигает упомянутых выше величин. Так, различаются верхняя и нижняя граничные частоты (fн, fL).
Второй характеристикой комплексного коэффициента усиления является фазовый сдвиг (phaseshift), вносимый усилителем. Зависимость фазового сдвига от частоты сигнала называется фазочастотной характеристикой усилителя или просто фазовой характеристикой. Поскольку такая зависимость всегда имеет место, это означает, что различные спектральные составляющие проходят через усилитель за разное время, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Фазовые характеристики никогда не приводятся ни для интегральных усилителей, ни для готовых изделий, т.к. их измерение чрезвычайно сложно и нет общих стандартов для проведения таких измерений. Кроме того, нет единого мнения о том, как фазовые искажения влияют на восприятие акустических сигналов, и потому нет единых требований. Все искажения формы сигнала, описываемые частотными и фазовыми характеристиками, являются линейными, т.е. могут быть описаны функциями вида
где А и В - постоянные величины. Это связано с тем, что они вызваны линейными реактивными элементами и соответственно не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала, а только изменяют соотношение фаз и амплитуд существующих.
Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.
Частотные характеристики
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.
Классы работы звуковых усилителей
Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:
- Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
- В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
- Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
- В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
- Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.
Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.
При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.
Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.
Работа в промежуточных классах
У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.
Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.
«Альтернативные» конструкции
Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:
- Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
- Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.
Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.
Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.
Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.
Схема однотактного УНЧ на транзисторе
Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.
С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.
При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.
На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.
Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.
Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.
Усилители на МДП-транзисторах
Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».
Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.
Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.
УНЧ с трансформатором на выходе
Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.
Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.
Двухтактный усилитель звука
Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.
В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.
Бестрансформаторные УНЧ
Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».
Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.
Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.
Схема УНЧ на одном транзисторе
Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.
Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.
Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.
Loading...