Transistorski ojačevalnik: vrste, vezja, enostavna in kompleksna

Najenostavnejši tranzistorski ojačevalnik je lahko dobro orodje za proučevanje lastnosti naprav. Sheme in načrti so zelo preprosti, napravo lahko naredite sami in preverite njeno delovanje, izmerite vse parametre. Hvala za moderno tranzistorji s efektom polja Dobesedno lahko naredite tri elemente miniaturnega ojačevalnika mikrofona. In povežite ga z osebnim računalnikom, da izboljšate parametre snemanja. Da, in sogovorniki med pogovori bodo veliko boljši in jasnejši, če boste slišali vaš govor.

Frekvenčni odziv

Nizkofrekvenčni (zvočni) ojačevalniki so na voljo v skoraj vseh gospodinjskih aparatih - glasbenih centrih, televizorjih, radiih, radijskih in celo osebnih računalnikih. Vendar pa še vedno obstajajo RF ojačevalniki na tranzistorjih, svetilkah in mikrovezjih. Njihova razlika je, da lahko ULF samo poveča signal avdio frekvence, ki jo zaznava človeško uho. Ojačevalniki zvoka tranzistorji omogočajo reprodukcijo signalov s frekvencami v območju od 20 Hz do 20.000 Hz.

Zato lahko tudi najpreprostejša naprava v tem območju poveča signal. In to počne čim bolj enakomerno. Dobiček je neposredno odvisen od frekvence vhodnega signala. Zaplet teh vrednosti je praktično ravna črta. Če je vhodni signal ojačevalnika s frekvenco izven območja, se bo kakovost in učinkovitost naprave hitro zmanjšala. ULF kaskade so običajno sestavljene na tranzistorjih, ki delujejo v nizkih in srednjih frekvenčnih območjih.

Razredi za ojačanje zvoka

Vse ojačevalne naprave so razdeljene v več razredov, odvisno od stopnje pretoka v času delovanja toka skozi kaskado:

1. Razred "A" - tok teče neprekinjeno v celotnem obdobju delovanja kaskade ojačevalnika.
2. V razredu dela "B" tok teče za polovico obdobja.
3. Razred "AB" pravi, da tok teče skozi kaskado ojačevalnika za čas, ki je enak 50-100% obdobja.
4. V načinu "C" električni tok teče za manj kot polovico obdobja delovanja.
5. Način "D" ULF se nedavno uporablja v amaterski radijski praksi - nekaj več kot 50 let. V večini primerov se te naprave izvajajo na osnovi digitalnih elementov in imajo zelo visoko učinkovitost - več kot 90%.

Prisotnost popačenja v različnih razredih nizkofrekvenčnih ojačevalnikov

Delovno območje tranzistorskega ojačevalnika razreda "A" je označeno z relativno majhnimi nelinearnimi popačenji. Če dohodni signal oddaja impulze z višjo napetostjo, to povzroči, da postanejo tranzistorji nasičeni. V izhodnem signalu se pri vsakem harmoniku začnejo pojavljati višje (do 10 ali 11). Zaradi tega se pojavi kovinski zvok, značilen samo za tranzistorske ojačevalnike.

Z nestabilnim napajanjem bo izhodni signal amplitudno modeliran v bližini omrežne frekvence. Zvok bo postal bolj tog na levi strani frekvenčnega odziva. Bolj ko je stabilizacija ojačevalnika močnejša, težje je oblikovati celotno napravo. ULF, ki deluje v razredu "A", ima relativno majhen izkoristek - manj kot 20%. Razlog za to je, da je tranzistor stalno odprt in da skozi njega stalno teče tok.

Za povečanje (čeprav manjše) učinkovitosti lahko uporabite sheme potisnega vleka. Ena od pomanjkljivosti je, da postanejo polovični valovi na izhodnem signalu asimetrični. Če prevedemo iz razreda "A" v "AV", se nelinearna popačenja povečajo za 3-4 krat. Toda učinkovitost celotnega tokokroga naprave se še vedno povečuje. ULF razredi “AB” in “B” označujeta povečanje popačenja z zmanjšanjem ravni signala na vhodu. Toda tudi če povečate glasnost, to ne pomaga v celoti odpraviti pomanjkljivosti.

Delo v vmesnih razredih

Vsak razred ima več sort. Na primer, obstaja razred delovnih ojačevalnikov "A +". V njem vhodni tranzistorji (nizka napetost) delujejo v načinu "A". Toda visoka napetost, nameščena v izhodnih stopnjah, deluje bodisi v "B" ali v "AV". Takšni ojačevalniki so veliko bolj ekonomični kot delo v razredu "A". Vidno manj nelinearnih izkrivljanj - ne več kot 0,003%. Večje rezultate lahko dosežemo z bipolarnimi tranzistorji. Načelo delovanja ojačevalnikov na teh elementih bo obravnavano spodaj.

Še vedno pa obstaja veliko število višjih harmonikov v izhodnem signalu, zaradi česar postane zvok značilen kovinski. Obstajajo tudi ojačevalna vezja, ki delujejo v razredu AA. V njih so nelinearna izkrivljanja še manjša - do 0,0005%. Toda glavna pomanjkljivost tranzistorskih ojačevalnikov je še vedno tam - značilen kovinski zvok.

"Alternativni" modeli

Ne moremo reči, da so alternativne, samo nekateri strokovnjaki, ki sodelujejo pri načrtovanju in sestavljanju ojačevalnikov za kakovostno reprodukcijo zvoka, vse bolj raje oblikujejo cevi. Svetlobni ojačevalniki imajo takšne prednosti:

1. Zelo nizka stopnja nelinearnega popačenja izhodnega signala.
2. Višje harmonije so manjše kot pri tranzistorjih.

Vendar pa obstaja ena velika pomanjkljivost, ki odtehta vse prednosti - vsekakor morate namestiti napravo za odobritev. Dejstvo je, da ima svetlobna kaskada zelo velik upor - več tisoč ohmov. Odpornost navijanja zvočnikov pa je 8 ali 4 ohmov. Da jih uskladite, morate namestiti transformator.

Seveda to ni velika pomanjkljivost - obstajajo tudi tranzistorske naprave, ki uporabljajo transformatorje, da se ujemajo z izhodno stopnjo in sistemom zvočnikov. Nekateri strokovnjaki trdijo, da je najučinkovitejša shema hibrid - v kateri se uporabljajo enojni ojačevalniki, ki niso vključeni v negativne povratne informacije. Poleg tega vse te kaskade delujejo v ULF razredu "A". Z drugimi besedami, kot ojačevalnik se uporablja tranzistorski ojačevalnik moči.

Poleg tega je učinkovitost teh naprav precej visoka - približno 50%. Vendar se ne smete osredotočati le na indikatorje učinkovitosti in moči - ne govorijo o visokokakovostni reprodukciji zvoka z ojačevalnikom. Veliko večji pomen imajo linearnost lastnosti in njihova kakovost. Zato moramo biti pozorni predvsem na njih in ne na oblast.

Enkratni ULF tranzistorski krog

Najenostavnejši ojačevalnik, zgrajen po shemi s skupnim oddajnikom, deluje v razredu "A". V vezju je uporabljen polprevodniški element s strukturo npn. V kolektorskem vezju je nameščen upor R3, ki omejuje tok. Krog kolektorja je priključen na pozitivni napajalni kabel, odjemno vezje pa je povezano z negativnim. V primeru uporabe polprevodniških tranzistorjev s pnp strukturo bo vezje popolnoma enako, le da bo potrebno spremeniti polarnost.

S pomočjo sklopnega kondenzatorja C1 je možno ločiti spremenljiv vhodni signal od vira enosmerni tok V tem primeru kondenzator ni ovira za pretok izmeničnega toka vzdolž poti izhodnega oddajnika. Notranji upor priključka oddajnika-baze skupaj z upori R1 in R2 predstavlja najpreprostejši napetostni delilnik. Običajno ima upor R2 upor 1-1,5 kΩ - najbolj značilne vrednosti za takšna vezja. V tem primeru je napajalna napetost razdeljena natančno na polovico. In če napajanje vezje z napetostjo 20 voltov, lahko vidite, da je vrednost trenutnega dobička h21 bo 150. Treba je opozoriti, da HF ojačevalniki na tranzistorji se izvajajo v skladu s podobnimi shemami, ki delajo le malo drugače.

Hkrati je napetost oddajnika 9 V in padec v tokokrogu "EB" 0,7 V (kar je značilno za tranzistorje na silicijevih kristalih). Če upoštevamo ojačevalnik na germanijevih tranzistorjih, bo v tem primeru padec napetosti v odseku »EB« enak 0,3 V. Tok v kolektorskem vezju bo enak tistemu, ki teče v oddajniku. Možno je izračunati z deljenjem napetosti oddajnika z uporom R2 - 9V / 1 kΩ = 9 mA. Za izračun vrednosti baznega toka je potrebno razdeliti 9 mA z dobičkom h21 - 9mA / 150 = 60 μA. Pri gradnji se običajno uporabljajo bipolarni tranzistorji. Načelo delovanja se razlikuje od načela delovanja.

Na uporu R1 je sedaj mogoče izračunati vrednost padca - to je razlika med osnovno in napetostjo. V tem primeru je mogoče osnovno napetost prepoznati po formuli - vsoti značilnosti oddajnika in prehoda "EB". Pri napajanju z virom 20 voltov: 20 - 9,7 = 10,3. Od tu je mogoče izračunati vrednost upora R1 = 10,3 V / 60 μA = 172 kΩ. V tokokrogu je kapacitivnost C2, ki je potrebna za realizacijo vezja, vzdolž katerega lahko prehaja variabilni del oddajnega toka.

Če kondenzatorja C2 ne namestite, bo spremenljiva komponenta zelo omejena. Zaradi tega bo takšen tranzistorski ojačevalnik zvočnega signala zelo nizko. Upoštevati je treba, da so bili v zgornjih izračunih predpostavljeni enaki osnovni in kolektorski tokovi. In osnovni tok je prevzel tisti, ki teče v vezje od oddajnika. To se zgodi le pod pogojem, da se na izhod baze tranzistorja uporablja napetost.

Ampak ne pozabite, da absolutno vedno, ne glede na prisotnost pristranskosti, kolektor pušča tok skozi osnovno vezje. V tokokrogih s skupnim oddajnikom se prepustni tok poveča vsaj 150-krat. Običajno pa se ta vrednost upošteva le pri računanju ojačevalnikov na germanijevih tranzistorjih. V primeru silicija, pri katerem je tok tokokroga "KB" zelo majhen, se ta vrednost preprosto ne upošteva.

MOSFET ojačevalniki

Tranzistorski ojačevalnik, ki je prikazan v diagramu, ima veliko analogov. Vključno z uporabo bipolarni tranzistorji. Kot podoben primer lahko torej upoštevamo konstrukcijo ojačevalnika zvoka, sestavljenega po shemi s skupnim oddajnikom. Na fotografiji je prikazano vezje, ki je narejeno glede na vezje s skupnim izvorom. Na vhodnih in izhodnih vezjih se zbira RC-povezava, tako da naprava deluje v načinu ojačevalnika razreda "A".

Izmenični tok iz vira signala ločimo od DC napajalne napetosti s kondenzatorjem C1. Tranzistorski ojačevalnik z efektom polja mora imeti potencial vrat, ki bo nižji od podobne karakteristike vira. V predstavljenem vezju so vrata priključena na skupno žico preko upora R1. Njegova upornost je zelo velika - običajno se pri gradnji uporabljajo upori 100-1000 kΩ. Tako velik upor je izbran tako, da vhodni signal ni premaknjen.

Ta upor skoraj ne preide električnega toka, zaradi česar je potencial vrat (brez signala na vhodu) enak kot potencial zemlje. Pri viru je potencial višji od potenciala zemlje, samo zaradi padca napetosti na uporu R2. Iz tega je jasno, da imajo vrata manjši potencial kot vir. To je namreč potrebno za normalno delovanje tranzistorja. Bodite pozorni na dejstvo, da imajo C2 in R3 v tem ojačevalnem krogu enak namen kot v zgornji konstrukciji. In vhodni signal se premakne glede na izhod za 180 stopinj.

ULF z izhodnim transformatorjem

Takšen ojačevalnik lahko naredite z lastnimi rokami za domačo uporabo. Izvaja se po shemi, ki deluje v razredu "A". Zasnova je enaka kot je bilo obravnavano zgoraj - s skupnim oddajnikom. Ena od značilnosti je, da je za ujemanje potrebno uporabiti transformator. To je slabost tega tranzistorskega avdio ojačevalnika.

Zbiralni krog tranzistorja se napolni z primarnim navitjem, ki razvije izhodni signal, ki se prenaša preko sekundarnega na zvočnike. Upori R1 in R3 sestavljata napetostni delilnik, ki vam omogoča izbiro delovne točke tranzistorja. S pomočjo te verige je zagotovljena dovodna napetost na dno. Vsi drugi sestavni deli imajo enak namen kot v zgornjih shemah.

Push-pull avdio ojačevalnik

To ne pomeni, da gre za preprost tranzistorski ojačevalnik, saj je njegovo delovanje nekoliko bolj zapleteno od tistih, ki smo jih prej obravnavali. V push-pull ULF je vhodni signal razdeljen na dva polavasa, različna v fazi. Vsak od teh pol valov je ojačan s svojo kaskadno izvedbo na tranzistorju. Po ojačanju vsakega pol-vala se oba signala povežeta in napajata zvočniki. Takšne kompleksne transformacije lahko povzročijo izkrivljanje signala, ker bodo dinamične in frekvenčne lastnosti dveh, tudi istega tipa, tranzistorji drugačne.

Posledica tega je, da izhod ojačevalnika bistveno zmanjša kakovost zvoka. Če je v uporabi "push-pull" ojačevalnik v razredu "A", kompleksnega signala ni mogoče kakovostno reproducirati. Razlog za to je, da povečan tok teče neprekinjeno vzdolž ramena ojačevalnika, pol valovi so asimetrični, pojavijo se fazna popačenja. Zvok postane manj čitljiv in pri segrevanju se popačenje signala še izboljša, zlasti pri nizkih in ultra nizkih frekvencah.

Transformerless ULF

Ojačevalnik LF na tranzistorju, izdelan z uporabo transformatorja, kljub temu, da ima lahko zasnova majhne dimenzije, je še vedno nepopoln. Transformatorji so še vedno težki in zapleteni, zato jih je najbolje znebiti. Večinoma je učinkovitejše vezje na komplementarnih polprevodniških elementih z različnimi tipi prevodnosti. Večina moderne ULF se izvaja po takih shemah in deluje v razredu B.

Dva močna tranzistorja, ki se uporabljata pri projektiranju, sta odvisna od veznega kolektorja (skupni kolektor). V tem primeru se vhodna napetost prenese na izhod brez izgube in ojačanja. Če na vhodu ni signala, so tranzistorji na robu vklopa, vendar so še vedno onemogočeni. Ko se na vhod vnese harmonski signal, se odpre pozitivni polavas prvega tranzistorja, drugi pa je v tem trenutku v načinu izklopa.

Zato lahko skozi obremenitev preidejo le pozitivni polovični valovi. Toda negativni odprejo drugi tranzistor in popolnoma zaklenejo prvi. V tem primeru so naloženi samo negativni pol valovi. Posledično se iz naprave odda močnostni signal. Takšen tranzistorski ojačevalni krog je zelo učinkovit in omogoča stabilno delovanje, kakovostno reprodukcijo zvoka.

ULF vezje na enem tranzistorju

Po proučitvi vseh zgoraj navedenih funkcij lahko ojačevalnik sestavite z lastnimi rokami na preprosti osnovni element. Tranzistor se lahko uporablja za domače KT315 ali katerega koli od njegovih tujih kolegov - na primer, BC107. Kot obremenitev morate uporabiti slušalke, katerih upor je 2000-3000 Ohmov. Pri dnu tranzistorja je potrebno uporabiti napetost pristranskosti skozi upor 1 mama in ločilni kondenzator 10 μF. Napajanje električnega tokokroga se lahko izvede iz vira 4,5-9 voltov, toka 0,3-0,5 A.

Če upor R1 ni priključen, v osnovnem in kolektorskem toku ne bo toka. Toda ko je priključena, napetost doseže raven 0,7 V in omogoča pretok toka približno 4 μA. V tem primeru bo trenutni dobiček okoli 250. Od tu lahko naredite preprost izračun ojačevalnih tranzistorjev in ugotovite, kakšen je kolektorski tok - enak 1 mA. Z zbiranjem tega ojačevalnega vezja na tranzistor ga lahko preizkusite. Priključite izhod na izhod - slušalke.

S prstom se dotaknite vhoda ojačevalnika - pojaviti se mora značilen šum. Če ne, potem je verjetno, da je konstrukcija nepravilno sestavljena. Ponovno preverite vse povezave in ocene elementov. Da bi bila predstavitev jasnejša, priključite vir zvoka na ULF vhod - izhod iz predvajalnika ali telefona. Poslušajte glasbo in uživajte v kakovosti zvoka.