Транзисторные усилители

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Электронные усилители

Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличе­ние мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усили­тели непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усили­тели сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилите­лями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усили­тели. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или из­бирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразую­щие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

где , – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Со­ответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэф­фициенты усиления напряжения и тока

; . (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выход­ного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и на­грузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотно­шения , дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью рабо­тают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сиг­нала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при и .

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом . При не­достаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из не­скольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточ­ным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информаци­онные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проход­ной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармони­ческих составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свой­ства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспе­чивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной обратной связью – операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размы­каются и к ним под­ключается нагрузка с сопротивле­нием , а к входным зажимам под­ключается источник сигнала с сопро­тивлением и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом ис­точником питания и источником смещения .

Резистор уменьшает коэф­фициент усиления по току биполяр­ного транзистора и крутизну харак­теристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивле­ния конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполяр­ного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиле­ния. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выпол­няются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями (рис. 14.2 а, б).

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наи­большие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц .

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение це­пей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный ре­жим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достига­ется путем использования реактивных сопротив­лений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конден­саторными (RC -связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их от­носительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному ре­жиму усиления мощности вплоть до согласования транзи­стора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выпол­няют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлек­трических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диа­пазоне от до . Так как использование конденсаторов и трансформато­ров в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представ­ляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплече­го моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзи­сторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых тран­зисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических опера­ций.

14.1.2. Усилители на микро­схемах

В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC -свя­зью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилите­лей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц . Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхе­мах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденса­торов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве–­ дена пунктиром) и схема его включения.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) является составной частью большинства радиотехнических устройств как то телевизора, плеера, радиоприемника и различных приборов бытового назначения. Рассмотрим две простые схемы двухкаскадного УНЧ на .

Первый вариант УНЧ на транзисторах

В первом варианте усилитель построен на кремниевых транзисторах n-p-n проводимости. Входной сигнал поступает через переменный резистор R1, который в свою очередь является нагрузочным сопротивлением для схемы источника сигнала. подсоединены к коллекторной электроцепи транзистора VT2 усилителя.

Настройка усилителя первого варианта сводится к подбору сопротивлений R2 и R4. Величину сопротивлений нужно подобрать такой, чтобы миллиамперметр, подключенный в коллекторную цепь каждого транзистора, показывал ток в районе 0,5…0,8 мА. По второй схеме необходимо также выставить коллекторный ток второго транзистора путем подбора сопротивления резистора R3.

В первом варианте возможно применить транзисторы марки КТ312, или их зарубежные аналоги, однако при этом необходимо будет выставить правильное смещение напряжения транзисторов путем подбора сопротивлений R2, R4. Во втором варианте в свою очередь, возможно применить кремневые транзисторы марки КТ209, КТ361, или зарубежные аналоги. При этом выставить режимы работы транзисторов можно путем изменения сопротивления R3.

В коллекторную электроцепь транзистора VT2 (обоих усилителей) взамен наушников возможно подключить динамик с высоким сопротивлением. Если же необходимо получить более мощное усиление звука, то можно собрать усилитель на , который обеспечивает усиление до 15 Вт.

Купив хороший ноутбук или крутой телефон, мы радуемся покупке, восхищаясь множеством функций и скоростью работы устройства. Но стоит подключить гаджет к динамикам, чтобы послушать музыку или посмотреть фильм, мы понимаем, что звук производимый устройством, как говорится «подкачал». Вместо полноценного и чистого звучания, мы слышим невразумительный шёпот с фоновым шумом.

Но не стоит расстраиваться и ругать производителей, проблему со звуком можно решить самостоятельно. Если вы немного разбираетесь в микросхемах и умеете хорошо паять, то вам не составит труда сделать собственный усилитель звука. В нашей статье мы расскажем как сделать усилитель звука для каждого типа устройства.

На первоначальном этапе работы по созданию усилителя, вам необходимо найти инструменты и купить комплектующие детали. Схема усилителя изготавливается на печатной плате при помощи паяльника. Для создания микросхем используйте специальные паяльные станции, которые можно купить в магазине. Использование печатной платы позволяет сделать устройство компактным и удобным в эксплуатации.

Усилитель звуковых частот
Не забывайте об особенностях компактных одноканальных усилителей на основе микросхем серий TDA, основным из которых является выделение большого количества тепла. Поэтому постарайтесь при внутреннем устройстве усилителя, исключить соприкосновение микросхемы с другими деталями. Для дополнительного охлаждения усилителя, рекомендуется использовать радиаторную решётку для отвода тепла. Размер решётки зависит от модели микросхемы и мощности усилителя. Заранее спланируйте место для теплоотвода в корпусе усилителя.
Ещё одной особенностью самостоятельного изготовления усилителя звука, является низкое потребление энергии. Это в свою очередь позволяет использовать усилитель в автомобиле подключив его к аккумулятору или в дороге, используя питание от батареи. Упрощённые модели усилителя, требуют напряжения тока всего лишь в 3 вольта.

Основные элементы усилителя
Если вы начинающий радиолюбитель, то для более удобной работы, рекомендуем вам воспользоваться специальной компьютерной программой - Sprint Layout. С помощью этой программы вы сможете самостоятельно создавать и просматривать схемы на компьютере. Учтите, что создание собственной схемы имеет смысл, только в том случаи если вы имеете достаточный опыт и знания. Если вы неопытный радиолюбитель, то пользуйтесь уже готовыми и проверенными схемами.

Ниже мы приведём схемы и описания разных вариантов усилителя звука:

Усилитель звука для наушников

Усилитель звука для портативных наушников обладает не большой мощностью, но потребляет очень мало энергии. Это немаловажный фактор для мобильных усилителей которые питаются от батареек. Также на устройство можно поместить разъём, для питания от сети через адаптер 3 вольта.

Самодельный усилитель для наушников
Для изготовления усилителя для наушников вам понадобятся:

• Микросхема TDA2822 или аналог KA2209.
• Схема сборки усилителя.
• Конденсаторы 100 мкФ 4 штуки.
• Гнездо для штекера наушников.
• Разъём для адаптера.
• Примерно 30 сантиметров медного провода.
• Теплоотводящий элемент (для закрытого корпуса).

Схема усилителя звука для наушников
Усилитель изготавливается на печатной плате или навесным монтажом. Не используйте в данном виде усилителя импульсный трансформатор, поскольку он может создавать помехи. После изготовления, данный усилитель способен обеспечить мощный и приятный звук с телефона, плеера иди планшета.
Ещё с одним вариантом самодельного усилителя для наушников, вы можете ознакомится в видеоролике:


Усилитель звука для ноутбука

Усилитель для ноутбука собирается в тех случаях, если мощности встроенных в него динамиков не хватает для нормального прослушивания, или если динамики вышли из строя. Усилитель должен быть рассчитан на внешние динамики до 2 ватт и сопротивление обмоток до 4 Ом.

Усилитель звука для ноутбука
Для сборки усилителя вам потребуются:

• Печатная плата.
• Микросхема TDA 7231.
• Блок питания на 9 вольт.
• Корпус для размещения компонентов.
• Конденсатор неполярный 0,1 мкФ - 2 штуки.
• Конденсатор полярный 100 мкФ - 1 штука.
• Конденсатор полярный 220 мкФ - 1 штука.
• Конденсатор полярный 470 мкФ - 1 штука.
• Резистор постоянный 10 Ком - 1 штука.
• Резистор постоянный 4,7 Ом - 1 штука.
• Выключатель двухпозиционный - 1 штука.
• Гнездо для входа на громкоговоритель - 1 штука.

Схема усилителя звука для ноутбука
Порядок сборки определяется самостоятельно в зависимости от схемы. Радиатор охлаждения должен быть такого размера, чтобы рабочая температура внутри корпуса усилителя не превышала 50 градусов по Цельсию. Если вы планируете использовать устройство вне помещения, то для него необходимо изготовить корпус с отверстиями для циркуляции воздуха. Для корпуса можно использовать пластиковый контейнер или пластмассовые коробки из под старой радиоаппаратуры.
Визуальную инструкцию вы можете посмотреть в видеоролике:


Усилитель звука для автомагнитолы

Данный усилитель для автомагнитолы собран на микросхеме TDA8569Q, схема не сложная и очень распространённая.

Усилитель звука для автомагнитолы
Микросхема имеет следующие заявленные характеристики:

• Входная мощность 25 ватт на канал в 4 Ом и 40 ватт на канал в 2 Ом.
• Напряжение питания 6-18 вольт.
• Диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц.

Для использования в автомобиле, к схеме необходимо добавить фильтр от помех, которые создаются генератором и системой зажигания. Микросхема также имеет защиту от короткого замыкания на выходе и перегрева.

Схема усилителя звука для автомагнитолы
Сверяясь с представленной схемой произведите закупку необходимых компонентов. Далее нарисуйте печатную плату и просверлите в ней отверстия. После этого протравите плату хлорным железом. В заключении лудим и начинаем припаивать компоненты микросхемы. Учтите что дорожки питания лучше покрыть более толстым слоем припоя, чтобы не было просадок по питанию.
На микросхему нужно установить радиатор или организовать активное охлаждение с помощью куллера, иначе при повышенной громкости усилитель будет перегреваться.
После сборки микросхемы, необходимо изготовить фильтр для питания по приведённой ниже схеме:

Схема фильтра от помех
Дроссель в фильтре мотается в 5 витков, проводом сечением 1-1,5 мм., на феритовом кольце диаметром 20 мм.
Также данный фильтр можно использовать если ваша магнитола ловит «наводки».
Внимание! Будьте внимательны и не перепутайте полярность питания, иначе микросхема сгорает моментально.
Как сделать усилитель для стерео сигнала, вы также можете узнать из видео:


Усилитель звука на транзисторах

В качестве схемы для транзисторного усилителя используйте схему приведённую ниже:

Схема транзисторного усилителя звука
Схема хоть и старая но имеет массу поклонников, по следующим причинам:

• Упрощённый монтаж из-за малого количества элементов.
• Нет необходимости перебирать транзисторы в комплементарные пары.
• 10 ватт мощности, с запасом хватает для жилых комнат.
• Хорошая совместимость с новыми звуковыми картами и проигрывателями.
• Отличное качество звука.

Начните сборку усилителя с питания. Разделите два канала для стерео двумя вторичными обмотками идущими от одного трансформатора. На макете сделайте мосты на диодах Шоттки для выпрямителя. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме, мощности 2 Вт будет достаточно.

Усилитель на транзисторах
Переходим к плате усилителя. Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением. Настройка сводится к следующим операциям - с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. Затем с помощью R1 и R2 выставляется ток покоя - ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем ток в точке входа плюса питания. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток должен быть 1.2 А при напряжении 27 вольт, что означает 32.4 ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются.
При регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. Считается что данная схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф. Предохранители нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
Хорошей идеей будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.
Теперь несколько слов о корпусе. Размер корпуса задаётся радиаторами - NS135-250 по 2500 квадратных сантиметров на каждый транзистор. Сам корпус делается из оргстекла или пластмассы. Собрав усилитель, прежде чем начать наслаждаться музыкой, необходимо для минимизации фона правильно развести землю. Для этого присоедините СЗ к минусу входа-выхода, а остальные минуса выведите на «звезду» возле конденсаторов фильтра.

Корпус усилителя звука на транзисторах
Примерная стоимость расходных материалов для транзисторного усилителя звука:

• Конденсаторы фильтра 4 штуки - 2700 рублей.
• Трансформатор - 2200 рублей.
• Радиаторы - 1800 рублей.
• Выходные транзисторы - 6-8 штук 900 рублей.
• Мелкие элементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды) около - 2000 рублей.
• Разъёмы - 600 рублей.
• Оргстекло - 650 рублей.
• Краска - 250 рублей.
• Плата, провода, припой около - 1000 рублей

В итоге получается сумма - 12100 рублей.
Также вы можете посмотреть видеоролик по сборке усилителя на германиевых транзисторах:


Ламповый усилитель звука

Схема простого лампового усилителя состоит из двух каскадов - предварительный усилитель на 6Н23П и усилитель мощности на 6П14П.
Схема лампового усилителя
Как видно из схемы, оба каскада работают в триодном включении, а анодный ток ламп близок предельному. Токи выстраиваются катодными резисторами - 3мА для входной и 50мА для выходной лампы.
Детали используемые для лампового усилителя должны быть новыми и высокого качества. Допустимое отклонение номиналов резисторов может составлять плюс-минус 20%, а ёмкости всех конденсаторов можно увеличить в 2-3 раза.
Фильтрующие конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не меньше 350 вольт. На такое же напряжение должен быть рассчитан и межкаскадный конденсатор. Трансформаторы для усилителя могут быть обычными - ТВ31-9 или более современный аналог - TWSE-6.

Ламповый усилитель звука
Регулятор громкости и баланса стерео на усилитель лучше не устанавливать, поскольку данные регулировки можно сделать в самом компьютере или плеере. Входная лампа выбирается из - 6Н1П, 6Н2П, 6Н23П, 6Н3П. В качестве выходного пентода применяют 6П14П, 6П15П, 6П18П или 6П43П (с увеличенным сопротивлением катодного резистора).
Даже если у вас имеется работающий трансформатор, для первого включения лапового усилителя лучше использовать обычный трансформатор с выпрямителем на 40-60 ватт. Только после успешного испытания и настройки усилителя можно установить импульсный трансформатор.
Гнёзда для штекеров и кабелей используйте стандартные, для подключения динамиков лучше установить «педальки» на 4 контакта.
Корпус для лапового усилителя обычно делают из оболочки старой техники или кейсов системных блоков.
Ещё один вариант лампового усилителя вы можете посмотреть в видеоролике:


Классификация усилителей звука

Чтобы вы могли определить к какому классу усилителей звука принадлежит собранное вами устройство, ознакомьтесь с приведённой ниже классификацией УМЗЧ:


Усилитель класса А
• Класс А - усилители этого класса работают без отсечки сигнала на линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов, что обеспечивает минимум нелинейных искажений. Но за это приходится расплачиваться большим размером усилителя и огромной потребляемой мощность. КПД усилителя класса А составляет всего лишь 15-30%. К данному классу относят ламповые и транзисторные усилители.

Усилитель класса В
• Класс В - усилители класса В работают с отсечкой сигнала 90 градусов. Для режима такой работы используется двухтактная схема, в ней каждая часть усиливает свою половину сигнала. Основной минус усилителей класса В, это искажения сигнала по причине ступенчатого перехода одной полуволны к другой. Плюсом данного класса усилителей считают высокий КПД, иногда достигающий 70%. Но не смотря на высокую производительность, современных моделей усилителя класса В, вы не встретите на прилавках.

Усилитель класса АВ
• Класс АВ - это попытка объединения усилителей описанных выше классов, с целью добиться отсутствия искажений сигнала и высокого коэффициента полезного действия.

Усилитель класса Н
• Класс Н - разработан специально для автомобилей, у которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Причиной создания усилителей класса Н служит то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы данного класса усилителей, лежит простая схема для усилителя класса AB, работающая по мостовой схеме. Добавлена лишь специальная схема удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения, это накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно заряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. КПД усилителей класса Н достигает 80%, при искажении сигнала всего в 0,1%.

Усилитель класса D
• Класс D - это отдельный класс усилителей получивший название -«цифровые усилители». Цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, подавление шума, подавление акустической обратной связи. В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%.

В заключении хотелось бы сказать, что занятие радиоэлектроникой требуют большого объёма знаний и опыта, которые приобретаются в течении длительного времени. Поэтому, если у вас что-то не получилось, не расстраивайтесь, подкрепляйте свои знания из других источников и пробуйте снова!

Читатели! Запомните ник этого автора и никогда не повторяйте его схемы.
Модераторы! Прежде чем меня забанить за оскорбления, подумайте, что Вы "подпустили к микрофону" обыкновенного гопника, которого даже близко нельзя подпускать к радиотехнике и, тем более, к обучению начинающих.

Во-первых, при такой схеме включения, через транзистор и динамик пойдет большой постоянный ток, даже если переменный резистор будет в нужном положении, то есть будет слышно музыку. А при большом токе повреждается динамик, то есть, рано или поздно, он сгорит.

Во-вторых, в этой схеме обязательно должен быть ограничитель тока, то есть постоянный резистор, хотя бы на 1 КОм, включенный последовательно с переменным. Любой самоделкин повернет регулятор переменного резистора до упора, у него станет нулевое сопротивление и на базу транзистора пойдет большой ток. В результате сгорит транзистор или динамик.

Переменный конденсатор на входе нужен для защиты источника звука (это должен обьяснить автор, ибо сразу же нашелся читатель, который убрал его просто так, считая себя умнее автора). Без него будут нормально работать только те плееры, в которых на выходе уже стоит подобная защита. А если ее там нет, то выход плеера может повредиться, особенно, как я сказал выше, если выкрутить переменный резистор "в ноль". При этом на выход дорогого ноутбука подастся напряжение с источника питания этой копеечной безделушки и он может сгореть. Самоделкины, очень любят убирать защитные резисторы и конденсаторы, потому-что "работает же!" В результате, с одним источником звука схема может работать, а с другим нет, да еще и может повредиться дорогой телефон или ноутбук.

Переменный резистор, в данной схеме должен быть только подстроечным, то есть регулироваться один раз и закрываться в корпусе, а не выводиться наружу с удобной ручкой. Это не регулятор громкости, а регулятор искажений, то есть им подбирается режим работы транзистора, чтобы были минимальные искажения и чтобы из динамика не шел дым. Поэтому он ни в коем случае не должен быть доступен снаружи. Регулировать громкость, путем изменения режима НЕЛЬЗЯ. За это нужно "убивать". Если очень хочется регулировать громкость, проще включить еще один переменный резистор последовательно с конденсатором и вот его уже можно выводить на корпус усилителя.

Вообще, для простейших схем - и чтобы заработало сразу и чтобы ничего не повредить, нужно покупать микросхему типа TDA (например TDA7052, TDA7056... примеров в интернете множество) , а автор взял случайный транзистор, который завалялся у него в столе. В результате доверчивые любители будут искать именно такой транзистор, хотя коэффициент усиления у него всего 15, а допустимый ток аж 8 ампер (сожгет любой динамик даже не заметив).

Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

Резистор

Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление . Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:

Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

Конденсатор

Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком . Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.

Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость , что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:

Транзистор

В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы . Транзистор изготавливают из полупроводникового материала . Нужное для нас свойство это материала, - наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n -тип и p -тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды - это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные - так называемые дырки. Дырки - это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом - пустым кружком:


Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.


Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):

На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

Рассмотренный нами транзистор pnp -типа, так как у него две p -зоны и одна n -зона. Так же существуют npn -транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:

УНЧ

Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn -типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

Это есть так называемое искажение типа ступенька.

Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал - нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

Исходные данные:

• U = 12 В - напряжение питания;
• U бэ ~ 1 В - Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;

Выбираем транзистор, для нас подойдёт npn -транзистор 2N2712

• P max = 200 мВт - максимальная рассеиваемая мощность;
• I max = 100 мА - максимальный постоянный ток коллектора;
• U max = 18 В - макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
• U эб = 5 В - макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
• h21 = 75-225 - коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение - 75;

1. Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:

   P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.

   I к0 = P ст.max / U кэ , где U кэ - напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

   U кэ = U / 2;

   I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

3. Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:

   R н = R1 + R4 , где R н - общее сопротивление нагрузки;

   Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

   R1 = R4 *10;

   Рассчитаем сопротивление нагрузки:

   R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

   Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

4. Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:

   U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4 ) = (U - I к0 * R1 ) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

5. Ток базы управления транзистором:

   I б = I к / h21 , где I к - ток коллектора;

   I к = (U / R н );

   I б = (U / R н ) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;

6. Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2 и R3 . Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б ), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел ) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2 и R3 :

   R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

7. Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э ):

   U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

   Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

8. Рассчитываем полное напряжение на базе (U б ) с учётом напряжения смещения (U см = 1В):

   U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

   Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3 :

   R3 = (R2 + R3 ) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

   Ближайший номинал резистора 250 Ом;

   R2 = (R2 + R3 ) - R3 = 1714,3 Ом - 250 Ом = 1464,3 Ом;

   Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

9. Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться.

Заключение

На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.