Tranzistorsko pojačalo, unatoč svojoj već dugoj povijesti, ostaje omiljeni predmet proučavanja i početnika i veterana radio-amatera. I ovo je razumljivo. Neizostavna je komponenta najpopularnijih radioamaterskih uređaja: radio prijemnika i niskofrekventnih (zvučnih) pojačala. Pogledat ćemo kako se grade najjednostavnija niskofrekventna tranzistorska pojačala.
Frekvencijski odziv pojačala
U bilo kojem televizijskom ili radio prijemniku, u svakom glazbenom centru ili pojačalu zvuka, možete pronaći tranzistorska pojačala zvuka (niskofrekventne - LF). Razlika između audio tranzistorskih pojačala i drugih vrsta leži u njihovom frekvencijskom odzivu.
Tranzistorsko audio pojačalo ima ujednačen frekvencijski odziv u frekvencijskom pojasu od 15 Hz do 20 kHz. To znači da sve ulazne signale s frekvencijom unutar ovog raspona pretvara (pojačava) pojačalo.otprilike isto. Slika ispod prikazuje idealnu krivulju frekvencijskog odziva za audio pojačalo u koordinatama "pojačanje pojačala Ku - frekvencija ulaznog signala".
Ova krivulja je gotovo ravna od 15Hz do 20kHz. To znači da se takvo pojačalo treba koristiti posebno za ulazne signale s frekvencijama između 15 Hz i 20 kHz. Za ulazne signale s frekvencijama iznad 20 kHz ili ispod 15 Hz, njegova učinkovitost i performanse se brzo pogoršavaju.
Vrsta frekvencijskog odziva pojačala određena je električnim radio elementima (ERE) njegovog kruga, a prije svega samim tranzistorima. Audio pojačalo bazirano na tranzistorima obično je sastavljeno na takozvanim tranzistorima niske i srednje frekvencije s ukupnom propusnošću ulaznih signala od desetaka i stotina Hz do 30 kHz.
Klasa pojačala
Kao što znate, ovisno o stupnju kontinuiteta strujnog toka tijekom cijelog perioda kroz tranzistorski pojačalni stupanj (pojačalo), razlikuju se sljedeće klase njegovog rada: "A", "B", "AB", "C", "D".
U radnoj klasi struja "A" teče kroz stupanj za 100% razdoblja ulaznog signala. Kaskada u ovoj klasi je ilustrirana na sljedećoj slici.
U stepenu pojačala klase "AB", struja teče kroz njega više od 50%, ali manje od 100% perioda ulaznog signala (vidi sliku ispod).
U klasi rada stupnja "B", struja teče kroz njega točno 50% perioda ulaznog signala, kao što je prikazano na slici.
Konačno, u radnoj klasi "C" faze, struja teče kroz nju manje od 50% razdoblja ulaznog signala.
LF-tranzistorsko pojačalo: izobličenje u glavnim klasama rada
U radnom području, tranzistorsko pojačalo klase "A" ima nisku razinu nelinearnog izobličenja. Ali ako signal ima impulsne skokove napona, što dovodi do zasićenja tranzistora, tada se oko svakog "standardnog" harmonika izlaznog signala pojavljuju viši harmonici (do 11.). To uzrokuje fenomen takozvanog tranzistoriziranog ili metalnog zvuka.
Ako niskofrekventna pojačala snage na tranzistorima imaju nestabilizirano napajanje, tada su njihovi izlazni signali modulirani u amplitudi blizu frekvencije mreže. To dovodi do grubosti zvuka na lijevom rubu frekvencijskog odziva. Različite metode stabilizacije napona čine dizajn pojačala složenijim.
Tipična učinkovitost jednosmjernog pojačala klase A ne prelazi 20% zbog stalno uključenog tranzistora i kontinuiranog protoka istosmjerne komponente. Možete napraviti push-pull pojačalo klase A, učinkovitost će se malo povećati, ali će poluvalovi signala postati asimetričniji. Prijenos kaskade iz radne klase "A" u radnu klasu "AB" četverostruko povećava nelinearno izobličenje, iako se povećava učinkovitost njegovog kruga.
Bpojačala klasa "AB" i "B" izobličenje se povećava kako se razina signala smanjuje. Nehotice poželite pojačati takvo pojačalo za potpuni osjećaj snage i dinamike glazbe, ali to često ne pomaže puno.
Srednji razredi poslova
Radna klasa "A" ima varijaciju - klasa "A+". U ovom slučaju niskonaponski ulazni tranzistori pojačala ove klase rade u klasi "A", a visokonaponski izlazni tranzistori pojačala, kada im ulazni signali prijeđu određenu razinu, prelaze u klasu "B" ili "AB". Učinkovitost takvih kaskada je bolja nego u čistoj klasi "A", a nelinearna distorzija je manja (do 0,003%). Međutim, oni također zvuče "metalno" zbog prisutnosti viših harmonika u izlaznom signalu.
Pojačala druge klase - "AA" imaju još niži stupanj nelinearne distorzije - oko 0,0005%, ali su prisutni i viši harmonici.
Povratak na tranzistorsko pojačalo klase A?
Danas mnogi stručnjaci na području reprodukcije zvuka visoke kvalitete zagovaraju povratak na cijevna pojačala, budući da je razina nelinearnog izobličenja i viših harmonika koje oni unose u izlazni signal očito niža od razine tranzistora. Međutim, te su prednosti uvelike nadoknađene potrebom za odgovarajućim transformatorom između cijevnog izlaznog stupnja visoke impedancije i zvučnika niske impedancije. Međutim, jednostavno tranzistorizirano pojačalo može se napraviti s transformatorskim izlazom kao što je prikazano ispod.
Također postoji stajalište da samo hibridno cijevno-tranzistorsko pojačalo može pružiti vrhunsku kvalitetu zvuka, čiji su svi stupnjevi jednostruki, nisu pokriveni negativnim povratnim informacijama i rade u klasi "A". To jest, takav sljedbenik snage je pojačalo na jednom tranzistoru. Njegova shema može imati najveću moguću učinkovitost (u klasi "A") ne više od 50%. Ali ni snaga ni učinkovitost pojačala nisu pokazatelji kvalitete reprodukcije zvuka. U isto vrijeme, kvaliteta i linearnost karakteristika svih ERE u krugu su od posebne važnosti.
Budući da jednostruki krugovi imaju ovu perspektivu, pogledat ćemo njihove opcije u nastavku.
jednostrano jednotranzistorsko pojačalo
Njegov krug, napravljen sa zajedničkim emiterom i RC priključcima za ulazne i izlazne signale za rad u klasi "A", prikazan je na donjoj slici.
Pokazuje n-p-n tranzistor Q1. Njegov kolektor je preko strujno ograničavajućeg otpornika R3 spojen na +Vcc pozitivni terminal, a njegov emiter na -Vcc. P-n-p tranzistorsko pojačalo imat će isti krug, ali će vodovi napajanja biti obrnuti.
C1 je kondenzator za razdvajanje koji odvaja AC ulazni izvor od izvora istosmjernog napona Vcc. Istodobno, C1 ne sprječava prolaz izmjenične ulazne struje kroz spoj baza-emiter tranzistora Q1. Otpornici R1 i R2 zajedno s otporomprijelaz "E - B" formira djelitelj napona Vcc za odabir radne točke tranzistora Q1 u statičkom načinu rada. Tipična za ovaj krug je vrijednost R2=1 kOhm, a položaj radne točke je Vcc / 2. R3 je otpornik opterećenja kolektorskog kruga i koristi se za stvaranje promjenjivog izlaznog signala napona na kolektoru.
Pretpostavimo da je Vcc=20 V, R2=1 kOhm, a strujni dobitak h=150. Odabiremo napon na emiteru Ve=9 V, a pad napona na prijelazu "A - B" je uzeti jednak Vbe=0,7 V. Ova vrijednost odgovara takozvanom silicijskom tranzistoru. Kada bismo razmatrali pojačalo bazirano na germanijevim tranzistorima, tada bi pad napona na otvorenom spoju "E - B" bio Vbe=0,3 V.
Struja emitera, približno jednaka struji kolektora
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Bazna struja Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Pad napona na otporniku R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9,7V=10,3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 je potreban za stvaranje kruga za prolaz varijabilne komponente struje emitera (zapravo struje kolektora). Da ga nema, tada bi otpornik R2 ozbiljno ograničio varijabilnu komponentu, tako da bi dotično bipolarno tranzistorsko pojačalo imalo nisko strujno pojačanje.
U našim proračunima pretpostavili smo da je Ic=Ib h, gdje je Ib struja baze koja teče u nju iz emitera i nastaje kada se na bazu primijeni prednapon. Međutim, kroz bazu uvijek (i sa i bez pomaka)dolazi i do struje curenja iz kolektora Icb0. Stoga je stvarna struja kolektora Ic=Ib h + Icb0 h, t.j. struja curenja u strujnom krugu s OE pojačava se 150 puta. Kada bismo razmišljali o pojačalu na bazi germanijevih tranzistoria, tada bi se ova okolnost morala uzeti u obzir u izračunima. Činjenica je da germanijevi tranzistori imaju značajan Icb0 reda od nekoliko μA. U siliciju je tri reda veličine manji (oko nekoliko nA), pa se obično zanemaruje u izračunima.
Jednostruko MIS tranzistorsko pojačalo
Kao i svako tranzistorsko pojačalo s efektom polja, dotični sklop ima svoj analog među bipolarnim tranzistorskim pojačalima. Stoga razmislite o analogu prethodnog kruga sa zajedničkim emiterom. Izrađen je sa zajedničkim izvorom i R-C priključcima za ulazne i izlazne signale za rad u klasi "A" i prikazan je na donjoj slici.
Ovdje je C1 isti kondenzator za razdvajanje, pomoću kojeg je AC ulazni izvor odvojen od izvora istosmjernog napona Vdd. Kao što znate, svako pojačalo tranzistora s efektom polja mora imati potencijal vrata svojih MOS tranzistora ispod potencijala njihovih izvora. U ovom krugu, kapija je uzemljena pomoću R1, koji je obično visokog otpora (100 kΩ do 1 MΩ) tako da ne šantira ulazni signal. Kroz R1 praktički nema struje, pa je potencijal vrata u nedostatku ulaznog signala jednak potencijalu zemlje. Potencijal izvora je veći od potencijala zemlje zbog pada napona na otporniku R2. TakoDakle, potencijal vrata je manji od potencijala izvora, koji je neophodan za normalan rad Q1. Kondenzator C2 i otpornik R3 imaju istu svrhu kao u prethodnom krugu. Budući da je ovo krug sa zajedničkim izvorom, ulazni i izlazni signali su van faze za 180°.
Izlazno transformatorsko pojačalo
Treće jednostupanjsko jednostavno tranzistorsko pojačalo, prikazano na donjoj slici, također je izrađeno prema krugu zajedničkog emitera za rad u klasi "A", ali je spojeno na zvučnik niske impedancije preko odgovarajućeg transformator.
Primarni namot transformatora T1 je opterećenje kolektorskog kruga tranzistora Q1 i razvija izlazni signal. T1 šalje izlazni signal zvučniku i osigurava da izlazna impedancija tranzistora odgovara niskoj (reda nekoliko ohma) impedanciji zvučnika.
Razdjelnik napona kolektorskog napajanja Vcc, sastavljen na otpornicima R1 i R3, omogućuje izbor radne točke tranzistora Q1 (isporučuje prednapon na njegovu bazu). Namjena preostalih elemenata pojačala je ista kao u prethodnim krugovima.
Push-pull audio pojačalo
Pojačalo niske frekvencije s dva tranzistora push-pull dijeli ulazni audio signal u dva vanfazna poluvala, od kojih je svaki pojačan vlastitim tranzistorskim stupnjem. Nakon što se takvo pojačanje izvede, poluvalovi se kombiniraju u potpuni harmonijski signal, koji se prenosi u sustav zvučnika. Takva transformacija niske frekvencijesignala (cijepanje i ponovno spajanje), naravno, uzrokuje nepovratno izobličenje u njemu, zbog razlike u frekvenciji i dinamičkim svojstvima dvaju tranzistora kruga. Ovo izobličenje smanjuje kvalitetu zvuka na izlazu pojačala.
Push-pull pojačala koja rade u klasi "A" ne reproduciraju dovoljno dobro složene audio signale, budući da povećana konstantna struja stalno teče u njihovim rukama. To dovodi do asimetrije poluvalova signala, faznih izobličenja i, u konačnici, do gubitka razumljivosti zvuka. Kada se zagriju, dva snažna tranzistora udvostručuju izobličenje signala na niskim i infra-niskim frekvencijama. No ipak, glavna prednost push-pull kruga je njegova prihvatljiva učinkovitost i povećana izlazna snaga.
Push-pull tranzistorski krug pojačala je prikazan na slici.
Ovo je pojačalo klase "A", ali se također može koristiti klasa "AB", pa čak i "B".
Tranzistorsko pojačalo bez transformatora
Transformeri, unatoč napretku u njihovoj minijaturizaciji, još uvijek su najglomazniji, najteži i najskuplji ERE. Stoga je pronađen način da se transformator eliminira iz push-pull kruga pokretanjem na dva moćna komplementarna tranzistora različitih tipova (n-p-n i p-n-p). Većina modernih pojačala snage koristi ovaj princip i dizajnirana su za rad u klasi "B". Krug takvog pojačala prikazan je na donjoj slici.
Oba njegova tranzistora su povezana prema zajedničkom kolektorskom (emiterskom sljedbeniku) krugu. Stoga krug prenosi ulazni napon na izlazni bez pojačanja. Ako nema ulaznog signala, tada su oba tranzistora na granici uključenog stanja, ali su isključeni.
Kada se unese harmonični signal, njegov pozitivni poluval otvara TR1, ali stavlja p-n-p tranzistor TR2 u način potpunog prekida. Dakle, kroz opterećenje teče samo pozitivni poluval pojačane struje. Negativni poluval ulaznog signala otvara samo TR2 i isključuje TR1, tako da se negativni poluval pojačane struje dovodi do opterećenja. Kao rezultat toga, punu snagu pojačan (zbog strujnog pojačanja) sinusoidni signal se isporučuje na opterećenje.
Pojačalo s jednim tranzistorom
Da bismo asimilirali gore navedeno, sastaviti ćemo jednostavno tranzistorsko pojačalo vlastitim rukama i shvatiti kako funkcionira.
Kao opterećenje tranzistora male snage T tipa BC107, uključujemo slušalice s otporom od 2-3 kOhm, na bazu primjenjujemo prednapon iz otpornika visokog otpora R od 1 MΩ, uključujemo odvajajući elektrolitički kondenzator C kapaciteta od 10 μF do 100 μF u osnovnom krugu T. Krug ćemo napajati iz baterije od 4,5 V / 0,3 A.
Ako otpornik R nije spojen, tada nema ni struje baze Ib ni struje kolektora Ic. Ako je otpornik spojen, tada napon na bazi raste na 0,7 V i kroz njega teče struja Ib \u003d 4 μA. Koeficijenttrenutni dobitak tranzistora je 250, što daje Ic=250Ib=1 mA.
Nakon što smo sastavili jednostavno tranzistorsko pojačalo vlastitim rukama, sada ga možemo testirati. Spojite slušalice i stavite prst na točku 1 na dijagramu. Čut ćete buku. Vaše tijelo percipira zračenje mreže na frekvenciji od 50 Hz. Buka koju čujete iz slušalica je ovo zračenje, samo pojačano tranzistorom. Objasnimo ovaj proces detaljnije. Izmjenični napon od 50 Hz spojen je na bazu tranzistora preko kondenzatora C. Napon na bazi je sada jednak zbroju istosmjernog napona prednapona (približno 0,7 V) koji dolazi iz otpornika R i izmjeničnog napona prsta. Kao rezultat toga, struja kolektora prima izmjeničnu komponentu s frekvencijom od 50 Hz. Ova izmjenična struja se koristi za pomicanje membrane zvučnika naprijed-nazad na istoj frekvenciji, što znači da možemo čuti ton od 50Hz na izlazu.
Slušanje razine buke od 50 Hz nije baš zanimljivo, tako da možete spojiti niskofrekventne izvore (CD player ili mikrofon) na točke 1 i 2 i čuti pojačani govor ili glazbu.
