No Image

Как работает звуковой усилитель

СОДЕРЖАНИЕ
3 просмотров
12 декабря 2019

Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может обеспечить усиление переменного сигнала. Связано это с тем обстоятельством, что усилительный элемент требует определенной полярности на всех электродах, т.е. он может преобразовывать сигналы только пульсирующие (одной полярности). Следовательно, усилительное устройство должно содержать элементы, позволяющие преобразовывать переменные сигналы на входе усилительного устройства в пульсирующие сигналы на электродах усилительного элемента. Такими элементами являются источник питания (с постоянной ЭДС EК и резисторы RК и Rб), задающие определенные постоянные потенциалы на электродах усилительного элемента, т.е. режим работы по постоянному току, так называемую рабочую точку на ВАХ транзистора. Переменный электрический сигнал, подаваемый на вход, складывается с постоянной составляющей от источника питания и вызывает изменение потенциалов необходимой полярности на всех электродах усилительного элемента. В результате на выходе также будет получен усиленный переменный сигнал.

Рис. 2.4. Схема включения биполярного транзистора

Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника включается

нагрузочный резистор RК. При этом в соответствии со 2-м законом Кирхгофа изменение напряжения на этом резисторе будет иметь такой же характер как и на усилительном элементе, но только противоположной полярности. Включение источника питания Ек и нагрузочного резистора Rк к биполярному транзистору показано на рис. 2.4.

Значения постоянных напряжений Uкэо и Uбэо и тока Iбо транзистора в режиме покоя определяются с помощью, приведенных на рис.2.5, статических переходных характеристик.

Рис. 2.5 Характеристика Uкэ = f(Uбэ)

Следует отметить, что поскольку параметры транзисторов сильно зависят от температуры, положение рабочей точки (Р.Т.) может сильно колебаться при изменениях температуры. Поэтому в реальных схемах усилителей должна быть предусмотрена температурная стабилизация положения рабочей точки.

2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)

Рис.2.6. Схема усилительного каскада с коллекторной нагрузкой

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с коллекторной нагрузкой. Транзистор в этом усилительном каскаде соединен по схеме с общим эмиттером, поэтому этот каскад часто называют усилительным каскадом с общим эмиттером (УОЭ), нагрузочный резистор RК включен в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с ЭДС ЕК по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.2.6 полярность источника питания соответствует транзистору типа n-p-n.

Усилитель (рис.2.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.2.1): основными элементами усилителя являются источник питания ЕК, усилительный элемент в виде n-p-n транзистора Т и коллекторное сопротивление RК; входную цепь с источником сигнала ЕГ и выходную – с нагрузочным устройством RH. Резисторы Rб () иRК задают режим работы усилительного элемента Т по постоянному току. Разделительные конденсаторы С1 и С2 исключают протекание постоянного тока от ЕГ и RH к транзистору, тем самым обеспечивают независимый режим работы по постоянному току усилительного элемента и защищают транзистор от перегрузок в случаях аварийной работы ЕГ и RH.

Принцип работы УОЭ (рис.2.6).

Пусть входной сигнал отсутствует uвх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: Iбо — ток покоя базовой цепи транзистора, Iко-ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя Uбэои Uкэо. Важно правильно

Рис.2.7. Временная диаграмма изменений токов и напряжений в усилительном каскаде

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. (Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором Rк и Rб. На практике Rк выбирают равным (1÷10) кОм. Rб согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения Iбо, Iко, Uкэо, Uбэовыбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.2.5).

В соответствии с зависимостью Uкэ=f(Uбэ) на рис.2.5 напряжение Uкэ начинает уменьшаться(точка B / ) при увеличении напряжения Uбэ, с того значения, когда начинает расти ток Iб (Iб=f(Uбэ)). Объясняется это тем, что увеличение Iб вызывает рост тока Iк через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе Rк по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора Uкэ:

(участок BA характеристики рис. 2.5). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений Uкэо и Uбэо. Таким образом, эти значения Uбэ0 и Uкэ0 лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике Iб=f(Uбэ) определяется ток покоя базы Iбо, ему соответствует ток покоя коллектора Iк0=Iбо. Совокупность значений Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис.2.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастает на величину Uвх, это приведет к увеличению напряжения Uбэ, входного базового тока Iб и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжениеUкэ=Uвых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак— величина возрастает,— величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону, то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму(это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.2.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 180 0 (см. рис. 2.7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (=20÷200), а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10  100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ (рис.2.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора Iбо и Iко () и изменению положения РТ (рис.2.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ(рис.2.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа, поэтому увеличениеIэ0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению Uбэо, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т о С. Уменьшение Uбэо закрывает транзистор Т и уменьшает Iбо до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔT o C↑→ Iбо ↑→ Iко ≈ Iэо ↑→ Uбэо ↓→ Uбо

Однако включение резистора Rэ уменьшает Кu усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) uвх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется uбэ=uвх-Rэiэ). Чтобы этого избежать резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше RЭ, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор СЭ, почти не вызывая падения напряжения на резисторе RЭ. В результате падение напряжения на резисторе RЭ от постоянной составляющей тока практически не меняется, а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером uвхuбэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки RэСэ (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60C до +60C, при этом значение сопротивления RЭ выбирают наименьшим по величине (обычно Rэ(10100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Входное сопротивление Rвх=h11=n·100Ом (n=1,2…); выходное сопротивление Rвых ≃Rк = (1-10) кОм: коэффициент усиления по напряжению Кu ≃  Rк/ Rвх  10-200; .

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис.2.6) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 2.8а).

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке Uк = Ек при Iк = 0,

Наклон линии нагрузки определяется резистором Rк, а именно:

где  — угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, mi и mu – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов iк, iб, напряжений на коллекторе uк и на резисторе uRк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

Читайте также:  Как закрепить раковину на кухне к столешнице

В режиме покоя (Uвх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током Iк МАХ и напряжением транзистора Uкэ max (рис. 2.8а).

Рис. 2.8 . Определение рабочего режима усилителя с помощью входных (а)

и выходных (б) статических характеристик транзистора

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С / на рис. 2.8б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при Uкэ  0 (например, при Uкэ = 5 В). Точка А на линии нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току  транзистора при больших величинах тока Iк (т.е. нарушению линейности).

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А / на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B / (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы Iбо.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя (Iбо, Iко, Uкэо, Uбэо), а рабочий участок характеристик (АС и А / С / ) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы iб, коллектора iк, напряжений uбэ=uвх и uкэ=uвых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описанный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но к.п.д. каскада мал (не превышает 50%).

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.

В классе В напряжение смещения Uбэо равно нулю и точка покоя располагается в нижнем конце линии нагрузки.

Класс АВ – промежуточный между классами А и В.

В классе С точка покоя выбирается в области отсечки и при отсутствии входного сигнала транзистор заперт.

Введение

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:

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.

Читайте также:  Как правильно собрать смесительный узел

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;

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:

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

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:

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.

Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:

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

Ток базы управления транзистором:

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

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

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

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.

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.

  • 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.

    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:

    Читайте также:  Как вырастить огурцы в открытом грунте видео

    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.

    Дабы 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.

    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:

    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:

    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 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, иначе он будет отрезать «макушки» у нашего сигнала. Кстати подобный приём используется для создания гитарного эффекта «overdrive»:

    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.

    Комментировать
    3 просмотров
    Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

    Это интересно
    No Image Строительство
    0 комментариев
    No Image Строительство
    0 комментариев
    No Image Строительство
    0 комментариев
    Adblock detector