Опис роботи підсилювача потужності звуку транзисторах MOSFET. Найпростіші підсилювачі низької частоти на транзисторах Унч на 2 транзисторах різної провідності

10.02.2022

Зараз в інтернеті можна знайти безліч схем різних підсилювачів на мікросхемах, переважно серії TDA. Вони мають досить непогані характеристики, хороший ККД і коштують не так вже й дорого, у зв'язку з цим і користуються такою популярністю. Проте на їхньому тлі незаслужено залишаються забутими транзисторні підсилювачі, які хоч і складні в налаштуванні, але не менш цікаві.

Схема підсилювача

У цій статті розглянемо процес складання вельми незвичайного підсилювача, що працює в класі «А» і містить всього 4 транзистори. Ця схема розроблена ще в 1969 році англійським інженером Джоном Лінслі Худом, незважаючи на свою старість, вона й досі залишається актуальною.

На відміну від підсилювачів на мікросхемах, транзисторні підсилювачі вимагають ретельного налаштування та підбору транзисторів. Ця схема – не виняток, хоч вона і виглядає дуже простою. Транзистор VT1 - вхідний, структури PNP. Можна експериментувати з різними малопотужними PNP-транзисторами, у тому числі з германієвими, наприклад, МП42. Добре себе зарекомендували в цій схемі як VT1 такі транзистори, як 2N3906, BC212, BC546, КТ361. Транзистор VT2 – структури NPN, середньої чи малої потужності, сюди підійдуть КТ801, КТ630, КТ602, 2N697, BD139, 2SC5707, 2SD2165. Особливу увагу варто приділити вихідним транзисторам VT3 і VT4, а точніше їх коефіцієнту посилення. Сюди добре підходять КТ805, 2SC5200, 2N3055, 2SC5198. Потрібно відібрати два однакових транзистора з якомога ближчим коефіцієнтом посилення, при цьому він повинен більше 120. Якщо коефіцієнт посилення вихідних транзисторів менше 120, значить драйверний каскад (VT2) потрібно поставити транзистор з великим посиленням (300 і більше).

Підбір номіналів підсилювача

Деякі номінали на схемі підбираються виходячи з напруги живлення схеми та опору навантаження, деякі можливі варіанти показані в таблиці:

Не рекомендується піднімати напругу живлення більше 40 вольт, можуть вийти з ладу вихідні транзистори. Особливість підсилювачів класу А – великий струм спокою, а отже, сильний розігрів транзисторів. При напрузі живлення, наприклад, 20 вольт і струм спокою 1.5 ампера підсилювач споживає 30 ват, незалежно від того, подається на його вхід сигнал чи ні. На кожному з вихідних транзисторів буде розсіюватися по 15 ватів тепла, а це потужність невеликого паяльника! Тому транзистори VT3 та VT4 потрібно встановити на великий радіатор, використовуючи термопасту.
Даний підсилювач схильний до появи самозбуджень, тому на його виході ставлять ланцюг Цобеля: резистор опором 10 Ом і конденсатор 100 нФ, включені послідовно між землею і загальною точкою вихідних транзисторів (на схемі цей ланцюг показаний пунктиром).
При першому включенні підсилювача в розрив його проводу потрібно включити амперметр для контролю струму спокою. Поки вихідні транзистори не розігрілися до робочої температури, може трохи плавати, це цілком нормально. Також при першому включенні потрібно заміряти напругу між загальною точкою вихідних транзисторів (колектор VT4 і еммітер VT3) і землею, там повинна бути половина напруги живлення. Якщо напруга відрізняється у більший або менший бік, потрібно покрутити підстроювальний резистор R2.

Плата підсилювача:

(завантажень: 523)

Плата виготовлена методом ЛУТ.

Зібраний мною підсилювач

Декілька слів про конденсатори, вхідний і вихідний. Ємність вхідного конденсатора на схемі позначена 0,1 мкФ, проте такої ємності мало. Як вхідний слід поставити плівковий конденсатор ємністю 0,68 - 1 мкФ, інакше можливий небажаний зріз низьких частот. Вихідний конденсатор С5 варто взяти на напругу не менше, ніж напругою живлення, скупитися з ємністю також не варто.
Перевагою схеми цього підсилювача є те, що вона не становить небезпеки для динаміків акустичної системи, адже динамік підключається через розділовий конденсатор (С5), це означає, що при появі на виході постійної напруги, наприклад, при виході підсилювача з ладу, динамік залишиться цілим. адже конденсатор не пропустить постійної напруги.

- Сусід запарив по батареї стукати. Зробив музику голосніше, щоб його не чути.
(З фольклору аудіофілів).

Епіграф іронічний, але аудіофіл зовсім не обов'язково "хворий на всю голову" з фізіономією Джоша Ернеста на брифінгу з питань відносин з РФ, якого "пре" тому, що сусіди "щасливі". Хтось хоче слухати серйозну музику вдома, як у залі. Якість апаратури для цього потрібна така, яка у любителів децибел гучності як таких просто не міститься там, де у розсудливих людей розум, але в останніх він за розум заходить від цін на відповідні підсилювачі (УМЗЧ, підсилювач потужності звукової частоти). А у когось попутно виникає бажання долучитися до корисних та захоплюючих сфер діяльності – техніки відтворення звуку та взагалі електроніки. Які у вік цифрових технологій нерозривно пов'язані і можуть стати високоприбутковою та престижною професією. Оптимальний у всіх відносинах перший крок у цій справі – зробити підсилювач своїми руками: саме УМЗЧ дозволяє з початковою підготовкою на базі шкільної фізики на тому самому столі пройти шлях від найпростіших конструкцій на піввечора (які, тим не менш, непогано «співають») до найскладніших агрегатів, через які із задоволенням зіграє і хороша рок-група.Мета цієї публікації – висвітлити перші етапи цього шляху для початківців і, можливо, повідомити щось нове досвідченим.

Найпростіші

Отже, спочатку спробуємо зробити підсилювач звуку, який просто працює. Щоб ґрунтовно вникнути в звукотехніку, доведеться поступово освоїти досить багато теоретичного матеріалу і не забувати у міру просування збагачувати багаж знань. Але будь-яка розумність засвоюється легше, коли бачиш і мацаєш, як вона працює в залозі. У цій статті далі теж без теорії не обійдеться - у тому, що потрібно знати спочатку і що можна пояснити без формул і графіків. А поки що достатньо буде вміння і користуватися мультитестером.

Примітка:якщо ви досі не паяли електроніку, врахуйте її компоненти не можна перегрівати! Паяльник – до 40 Вт (краще 25 Вт), максимально допустимий час паяння без перерви – 10 с. Паяний висновок для тепловідведення утримується в 0,5-3 см від місця паяння з боку корпусу приладу медичним пінцетом. Кислотні та ін. Активні флюси застосовувати не можна! Припій - ПОС-61.

Ліворуч на рис.- Найпростіший УМЗЧ, «який просто працює». Його можна зібрати як на германієвих, так і кремнієвих транзисторах.

На цій крихті зручно освоювати ази налагодження УМЗЧ з безпосередніми зв'язками між каскадами, що дають найчистіший звук.

Перед першим увімкненням живлення навантаження (динамік) відключаємо;
Замість R1 впаюємо ланцюжок із постійного резистора на 33 кОм та змінного (потенціометра) на 270 кОм, тобто. перший прим. вчетверо меншого, а другий прим. удвічі більшого номіналу проти вихідного за схемою;
Подаємо живлення і, обертаючи двигун потенціометра, у точці, позначеній хрестиком, виставляємо вказаний струм колектора VT1;
Знімаємо харчування, випоюємо тимчасові резистори та заміряємо їх загальний опір;
Як R1 ставимо резистор номіналу зі стандартного ряду, найближчого до виміряного;
Замінюємо R3 на ланцюжок постійний 470 Ом + потенціометр 3,3 кОм;
Так само, як за пп. 3-5, в т. а виставляємо напругу, що дорівнює половині напруги живлення.

Точка а, звідки знімається сигнал навантаження це т. зв. середня точка підсилювача. В УМЗЧ з однополярним харчуванням у ній виставляють половину його значення, а в УМЗЧ у двополярному живленні – нуль щодо загального дроту. Це називається регулюванням балансу підсилювача. У однополярних УМЗЧ з ємнісною розв'язкою навантаження відключати її на час налагодження не обов'язково, але краще звикати робити це рефлекторно: розбалансований 2-полярний підсилювач з підключеним навантаженням здатний спалити свої ж потужні та дорогі вихідні транзистори, а то й «новий, хороший» дорогий потужний динамік.

Примітка:компоненти, що вимагають підбору при налагодженні пристрою в макеті, на схемах позначаються або зірочкою (*), або штрих-апостроф (').

У центрі на тому ж мал.- Простий УМЗЧ на транзисторах, що розвиває вже потужність до 4-6 Вт на навантаженні 4 Ом. Хоч і працює він, як і попередній, у т. зв. класі AB1, не призначеному для Hi-Fi озвучування, але якщо замінити парою таких підсилювач класу D (див. далі) в дешевих китайських комп'ютерних колонках, їх звучання помітно покращується. Тут дізнаємося про ще одну хитрість: потужні вихідні транзистори потрібно ставити на радіатори. Компоненти, що потребують додаткового охолодження, на схемах обводяться пунктиром; правда, далеко не завжди; іноді – із зазначенням необхідної площі, що розсіює тепловідведення. Налагодження цього УМЗЧ – балансування за допомогою R2.

Справа на рис.- Ще не монстр на 350 Вт (як був показаний на початку статті), але вже цілком солідний звірюга: простий підсилювач на транзисторах потужністю 100 Вт. Музику через нього можна слухати, але не Hi-Fi, клас роботи – AB2. Проте для озвучування майданчика для пікніка або зборів на відкритому повітрі, шкільного актового чи невеликого торгового залу він цілком придатний. Аматорський рок-гурт, маючи за таким УМЗЧ на інструмент, може успішно виступати.

У цьому УМЗЧ виявляються ще дві хитрощі: по-перше, в дуже потужних підсилювачах каскад розгойдування потужного виходу теж потрібно охолоджувати, тому VT3 ставлять на радіатор від 100 кв. див. Для вихідних VT4 та VT5 потрібні радіатори від 400 кв. див. По-друге, УМЗЧ із двополярним харчуванням зовсім без навантаження не балансуються. То один, то інший вихідний транзистор йде у відсічення, а пов'язаний у насичення. Потім на повному напрузі живлення стрибки струму при балансуванні здатні вивести з ладу вихідні транзистори. Тому для балансування (R6, здогадалися?) підсилювач запитують від +/-24 В, а замість навантаження включають дротяний резистор 100...200 Ом. До речі, закорючки у деяких резисторах на схемі – римські цифри, що позначають їхню необхідну потужність розсіювання тепла.

Примітка:джерело живлення для цього УМЗЧ потрібне потужністю від 600 Вт. Конденсатори фільтра, що згладжує – від 6800 мкФ на 160 В. Паралельно електролітичним конденсаторам ІП включаються керамічні по 0,01 мкФ для запобігання самозбудження на ультразвукових частотах, здатного миттєво спалити вихідні транзистори.

На польовиках

На слід. Рис. – ще один варіант досить потужного УМЗЧ (30 Вт, а при напрузі живлення 35 В – 60 Вт) на потужних польових транзисторах:

Звук від нього вже тягне на вимоги до Hi-Fi початкового рівня (якщо, зрозуміло, УМЗЧ працює на відповідні акустичні системи, АС). Потужні польовики не вимагають великої потужності для розгойдування, тому і передпотужного каскаду немає. Ще потужні польові транзистори за жодних несправностей не спалюють динаміки – самі швидше згоряють. Теж неприємно, але все-таки дешевше, ніж міняти дорогу басову голівку гучномовця. Балансування і взагалі налагодження цього УМЗЧ не потрібні. Недолік у нього, як у конструкції для початківців, всього один: потужні польові транзистори багато дорожчі за біполярні для підсилювача з такими ж параметрами. Вимоги до ІП - аналогічні перед. випадку, але потужність його потрібна від 450 Вт. Радіатори – від 200 кв. див.

Примітка:не треба будувати потужні УМЗЧ на польових транзисторах імпульсних джерел живлення, напр. комп'ютерні. При спробах "загнати" їх в активний режим, необхідний для УМЗЧ, вони або просто згорають, або звук дають слабкий, а за якістю "ніякий". Те саме стосується потужних високовольтних біполярних транзисторів, напр. з малої розгортки старих телевізорів.

Відразу нагору

Якщо ви вже зробили перші кроки, то цілком природним буде бажання збудувати УМЗЧ класу Hi-Fi, не вдаючись надто глибоко в теоретичні нетрі.Для цього доведеться розширити приладовий парк – потрібен осцилограф, генератор звукових частот (ГЗЧ) та мілівольтметр змінного струму з можливістю вимірювання постійної складової. Прототипом для повторення краще взяти УМЗЧ Е. Гумелі, докладно описаний у «Радіо» №1 за 1989 р. Для його побудови знадобиться трохи недорогих доступних компонентів, але якість задовольняє дуже високим вимогам: потужність до 60 Вт, смуга 20-20 000 Гц, нерівномірність АЧХ 2 дБ, коефіцієнт нелінійних спотворень (КНД) 0,01%, рівень власних шумів -86 дБ. Проте налагодити підсилювач Гумелі досить складно; якщо ви з ним впораєтеся, можете братися за будь-яку іншу. Втім, деякі з відомих нині обставин набагато спрощують налагодження цього УМЗЧ, див. нижче. Маючи на увазі це й те, що до архівів «Радіо» пробратися не всім вдається, доречно буде повторити основні моменти.

Схеми простого високоякісного УМЗЧ

Схеми УМЗЧ Гумелі та специфікація до них дано на ілюстрації. Радіатори вихідних транзисторів – від 250 кв. див. для УМЗЧ за рис. 1 та від 150 кв. див. для варіанта за рис. 3 (нумерація оригінальна). Транзистори передвихідного каскаду (КТ814/КТ815) встановлюються на радіатори зігнуті з алюмінієвих пластин 75х35 мм товщиною 3 мм. Замінювати КТ814/КТ815 на КТ626/КТ961 не варто, звук помітно не покращується, але налагодження серйозно утруднюється.

Цей УМЗЧ дуже критичний до електроживлення, топології монтажу та загальної, тому налагоджувати його потрібно у конструктивно закінченому вигляді та лише зі штатним джерелом живлення. При спробі запитати від стабілізованого ІП вихідні транзистори згоряють одразу. Тож на рис. дано креслення оригінальних друкованих плат та вказівки щодо налагодження. До них можна додати, що, по-перше, якщо при першому включенні помітний «збуд», з ним борються, змінюючи індуктивність L1. По-друге, висновки встановлюваних на плати деталей повинні бути не довшими за 10 мм. По-третє, міняти топологію монтажу вкрай небажано, але, якщо дуже треба, на боці провідників обов'язково має бути рамковий екран (земляна петля, виділена кольором на мал.), а доріжки електроживлення повинні проходити поза нею.

Примітка:розриви в доріжках, до яких підключаються основи потужних транзисторів – технологічні, для налагодження, після чого запаюються краплями припою.

Налагодження цього УМЗЧ багато спрощується, а ризик зіткнутися з «збудком» у процесі користування зводиться до нуля, якщо:

Мінімізувати міжблоковий монтаж, помістивши плату на радіаторах потужних транзисторів.
Повністю відмовитися від роз'ємів усередині, виконавши весь монтаж лише пайкою. Тоді не потрібні будуть R12, R13 у потужному варіанті або R10 R11 у менш потужному (на схемах вони пунктирні).
Використовувати для внутрішнього монтажу аудіопроводу із безкисневої міді мінімальної довжини.

За виконання цих умов із порушенням проблем немає, а налагодження УМЗЧ зводиться до рутинної процедури, описаної на рис.

Провід для звуку

Аудіопроводу не вигадка. Необхідність їх застосування нині безсумнівна. У міді з домішкою кисню на гранях кристаллітів металу утворюється найтонша плівочка оксиду. Оксиди металів напівпровідники і якщо струм у дроті слабкий без постійної складової, його форма спотворюється. За ідеєю, спотворення на міріадах кристаллітів повинні компенсувати один одного, але зовсім небагато (схоже, обумовлена квантовими невизначеностями) залишається. Достатня, щоб бути поміченою вимогливими слухачами на тлі найчистішого звуку сучасних УМЗЧ.

Виробники та торговці без сорому сумління підсовують замість безкисневої звичайну електротехнічну мідь – відрізнити одну від іншої на око неможливо. Однак є сфера застосування, де підробка не проходить однозначно: кабель кручена пара для комп'ютерних мереж. Покласти сітку з довгими сегментами «леварем», вона або зовсім не запуститься, або постійно глючить. Дисперсія імпульсів, чи розумієш.

Автор, коли тільки ще пішли розмови про аудіопроводи, зрозумів, що, в принципі, це не порожня балаканина, тим більше, що безкисневі дроти на той час вже давно використовувалися в техніці спецпризначення, з якою він за родом діяльності був добре знайомий. Взяв тоді і замінив штатний шнур своїх навушників ТДС-7 саморобним із «вітухи» із гнучкими багатожильними проводами. Звук, на слух, стабільно покращав для наскрізних аналогових треків, тобто. на шляху від студійного мікрофона до диска, що ніде не піддавалися оцифровці. Особливо яскраво зазвучали записи на вінілі, зроблені за технологією DMM (Direct Meta lMastering, безпосереднє нанесення металу). Після цього міжблоковий монтаж всього домашнього аудіо був перероблений на «вітушний». Тоді поліпшення звучання стали відзначати і випадкові люди, до музики байдужі і наперед не повідомлені.

Як зробити міжблочні дроти з крученої пари, див. відео.

Відео: міжблокові дроти з витої пари своїми руками

На жаль, гнучка «вітуха» скоро зникла з продажу – погано трималася в обтисканих роз'ємах. Однак, до уваги читачів, тільки з безкисневої міді робиться гнучкий «військовий» провід МГТФ та МГТФЕ (екранований). Підробка неможливе, т.к. на звичайній міді стрічкова фторопластова ізоляція досить швидко розповзається. МГТФ зараз є в широкому продажу і коштує набагато дешевше фірмових, з гарантією, аудіопроводів. Недолік у нього один: його неможливо виконати розквітленим, але це можна виправити бирками. Є також і безкисневі обмотувальні дроти, див.

Теоретична інтермедія

Як бачимо, вже спочатку освоєння звукотехніки нам довелося зіткнутися з поняттям Hi-Fi (High Fidelity), висока вірність відтворення звуку. Hi-Fi бувають різних рівнів, які ранжуються слідом. основним параметрам:

Смузі відтворюваних частот.
Динамічному діапазону - відношенню в децибелах (дБ) максимальної (пікової) вихідної потужності до рівня власних шумів.
Рівнем власних шумів у дБ.
Коефіцієнту нелінійних спотворень (КНД) на номінальній (довготривалій) вихідній потужності. КНД на пікової потужності приймається 1% або 2% залежно від методики вимірювань.
Нерівномірності амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) у смузі відтворюваних частот. Для АС – окремо на низьких (НЧ, 20-300 Гц), середніх (СЧ, 300-5000 Гц) та високих (ВЧ, 5000-20 000 Гц) звукових частотах.

Примітка:відношення абсолютних рівнів будь-яких величин I (дБ) визначається як P(дБ) = 20lg(I1/I2). Якщо I1

Всі тонкощі та нюанси Hi-Fi потрібно знати, займаючись проектуванням та будівництвом АС, а що стосується саморобного Hi-Fi УМЗЧ для дому, то, перш ніж переходити до таких, потрібно чітко усвідомити собі вимоги до їхньої потужності, необхідної для озвучування даного приміщення. динамічного діапазону (динаміки), рівня власних шумів та КНІ. Домогтися від УМЗЧ смуги частот 20-20 000 Гц із завалом на краях по 3 дБ та нерівномірністю АЧХ на СЧ у 2 дБ на сучасній елементній базі не становить великих складнощів.

Гучність

Потужність УМЗЧ не самоціль, вона повинна забезпечувати оптимальну гучність відтворення звуку у приміщенні. Визначити її можна за кривими рівної гучності, див. мал. Природних шумів у житлових приміщеннях тихіше 20 дБ немає; 20 дБ це лісова глуш у повний штиль. Рівень гучності в 20 дБ щодо порога чутності – це поріг виразності – шепіт розібрати ще можна, але музика сприймається лише як факт її наявності. Досвідчений музикант може визначити який інструмент грає, але що саме – ні.

40 дБ - нормальний шум добре ізольованої міської квартири в тихому районі або заміського будинку - є поріг розбірливості. Музику від порога виразності до порога розбірливості можна слухати за наявності глибокої корекції АЧХ, насамперед, по басах. Для цього в сучасні УМЗЧ вводять функцію MUTE (приглушка, мутація, не мутація!), Що включає соотв. коригувальні ланцюги в УМЗЛ.

90 дБ – рівень гучності симфонічного оркестру у дуже гарному концертному залі. 110 дБ може видати оркестр розширеного складу в залі з унікальною акустикою, яких у світі не більше 10, це поріг сприйняття: звуки голосніше сприймаються ще як помітний за змістом із зусиллям волі, але дратівливий шум. Зона гучності в житлових приміщеннях 20-110 дБ становить зону повної чутності, а 40-90 дБ – зону найкращої чутності, в якій непідготовлені та недосвідчені слухачі цілком сприймають сенс звуку. Якщо, звісно, він у ньому є.

Потужність

Розрахунок потужності апаратури за заданою гучністю в зоні прослуховування чи не основне і найважче завдання електроакустики. Для себе в умовах краще йти від акустичних систем (АС): розрахувати їхню потужність за спрощеною методикою, та прийняти номінальну (довготривалу) потужність УМЗЧ рівної пікової (музичної) АС. У разі УМЗЧ не додасть помітно своїх спотворень до таких АС, вони й так основне джерело нелінійності в звуковому тракті. Але й робити УМЗЧ занадто потужним годі було: у разі рівень його власних шумів може бути вище порога чутності, т.к. вважається він від рівня напруги вихідного сигналу максимальної потужності. Якщо вважати вже просто, то для кімнати звичайної квартири або будинку і АС з нормальною чутливістю (звуковою віддачею) можна прийняти слід. значення оптимальної потужності УМЗЧ:

До 8 кв. м – 15-20 Вт.
8-12 кв. м – 20-30 Вт.
12-26 кв. м – 30-50 Вт.
26-50 кв. м – 50-60 Вт.
50-70 кв. м – 60-100 Вт.
70-100 кв. м - 100-150 Вт.
100-120 кв. м - 150-200 Вт.
Понад 120 кв. м – визначається розрахунком за даними акустичних вимірів дома.

Динаміка

Динамічний діапазон УМЗЧ визначається за кривими рівної гучності та пороговими значеннями для різних ступенів сприйняття:

Симфонічна музика та джаз із симфонічним супроводом – 90 дБ (110 дБ – 20 дБ) ідеал, 70 дБ (90 дБ – 20 дБ) прийнятно. Звук з динамікою 80-85 дБ у міській квартирі не відрізнить від ідеального жодний експерт.
Інші серйозні музичні жанри - 75 дБ відмінно, 80 дБ "вище даху".
Попса будь-якого роду та саундтреки до фільмів – 66 дБ за очі вистачить, т.к. Дані опуси вже при записі стискаються за рівнями до 66 дБ і навіть до 40 дБ, щоб можна було слухати на чому завгодно.

Динамічний діапазон УМЗЧ, правильно обраного для цього приміщення, вважають рівним його рівню власних шумів, взятому зі знаком +, це т. зв. відношення сигнал/шум.

КНІ

Нелінійні спотворення (НІ) УМЗЧ - це складові спектра вихідного сигналу, яких не було у вхідному. Теоретично НІ найкраще «заштовхати» під рівень власних шумів, але технічно це дуже важко реалізувати. Насправді беруть до уваги т. зв. ефект маскування: на рівнях гучності нижче прим. 30 дБ діапазон сприйманих людським вухом частот звужується, як і здатність розрізняти звуки за частотою. Музиканти чують ноти, але оцінити тембр звуку не можуть. Люди без музичного слуху ефект маскування спостерігається вже на 45-40 дБ гучності. Тому УМЗЧ з КНД 0,1% (-60 дБ від рівня гучності в 110 дБ) оцінить як Hi-Fi рядовий слухач, а з КНД 0,01% (-80 дБ) можна вважати таким, що не спотворює звук.

Лампи

Останнє твердження, можливо, викличе неприйняття, аж до затятого, у адептів лампової схемотехніки: мовляв, справжній звук дають тільки лампи, причому не просто якісь, а окремі типи октальних. Заспокойтеся, панове – особливий ламповий звук не фікція. Причина – різні спектри спотворень у електронних ламп і транзисторів. Які, своєю чергою, обумовлені тим, що у лампі потік електронів рухається у вакуумі і квантові ефекти у ній виявляються. Транзистор прилад квантовий, там неосновні носії заряду (електрони і дірки) рухаються в кристалі, що без квантових ефектів взагалі неможливо. Тому спектр лампових спотворень короткий і чистий: у ньому чітко простежуються лише гармоніки до 3-ї – 4-ї, а комбінаційних складових (сум та різниць частот вхідного сигналу та їх гармонік) дуже мало. Тому за часів вакуумної схемотехніки КНД називали коефіцієнтом гармонік (КГ). У транзисторів спектр спотворень (якщо вони виміряні, застереження випадкова, див. нижче) простежується аж до 15-ї і більш високих компонент, і комбінаційних частот у ньому хоч відбавляй.

Спочатку твердотільної електроніки конструктори транзисторних УМЗЧ брали для них звичний «ламповий» КНІ в 1-2%; звук із ламповим спектром спотворень такої величини рядовими слухачами сприймається як чистий. Між іншим, і самого поняття Hi-Fi тоді ще не було. Виявилося – звучать тьмяно та глухо. У процесі розвитку транзисторної техніки виробилося розуміння, що таке Hi-Fi і що для нього потрібно.

В даний час хвороби зростання транзисторної техніки успішно подолані і побічні частоти на виході хорошого УМЗЧ важко уловлюються спеціальними методами вимірювань. А лампову схемотехніку можна вважати, що перейшла в розряд мистецтва. Його основа може бути будь-якою, чому ж електроніці туди не можна? Тут доречною буде аналогія з фотографією. Ніхто не зможе заперечувати, що сучасна цифрозеркалка дає картинку незмірно більш чітку, докладну, глибоку за діапазоном яскравостей і кольору, ніж фанерна скринька з гармошкою. Але хтось крутим Никоном "клацає фотки" типу "це мій жирний кішок нажрався як гад і дрихне розкинувши лапи", а хтось Сміною-8М на свемовську ч/б плівку робить знімок, перед яким на престижній виставці товпиться народ.

Примітка:і ще раз заспокойтесь – не все так погано. На сьогодні у лампових УМЗЧ малої потужності залишилося принаймні одне застосування і не останньої важливості, для якого вони технічно необхідні.

Досвідчений стенд

Багато любителів аудіо, щойно навчившись паяти, тут же «йдуть у лампи». Це в жодному разі не заслуговує на осуд, навпаки. Інтерес до витоків завжди виправданий і корисний, а електроніка стала на лампах. Перші ЕОМ були ламповими, і бортова електронна апаратура перших космічних апаратів теж була лампової: транзистори тоді вже були, але не витримували позаземної радіації. Між іншим, тоді під найсуворішим секретом створювалися і лампові мікросхеми! На мікролампах із холодним катодом. Єдина відома згадка про них у відкритих джерелах є в рідкісній книзі Митрофанова та Пікерсгіля «Сучасні приймально-підсилювальні лампи».

Але вистачить лірики до діла. Для любителів повозитися з лампами на мал. - Схема стендового лампового УМЗЧ, призначеного саме для експериментів: SA1 перемикається режим роботи вихідної лампи, а SA2 - напруга живлення. Схема добре відома в РФ, невелика доопрацювання торкнулася лише вихідного трансформатора: тепер можна не лише «ганяти» в різних режимах рідну 6П7С, а й підбирати для інших ламп коефіцієнт включення екранної сітки в ультралінійному режимі; для переважної більшості вихідних пентодів та променевих тетродів він або 0,22-0,25, або 0,42-0,45. Про виготовлення вихідного трансформатора див.

Гітаристам та рокерам

Це той випадок, коли без ламп не обійтися. Як відомо, електрогітара стала повноцінним солюючим інструментом після того, як попередньо посилений сигнал зі звукознімача стали пропускати через спеціальну приставку – фьюзер – навмисне спотворюючу його спектр. Без цього звук струни був дуже різким і коротким, т.к. електромагнітний звукознімач реагує лише на моди її механічних коливань у площині деки інструменту.

Незабаром виявилася неприємна обставина: звучання електрогітари з фьюзером набуває повної сили і яскравості тільки на великих гучностях. Особливо це проявляється для гітар зі звукознімачем типу хамбакер, що дає «злий» звук. А як бути початківцю, змушеному репетирувати вдома? Не йти ж до зали виступати, не знаючи точно, як там зазвучить інструмент. І просто любителям року хочеться слухати улюблені речі в повному соку, а рокери народ загалом пристойний і неконфліктний. Принаймні ті, кого цікавить саме рок-музика, а не антураж із епатажем.

Так ось, виявилося, що фатальний звук виникає на рівнях гучності, прийнятних для житлових приміщень, якщо УМЗЧ ламповий. Причина – специфічна взаємодія спектра сигналу з фьюзера з чистим та коротким спектром лампових гармонік. Тут знову доречна аналогія: ч/б фото може бути виразніше кольорового, т.к. залишає для перегляду лише контур та світло.

Тим, кому ламповий підсилювач потрібен не для експериментів, а через технічну необхідність, довго освоювати тонкощі лампової електроніки дозвілля, вони іншим захоплені. УМЗЧ у такому разі краще робити безтрансформаторний. Точніше – з однотактним узгоджуючим вихідним трансформатором, який працює без постійного підмагнічування. Такий підхід набагато спрощує та прискорює виготовлення найскладнішого та найвідповідальнішого вузла лампового УМЗЧ.

"Безтрансформаторний" ламповий вихідний каскад УМЗЧ та попередні підсилювачі до нього

Справа на рис. дана схема безтрансформаторного вихідного каскаду лампового УМЗЧ, а ліворуч – варіанти попереднього підсилювача для нього. Вгорі – з регулятором тембру за класичною схемою Баксандала, що забезпечує досить глибоке регулювання, але вносить невеликі фазові спотворення сигнал, що може бути істотно при роботі УМЗЧ на 2-смугову АС. Внизу – підсилювач із регулюванням тембру простіше, що не спотворює сигнал.

Але повернемося до «оконечника». У ряді зарубіжних джерел ця схема вважається одкровенням, однак ідентична їй, за винятком ємності електролітичних конденсаторів, виявляється в радянському «Довіднику радіоаматора» 1966 р. Товстезна книжища на 1060 сторінок. Не було тоді інтернету та баз даних на дисках.

Там, праворуч на рис., коротко, але ясно описані недоліки цієї схеми. Удосконалена, із того ж джерела, дана на слід. Рис. праворуч. У ній екранна сітка Л2 запитана від середньої точки анодного випрямляча (анодна обмотка силового трансформатора симетрична), а екранна сітка Л1 через навантаження. Якщо замість високоомних динаміків включити узгоджувальний трансформатор зі звичайним динаміком, як у перед. схемою, вихідна потужність скласти бл. 12 Вт, т.к. активний опір первинної обмотки трансформатора набагато менше 800 Ом. КНИ цього кінцевого каскаду з трансформаторним виходом – прим. 0,5%

Як зробити трансформатор?

Головні вороги якості потужного сигнального НЧ (звукового) трансформатора - магнітне поле розсіювання, силові лінії якого замикаються, обходячи магнітопровід (сердечник), вихрові струми в магнітопроводі (струми Фуко) і, меншою мірою - магнітострикція в сердечнику. Через це явище недбало зібраний трансформатор «співає», гуде чи пищить. Зі струмами Фуко борються, зменшуючи товщину пластин магнітопроводу і додатково ізолюючи їх лаком при складанні. Для вихідних трансформаторів оптимальна товщина пластин – 0,15 мм, максимально допустима – 0,25 мм. Брати для вихідного трансформатора пластини тонше не слід: коефіцієнт заповнення керна (центрального стрижня магнітопроводу) сталлю впаде, перетин магнітопроводу для отримання заданої потужності доведеться збільшити, через що спотворення і втрати в ньому тільки зростуть.

У сердечнику звукового трансформатора, що працює з постійним підмагнічуванням (напр., анодним струмом однотактного вихідного каскаду), повинен бути невеликий (визначається розрахунком) немагнітний зазор. Наявність немагнітного зазору, з одного боку, зменшує спотворення сигналу постійного підмагнічування; з іншого - в магнітопроводі звичайного типу збільшує поле розсіювання і вимагає осердя більшого перерізу. Тому немагнітний зазор потрібно розраховувати на оптимум і виконувати якомога точніше.

Для трансформаторів, що працюють з підмагнічуванням, оптимальний тип сердечника – із пластин Шп (просічених), поз. 1 на рис. Вони немагнітний зазор утворюється при просічці керна і тому стабільний; його величина вказується у паспорті на пластини або заміряється набором щупів. Поле розсіювання мінімальне, т.к. бічні гілки, якими замикається магнітний потік, цілісні. З пластин Шп часто збирають і осердя трансформаторів без підмагнічування, т.к. пластини Шп роблять із високоякісної трансформаторної сталі. У такому разі сердечник збирають вперекришку (пластини кладуть просіканням то в один, то в інший бік), а його перетин збільшують на 10% проти розрахункового.

Трансформатори без підмагнічування краще мотати на сердечниках УШ (зменшеної висоти із розширеними вікнами), поз. 2. Вони зменшення поля розсіювання досягається з допомогою зменшення довжини магнітного шляху. Оскільки пластини УШ доступніші за Шп, з них часто набирають і сердечники трансформаторів з підмагнічуванням. Тоді збирання сердечника ведуть накрити: збирають пакет із Ш-пластин, кладуть смужку непровідного немагнітного матеріалу товщиною у величину немагнітного зазору, накривають ярмом з пакета перемичок і стягують все разом обоймою.

Примітка:"Звукові" сигнальні магнітопроводи типу ШЛМ для вихідних трансформаторів високоякісних лампових підсилювачів мало придатні, у них велике поле розсіювання.

На поз. 3 дана схема розмірів осердя для розрахунку трансформатора, на поз. 4 конструкція каркаса обмоток, але в поз. 5 – викроювання його деталей. Що ж до трансформатора для «безтрансформаторного» вихідного каскаду, його краще робити на ШЛМме вперекришку, т.к. підмагнічування мізерно мало (струм підмагнічування дорівнює струму екранної сітки). Головне завдання тут - зробити обмотки якомога компактніше з метою зменшення поля розсіювання; їхній активний опір все одно вийде набагато менше 800 Ом. Що більше вільного місця залишиться у вікнах, то краще вийшов трансформатор. Тому обмотки мотають виток до витка (якщо немає намотувального верстата, це маєта жахлива) з якомога тоншого дроту, коефіцієнт укладання анодної обмотки для механічного розрахунку трансформатора беруть 0,6. Обмотковий провід - марок ПЕТВ або ПЕММ, у них жила безкиснева. ПЕТВ-2 або ПЕММ-2 брати не треба, у них від подвійного лакування збільшений зовнішній діаметр і поле розсіювання буде більшим. Первинну обмотку мотають першою, т.к. саме її поле розсіювання найбільше впливає звук.

Залізо цього трансформатора потрібно шукати з отворами в кутах пластин і стяжними скобами (див. рис. справа), т.к. "для повного щастя" складання магнітопроводу проводиться в слід. порядку (зрозуміло, обмотки з висновками та зовнішньою ізоляцією повинні бути вже на каркасі):

Готують розбавлений вдвічі акриловий лак або, по-старому, шеллак;
Пластини з перемичками швидко покривають лаком з одного боку і якнайшвидше, не придушуючи сильно, вкладають у каркас. Першу пластину кладуть лакованою стороною всередину, наступну – нелакованою стороною до першої лакованої і т.д;
Коли вікно каркасу заповниться, накладають скоби та туго стягують болтами;
Через 1-3 хв, коли видавлювання лаку із зазорів мабуть припиниться, додають пластин знову до заповнення вікна;
Повторюють пп. 2-4, доки вікно не буде туго набите сталлю;
Знову туго стягують сердечник та сушать на батареї тощо. 3-5 діб.

Зібраний за такою технологією сердечник має дуже хорошу ізоляцію пластин та заповнення сталлю. Втрат на магнітострикцію взагалі не виявляється. Але врахуйте - для сердечників їх пермалоя дана методика не застосовна, т.к. від сильних механічних впливів магнітні властивості пермалою незворотно погіршуються!

На мікросхемах

УМЗЧ на інтегральних мікросхемах (ІМС) роблять найчастіше ті, кого влаштовує якість звуку до середнього Hi-Fi, але більш приваблює дешевизна, швидкість, простота складання та повна відсутність будь-яких налагоджувальних процедур, які потребують спеціальних знань. Просто підсилювач на мікросхемах – оптимальний варіант для «чайників». Класика жанру тут - УМЗЧ на ІМС TDA2004, що стоїть на серії, дай бог пам'яті, вже років 20, зліва на рис. Потужність – до 12 Вт на канал, напруга живлення – 3-18 В однополярна. Площа радіатора – від 200 кв. див. для максимальної потужності. Гідність – здатність працювати на дуже низькоомне, до 1,6 Ом, навантаження, що дозволяє знімати повну потужність при живленні від бортової мережі 12 В, а 7-8 Вт – при 6-вольтовому живленні, наприклад, на мотоциклі. Однак вихід TDA2004 у класі В некомплементарний (на транзисторах однакової провідності), тому звучок точно не Hi-Fi: КНІ 1%, динаміка 45 дБ.

Більш сучасна TDA7261 звук дає не краще, але потужніше, до 25 Вт, т.к. верхня межа напруги живлення збільшена до 25 В. Нижня, 4,5 В, все ще дозволяє запитуватись від 6 В бортмережі, тобто. TDA7261 можна запускати практично від усіх бортмереж, крім літакової 27 В. За допомогою навісних компонентів (обв'язки, праворуч на рис.) TDA7261 може працювати в режимі мутування та з функцією St-By (Stand By, чекати), що переводить УМЗЧ у режим мінімального енергоспоживання за відсутності вхідного сигналу протягом певного часу. Зручності коштують грошей, тому для стерео потрібна буде пара TDA7261 із радіаторами від 250 кв. див. для кожної.

Примітка:Якщо вас чимось приваблюють підсилювачі з функцією St-By, врахуйте – чекати від них динаміки ширше за 66 дБ не варто.

«Надекономічна» по живленню TDA7482, ліворуч на рис., що працює у т. зв. клас D. Такі УМЗЧ іноді називають цифровими підсилювачами, що неправильно. Для справжнього оцифровки з аналогового сигналу знімають відліки рівня з частотою квантування, не менше ніж удвічі більшої найвищої з відтворюваних частот, величина кожного відліку записується на заваді стійким кодом і зберігається для подальшого використання. УМЗЧ класу D – імпульсні. Вони аналог безпосередньо перетворюється на послідовність широтно-модулированных імпульсів (ШИМ) високої частоти, що й подається на динамік через фільтр низьких частот (ФНЧ).

Звук класу D з Hi-Fi не має нічого спільного: КНІ в 2% і динаміка в 55 дБ для УМЗЧ класу D вважаються дуже добрими показниками. І TDA7482 тут, треба сказати, вибір не оптимальний: інші фірми, що спеціалізуються на класі D, випускають ІМС УМЗЧ дешевше і вимагають меншої обв'язки, напр., D-УМЗЧ серії Paxx, праворуч на рис.

З TDAшек слід відзначити 4-канальну TDA7385, див. рис., на якій можна зібрати хороший підсилювач для колонок до середнього Hi-Fi включно, з поділом частот на 2 смуги або для системи з сабвуфером. Розфільтрування НЧ і СЧ-ВЧ у тому й іншому випадку проводиться у разі входу на слабкому сигналі, що спрощує конструкцію фільтрів і дозволяє глибше розділити лінії. А якщо акустика сабвуферна, то 2 канали TDA7385 можна виділити під суб-УНЧ мостової схеми (див. нижче), а решта 2 задіяти для СЧ-ВЧ.

УМЗЧ для сабвуфера

Сабвуфер, що можна перекласти як «підбасовик» або, дослівно, «підгавкувач» відтворює частоти до 150-200 Гц, у цьому діапазоні людські вуха практично не здатні визначити напрямок джерела звуку. В АС із сабвуфером «підбасовий» динамік ставлять у готельне акустичне оформлення, це і є сабвуфер як такий. Сабвуфер розміщують, в принципі, як зручніше, а стереоефект забезпечується окремими СЧ-ВЧ каналами зі своїми малогабаритними АС, до акустичного оформлення яких особливо серйозних вимог не висувається. Знавці сходяться на тому, що стерео краще все ж таки слухати з повним поділом каналів, але сабвуферні системи істотно економлять кошти або працю на басовий тракт і полегшують розміщення акустики в малогабаритних приміщеннях, чому і користуються популярністю у споживачів зі звичайним слухом і не особливо вимогливих.

«Просочування» СЧ-ВЧ в сабвуфер, а з нього в повітря сильно псує стерео, але, якщо різко «обрубати» підбаси, що, до речі, дуже складно і дорого, то виникне дуже неприємний на слух ефект перескоку звуку. Тому розфільтрування каналів у сабвуферних системах провадиться двічі. На вході електричними фільтрами виділяються СЧ-ВЧ з басовими «хвостиками», які не перевантажують СЧ-ВЧ тракт, але забезпечують плавний перехід на підбас. Баси з СЧ «хвостиками» поєднуються і подаються на окремий УМЗЧ для сабвуфера. Дофільтровуються СЧ, щоб не псувалося стерео, в сабвуфері вже акустично: підбасовий динамік, ставлять, напр., в перегородку між резонаторними камерами сабвуфера, що не випускають СЧ назовні, див.

До УМЗЧ для сабвуфера пред'являється ряд специфічних вимог, у тому числі «чайники» головним вважають можливо більшу потужність. Це неправильно, якщо, скажімо, розрахунок акустики під кімнату дав для однієї колонки пікову потужність W, то потужність сабвуфера потрібна 0,8(2W) чи 1,6W. Напр. якщо для кімнати підходять АС S-30, то сабвуфер потрібен 1,6х30 = 48 Вт.

Набагато важливіше забезпечити відсутність фазових та перехідних спотворень: підуть вони – перескок звуку обов'язково буде. Що стосується КНД, то він допустимо до 1% Власні спотворення басів такого рівня не чутно (див. криві рівної гучності), а «хвости» їх спектра в найкраще чутної СЧ області не виберуться із сабвуфера назовні.

Щоб уникнути фазових і перехідних спотворень, підсилювач для сабвуфера будують за т. зв. бруківці: виходи 2-х ідентичних УМЗЧ включають зустрічно через динамік; сигнали на входи подаються у протифазі. Відсутність фазових та перехідних спотворень у бруківці обумовлено повною електричною симетрією шляхів вихідного сигналу. Ідентичність підсилювачів, що утворюють плечі моста, забезпечується застосуванням спарених УМЗЧ на ІМС, виконаних на одному кристалі; це, мабуть, єдиний випадок, коли підсилювач на мікросхемах кращий за дискретний.

Примітка:потужність мостового УМЗЧ не подвоюється, як думають деякі, вона визначається напругою живлення.

Приклад схеми мостового УМЗЧ для сабвуфера до 20 кв. м (без вхідних фільтрів) на ІМС TDA2030 наведено на рис. ліворуч. Додаткове відфільтрування СЧ здійснюється ланцюгами R5C3 та R’5C’3. Площа радіатора TDA2030 – від 400 кв. див. У мостових УМЗЧ з відкритим виходом є неприємна особливість: при розбалансі мосту в струмі навантаження з'являється постійна складова, здатна вивести з ладу динамік, а схеми захисту підбасів часто глючать, відключаючи динамік, коли не треба. Тому краще захистити дорогу НЧ голівку "дубово", неполярними батареями електролітичних конденсаторів (виділено кольором, а схема однієї батареї дана на врізанні).

Трохи про акустику

Акустичне оформлення сабвуфера – особлива тема, але якщо тут дано креслення, то потрібні й пояснення. Матеріал корпусу – МДФ 24 мм. Труби резонаторів - з досить міцного пластику, що не дзвінить, напр., поліетилену. Внутрішній діаметр труб – 60 мм, виступи всередину 113 мм у великій камері та 61 у малій. Під конкретну головку гучномовця сабвуфер доведеться переналаштувати за найкращим басом і, одночасно, за найменшим впливом на стереоефект. Для налаштування труби беруть свідомо більшу довжину і, засуваючи-висуваючи, домагаються необхідного звучання. Виступи труб назовні на звук не впливають, потім їх відрізають. Налаштування труб взаємозалежне, так що повозитися доведеться.

Підсилювач для навушників

Підсилювач для навушників роблять своїми руками найчастіше з 2-х причин. Перша – слухання «на ходу», тобто. поза домом, коли потужності аудіовиходу плеєра або смартфона не вистачає для розгойдування «гудзиків» або «лопухів». Друга – для висококласних домашніх навушників. Hi-Fi УМЗЧ для звичайної житлової кімнати потрібен з динамікою до 70-75 дБ, але динамічний діапазон найкращих сучасних стереонавушників перевищує 100 дБ. Підсилювач з такою динамікою коштує дорожче за деякі автомобілі, а його потужність буде від 200 Вт у каналі, що для звичайної квартири занадто багато: прослуховування на сильно заниженій проти номінальної потужності псує звук, див. вище. Тому має сенс зробити малопотужний, але з гарною динамікою окремий підсилювач саме для навушників: ціни на побутові УМЗЧ із такою доважкою завищені явно безглуздо.

Схема найпростішого підсилювача навушників на транзисторах дана на поз. 1 рис. Звук - хіба що для китайських «ґудзичок», працює в класі B. Економічності теж не відрізняється - 13-мм літієвих батарейок вистачає на 3-4 години при повній гучності. На поз. 2 - TDAшна класика для навушників "на хід". Звук, втім, дає цілком пристойний, до середнього Hi-Fi, дивлячись за параметрами оцифровки треку. Аматорським удосконаленням обв'язки TDA7050 немає числа, але переходу звуку на наступний рівень класності поки не досяг ніхто: сама «мікруха» не дозволяє. TDA7057 (поз. 3) просто функціональніший, можна підключати регулятор гучності на звичайному, не здвоєному потенціометрі.

УМЗЧ для навушників на TDA7350 (поз. 4) розрахований вже на розгойдування хорошої індивідуальної акустики. Саме на цій ІМС зібрані підсилювачі для навушників у більшості побутових УМЗЧ середнього та високого класу. УМЗЧ для навушників на KA2206B (поз. 5) вважається вже професійним: його максимальної потужності в 2,3 Вт вистачає і для розгойдування таких серйозних ізодинамічних «лопухів», як ТДС-7 та ТДС-15.

Підсилювачі низької частоти (УНЧ) використовують для перетворення слабких сигналів переважно звукового діапазону більш потужні сигнали, прийнятні для безпосереднього сприйняття через електродинамічні або інші випромінювачі звуку.

Зауважимо, що високочастотні підсилювачі до частот 10... 100 МГц будують за аналогічними схемами, вся відмінність найчастіше зводиться до того, що значення ємностей конденсаторів таких підсилювачів зменшуються в стільки разів, скільки частота високочастотного сигналу перевищує частоту низькочастотного.

Простий підсилювач на одному транзисторі

Найпростіший УНЧ, виконаний за схемою із загальним емітером, показаний на рис. 1. Як навантаження використаний телефонний капсуль. Допустима напруга живлення для цього підсилювача 3...12 Ст.

Величину резистора зміщення R1 (десятки кОм) бажано визначити експериментально, оскільки його оптимальна величина залежить від напруги підсилювача живлення, опору телефонного капсуля, коефіцієнта передачі конкретного екземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ однією транзисторі + конденсатор і резистор.

Для вибору початкового значення резистора R1 слід врахувати, що його величина приблизно сто і більше разів повинна перевищувати опір, включений в ланцюг навантаження. Для підбору резистора зсуву рекомендується послідовно включити постійний резистор опором 20...30 кОм і змінний опором 100... 1000 кОм, після чого, подавши на вхід підсилювача звуковий сигнал невеликої амплітуди, наприклад, від магнітофона або плеєра, обертатися ручкою найкращої якості сигналу при максимальній його гучності.

Величина ємності перехідного конденсатора С1 (рис. 1) може бути в межах від 1 до 100 мкФ: чим більша величина цієї ємності, тим нижчі частоти може посилювати УНЧ. Для освоєння техніки посилення низьких частот рекомендується поекспериментувати з підбором номіналів елементів та режимів роботи підсилювачів (рис. 1 – 4).

Покращені варіанти однотранзисторного підсилювача

Ускладнені та покращені порівняно зі схемою на рис. 1 схеми підсилювачів наведено на рис. 2 та 3. У схемі на рис. 2 каскад посилення додатково містить ланцюжок частотнозалежної негативного зворотного зв'язку (резистор R2 і конденсатор С2), що покращує якість сигналу.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ із ланцюжком частотнозалежного негативного зворотного зв'язку.

Рис. 3. Однотранзисторний підсилювач з дільником для подачі напруги усунення на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторний підсилювач з автоматичним встановленням зсуву для бази транзистора.

У схемі рис. 3 зміщення на базу транзистора задано більш «жорстко» за допомогою дільника, що покращує якість роботи підсилювача за зміни умов його експлуатації. «Автоматична» установка усунення з урахуванням підсилювального транзистора використана у схемі на рис. 4.

Двокаскадний підсилювач на транзисторах

Поєднавши послідовно два найпростіші каскади посилення (рис. 1), можна отримати двокаскадний УНЧ (рис. 5). Посилення такого підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів посилення окремо взятих каскадів. Однак отримати велике стійке посилення при подальшому нарощуванні числа каскадів нелегко: підсилювач, швидше за все, самозбудиться.

Рис. 5. Схема простого двокаскадного підсилювача НЧ.

Нові розробки підсилювачів НЧ, схеми яких часто наводять на сторінках журналів останніх років, мають на меті досягнення мінімального коефіцієнта нелінійних спотворень, підвищення вихідної потужності, розширення смуги посилюваних частот і т.д.

У той же час, при налагодженні різних пристроїв та проведенні експериментів часто потрібний нескладний УНЧ, зібрати який можна за кілька хвилин. Такий підсилювач повинен містити мінімальну кількість дефіцитних елементів та працювати у широкому інтервалі зміни напруги живлення та опору навантаження.

Схема УНЧ на польовому та кремнієвому транзисторах

Схема простого підсилювача потужності НЧ із безпосереднім зв'язком між каскадами наведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Вхідний опір підсилювача визначається номіналом потенціометра R1 і може змінюватися від сотень Ом до десятків МОм. На вихід підсилювача можна підключати навантаження опором від 2...4 до 64 Ом та вище.

При високоомному навантаженні як VT2 можна використовувати транзистор КТ315. Підсилювач працездатний в діапазоні напруги живлення від 3 до 15 В, хоча прийнятна працездатність його зберігається і при зниженні напруги живлення аж до 0,6 В.

Місткість конденсатора С1 може бути обрана в межах від 1 до 100 мкФ. У разі (С1 =100 мкФ) УНЧ може у смузі частот від 50 Гц до 200 кГц і від.

Рис. 6. Схема простого підсилювача низької частоти двох транзисторах.

Амплітуда вхідного сигналу УНЧ не повинна перевищувати 0,5...0,7 В. Вихідна потужність підсилювача може змінюватися від десятків мВт до одиниць Вт залежно від опору навантаження та величини напруги живлення.

Налаштування підсилювача полягає у підборі резисторів R2 та R3. З їхньою допомогою встановлюють напругу на стоку транзистора VT1, що дорівнює 50...60% від напруги джерела живлення. Транзистор VT2 повинен бути встановлений на тепловідвідній пластині (радіаторі).

Трекаскадний УНЧ із безпосереднім зв'язком

На рис. 7 показана схема іншого зовнішнього простого УНЧ з безпосередніми зв'язками між каскадами. Такі зв'язок поліпшує частотні характеристики підсилювача області нижніх частот, схема загалом спрощується.

Рис. 7. Принципова схема трикаскадного УНЧ із безпосереднім зв'язком між каскадами.

У той же час налаштування підсилювача ускладнюється тим, що опір підсилювача доводиться підбирати в індивідуальному порядку. Орієнтовно співвідношення резисторів R2 і R3, R3 і R4, R4 і R BF має бути в межах (30...50) до 1. Резистор R1 має бути 0,1...2 кОм. Розрахунок підсилювача, наведеного на рис. 7, можна знайти у літературі, наприклад, [Р 9/70-60].

Схеми каскадних УНЧ на біполярних транзисторах

На рис. 8 та 9 показані схеми каскодних УНЧ на біполярних транзисторах. Такі підсилювачі мають досить високий коефіцієнт посилення Ку. Підсилювач на мал. 8 має Ку=5 у смузі частот від 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ за схемою на рис. 9 при коефіцієнті гармонік менше 1% має коефіцієнт посилення 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадний УНЧ двох транзисторах з коефіцієнтом посилення = 5.

Рис. 9. Каскадний УНЧ двох транзисторах з коефіцієнтом посилення = 100.

Економічний УНЧ на трьох транзисторах

p align="justify"> Для портативної радіоелектронної апаратури важливим параметром є економічність УНЧ. Схему такого УНЧ представлено на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Тут використано каскадне включення польового транзистора VT1 та біполярного транзистора VT3, причому транзистор VT2 включений таким чином, що стабілізує робочу точку VT1 та VT3.

При збільшенні вхідної напруги цей транзистор шунтує перехід емітер - база VT3 і зменшує струм, що протікає через транзистори VT1 і VT3.

Рис. 10. Схема простого економічного підсилювача НЧ трьох транзисторах.

Як і в наведеній вище схемі (див. рис. 6), вхідний опір цього УНЧ можна ставити в межах від десятків Ом до десятків МОм. Як навантаження використаний телефонний капсуль, наприклад, ТК-67 або ТМ-2В. Телефонний капсуль, що підключається за допомогою штекера, може служити одночасно вимикачем живлення схеми.

Напруга живлення УНЧ становить від 1,5 до 15 В, хоча працездатність пристрою зберігається і при зниженні напруги живлення до 0,6 В. В діапазоні напруги живлення 2... 15 В споживаний підсилювачем струм описується виразом:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпіт)*(Uпіт),

де Uпіт - напруга живлення у Вольтах (В).

Якщо відключити транзистор VT2, струм, що споживається пристроєм, збільшується на порядок.

Двокаскадні УНЧ із безпосереднім зв'язком між каскадами

Прикладами УНЧ із безпосередніми зв'язками та мінімальним підбором режиму роботи є схеми, наведені на рис. 11 - 14. Вони мають високий коефіцієнт посилення та хорошу стабільність.

Рис. 11. Простий двокаскадний УНЧ для мікрофона (низький рівень шумів, високий КУ).

Рис. 12. Двокаскадний підсилювач низької частоти на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двокаскадний підсилювач низької частоти на транзисторах КТ315 – варіант 2.

Мікрофонний підсилювач (рис. 11) характеризується низьким рівнем власних шумів та високим коефіцієнтом посилення [МК 5/83-XIV]. Як мікрофон ВМ1 використаний мікрофон електродинамічного типу.

У ролі мікрофона може бути і телефонний капсуль. Стабілізація робочої точки (початкового зміщення з урахуванням вхідного транзистора) підсилювачів на рис. 11 - 13 здійснюється за рахунок падіння напруги на емітерному опорі другого каскаду посилення.

Рис. 14. Двокаскадний УНЧ із польовим транзистором.

Підсилювач (рис. 14), що має високий вхідний опір (порядку 1 МОм), виконаний на польовому транзисторі VT1 (і повторювач) і біполярному - VT2 (за загальним).

Каскадний підсилювач низької частоти на польових транзисторах, також має високий вхідний опір, показано на рис. 15.

Рис. 15. Схема простого двокаскадного УНЧ на двох польових транзисторах.

Схеми УНЧ для роботи з низькоОмним навантаженням

Типові УНЧ, призначені для роботи на низькоомне навантаження та мають вихідну потужність десятки мВт і вище, зображені на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простий УНЧ для роботи з увімкненням навантаження з низьким опором.

Електродинамічна головка ВА1 може бути підключена до виходу підсилювача, як показано на рис. 16, або діагональ моста (рис. 17). Якщо джерело живлення виконано з двох послідовно з'єднаних батарей (акумуляторів), правий за схемою виведення головки ВА1 може бути підключений до середньої точки безпосередньо, без конденсаторів СЗ, С4.

Рис. 17. Схема підсилювача низької частоти з включенням низькоомного навантаження діагональ моста.

Якщо вам потрібна схема простого лампового УНЧ, то такий підсилювач можна зібрати навіть на одній лампі, дивіться у нас на сайті з електроніки у відповідному розділі.

Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книжка 1), 2003 рік.

Виправлення у публікації:на рис. 16 і 17 замість діода Д9 встановлено ланцюжок з діодів.

Найпростіший підсилювач на транзисторах може бути добрим посібником для вивчення властивостей приладів. Схеми та конструкції досить прості, можна самостійно виготовити пристрій та перевірити його роботу, зробити виміри всіх параметрів. Завдяки сучасним польовим транзисторам можна виготовити буквально із трьох елементів мініатюрний мікрофонний підсилювач. І підключити його до персонального комп'ютера для покращення параметрів звукозапису. Та й співрозмовники під час розмов будуть набагато краще і чіткіше чути вашу промову.

Частотні характеристики

Підсилювачі низької (звукової) частоти є практично у всіх побутових приладах - музичних центрах, телевізорах, радіо, магнітолах і навіть в персональних комп'ютерах. Але існують ще підсилювачі ВЧ на транзисторах, лампах та мікросхемах. Відмінність в тому, що УНЧ дозволяє посилити сигнал лише звуковий частоти, яка сприймається людським вухом. Підсилювачі звуку на транзисторах дають змогу відтворювати сигнали з частотами в діапазоні від 20 Гц до 20000 Гц.

Отже, навіть найпростіший пристрій може посилити сигнал у цьому діапазоні. Причому робить це максимально рівномірно. Коефіцієнт посилення залежить від частоти вхідного сигналу. Графік залежності цих величин – практично пряма лінія. Якщо ж на вхід підсилювача подати сигнал із частотою поза діапазоном, якість роботи та ефективність пристрою швидко зменшаться. Каскади УНЧ збираються, як правило, на транзисторах, що працюють у низько- та середньочастотному діапазонах.

Класи роботи звукових підсилювачів

Усі підсилювальні пристрої поділяються на кілька класів, залежно від того, який ступінь протікання протягом періоду роботи струму через каскад:

Клас «А» - струм протікає безперервно протягом усього періоду роботи підсилювального каскаду.
У класі роботи "В" протікає струм протягом половини періоду.
Клас «АВ» говорить про те, що струм протікає через підсилювальний каскад протягом часу, що дорівнює 50-100% від періоду.
У режимі "С" електричний струм протікає менш ніж половину періоду часу роботи.
Режим «D» УНЧ застосовується у радіоаматорській практиці зовсім недавно – трохи більше 50 років. Найчастіше ці пристрої реалізуються з урахуванням цифрових елементів і мають дуже високий ККД - понад 90 %.

Наявність спотворень у різних класах НЧ-підсилювачів

Робоча область транзисторного підсилювача класу "А" характеризується досить невеликими нелінійними спотвореннями. Якщо вхідний сигнал викидає імпульси з вищою напругою, це призводить до того, що транзистори насичуються. У вихідному сигналі біля кожної гармоніки починають з'являтися вищі (до 10 або 11). Через це з'являється металевий звук, характерний лише транзисторних підсилювачів.

При нестабільному живленні вихідний сигнал амплітуди моделюватиметься біля частоти мережі. Звук стане в лівій частині частотної характеристики жорсткішим. Але чим краща стабілізація живлення підсилювача, тим складнішою стає конструкція всього пристрою. УНЧ, які працюють у класі «А», мають відносно невеликий ККД – менше 20 %. Причина у тому, що транзистор постійно відкритий і струм через нього протікає постійно.

Для підвищення (щоправда, незначного) ККД можна скористатися двотактними схемами. Один недолік - напівхвилі у вихідного сигналу стають несиметричними. Якщо перевести з класу «А» в «АВ», збільшаться нелінійні спотворення в 3-4 рази. Але коефіцієнт корисної дії всієї схеми пристрою все ж таки збільшиться. УНЧ класів "АВ" та "В" характеризує наростання спотворень при зменшенні рівня сигналу на вході. Але навіть якщо додати гучність, це не допоможе повністю позбавитися недоліків.

Робота у проміжних класах

Кожен клас має кілька різновидів. Наприклад, є клас роботи підсилювачів «А+». У ньому транзистори на вході (низьковольтні) працюють як «А». Але високовольтні, що встановлюються у вихідних каскадах, працюють або в "В", або в "АВ". Такі підсилювачі набагато економічніші, ніж ті, що працюють у класі «А». Помітно менше нелінійних спотворень - не вище 0,003%. Можна досягти і більш високих результатів, використовуючи біполярні транзистори. Принцип роботи підсилювачів цих елементах буде розглянуто нижче.

Але все одно є велика кількість вищих гармонік у вихідному сигналі, через що звук стає характерним металевим. Існують ще схеми підсилювачів, що працюють у класі "АА". Вони нелінійні спотворення ще менше - до 0,0005 %. Але головна вада транзисторних підсилювачів все одно є - характерний металевий звук.

"Альтернативні" конструкції

Не можна сказати, що вони альтернативні, просто деякі фахівці, що займаються проектуванням та складанням підсилювачів для якісного відтворення звуку, все частіше віддають перевагу ламповим конструкціям. У лампових підсилювачів такі переваги:

Дуже низьке значення рівня нелінійних спотворень у вихідному сигналі.
Найвищих гармонік менше, ніж у транзисторних конструкціях.

Але є один величезний мінус, який переважає всі переваги - обов'язково потрібно ставити пристрій для узгодження. Справа в тому, що у лампового каскаду дуже великий опір – кілька тисяч Ом. Але опір обмотки динаміків – 8 або 4 Ома. Щоб узгодити їх, потрібно встановлювати трансформатор.

Звичайно, це не дуже велика вада - існують і транзисторні пристрої, в яких використовуються трансформатори для узгодження вихідного каскаду та акустичної системи. Деякі фахівці стверджують, що найбільш ефективною схемою виявляється гібридна - у якій застосовуються однотактні підсилювачі, не охоплені негативним зворотним зв'язком. Причому всі ці каскади функціонують як УНЧ класу «А». Іншими словами, застосовується як повторювач підсилювач потужності на транзисторі.

Причому ККД у таких пристроїв досить високий - близько 50%. Але не варто орієнтуватися лише на показники ККД та потужності - вони не говорять про високу якість відтворення звуку підсилювачем. Набагато більшого значення мають лінійність характеристик та їх якість. Тому потрібно звертати увагу насамперед на них, а не на потужність.

Схема однотактного УНЧ на транзисторі

Найпростіший підсилювач, побудований за схемою із загальним емітером, працює у класі «А». У схемі використовується напівпровідниковий елемент із структурою n-p-n. У колекторному ланцюгу встановлено опір R3, що обмежує струм, що протікає. Колекторний ланцюг з'єднується з позитивним проводом живлення, а емітерний - з негативним. У разі використання напівпровідникових транзисторів зі структурою p-n-p схема буде такою ж, ось тільки потрібно змінити полярність.

За допомогою роздільного конденсатора С1 вдається відокремити вхідний змінний сигнал від джерела постійного струму. У цьому конденсатор перестав бути перешкодою для протікання змінного струму шляху база-эмиттер. Внутрішній опір переходу емітер-база разом з резисторами R1 і R2 є найпростішим дільником напруги живлення. Зазвичай резистор R2 має опір 1-1,5 ком - найбільш типові значення для таких схем. При цьому напруга живлення ділиться рівно навпіл. І якщо запитати схему напругою 20 Вольт, то можна побачити, що значення коефіцієнта посилення струму h21 складе 150. Потрібно відзначити, що підсилювачі КВ на транзисторах виконуються за аналогічними схемами, тільки працюють трохи інакше.

При цьому напруга емітера дорівнює 9 і падіння на ділянці ланцюга «Е-Б» 0,7 В (що характерно для транзисторів на кристалах кремнію). Якщо розглянути підсилювач на германієвих транзисторах, то в цьому випадку падіння напруги на ділянці «Е-Б» дорівнюватиме 0,3 В. Струм у ланцюзі колектора дорівнюватиме тому, що протікає в емітері. Обчислити можна, розділивши напругу емітера на опір R2 - 9В/1 кОм = 9 мА. Для обчислення значення струму бази необхідно 9 мА розділити коефіцієнт посилення h21 - 9мА/150=60 мкА. У конструкціях УНЧ зазвичай використовуються біполярні транзистори. Принцип роботи у нього відрізняється від польових.

На резисторі R1 тепер можна обчислити значення падіння - це різниця між напругою бази та живлення. При цьому напругу бази можна дізнатися за формулою – сума характеристик емітера та переходу «Е-Б». При живленні джерела 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Звідси можна обчислити значення опору R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. У схемі є ємність С2, необхідна для реалізації ланцюга, по якому зможе проходити змінна складова емітерного струму.

Якщо не встановлювати конденсатор С2, змінна складова дуже обмежуватиметься. Через це такий підсилювач звуку на транзисторах буде мати дуже низький коефіцієнт посилення по струму h21. Слід звернути увагу, що у вищевикладених розрахунках приймалися рівними струми бази і колектора. Причому за струм бази брався той, що втікає в коло від емітера. Виникає він лише за умови подачі на виведення основи транзистора напруги усунення.

Але треба враховувати, що з ланцюга бази абсолютно завжди, незалежно від наявності зсуву, обов'язково протікає струм витоку колектора. У схемах із загальним емітером струм витоку посилюється не менше ніж у 150 разів. Але зазвичай це значення враховується лише за розрахунку підсилювачів на германієвих транзисторах. У разі використання кремнієвих, у яких струм ланцюга К-Б дуже малий, цим значенням просто нехтують.

Підсилювачі на МДП-транзисторах

Підсилювач на польових транзисторах, представлений на схемі, має багато аналогів. У тому числі з використанням біполярних транзисторів. Тому можна розглянути як аналогічний приклад конструкцію підсилювача звуку, зібрану за схемою із загальним емітером. На фото представлена схема, виконана за схемою із загальним джерелом. На вхідних та вихідних ланцюгах зібрані R-C-зв'язки, щоб пристрій працював у режимі підсилювача класу «А».

Змінний струм від джерела сигналу відокремлюється від постійної напруги живлення конденсатором С1. Обов'язково підсилювач на польових транзисторах повинен мати потенціал затвора, який буде нижчим за аналогічну характеристику витоку. На представленій схемі затвор з'єднаний із загальним дротом за допомогою резистора R1. Його опір дуже великий - зазвичай застосовують у конструкціях резистори 100-1000 кОм. Такий великий опір вибирається для того, щоб сигнал не шунтувався на вході.

Цей опір майже не пропускає електричний струм, внаслідок чого у затвора потенціал (у разі відсутності сигналу на вході) такий самий, як у землі. На початку ж потенціал виявляється вищим, ніж у землі, тільки завдяки падінню напруги на опорі R2. Звідси ясно, що у затвора потенціал нижчий, ніж на початку. Саме це і потрібно для нормального функціонування транзистора. Потрібно звернути увагу на те, що С2 і R3 у цій схемі підсилювача мають таке ж призначення, як і розглянутої вище конструкції. А вхідний сигнал зрушено щодо вихідного на 180 градусів.

УНЧ із трансформатором на виході

Можна зробити такий підсилювач своїми руками для домашнього використання. Виконується він за схемою, що працює у класі "А". Конструкція така сама, як і розглянуті вище, - із загальним емітером. Одна особливість – необхідно використовувати трансформатор для узгодження. Це недолік подібного підсилювача звуку на транзисторах.

Колекторний ланцюг транзистора навантажується первинною обмоткою, яка розвиває вихідний сигнал, що передається через вторинну динаміку. На резисторах R1 і R3 зібраний дільник напруги, що дозволяє вибрати робочу точку транзистора. За допомогою цього ланцюжка забезпечується подача напруги усунення в базу. Всі інші компоненти мають таке саме призначення, як і у розглянутих вище схем.

Двотактний підсилювач звуку

Не можна сказати, що це простий підсилювач на транзисторах, тому що його робота трохи складніша, ніж у розглянутих раніше. У двотактних УНЧ вхідний сигнал розщеплюється на дві напівхвилі, різні за фазою. І кожна з цих напівхвиль посилюється своїм каскадом, виконаним на транзисторі. Після того, як сталося посилення кожної напівхвилі, обидва сигнали з'єднуються та надходять на динаміки. Такі складні перетворення здатні викликати спотворення сигналу, так як динамічні та частотні властивості двох, навіть однакових на кшталт, транзисторів будуть відмінні.

В результаті на виході підсилювача суттєво знижується якість звучання. Під час роботи двотактного підсилювача у класі «А» не виходить якісно відтворити складний сигнал. Причина - підвищений струм протікає підсилювача по плечах постійно, напівхвилі несиметричні, виникають фазові спотворення. Звук стає менш перебірливим, а при нагріванні спотворення сигналу ще більше посилюються, особливо на низьких та наднизьких частотах.

Безтрансформаторні УНЧ

Підсилювач НЧ на транзисторі, виконаний з використанням трансформатора, незважаючи на те, що конструкція може мати малі габарити, все одно недосконалий. Трансформатори все одно важкі і громіздкі, тому краще їх позбутися. Набагато ефективнішою є схема, виконана на комплементарних напівпровідникових елементах з різними типами провідності. Більшість сучасних УНЧ виконується саме за такими схемами і працюють у класі «В».

Два потужні транзистори, що використовуються в конструкції, працюють за схемою емітерного повторювача (загальний колектор). При цьому напруга входу передається на вихід без втрат та посилення. Якщо на вході немає сигналу, то транзистори на межі включення, але все ще відключені. При подачі гармонійного сигналу на вхід відбувається відкривання позитивної напівхвиль першого транзистора, а другий в цей час знаходиться в режимі відсічення.

Отже, через навантаження здатні пройти лише позитивні напівхвилі. Але негативні відкривають другий транзистор і повністю замикають перший. При цьому в навантаженні виявляються лише негативні напівхвилі. В результаті посилений за потужністю сигнал виявляється на виході пристрою. Подібна схема підсилювача на транзисторах досить ефективна та здатна забезпечити стабільну роботу, якісне відтворення звуку.

Схема УНЧ однією транзисторі

Вивчивши всі вищеописані особливості, можна зібрати підсилювач своїми руками на простій елементній основі. Транзистор можна використовувати вітчизняний КТ315 або будь-який зарубіжний аналог - наприклад ВС107. Як навантаження потрібно використовувати навушники, опір яких 2000-3000 Ом. На базу транзистора необхідно подати напругу зміщення через опір резистор 1 Мом і конденсатор розв'язки 10 мкФ. Живлення схеми можна здійснити від джерела напругою 4,5-9 Вольт, струм – 0,3-0,5 А.

Якщо опір R1 не підключити, то в базі та колекторі не буде струму. Але при підключенні напруга досягає рівня 0,7 і дозволяє протікати струму близько 4 мкА. При цьому по струму коефіцієнт посилення виявиться близько 250. Звідси можна зробити простий розрахунок підсилювача на транзисторах і дізнатися про струм колектора - він виявляється дорівнює 1 мА. Зібравши цю схему підсилювача на транзисторі можна провести її перевірку. До виходу підключіть навантаження – навушники.

Доторкніться до входу підсилювача пальцем - повинен з'явитися характерний шум. Якщо його немає, то, найімовірніше, конструкція зібрана неправильно. Перевірте всі з'єднання та номінали елементів. Щоб наочнішою була демонстрація, підключіть до входу УНЧ джерело звуку - вихід від плеєра або телефону. Прослухайте музику та оцініть якість звучання.

Підсилювач на транзисторах, незважаючи на свою вже довгу історію, залишається улюбленим предметом дослідження як початківців, так і маститих радіоаматорів. І це зрозуміло. Він є неодмінною складовою наймасовіших і підсилювачів низької (звуковий) частоти. Ми розглянемо, як будуються найпростіші підсилювачі транзисторах.

Частотна характеристика підсилювача

У будь-якому теле- чи радіоприймачі, у кожному музичному центрі чи підсилювачі звуку можна знайти транзисторні підсилювачі звуку (низька частота - НЧ). Різниця між звуковими транзисторними підсилювачами та іншими видами полягає у їх частотних характеристиках.

Звуковий підсилювач на транзисторах має рівномірну частотну характеристику смуги частот від 15 Гц до 20 кГц. Це означає, що всі вхідні сигнали з частотою всередині цього діапазону підсилювач перетворює (підсилює) приблизно однаково. На малюнку нижче в координатах "коефіцієнт посилення підсилювача Ку - частота вхідного сигналу" показана ідеальна крива частотної характеристики звукового підсилювача.

Ця крива практично плоска з 15 Гц до 20 кГц. Це означає, що застосовувати такий підсилювач слід саме для вхідних сигналів з частотами між 15 Гц і 20 кГц. Для вхідних сигналів із частотами вище 20 кГц або нижче 15 Гц ефективність та якість його роботи швидко зменшуються.

Вид частотної характеристики підсилювача визначається електрорадіоелементами (ЕРЕ) його схеми, і насамперед самими транзисторами. Звуковий підсилювач на транзисторах зазвичай зібраний так званих низько- і среднечастотных транзисторах із сумарною смугою пропускання вхідних сигналів від десятків і сотень Гц до 30 кГц.

Клас роботи підсилювача

Як відомо, в залежності від ступеня безперервності перебігу струму протягом його періоду через транзисторний підсилювальний каскад (підсилювач) розрізняють такі класи його роботи: "А", "B", "AB", "C", "D".

У класі роботи струм А через каскад протікає протягом 100% періоду вхідного сигналу. Роботу каскаду у цьому класі ілюструє наступний малюнок.

У класі роботи підсилювального каскаду "AB" струм через нього протікає більш ніж 50%, але менш ніж 100% періоду вхідного сигналу (див. малюнок нижче).

У класі роботи каскаду "В" струм через нього протікає рівно 50% періоду вхідного сигналу, як це ілюструє рисунок.

І нарешті у класі роботи каскаду "C" струм через нього протікає менш ніж 50% періоду вхідного сигналу.

НЧ-підсилювач на транзисторах: спотворення в основних класах роботи

У робочій області транзисторний підсилювач класу "А" має малий рівень нелінійних спотворень. Але якщо сигнал має імпульсні викиди за напругою, що призводять до насичення транзисторів, навколо кожної «штатної» гармоніки вихідного сигналу з'являються вищі гармоніки (аж до 11-ї). Це викликає феномен так званого транзисторного або металевого звуку.

Якщо НЧ-підсилювачі потужності на транзисторах мають нестабілізоване живлення, їх вихідні сигнали модулюються по амплітуді поблизу частоти мережі. Це веде до жорсткості звуку лівому краю частотної характеристики. Різні способи стабілізації напруги роблять конструкцію підсилювача складнішою.

Типовий ККД однотактного підсилювача класу А не перевищує 20 % через постійно відкритий транзистор і безперервне протікання постійної складової струму. Можна виконати підсилювач класу А двотактним, ККД дещо підвищиться, але напівхвилі сигналу стануть більш несиметричними. Переведення ж каскаду з класу роботи "А" до класу роботи "АВ" підвищує вчетверо нелінійні спотворення, хоча ККД його схеми при цьому підвищується.

У підсилювачах класів "АВ" і "В" спотворення наростають у міру зниження рівня сигналу. Мимоволі хочеться включити такий підсилювач гучніше для повноти відчуттів потужності та динаміки музики, але часто це мало допомагає.

Проміжні класи роботи

У класу роботи "А" є різновид - клас "А+". При цьому низьковольтні вхідні транзистори підсилювача цього класу працюють у класі "А", а високовольтні вихідні транзистори підсилювача при перевищенні їх вхідними сигналами певного рівня переходять у класи "В" або "АВ". Економічність таких каскадів краща, ніж у чистому класі "А", а нелінійні спотворення менше (до 0,003%). Однак звук у них також "металевий" через наявність найвищих гармонік у вихідному сигналі.

У підсилювачів ще одного класу – "АА" ступінь нелінійних спотворень ще нижчий – близько 0,0005 %, але вищі гармоніки також присутні.

Повернення до транзисторного підсилювача класу "А"?

Сьогодні багато фахівців у галузі якісного звуковідтворення борються за повернення до лампових підсилювачів, оскільки рівень нелінійних спотворень і вищих гармонік, які вони вносять у вихідний сигнал, явно нижчий, ніж у транзисторів. Однак ці переваги значною мірою нівелюються необхідністю узгоджуючого трансформатора між високоомним ламповим вихідним каскадом і низькоомними звуковими колонками. Втім, із трансформаторним виходом може бути зроблений і простий підсилювач на транзисторах, що буде показано нижче.

Існує і думка, що граничну якість звучання може забезпечити лише гібридний лампово-транзисторний підсилювач, всі каскади якого є однотактними, не охоплені та працюють у класі "А". Тобто такий повторювач потужності є підсилювачом на одному транзисторі. Схема його може мати гранично досяжний ККД (у класі "А") трохи більше 50 %. Але ні потужність, ні ККД підсилювача не є показниками якості звуковідтворення. У цьому особливого значення набувають якість і лінійність характеристик всіх ЕРЕ в схемі.

Оскільки однотактні схеми отримують таку перспективу, ми розглянемо нижче за їх можливі варіанти.

Однотактний підсилювач на одному транзисторі

Схема його, виконана із загальним емітером та R-C-зв'язками за вхідним та вихідним сигналами для роботи в класі "А", наведена на малюнку нижче.

На ній показаний транзистор Q1 структури n-p-n. Його колектор через струмообмежуючий резистор R3 приєднаний до позитивного виведення +Vcc, а емітер - до -Vcc. Підсилювач на транзисторі структури p-n-p матиме таку саму схему, але висновки джерела живлення зміняться місцями.

C1 - розділовий конденсатор, з якого джерело змінного вхідного сигналу відокремлюється від джерела постійної напруги Vcc. При цьому С1 не перешкоджає проходженню вхідного змінного струму через перехід "база - емітер транзистора Q1". Резистори R1 і R2 разом із опором переходу «Е - Б» утворюють Vcc для вибору робочої точки транзистора Q1 у статичному режимі. Типовою цієї схеми є величина R2 = 1 кОм, а положення робочої точки - Vcc/2. R3 є резистором навантаження колекторного ланцюга і служить для створення на колекторі змінної напруги вихідного сигналу.

Припустимо, що Vcc = 20, R2 = 1 кОм, а коефіцієнт посилення по струму h = 150. Напруга на емітері вибираємо Ve = 9 В, а падіння напруги на переході «Е - Б» приймаємо рівним Vbe = 0,7 В. Ця величина відповідає так званому кремнієвому транзистору. Якби ми розглядали підсилювач на германієвих транзисторах, то падіння напруги на відкритому переході «Е - Б» було б Vbe = 0,3 В.

Струм емітера, приблизно рівний струму колектора

Ie = 9 B/1 кОм = 9 мА ≈ Ic.

Струм бази Ib = Ic/h = 9 мА/150 = 60 мкА.

Падіння напруги на резисторі R1

V(R1) = Vcc - Vb = Vcc - (Vbe + Ve) = 20 В - 9,7 В = 10,3 В,

R1 = V(R1)/Ib = 10,3 В/60 мкА = 172 кОм.

С2 необхідний створення ланцюга проходження змінної складової струму емітера (власне струму колектора). Якби його не було, то резистор R2 сильно обмежував би змінну складову, так що підсилювач, що розглядається, на біполярному транзисторі мав би низький коефіцієнт посилення по струму.

У наших розрахунках ми приймали, що Ic = Ib h, де Ib - струм бази, що у неї з емітера і що виникає при подачі з урахуванням напруги усунення. Однак через базу завжди (як за наявності усунення, так і без нього) протікає ще й струм витоку з колектора Icb0. Тому реальний струм колектора дорівнює Ic = Ib h + Icb0 h, тобто. Струм витоку в схемі з ОЕ посилюється в 150 разів. Якби ми розглядали підсилювач на германієвих транзисторах, то ця обставина треба було б враховувати під час розрахунків. Справа в тому, що мають суттєвий Icb0 порядку кількох мкА. У кремнієвих він на три порядки менше (близько декількох нА), так що в розрахунках їм зазвичай нехтують.

Однотактний підсилювач із МДП-транзистором

Як і будь-який підсилювач на польових транзисторах, розглянута схема має свій аналог серед підсилювачів. Тому розглянемо аналог попередньої схеми із загальним емітером. Вона виконана із загальним витоком та R-C-зв'язками по вхідному та вихідному сигналам для роботи в класі "А" і наведена на малюнку нижче.

Тут C1 - такий самий розділовий конденсатор, з якого джерело змінного вхідного сигналу відділяється від джерела постійної напруги Vdd. Як відомо, будь-який підсилювач на польових транзисторах повинен мати потенціал затвора своїх МДП-транзисторів нижче за потенціали їх витоків. У даній схемі затвор заземлений резистором R1, що має, як правило, великий опір (від 100 кОм до 1 Мом), щоб він не шунтував вхідний сигнал. Струм через R1 практично не проходить, тому потенціал затвора за відсутності вхідного сигналу дорівнює потенціалу землі. Потенціал ж витоку вищий за потенціал землі за рахунок падіння напруги на резисторі R2. Таким чином, потенціал затвора виявляється нижчим за потенціал витоку, що і потрібно для нормальної роботи Q1. Конденсатор C2 та резистор R3 мають таке саме призначення, як і в попередній схемі. Оскільки ця схема із загальним витоком, то вхідний та вихідний сигнали зсунуті по фазі на 180°.

Підсилювач із трансформаторним виходом

Третій одноступінчастий простий підсилювач на транзисторах, показаний на малюнку нижче, також виконаний за схемою із загальним емітером для роботи в класі "А", але з низькоомним динаміком він пов'язаний через узгоджуючий трансформатор.

Первинна обмотка трансформатора T1 є навантаженням колекторного ланцюга транзистора Q1 та розвиває вихідний сигнал. T1 передає вихідний сигнал на динамік та забезпечує узгодження вихідного повного опору транзистора з низьким (порядку декількох Ом) опором динаміка.

Дільник напруги колекторного джерела живлення Vcc, зібраний на резисторах R1 і R3 забезпечує вибір робочої точки транзистора Q1 (подачу напруги зміщення на його базу). Призначення інших елементів підсилювача таке саме, як і попередніх схемах.

Двотактний звуковий підсилювач

Двотактний НЧ-підсилювач на двох транзисторах розщеплює вхідний частоти на дві протифазні напівхвилі, кожна з яких посилюється власним транзисторним каскадом. Після виконання такого посилення напівхвилі поєднуються в цілісний гармонійний сигнал, який і передається на акустичну систему. Подібне перетворення НЧ-сигналу (розщеплення та повторне злиття), природно, викликає в ньому незворотні спотворення, зумовлені різницею частотних та динамічних властивостей двох транзисторів схеми. Ці перекручування знижують якість звуку на виході підсилювача.

Двотактні підсилювачі, що працюють у класі "А", недостатньо добре відтворюють складні звукові сигнали, так як у їхніх плечах безперервно протікає постійний струм підвищеної величини. Це призводить до несиметрії напівхвиль сигналу, фазових спотворень і в кінцевому підсумку до втрати розбірливості звуку. Нагріваючись, два потужні транзистори збільшують удвічі спотворення сигналу в області низьких та інфранізких частот. Але все ж таки основною перевагою двотактної схеми є її прийнятний ККД і підвищена вихідна потужність.

Двотактна схема підсилювача потужності на транзисторах показана малюнку.

Це підсилювач для роботи у класі "А", але може бути використаний і клас "АВ", і навіть "В".

Безтрансформаторний транзисторний підсилювач потужності

Трансформатори, незважаючи на успіхи в їх мініатюризації, залишаються все ж таки громіздкими, важкими і дорогими ЕРЕ. Тому було знайдено шлях усунення трансформатора із двотактної схеми шляхом виконання її на двох потужних комплементарних транзисторах різних типів (n-p-n та p-n-p). Більшість сучасних підсилювачів потужності використовують саме цей принцип і призначені для роботи у класі "В". Схема такого підсилювача потужності показана нижче.

Обидва її транзистори включені за схемою із загальним колектором (емітерного повторювача). Тому схема передає вхідну напругу на вихід без посилення. Якщо вхідного сигналу немає, то обидва транзистори знаходяться на межі включеного стану, але вони вимкнені.

Коли гармонічний сигнал подано на вхід, його позитивна напівхвиля відкриває TR1, але переводить p-n-p транзистор TR2 повністю режим відсічення. Таким чином, лише позитивна напівхвиля посиленого струму протікає через навантаження. Негативна напівхвиля вхідного сигналу відкриває тільки TR2 і замикає TR1, так що навантаження подається негативна напівхвиля посиленого струму. В результаті на навантаженні виділяється повний посилений за потужністю (за рахунок посилення струму) синусоїдальний сигнал.

Підсилювач на одному транзисторі

Для засвоєння викладеного зберемо простий підсилювач на транзисторах своїми руками і розберемося, як він працює.

Як навантаження малопотужного транзистора Т типу BC107 включимо навушники з опором 2-3 кОм, напруга зміщення на базу подамо з високоомного резистора R* величиною 1 МОм, що розв'язує електролітичний конденсатор C ємністю від 10 мкФ до 100 мк. будемо від батареї 4,5/0,3 А.

Якщо резистор R* не підключений, то немає струму бази Ib, ні струму колектора Ic. Якщо резистор підключений, то напруга з урахуванням піднімається до 0,7 У через неї протікає струм Ib = 4 мкА. Коефіцієнт посилення транзистора струмом дорівнює 250, що дає Ic = 250Ib = 1 мА.

Зібравши простий підсилювач на транзисторах своїми руками, тепер можемо його випробувати. Підключіть навушники та поставте палець на точку 1 схеми. Ви почуєте шум. Ваше тіло сприймає випромінювання мережі живлення на частоті 50 Гц. Шум, який ви почули з навушників, і є цим випромінюванням, тільки посиленим транзистором. Пояснимо цей процес докладніше. Напруга змінного струму з частотою 50 Гц підключено до бази транзистора через конденсатор С. Напруга на базі тепер дорівнює сумі постійної напруги зміщення (приблизно 0,7), що приходить з резистора R *, і напруги змінного струму "від пальця". В результаті струм колектора отримує змінну складову частотою 50 Гц. Цей змінний струм використовується для зсуву мембрани динаміків вперед-назад із тією самою частотою, а це означає, що ми зможемо почути тон 50 Гц на виході.

Слухати рівень шуму 50 Гц не дуже цікаво, тому можна підключити до точок 1 і 2 низькочастотні джерела сигналу (CD-плеєр або мікрофон) і чути посилену мову або музику.

Останні статті

2022-03-12 11:39:54
Як вимкнути функцію TalkBack?
2022-03-12 11:39:54
Огляд альтернативних прошивок HTC Desire A8181 Bravo Як встановити файл прошивки для HTC Desire
2022-03-12 11:39:54
Прошивка або перепрошивка телефону, смартфона та планшета Alcatel

Популярні статті

Вибір редакції

2022-03-07 09:51:42

Що таке Xbox Live Gold і чи варто на нього підписуватись?
Stay connected with your friends and gaming community everywhere you go across Xbox One and Windows 10 PCs, tablets, and phones. See what your friends...
2022-03-07 09:51:42

Додаток Xbox Відео огляд функцій Ікс Бокс
Для того, щоб грати в ігри для Xbox One на ПК, ноутбуці або планшеті, зовсім не обов'язково щось мудрувати, встановлювати якісь емулятори та ін.
2022-03-07 09:51:42

HSS - дискові відрізні пилки з швидкорізальних сталей Диск пиляльний hss по металу
Фірма Kampmann (Німеччина) випускає дискові пилки (або "фрези дискові відрізні") із швидкорізальної сталі (HSS-Dmo5 (1.3343) та HSS-E Co5% (1.3243)).
2022-03-07 09:51:42

COB або SMD: Який тип чіпа ефективніший для світлодіодного світильника?
Вважається, що одним із найефективніших способів загального зниження рівня енерговитрат сьогодні є організація систем штучного освітлення з...
2022-03-07 09:51:42

Світлодіодні матриці Світлодіодні матриці smd
Вважається, що одним із найефективніших способів загального зниження рівня енерговитрат сьогодні є організація систем штучного освітлення з...