Схема мощного автогенератора умзч на транзисторах: Схемы УМЗЧ на транзисторах: Секреты надежности усилителей

Содержание

Мощный умзч на полевых транзисторах. Описание работы усилителя мощности звука на транзисторах MOSFET Схемы вариантов усилителя холтона

Редакция сайта «Две Схемы» представляет простой, но качественный усилитель НЧ на транзисторах MOSFET. Его схема должна быть хорошо известна радиолюбителям аудиофилам, так как ей уже лет 20. Схема является разработкой знаменитого Энтони Холтона, поэтому её иногда так и называют — УНЧ Holton. Система усиления звука имеет низкие гармонические искажения, не превышающие 0,1%, при мощности на нагрузку порядка 100 Ватт.

Данный усилитель является альтернативой для популярных усилителей серии TDA и подобных попсовых, ведь при чуть большей стоимости можно получить усилитель с явно лучшими характеристиками.

Большим преимуществом системы является простая конструкция и выходной каскад, состоящий из 2-х недорогих МОП-транзисторов. Усилитель может работать с динамиками сопротивлением как 4, так и 8 Ом. Единственной настройкой, которую необходимо выполнить во время запуска — будет установка значения тока покоя выходных транзисторов.

Принципиальная схема УМЗЧ Holton


Усилитель Холтон на MOSFET — схема

Схема является классическим двухступенчатым усилителем, он состоит из дифференциального входного усилителя и симметричного усилителя мощности, в котором работает одна пара силовых транзисторов. Схема системы представлена выше.

Печатная плата


Печатная плата УНЧ — готовый вид

Вот архив с PDF файлами печатной платы — .

Принцип работы усилителя

Транзисторы Т4 (BC546) и T5 (BC546) работают в конфигурации дифференциального усилителя и рассчитаны на питание от источника тока, построенного на основе транзисторов T7 (BC546), T10 (BC546) и резисторах R18 (22 ком), R20 (680 Ом) и R12 (22 ком). Входной сигнал подается на два фильтра: нижних частот, построенный из элементов R6 (470 Ом) и C6 (1 нф) — он ограничивает ВЧ компоненты сигнала и полосовой фильтр, состоящий из C5 (1 мкф), R6 и R10 (47 ком), ограничивающий составляющие сигнала на инфр

cxema.org - Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах

Давно, еще года два назад, приобрел я старый советский динамик 35ГД-1. Несмотря на его первоначально плохое состояние, я его восстановил, покрасил в красивый синий цвет и даже сделал для него ящик из фанеры. Большая коробка с двумя фазоинверторами сильно улучшила его акустические качества. Осталось дело за хорошим усилителем, который будет качать эту колонку. Решил сделать не так, как делает большинство людей – купить готовый усилитель D–класса из Китая и установить его. Я решил сделать усилитель сам, но не какой-нибудь общепринятый на микросхеме TDA7294, да и вообще не на микросхеме, и даже не легендарный Ланзар, а очень даже редкий усилитель на полевых транзисторах. Да и в сети очень мало информации об усилителях на полевиках, вот и стало интересно, что это такое и как он звучит.


Сборка

Данный усилитель имеет 4 пары выходных транзисторов. 1 пара – 100 Ватт выходной мощности, 2 пары – 200 Ватт, 3 – 300 Ватт и 4, соответственно, 400 Ватт. Мне все 400 Ватт пока не нужны, но я решил поставить все 4 пары, дабы распределить нагрев и уменьшить рассеиваемую каждым транзистором мощность.

Схема выглядит так:

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, принципиальная схема

На схеме подписаны именно те номиналы компонентов, которые установлены у меня, схема проверена и работает исправно. Печатную плату прилагаю. Плата в формате Lay6.

Внимание! Все силовые дорожки обязательно залудить толстым слоем припоя, так как по ним будет течь весьма большой ток. Паяем аккуратно, без соплей, флюс отмываем. Силовые транзисторы необходимо установить на теплоотвод. Плюс данной конструкции в том, что транзисторы можно не изолировать от радиатора, а лепить все на один. Согласитесь, это здорово экономит слюдяные теплопроводящие прокладки, ведь на 8 транзисторов их ушло бы 8 штук (удивительно, но факт)! Радиатор является общим стоком всех 8 транзисторов и звуковым выходом усилителя, поэтому при установке в корпус не забудьте как-нибудь изолировать его от корпуса. Несмотря на отсутствие необходимости установки между фланцами транзисторов и радиатором слюдяных прокладок, это место необходимо промазать термопастой.

Внимание! Лучше сразу всё проверить перед установкой транзисторов на радиатор. Если вы прикрутите транзисторы к радиатору, а на плате будут какие либо сопли или непропаяные контакты, будет неприятно снова откручивать транзисторы и измазываться термопастой. Так что проверяйте всё сразу.

Биполярные транзисторы: T1 – BD139, T2 – BD140. Тоже нужно прикрутить к радиатору. Они греются не сильно, но все таки греются. Их тоже можно не изолировать от теплоотводов.

Итак, приступаем непосредственно к сборке. Детали располагаются на плате следующим образом:

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, расположение деталей

Теперь я прилагаю фото разных этапов сборки усилителя. Для начала вырезаем кусок текстолита по размерам платы.

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах,  ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ

Затем накладываем изображение платы на текстолит и сверлим отверстия под радиодетали. Зашкуриваем и обезжириваем. Берем перманентный маркер, запасаемся изрядным количеством терпения и рисуем дорожки (ЛУТом делать не умею, вот и мучаюсь).

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах,  ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ

Далее кидаем плату в раствор хлорного железа и ждём, пока оно сделает своё дело. Затем вынимаем, оттираем маркер щёткой для сковород и плата готова.

Вооружаемся паяльником, берём флюс, припой и лудим.

Отмываем остатки флюса, берём мультиметр и прозваниваем на предмет замыкания между дорожками там, где его быть не должно. Если всё в норме, приступаем к монтажу деталей.
Возможные замены.
Первым делом я прикреплю список деталей:
C1 = 1u
C2, C3 = 820p
C4, C5 = 470u
C6, C7 = 1u
C8, C9 = 1000u
C10, C11 = 220n

D1, D2 = 15V
D3, D4 = 1N4148

OP1 = КР54УД1А

R1, R32 = 47k
R2 = 1k
R3 = 2k
R4 = 2k
R5 = 5k
R6, R7 = 33
R8, R9 = 820
R10-R17 = 39
R18, R19 = 220
R20, R21 = 22k
R22, R23 = 2.7k
R24-R31 = 0.22

T1 = BD139
T2 = BD140
T3 = IRFP9240
T4 = IRFP240
T5 = IRFP9240
T6 = IRFP240
T7 = IRFP9240
T8 = IRFP240
T9 = IRFP9240
T10 = IRFP240

Первым делом можно заменить операционный усилитель на любой другой, даже импортный, с аналогичным расположением выводов. Конденсатор C3 нужен для подавления самовозбуждения усилителя. Можно поставить и побольше, что я и сделал впоследствии. Стабилитроны любые на 15 В и мощностью от 1 Вт. Резисторы R22, R23 можно ставить исходя из расчета R=(Uпит.-15)/Iст., где Uпит. – напряжение питания, Iст. – ток стабилизации стабилитрона. Резисторы R2, R32 отвечают за коэффициент усиления. С данными номиналами он где то 30 – 33. Конденсаторы C8, C9 – емкости фильтра – можно ставить от 560 до 2200 мкФ с напряжением не ниже чем Uпит.* 1.2 дабы не эксплуатировать их на пределе возможностей. Транзисторы T1, T2 – любая комплементарная пара средней мощности, с током от 1 А, например наши КТ814-815, КТ816-817 или импортные BD136-135, BD138-137, 2SC4793-2SA1837. Истоковые резисторы R24-R31 можно ставить и на 2 Вт, хоть и нежелательно, с сопротивлением от 0.1 до 0.33 ом. Силовые ключи менять не желательно, хотя можно и IRF640-IRF9640 или IRF630-IRF9630; можно на транзисторы с аналогичными пропускаемыми токами, емкостями затворов и, разумеется, таким же расположением выводов, хотя если паять на проводках, значение это не имеет. Больше менять тут вроде и нечего.

Первый запуск и настройка.

Первый запуск усилителя производим через страховочную лампу в разрыв сети 220 В. Обязательно закорачиваем вход на землю и не подключаем нагрузку. В момент включения лампа должна вспыхнуть и погаснуть, причем погаснуть полностью: спираль не должна светиться вообще. Включаем, держим секунд 20, затем выключаем. Проверяем, нет ли нагрева чего-либо (хотя если лампа не горит, вряд ли что-нибудь греется). Если действительно ничего не греется, включаем снова и меряем постоянное напряжение на выходе: оно должно быть в пределах 50 – 70 мВ. У меня, к примеру, 61.5 мВ. Если всё в пределах нормы, подключаем нагрузку, подаём сигнал на вход и слушаем музыку. Не должно быть никаких помех, посторонних гулов и т. п. Если ничего этого нет, переходим к настройке.

Настраивается всё это дело крайне просто. Необходимо лишь выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью вращения движка подстроечного резистора. Он должен быть примерно 60 – 70 мА для каждого транзистора. Делается это так же как и на Ланзаре. Ток покоя считается по формуле I = Uпад./R, где Uпад. – падение напряжения на одном из резисторов R24 – R31, а R – сопротивление этого самого резистора. Из этой формулы выводим напряжение падение на резисторе, необходимое для установки такого тока покоя. Uпад. = I*R. Например в моем случае это = 0.07*0.22 = где то 15 мВ. Ток покоя выставляется на “тёплом” усилителе, то есть радиатор должен быть тёплым, усилитель должен поиграть несколько минут. Усилитель прогрелся, отключаем нагрузку, закорачиваем вход на общий, берем мультиметр и проводим ранее описанную операцию.


Характеристики и особенности:

Напряжение питания – 30-80 В

Рабочая температура – до 100-120 град.
Сопротивление нагрузки – 2-8 Ом
Мощность усилителя – 400 Вт/4 Ом
КНИ – 0.02-0.04% при мощности 350-380 Вт
Коэффициент усиления – 30-33
Диапазон воспроизводимых частот – 5-100000 Гц

На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Использование этого усилителя с шумящими тембрблоками, такими как TDA1524, может повлечь за собой необоснованное на первый взгляд потребление энергии усилителем. На самом деле это усилитель воспроизводит частоты помех, не слышные нашему уху. Может показаться, что это самовозбуждение, но скорее всего это именно помехи. Тут стоит отличать помехи, не слышимые ухом от реального самовозбуждения. Я сам столкнулся с этой проблемой. Изначально в качестве предварительного усилителя операционник TL071. Это очень хороший высокочастотный импортный ОУ с малошумящим выходом на полевых транзисторах. Он может работать на частотах до 4 МГц – этого с запасом хватает и для воспроизведения частот помех и для самовозбуждения. Что делать? Один хороший человек, спасибо ему огромное, посоветовал мне заменить операционник на другой, менее чувствительный и воспроизводящий меньший диапазон частот, который просто не может работать на частоте самовозбуждения. Поэтому я купил наш отечественный КР544УД1А, поставил и… ничего не поменялось. Это всё натолкнуло меня на мысль, что шумят переменные резисторы тембрблока. Движки резисторов немного “шуршат”, что и вызывает помехи. Убрал тембрблок и шум пропал. Так что это не самовозбуждение. С данным усилителем нужно ставить малошумящий пассивный тембрблок и транзисторный предусилитель дабы избежать вышеперечисленного.

Итоги

В результате получается хороший усилитель, который прекрасно воспроизводит как низкие, так и высокие частоты мало греется и работает в широком диапазоне питающих напряжений. Лично мне усилитель очень нравится. Осталось только соорудить для него предварительный усилитель, нормальный тембрблок и корпус, но об этом как-нибудь в другой раз.

Ниже прилагаю несколько фото готового усилителя.

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах,  ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ

Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах,  ЛУТ

На этом в принципе всё. Если остались какие-либо вопросы, задавайте их либо на форум VIP-CXEMA, либо мне на почту Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Автор: Дмитрий4202 

Несколько схем транзисторных УМЗЧ, хронология радиолюбителя

Свое знакомство с мощными усилителями я начал в 1958 году, когда учился в энергетическомтехникуме, и мне поручили обслуживать радиоузел. Он состоял из трех частей: малогабаритной радиотрансляционной установки “ТУ-100", магнитофона “Днепр 9” и ЛАТРа на 2 А.

“ТУ-100” - громадный ящик из железа весом около 100 кг - содержал два блока выходных усилителей по 50 Вт на четырех лампах 6ПЗС каждый, шесть кенотронов 5Ц4С и пять двойных триодов 6Н9С в предварительном усилителе и фазоинверторах. Кроме того, в комплекте был радиоприемник “ТПС-54-С” (кстати, прекрасно работавший), а также электропроигрыватель грампластинок на 78 об/мин.

Потребляемая мощность радиоузла доходила до 600 Вт. Вещь, весьма “достойная” по аудиофильским меркам.

Во время работы усилители страшно грелись, лампы нужно было подбирать, напряжение в сети доходило до 240 В, и его приходилось постоянно контролировать и понижать ЛАТРом до 220 В.

Однажды вечером, уходя домой после озвучивания очередных танцев, я забыл выключить усилитель, и он сгорел, распространяя ужасный запах. Меня тут же отстранили от “ТУ-100”. Еще работая с “ТУ-100” и магнитофоном, я познакомился с таким явлением, как “микрофонный эффект” у ламп.

Методы борьбы с ним - амортизация ламповых панелек, одевание на лампы тяжелых колпаков (из металла) - мне не нравились, и я решил сделать микрофонный усилитель на транзисторах. Нужно сказать, что в это время уже появились первые транзисторы: П1 - маломощные и П3 - мощные, довольно оригинально выполненные заодно с радиатором, а затем П5 и, наконец, П6-уже оформленные как потом широко известные П13 и П16.

Я собрал усилитель на одном транзисторе П5Д в небольшой коробочке (меньше спичечной). Схему разработал, изучая публикации журнала “Радио”. Электролитических конденсаторов малого размера у меня не было, и я их делал сам, распиливая корпуса и “начинку” больших, а затем все заливая парафином.

Усилитель прекрасно работал от батарейки 4,5 В, не чувствовал ударов, не “шипел”, как многие лампы, и не “фонил”. Я стал поборником транзисторов, и появилась мечта построить малогабаритный УНЧ ватт на 10.

Первый транзисторный УНЧ

И я его построил в 1962 году по схеме Х.Лина [1]. Выходные транзисторы выбирать было не из чего - в наличии были только П4. Заработавший усилитель не возбуждался, но на высоких частотах (после 10 кГц) ток потребления возрастал в 3 раза из-за плохих частотных свойств транзисторов П4.

Звучание усилителя было не хуже, чем у тогдашних ламповых аппаратов (по крайней мере, при сравнении с радиолой “Дружба”), а мощность была больше, чем у всех выпущенных до той поры радиоприемников.

Принципиальная схема УМЗЧ на германиевых транзисторах, 20Вт на 4Ом

Рис. 1. Принципиальная схема УМЗЧ на германиевых транзисторах, 20Вт на 4Ом.

Выявился, правда, и другой недостаток: слабое подавление пульсаций напряжения выпрямителя при питании от сети. Но поскольку у него напряжение питания было около 30 В, ток потребления - не более 1... 1,5 А, этот недостаток я легко преодолел с помощью транзисторного стабилизатора напряжения. Затем стали появляться более совершенные транзисторы: П308, П605 и пр.

Стала расти мощность усилителей, а вместе с ней и габариты радиаторов охлаждения выходных транзисторов УНЧ и стабилизатора. Возникли проблемы с самовозбуждением (транзисторы стали более высокочастотными), нередко приводившие к выжиганию мощных и дорогих транзисторов.

Схема стабилизатора напряжения

Понадобилась быстродействующая защита от перегрузки по току. Схема одного канала построенного мной в 1968 году двухканального усилителя приведена на рис.1. Усилитель на нагрузке 4 Ом отдавал 20 Вт и звучал отлично. Питался он от стабилизатора с электронной защитой на туннельном диоде (рис.2).

Схема стабилизатора напряжения с электронной защитой на туннельном диоде

Рис. 2. Схема стабилизатора напряжения с электронной защитой на туннельном диоде.

УНЧ на 50 Вт при нагрузке 8 Ом

Наступил 1969 год. И тут я в журнале “Электроника” (был в СССР такой переводной американский журнал) на какой-то рекламной странице в номере, то ли 5, то ли 9, сейчас не помню, увидел схему УНЧ без всякого описания.

Мощность - 50 Вт на 8-омной нагрузке, никаких стабилизаторов, двухполярное питание, нет громоздкого разделительного конденсатора и выходного трансформатора. Предел мечтаний! Схема этого усилителя приведена на рис. З. Не правда ли, она знакома многим?

Схема транзисторного УМЗЧ с выходной мощностью 50Вт на 8Ом

Рис. 3. Схема транзисторного УМЗЧ с выходной мощностью 50Вт на 8Ом.

Но кто же автор? Как можно узнать из [2], - все тот же Х. Лин! И предложил он ее, якобы, еще в 1956 году! Сомнительно, но не будем придираться к автору работы [2], так как он посвятил анализу этой схемы полкниги, описал и проанализировал работу многих усилителей мощности, привел массу полезных данных и указал на разработанную им в 1984 году схему УМЗЧ с параллельным высокочастотым каналом.

Но вернемся к схеме на рис. З. Я построил усилитель на ее основе в 1972 году. Некоторые решения позаимствовал из усилителя Е5707 [4].

И этот макет стереоусилителя стоит у меня на полке до сих пор. Дорог как память! Схему усилителя я дополнил защитой от больших токов в выходном каскаде собственной разработки.

Усовершенствование усилителя

Схема окончательного варианта УМЗЧ показана на рис.4. Транзистор VT9 (МП25) контролирует ток через выходные транзисторы VT7 и VT8.

Окончательный, доработанный вариант схемы УМЗЧ на транзисторах

Рис. 4. Окончательный, доработанный вариант схемы УМЗЧ на транзисторах.

Мощный германиевый усилитель - Усилители на транзисторах - Звуковоспроизведение

Жан Цихисели

Типичные ошибки при конструировании германиевых усилителей, происходят из за желания, получить от усилителя широкую полосу пропускания, малые искажения и т.д.
Привожу схему моего первого германиевого усилителя, спроектированного мной в 2000г.
Хотя схема вполне работоспособна, её звуковые качества оставляют желать лучшего.

Схема первого усилителя..

 

Практика показала, что применение дифференциальных каскадов, генераторов тока, каскадов с динамической нагрузкой, токовых зеркал и других ухищрений с ООС не всегда приводят к желаемому результату, а иногда просто ведут в тупик.
Наилучшие практические результаты для получения высокого качества звучания, дает применение однотактных каскадов пред. усиления и использование меж-каскадных согласующих трансформаторов.
Вашему вниманию представлен германиевый усилитель с выходной мощностью 60 Вт, на нагрузке 8 Ом. Выходные транзисторы используемые  в усилителе П210А, П210Ш. Линейность 20-16000гц.
Субъективной нехватки высоких частот практически не ощущается.
При нагрузке 4ом усилитель выдает 100вт.

Схема усилителя на транзисторах П-210.

 

Усилитель питается от не стабилизированного, блока питания с выходным, двух-полярным напряжением +40 и -40 вольт.
На каждый канал, применяется отдельный мост из диодов Д305, которые устанавливаются на небольшие радиаторы.
Конденсаторы фильтра, желательно применять не менее 10000мк в плечо.
Данные силового трансформатора:
-железо 40 на 80. Первичная обмотка содержит 410 вит. провода 0,68. Вторичная по 59 вит. провода 1,25, намотанных четыре раза (две обмотки - верхнее и нижнее плечо одного канала усилителя, оставшиеся две - второго канала)
.Дополнительно по силовому трансформатору:
железо ш 40 на 80 от блока питания телевизора КВН. После первичной обмотки устанавливается экран из медной фольги. Один незамкнутый виток. К нему припаивается вывод который затем заземляется.
Можно использовать любое, подходящее по сечению ш железо.
Согласующий трансформатор выполнен на железе Ш20 на 40.
Первичная обмотка разделена на две части и содержит 480 вит.
Вторичная обмотка содержит 72 витка и мотается в два провода одновременно.
Сначала наматывается 240 вит первичкм, затем вторичка, затем снова 240 вит первички.
Диаметр провода первички 0,355 мм, вторички 0,63 мм.
Трансформатор собирается в стык, зазор - прокладка из кабельной бумаги примерно 0,25 мм.
Резистор 120 Ом включен для гарантированного отсутствия самовозбуждения при отключенной нагрузке.
Цепочки 250 Ом +2 по 4.7 Ом, служат для подачи начального смещения на базы выходных транзисторов.
С помощью подстроечных резисторов 4,7 Ом, устанавливается ток покоя 100ма. На резисторах в эмиттерах выходных транзисторов 0,47 Ом, должно при этом быть напряжение, величиной 47 мв.
Выходные транзисторы П210, должны быть при этом, практически едва теплые.
Для точной установки нулевого потенциала, резисторы 250 Ом, должны быть точно подобраны ( в реальной конструкции состоят из четырех резисторов по 1 кОм 2вт).
Для плавной установки тока покоя, используются подстроечные резисторы R18, R19 типа СП5-3В 4,7 Ом 5%.
Внешний вид усилителя сзади, изображен на фотографии ниже.


- Можно узнать Ваши впечатления от звучания этого варианта усилителя, в сравнении с предыдущим безтрансформаторным вариантом на П213-217?

Еще более насыщенное сочное звучание. Особо подчеркну качество баса. Прослушивание проводилось с открытой акустикой на динамиках 2А12.

- Жан, а все таки почему именно П215 и П210, а не ГТ806/813 в схеме стоят?

Внимательно посмотрите параметры и характеристики всех этих транзисторов, я думаю Вы все поймете, и вопрос отпадет сам собой.
Отчетливо осознаю желание многих, сделать германиевый усилитель более широкополосным. Но реальность такова, что для звуковых целей многие высокочастотные германиевые транзисторы не совсем подходят. Из отечественных могу рекомендовать П201, П202, П203, П4, 1Т403, ГТ402, ГТ404, ГТ703, ГТ705, П213-П217, П208, П210. Метод расширения полосы пропускания - применение схем с общей базой, или использования импортных транзисторов.
Применение схем с трансформаторами, позволило добиться отличных результатов и на кремнии. Разработан усилитель на 2N3055.
Поделюсь в ближайшее время.

- А что там с "0" на выходе? При токе 100 мА трудно верится, что его удастся удержать в процессе работы в приемлемых +-0.1 В.
В аналогичных схемах 30-и летней давности (схема Григорьева), это решается либо "виртуальной" средней точкой либо электролитом:

Усилитель Григорьева.

Нулевой потенциал удерживается в указанном Вами пределе. Ток покоя вполне можно делать и 50ма. Контролируется по осциллографу до исчезновения ступеньки. Больше нет необходимости. Далее, все ОУ легко работают на нагрузку 2ком. Поэтому особых проблем согласования с CD нет.
Некоторые высокочастотные германиевые транзисторы требуют внимания и дополнительного изучения их в звуковых схемах. 1Т901А, 1Т906А, 1Т905А, П605-П608, 1ТС609, 1Т321. Пробуйте,нарабатываете опыт.
Иногда происходили внезапные отказы транзисторов 1Т806, 1Т813, поэтому могу рекомендовать их с осторожностью.
Им надо ставить "быструю" защиту по току, рассчитанную на ток больший максимального в данной схеме. Чтобы не было срабатывания защиты в нормальном режиме. Тогда они работают очень надёжно.
Добавлю свою версию схемы Григорьева

Версия схемы усилителя Григорьева.

Подбором резистора с базы входного транзистора устанавливается половина напряжения питания в точке соединения резисторов 10ом. Подбором резистора параллельно диоду 1N4148, устанавливается ток покоя.

- 1. У меня в справочниках Д305 нормированы на 50в. Может безопаснее применить Д304? Думаю 5А - достаточно.
- 2. Укажите реальные h31 для приборов установленных в этом макете или их минимально-требуемые значения.

Вы совершенно правы. Если нет необходимости в большой мощности. На каждом диоде напряжение составляет около 30 В, так что проблем с надежностью не возникает. Применены были транзисторы со следующими параметрами; П210 h31-40, П215 h31-100, ГТ402Г h31-200.

 

Новая топология для УМЗЧ В.В. ( HI-FI ) - Усилители мощности низкой частоты (на транзисторах) - Усилители НЧ и все к ним

                                      Новая топология для мощных УМЗЧ

При создании усилителей большой мощности в выходном каскаде приходится применять параллельное включе­ние специально подобранных и согласованных групп тран­зисторов, что заметно усложняет и удорожает изготовление усилителя. Гораздо проще и дешевле использовать в этом каскаде лидеров по коэффициенту усиления и мощности - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), так как отпадают вопросы подбора и установки групп тран­зисторов. Но считается, что такие транзисторы могут рабо­тать только в переключательных режимах. К тому же среди них практически нет комплементарных пар.

В настоящее время сложилось устойчивое мнение, что только каскады с симметричным выходом на комплементар­ных транзисторах способны обеспечить высокие параметры УМЗЧ . Это происходит из-за того, что практически все они повторяют топологию разработанную Лином на фирме RCA еще в 1956 г., - входной дифференциальный каскад, второй каскад усиления напряжения и выходной симметричный двух­тактный каскад - усилитель тока. Но эта структура далеко не оптимальна, если одно из плеч выходного каскада пост­роено по схеме Шикпаи, как это бывает при конструирова­нии УМЗЧ с мощными транзисторами одинаковой проводи­мости.

Главная проблема усилителя с выходным каскадом на транзисторах одинаковой проводимости - это потенциаль­ная неустойчивость порождаемая тем, что одно из плеч вы­ходного каскада охвачено местной отрицательной обратной связью. В результате существенно различаются фазо-частотные характеристики плеч. А это порождает звон и пара­зитную генерацию в выходном каскаде и требует дополни­тельной коррекции, симметрирующей такой выходной кас­кад, что снижает общую частоту среза УМЗЧ и приводит в итоге к повышению искажений [1]. Хотя такие схемы у конст­рукторов энтузиазма не вызывают, тем не менее, транзис­торы одинаковой проводимости широко используются в вы­ходных каскадах мощных микросхем УМЗЧ в силу дешевиз­ны производства. Конечно, среди биполярных транзисторов комплементарных пар достаточно много, и трудности возни­кают только с подбором пар комплементарных транзисто­ров группы IGBT, привлекательность использования которых очевидна. Это сдерживает применение таких транзисторов, при их неоспоримых достоинствах перед биполярными и по­левыми транзисторами.Существуют мостовые схемы мощ­ных каскадов, в которых не требуются комплементарные пары транзисторов. Но они довольно сложны, и в них слож­но использовать эффективную обратную связь, в результа­те мостовые схемы не получили широкого распространения, кроме автомагнитол, где их используют из-за ограниченного напряжения питания.

Рассмотрим отдельно несимметричный двухтактный вы­ходной каскад на IGBT (рис. 1), когда верхний транзистор включен по схеме с общим коллектором а нижний транзи­стор- по схеме с общим эмиттером.

Зависимость выход­ного напряжения от тока управления для верхнего транзис­тора составит: UH = lэ(1+R3* S ) *Rн, а для нижнего транзистора - UH = lэ*R3*S*RH. Можно заметить, что эти зависимости выход­ного напряжения очень близки, и при равном значении кру­тизны и большом сопротивлении резисторов в цепи затвора (R1, R2) выходной каскад практически симметричен. Но сим­метрия и линейность - это разные свойства. А замечатель­ное свойство этой схемы в том, что различие крутизны тран­зисторов можно компенсировать подбором резисторов. Та­кая симметрия недостижима для комплементарных полевых транзисторов. Различие крутизны у комплементарных пар полевых транзисторов достигает 300%, примерно такая же разница и их входной емкости.

Конечно, симметрия высока только на низких частотах, какими представляют и звуковые частоты. Задача состоит в том, чтобы построить схему с сохранением симметрии в наи­более широком диапазоне частот. И здесь топология Лина уже не является оптимальной.

Но вернемся к схеме на рис. 1. Недостаток каскада зак­лючается в том, что для каждого плеча требуется свой гене­ратор сигнала, и в результате возникают трудности с обес­печением термостабильности тока покоя каскада. Гораздо удобнее схема возбуждения каскада на рис. 2. Привлекатель­ность ее в том, что теперь не требуются два источника сигна­ла, и управление таким каскадом гораздо проще. Более того, здесь изменение сопротивления источника сигнала R изме­няет ток от источника тока к резисторам в цепи затворов транзисторов, причем изменение сопротивления Rr приво­дит к противофазному изменению напряжения на затворах транзисторов. При увеличении Rr отпирается верхний тран­зистор и запирается нижний, при уменьшении Rr запирает­ся верхний транзистор и отпирается нижний. Суммарное зна­чение токов на затворных резисторах, при любом значении Rr, остается неизменным и определяется источником тока.   ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,То есть, здесь осуществляется преобразование входного сиг­нала в управляющий симметричный противофазный ток, но в десятки раз различающееся управляющее напряжение, для верхнего и нижнего плеча несимметричного выходного кас­када, что необходимо для управления несимметричным вы­ходным каскадом. Так реализуется двухтактный режим ра­боты мощного несимметричного выходного каскада. Началь­ный ток выходных транзисторов и термостабилизация тока покоя достигается изменением тока одного источника тока, так как при уменьшении тока источника тока запираются оба транзистора.

Построение выходного каскада на транзисторах одина­ковой структуры проводимости по предлагаемой схеме дос­таточно привлекательно простотой, особенно при большой выходной мощности усилителя (более 100 Вт), когда IGBT- транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными и полевыми транзисторами. К тому же, по мнению разработ­чиков фирмы PLINIUS звучание с усилителями на транзис­торах п-р-п структуры лучше, чем на транзисторах р-п-р струк­туры, и в дорогих моделях они предпочитают асимметрич­ный выходной каскад [2]. Объясняют это тем, что транзисто­ры предпочтительной структуры более линейны и имеют луч­шие частотные свойства, а также больший коэффициент уси­ления.

Для эффективного использования IGBT, а также поле­вых транзисторов одинаковой проводимости мною предла­гается новая структура УМЗЧ [3] - входной каскодный уси­литель далее составной каскад на транзисторах разной про­водимости с источником тока и стабилитроном и, наконец, двухтактный несимметричный выходной каскад с транзис­торами одинаковой структуры. Эта структура с вольтдобавкой и вспомогательными цепями показана на рис. 3. Новая структура создает самый короткий путь прохождения сигна­ла к нижнему транзистору, который имеет наихудшие час­тотные свойства и, несмотря на простоту, имеет большой общий коэффициент усиления.

Рассмотрим схему на рис. 3 подробнее. Входной сигнал, через резистор R1, определяющий входное сопротивление усилителя, поступает на базу транзистора VT1. Включение этого транзистора в каскоде позволяет использовать на вхо­де низковольтный высокочастотный малошумящий транзи­стор и нейтрализовать эффект Миллера, а также уменьшить влияние синфазного напряжения. Транзистор VT2 должен выдерживать требуемое напряжение, т.е. быть относитель­но высоковольтным. Использование "сломанного каскода", вместо обычного, защищает транзисторы VT1 и VT2 от про­боя, так как при перегрузке входным сигналом рост тока VT1 и VT2 ограничен резистором R3.

Использование дифференциального входного усилителя вместо каскодного приведет к уменьшению крутизны вход­ного каскада в два раза и увеличению шума входного каска­да на 2 дБ, а это, в конечном счете, приведет к росту искаже­ний. Также появится необходимость в подборе пары вход­ных транзисторов.

С выхода каскодного усилителя сигнал поступает на со ставной каскад на транзисторах VT3 VT4, которые осуще­ствляют функцию Rr. Эти транзисторы включены по струк­туре ОБ-ОЭ с объединением по эмиттерам, что является оп­тимальным для выбора и использования транзисторов. Ко­эффициенты усиления по напряжению и по мощности тран­зисторов VT3 и VT4 сильно различаются, это требует приме­нения в качестве VT3 высоковольтного транзистора средней мощности, частотные свойства которых, как правило, гораздо хуже маломощных низковольтных транзисторов. Поэто­му включение его в режиме ОБ более эффективно, чем в режиме ОЭ. Усиление по напряжению для VT4 не столь ве­лико, как для VT3. Поэтому включение его в режим ОЭ не слишком сильно ухудшит общую АЧХ.

Выбор подходящего дешевого высоковольтного транзистора п-р-п структуры для VT3 не вызывает проблем, а транзистор VT4 - низковольтный маломощный р-п-р структуры из высокочастотных транзисторов широкого применения.

Полевые транзисторы в качестве VT1 ...VT4 использовать нецелесообразно, так как они имеют меньшую крутизну, чем биполярные  транзисторы, что будет эквивалентно снижению усиления каскадов и линейности усилителя в целом.

С целью увеличения максимальной амплитуды напряже­ния для полупериодов плюсовой полярности введена вольт- добавка в виде цепи R6, С1. Хотя вместо вольтдобавки мож­но применить дополнительное питание, что расширит диа­пазон работы усилителя в область низких частот. Стабилитрон VD1 компенсирует остаточное падение напряжения на транзисторах VT3, VT4 в полупериоды минусовой полярности и тем самым уменьшает напряжение насыщения по мину­су питания.

Применение параллельной ООС, вместо более распрос­траненной последовательной ООС, делает усилитель менее чувствительным (в части линейности) к изменению сопро­тивления источника сигнала. Так, при его увеличении нели­нейные искажения усилителя не возрастают как это происходит при использовании последовательной ООС [4].

Замечательным свойством предлагаемой структуры яв­ляется "естественное" ограничение максимального выходного тока. Дело в том, что напряжение на резисторах R5, R7 мо­жет максимально принимать только удвоенное значение от первоначального, и выбором сопротивления эмиттерных резисторов R8, R9 можно ограничить максимальный ток тран­зисторов, рассчитав его по формуле: Imax = (2Uнач – Umax)/Rэ,

где Uнач - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT5, VT6, при котором через транзисторы течет заданный началь­ный ток; Umax - напряжение затвор-эмиттер транзисторов VT5, VT6 при протекании через них максимального тока; Rэ - сопротивление резисторов R8, R9.

Благодаря тому, что максимальное напряжение на рези­сторах R5, R7 не превышает удвоенного значения от началь­ного (например: если Uзэ нач 5,7 В, то Uзэ max = 11,4 В), нет смысла устанавливать защиту затворов от перенапряжения. А так как токи всех приборов усилителя ограничены, нет не­обходимости в дополнительных схемах защиты каскадов, что заметно упрощает усилитель.

На практике напряжение затвор-эмиттер транзисторов при протекании через них максимального тока заранее не известно, поэтому экспериментальным подбором Rэ осуще­ствляется выбор I max.

Как нетрудно заметить, R8 и R9 выполняют не только ограничительную, но и линеаризующую функцию для VT5 и VT6, создавая местную ООС в самих нелинейных эле­ментах.

Вариант практической схемы реализации мощного УМЗЧ приведен на рис. 4.

Как видно из приведенных параметров технических ха­рактеристик, описываемый усилитель не уступает по каче­ству лучшим усилителям с симметричной структурой, и та­кая высокая выходная мощность реализована всего на вось­ми транзисторах! Неплохой результат при затратах на комп­лектующие порядка 10 USD, с учетом того, что не нужен под­бор и отбор групп транзисторов. И вообще схема является одной из лучших по соотношению затраты/качество.

Наиболее подробно особенности работы УМЗЧ можно описать по полной схеме (рис. 4) следующим образом. Вход­ной сигнал, через цепь С1, R1, задающую нижнюю гранич­ную частоту и входное сопротивление, поступает на базу тран­зистора VT1. В качестве входного выбран СВЧ транзистор КТ368А (для быстрого выхода из насыщения после перегруз­ки при ограничении вы­ходного сигнала). На базу этого же транзис­тора поступает сигнал обратной связи через цепь С2, R3.

Цепь СЗ, R2, R4 , R7 предназначена для ус­тановки нулевого на­пряжения смещения на выходе усилителя. Так как подстроечный ре­зистор R7 со временем может изменить сопро­тивление, вместо него лучше установить по­добранный при настройке постоянный резистор. Диоды VD2 и HL1 задают смещение на базу транзистора VT2 и одновременно осуществляют термо­компенсацию нулевого напряжения на выходе усилителя за счет одинаковых тепло­вых коэффициентов транзистора VT1 и диода VD2 (он же задает напряжение смещения по цепи R2, R4, R7).

Конденсатор С4 осуществляет коррекцию входного кас­када. С коллектора VT1 сигнал через VT2 поступает на базу эмиттерного повторителя на транзисторе VT3. Его задача - повышение входного сопротивления и тем самым повыше­ние общего усиления, а также ускорение запирания транзи­стора VT5 и нейтрализация эффекта Миллера. Стабилитрон VD3 увеличивает напряжение питания для VT3 и тем ускоря­ет запирание транзисторов VT4, VT5, увеличивая скорость переднего фронта.

С эмиттера VT3 сигнал поступает на базу транзистора VT5. Цепь L1, R13 осуществляет коррекцию составного кас­када на транзисторах VT4 и VT5. С коллектора транзистора VT5 сигнал поступает на затвор выходного транзистора ниж­него плеча. С коллектора транзистора VT4 аналогичный, но противофазный токовый сигнал поступает через стабилитрон VD7 на затвор выходного транзистора верхнего плеча.

Цепь R11, С7 в базе VT4 осуществляет инклюзивную коррекцию выходного каскада, повышающую устойчивость усилителя в режиме ограничения. Цепи С10, R22 и L2, R24 повышают устойчивость усилителя при изменении сопротив­ления нагрузки и при ее емкостном характере.

Диод VD8 уменьшает в два раза тепловую мощность, рас­сеиваемую на резисторе R20, за счет того, что по нему течет только ток зарядки конденсатора С8. Ток покоя выходного каскада, равный 0,2 А, выставляют подстроенным резисто­ром R17.

Для термостабилизации тока покоя УМЗЧ диоды VD5 и VD6 устанавливают на теплоотвод рядом с выходными тран­зисторами. Транзисторы VT4, VT6 снабжают небольшими пластиночными теплоотводами, так как рассеиваемая ими тепловая мощность достигает 0,8 Вт. Светодиод HL2 исполь­зуется для задания смещения источника тока на транзисторе VT6 и одновременно для индикации включения усилителя.

Выходные транзисторы необходимо установить на ради­аторе площадью не менее 3000 см2. Применение вентилято­ра позволит резко сократить его размеры, что заметно умень­шит габариты и вес усилителя.

При первом включении усилителя для защиты выходных транзисторов резисторы R19 и R23 рекомендуется заменить более высокоомными (до 3…10 Ом), и лишь после проверки напряжения на затворах можно установить соответствующие схеме 0,1 0м и выставить ток покоя. При этом для IRG4PC30W напряжение Uзэ = 5,7 В.

Требования к монтажу усилителя подробно описаны в многочисленных работах и статьях, и для получения достой­ного результата ими нельзя пренебрегать. Следует раздель­но провести слаботочные и сильноточные шины питания, об­щие провода сигнальных цепей и питания разделять объе­диняя их в одной точке только подводкой "звездой", полезно применять экраны для входных и слаботочных цепей. Здесь наиболее важно общую шину входного сигнала соединить непосредственно с эмиттером VT1, чтобы по ней не текли посторонние токи, создающие наведенные искажения. Со­единения выводов выходных транзисторов с платой необхо­димо выполнять по возможности более короткими. Мощные транзисторы желательно установить на радиаторы через бериллиевые прокладки для уменьшения емкостной паразит­ной связи.

Как видно из полной схемы (рис. 4), в усилителе приме­нена довольно сложная коррекция АЧХ (четыре конденсато­ра и дроссель, не считая резисторов). Это небольшая плата за то, чтобы несимметричная структура вела себя не хуже симметричной (с комплементарными приборами) и получить высокую устойчивость усилителя в зоне ограничения.  Мож­но сказать, что первая проблема достижения малых искаже­ний после выбора структурной схемы - это проблема выбо­ра коррекции АЧХ усилителя создающей необходимый за­пас устойчивости усилителя при большом изменении выход­ных токов и напряжений, и в то же время обеспечивающей минимальную фазовую задержку в рабочем диапазоне час­тот. В большинстве случаев именно коррекция становится определяющей, сводя на нет достоинства многих схем.

Разработчик всегда находится перед дилеммой - увели­чить ли глубину общей ООС для улучшения линейности уси­лителя или уменьшить ее глубину, чтобы увеличить запас устойчивости, который необходим, если сопротивление АС имеет сложный характер. И если усилители звучат по-раз­ному, то в большой степени это связано с запасом устойчи­вости, который очень заметно проявляется на больших уров­нях [5]. Именно поэтому УМЗЧ с "простыми" схемами часто показывают лучшие результаты, чем имеющие сложную (ча­сто на микросхемах) структуру. А каждый новый каскад дол­жен вводиться после тщательных испытаний эффективнос­ти новых элементов. Тем более, что увеличение глубины ООС в большинстве случаев не дает желаемого результата, а лишь ухудшает запас устойчивости. И тут на первый план выхо­дит правильная оценка критериев линейности и динамичес­кой устойчивости усилителя, которые в свою очередь зави­сят от грамотной коррекции. Причем грамотная коррекция должна минимизировать фазовую задержку в рабочем диа­пазоне частот, не ухудшая общую устойчивость. Часто го­раздо эффективней хорошая коррекция, чем новый каскад.

Конечно, выбранный способ баланса нуля на выходе уси­лителя далеко не лучший, и он привлекателен лишь своей простотой. На выходе УМЗЧ может возникать "плавающее" смещение до нескольких десятков милливольт, но оно не ска­зывается заметно ни на звуке, ни на рабочей точке выход­ных транзисторов. Для уменьшения же ухода "нуля" полезно ввести узел слежения на прецизионной микросхеме, пусть это и усложнит усилитель.

Примененные транзисторы IRG4PC30W недороги, но они имеют заметную нелинейность на начальном участке и боль­шую входную емкость. Если проверить весь ряд серий IGBT, предлагаемых изготовителями, то наверняка можно найти приборы с большей линейностью и меньшей входной емкос­тью. У автора не было возможности провести такую работу. С предложенными транзисторами можно улучшить линей­ность в два раза увеличением тока покоя до 0,5 А, но это потребует увеличения площади радиатора.

В заключение хочу отметить, что если нет потребности в большой мощности усилителя, то вполне можно использо­вать на выходе вместо IGBT транзисторов полевые транзис­торы с изолированным затвором и каналом n-типа, линей­ность которых заметно выше. Усилитель получит более вы­сокую линейность, при этом надо только подобрать резисто­ры для другого напряжения питания и стабилитроны для дру­гого напряжения затвора. Уменьшенный по мощности ана­лог УМЗЧ на полевых транзисторах, соответствующий при­веденной здесь схеме, успешно эксплуатируется автором в течение шести лет, доставляя массу приятных минут при про­слушивании в домашних условиях разного рода музыкаль­ных программ.

Литература

1.   Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой часто­ты М Горячая линия - Телеком, 2004.

2.   Козырев В Усилители "Krell KAV-4-xi", "Audio Analogue Maestro", "Plinius 9200". - Аудио Магазин, 2003, №6, с. 71,72.

3.   Шпак С.В. Патент RU №2316891 от 10.04.2006.

4 Дуглас Селф о ранее не замеченном источнике иска­жений транзисторных УМЗЧ с общей ООС - Радиохобби, 2003, №3, с. 10,11.

5. Витушкин А., Телеснин В. Устойчивость усилителя и естественность звучания. - Радио 1980, №7, с 36,37.

Сергей Шпак г.Казань Татарстан 

P.S. На сайте уже поднималась тема редакционных ошибок , здесь ещё один пример такой ошибки : -

[email protected]

Усилители на транзисторах - Усилитель своими руками, схемы, инструкции, фото

УНЧ  » Усилители на транзисторах


   Данный усилитель - отличный вариант для домашнего или автомобильного сабвуфера, но подогнать под саб не советую, поскольку усилитель очень качественный, искажений даже на максимальной громкости не наблюдаются, для питания в автомобиле нужен отдельный преобразователь напряжения. 

   Недавно нашел на просторах интернета довольно таки интересную схемку усилителя на мощных составных транзисторах TIP142 и TIP147. Преимущество данной схемы в том, что при своей простоте исполнения мы имеем вполне приемлемое качество звука. Схема не требует настроек и работает сразу после сборки.

   Недавно на халяву досталось несколько отечественных транзисторов серии кт818/кт819. Недолго думая, решил собрать транзисторный усилитель. Поскольку на сборку у меня было не так уж и много времени, решил изготовить простую и мощную схему УНЧ. Немного поискав по интернету, нашел схему усилителя всего на 5-ти транзисторах.

   Рассмотрим схему несложного усилителя мощности звука на 10 ватт. Предлагаемая схема УНЧ выбрана как одна из самых простых и качественных и главное - чистый класс А. Можно сказать - это доисторическая схема, поскольку была она создана в 70-е годы. Итак, начинаем сборку схемы которой свыше сорока лет!

   Представляем сборник самодельных УМЗЧ, которые были неоднократно проверены и зарекомендовали себя отличным звучанием и простотой настройки усилителя. Схема высококачественного умзч на 200 ватт: 

   Рассмотрим очень простой УНЧ класса "А@? собранный всего на одном транзисторе. Помню этот усилитель собрал 2 года назад. Схема попалась мне на глаза совершенно случайно, поковырялся в своих деталях и к моему удивлению нашел нужный транзистор. Усилитель без ООС, чистый А класс ! Было решено собрать стерео вариант схемы, а поскольку она одноканальная, пришлось купить второй транзистор.

    Сегодня хотел бы рассмотреть схему мощного транзисторного 200-ваттного УНЧ на основе операционного усилителя. Усилитель мощности собран полностью на отечественных деталях, в наладке почти не нуждается и во время экспериментов показывает высокие параметры. Данный усилитель отлично бы подошел для домашнего сабвуфера, поскольку его выходная мощность вполне позволяет раскачать мощные динамические головки как отечественного, так и импортного производства. 

   Данный самодельный усилитель предназначен для питания маломощной акустики, колонок с мощностью порядка 1 ватт. Отличный вариант для наушников или скажем в качестве микрофонного усилителя. Собран усилитель полностью на транзисторах и при указанных деталях развивает мощность до 1 ватта! При повышения напряжения питания до 12 вольт схема развивает мощность до 2-х ватт. В целях повышения выходной, мощности выходные транзисторы можно заменить на пару кт816 / кт817 или кт818 / кт819, с использованием последней пары мощность достигает до 3-х ватт с питанием 12 вольт.

Транзистор

как усилитель - Работа и объяснение

Транзистор увеличивает силу слабого сигнала и, следовательно, действует как усилитель. Схема транзисторного усилителя представлена ​​на рисунке ниже. Транзистор имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттер и база транзистора соединены с прямым смещением, а коллекторная база с обратным смещением. Прямое смещение означает, что P-область транзистора подключена к положительному выводу источника питания, а отрицательная область подключена к N-выводу, и в обратном смещении произошло прямо противоположное этому.

trnasistor-as-an-amplifier

Входной сигнал или слабый сигнал подается на базу эмиттера, а выходной сигнал поступает на нагрузочный резистор R C , который подключен в цепи коллектора. Напряжение постоянного тока V EE подается на входную цепь вместе с входным сигналом для достижения усиления. Напряжение постоянного тока V EE поддерживает переход эмиттер-база в состоянии прямого смещения независимо от полярности входного сигнала и называется напряжением смещения.

Когда на вход подается слабый сигнал, небольшое изменение напряжения сигнала вызывает изменение тока эмиттера (или мы можем сказать, что изменение напряжения сигнала на 0,1 В вызывает изменение тока эмиттера на 1 мА), потому что входная цепь имеет очень низкое сопротивление. Это изменение почти такое же изменение тока коллектора из-за действия передатчика.

В коллекторной цепи подключен нагрузочный резистор R C высокого номинала. Когда ток коллектора протекает через такое высокое сопротивление, на нем возникает большое падение напряжения.Таким образом, слабый сигнал (0,1 В), подаваемый на входную цепь, появляется в усиленной форме (10 В) в цепи коллектора.

.

Как транзисторы навсегда изменили электронику | ОРЕЛ

Давным-давно в далекой-далекой галактике существовали компьютеры размером с целую комнату. На их изготовление уйдут годы, зачастую на миллионы, и все будет работать от мощной вакуумной лампы. Это была реальность, в которой мы жили в 1950-х годах, но все было готово измениться, когда транзистор повернулся. В конце концов, возможность разместить миллион транзисторов на квадратном сантиметре немного эффективнее, чем иметь дело с целой комнатой электронных ламп, верно?

Хотя в инженерном сообществе хорошо известно, насколько транзисторы изменили мир, то, что может быть не так хорошо известно, так это история и человечество за кулисами.В конце концов, транзистор не появился в одночасье. Потребовались годы проб и ошибок, пока мы медленно переходили от электронных ламп к германиевым транзисторам и, наконец, к кремниевым транзисторам сегодня. Итак, вот полная история, рассказ о битве технологических титанов и о том, как Texas Instruments и Bell Labs навсегда изменили мир электроники, который мы знаем сегодня.

Все начинается с телефонов

Наша история началась в 1906 году, и именно здесь мы находим существенный сдвиг в истории телекоммуникационной отрасли.Когда патенты на телефоны Александра Грэхема Белла начали медленно закатываться и истекать, возникла огромная конкуренция, чтобы заполнить пробел чем-то новым и новым, чтобы продвинуть отрасль вперед. Решение AT&T? Создайте полноценную трансконтинентальную телефонную службу.

first-transcontinental-phone-call

Какой-то стильный джентльмен из AT&T присутствует на первом трансконтинентальном телефонном звонке. (Ирвинг Андерхилл - Bonham’s, общественное достояние)

Эта разветвленная телефонная сеть стала возможной благодаря американскому изобретателю Ли Де Форесту, который создал устройство на электронных лампах, которое могло усиливать сигналы на телефонной линии.Это позволяло передавать сообщения через весь континент с молниеносной скоростью, пока на пути были распределительные коробки.

Lee De Forest

Американский изобретатель Ли Де Форест. Интересно, знал ли он, как далеко продвинутся телефоны? (Источник изображения)

AT&T быстро сожрала все патенты на изобретение Де Фореста и привела в действие свои трансконтинентальные планы, позволив американцам разговаривать по телефону с одного побережья на другое.Но и в этом решении не обошлось без проблем. Вакуумные лампы потребляли слишком много энергии, выкачивали тонны тепла и были ненадежными. Так что пришло время найти замену, и Bell Labs как раз знала, с чего начать, с некоторыми недавно обнаруженными полупроводниковыми материалами.

1945 - Прибытие на замену вакуумной трубки

Исследования полупроводниковых материалов полностью активизировались после Второй мировой войны, когда Мервин Келли из Bell Labs собрал команду ученых для создания твердотельного полупроводникового переключателя, который заменит стареющую вакуумную лампу.Эта команда состояла из некоторых блестящих умов того времени, которые все сыграли свою роль в создании первого транзистора, включая печально известную троицу теоретика Билла Шокли, физика-экспериментатора Уолтера Браттейна и физика-теоретика Джона Бардина.

Bill-Shockley-John-Bardeen-Walter-Brattain

Три вдохновителя создания современного транзистора - Билл Шокли (слева), Джон Бардин (в центре) и Уолтер Браттейн (справа). (Источник изображения)

Транзистор получает грубый запуск

Не все было радужно для трио Bell Labs.Сообщается, что Шокли был довольно грубым человеком, и большую часть своего времени он работал дома в одиночестве, изолировавшись от группы. Но в этой изоляции Шокли удалось разработать свою первую конструкцию полупроводникового усилителя, который послужит основой для транзистора, который вскоре должен появиться. И хотя устройство не сработало так, как планировалось, Шокли поручил Бардину и Браттейну выяснить причину.

Затем они начали эксперимент с германием, чтобы продвинуть идею Шокли, которая станет основой их точечного транзистора.Рождество 1945 года, и Бардин понимает, что люди думали, что электроны ведут себя в кристаллах, совершенно неверно. Это был прорыв, в котором нуждалась команда, и именно здесь Бардин и Браттейн смогли создать первый точечный транзистор 16 декабря 1947 года.

point-contact-transistor

Первый точечный транзистор во всей своей красе, созданный Джоном Бардином и Уолтером Уолтером Браттейном. (Источник изображения)

Это устройство было сделано из полосок золотой фольги на пластиковом треугольнике, все они были вдавлены в пластину германия.Он имел три точки, включая эмиттер, коллектор и базу. Положительный электрический заряд на эмиттере увеличит проводимость германия чуть ниже точки коллектора, что затем усилит выходной ток, протекающий от базы. Хотя это создание было огромной победой для команды, была одна проблема - Бардин и Браттейн никогда не рассказывали Шокли, что они делают, и оставили его вне поля зрения. Вупс.

Драма в трио

Бардин и Браттейн в конце концов позвонили Шокли, чтобы рассказать ему о том, что они обнаружили.И понятно, что Шокли был немного более чем расстроен, так как его исключили из всего процесса. И что он сделал? Он направил весь свой гнев и решил одолеть Бардина и Браттейна своим собственным изобретением.

На следующие четыре недели Шокли заперся в номере отеля в Чикаго с ручкой и бумагой в руке. И именно в этот период он разработал то, что сейчас известно как переходный транзистор. Изобретение Шокли было глубоким: оно обеспечило гораздо более прочную и практичную конструкцию, чем точечный транзистор Бардина и Браттейна, что упростило его изготовление.

first-junction-transistor

Первый переходной транзистор, гораздо более эффективный и технологичный, чем точечный транзистор. (Источник изображения)

Итак, история была сделана, патент был зарегистрирован, и трио вскоре растворилось в кучке препирающихся детей, спорящих о том, чье имя должно быть указано на патентном устройстве и кто будет на рекламных фотографиях. Вне этой драмы Bell Labs воспользовалась моментом, чтобы 30 июня 1948 года продемонстрировать миру изобретение Шокли.

К большому разочарованию Шокли, никого это не волновало. Поэтому он сделал то, что сделал бы любой здравомыслящий инженер, когда их изобретение не получило той любви, которой оно заслуживает, - он основал свою собственную компанию Shockley Semiconductor и взял с собой группу талантливых ученых.

Но Shockley Semiconductor просуществовала недолго, отчасти благодаря суровому характеру Шокли, и восемь его самых талантливых сотрудников, которых называли «восьмеркой предателей», разошлись. Они сформировали то, что сейчас называется Fairchild Semiconductor и Intel, и так официально зародилась полупроводниковая промышленность.

1954 - Германий требует замены

Хотя германий в то время был основным материалом для создания транзисторов, у него были как плюсы, так и минусы. По сравнению с кремнием по качеству он был гораздо менее реактивным и имел более низкую температуру плавления. Это позволяло электронам проходить через германий быстрее, чем кремний, и давало более высокую частотную характеристику.

Однако, помимо этих двух преимуществ, необходимость найти подходящую замену германию была очевидна.Ток утечки слишком велик, и по мере увеличения температуры, очень хрупкий баланс между переходами в транзисторе. Это затрудняло контроль над свободными электронами.

Существует также проблема экстремальных температур. Как только германий нагревается до 75 ° C, он становится практически бесполезным, и транзистор перестает работать. Это было категорическим запретом для производителей радиостанций и военных, которым требовалось оборудование, которое надежно работало бы в экстремальных условиях. Пришло время сиять кремнию.

Пусть начнется силиконовая гонка

Исследования кремния велись с начала 1950-х годов в Bell Labs, где Гордон Тил и Эрни Бюлер выращивали кристаллы с добавленными примесями, чтобы создать первые твердотельные диоды. Но пребывание Тила в Bell Labs вскоре подошло к концу из-за его желания вернуться домой в Техас. Так он и поступил, получив работу в Texas Instruments Inc. в качестве директора по исследованиям, где снова будет твориться история.

Gordon-Teal

Гордон Тил (справа) в своей лаборатории, где он выращивал кристаллы, которые должны были стать основой для современных кремниевых транзисторов.(Источник изображения)

У

Teal были некоторые проблемы с кремнием, он имел гораздо более высокие уровни примесей, чем германий, и попытка создать успешный переходный транзистор NPN или PNP представляла собой огромную проблему. Таким образом, Тил и его команда боролись с этой проблемой больше года, и в апреле 1954 года вся эта тяжелая работа, наконец, принесла свои плоды.

Получив от DuPont немного кремния высокой чистоты, команда Тила смогла вырастить подходящую структуру NPN-транзистора с эмиттерной областью, которая увеличила коэффициент усиления тока.И когда группа ученых прикрепила к кристаллу электрические контакты утром 14 апреля, чтобы проверить его, он ожил! Так родился первый кремниевый транзистор, и теперь Тилу просто нужно было рассказать о нем массам.

first-silicon-transistor

Первый кремниевый транзистор, готовый к массовому производству благодаря Тилу и его команде в Texas Instruments (источник изображения).

Непритязательное знакомство с миром

10 мая 1954 года группа инженеров собралась в Институте радиоинженеров (IRE) на Национальную конференцию по бортовой электронике.В этот период истории совершенно очевидно, что все пытаются сделать кремний жизнеспособной и технологичной альтернативой германию, но затем на сцену выходит Гордон Тил.

Что было у Тила? Почему у него в кармане лежало несколько кремниевых транзисторов! Толпа внезапно ожила, и Тил сообщил всем, что Texas Instruments производит три различных типа кремниевых транзисторов. Наконец-то это случилось.

Чтобы показать, что это реально, Тил начал играть на проигрывателе, усиленном германиевыми транзисторами, и вылил стакан с горячим маслом на устройство.Музыка затихла. Но затем Тил повторил демонстрацию, на этот раз с кремниевым транзистором. Когда он вылил горячее масло на проигрыватель, музыка продолжала играть без сучка и задоринки. Итак, это было официально, кремниевый транзистор прибыл.

Чирок вел себя довольно странно и скромно во время всего открытия. Когда инженер Raytheon мчался по вестибюлю к телефону, говоря своей компании, что «у них есть кремниевый транзистор в Техасе!», Тил рассказал собравшимся о простой статье, опубликованной по его результатам: «Некоторые последние разработки в кремнии и германии». Материалы и устройства.«Было ли это намеренно со стороны Тила, чтобы преуменьшить значение всего этого? Кто знает. Но забавно думать, насколько тонким было все это событие в свете его далеко идущих последствий.

first-integrated-circuit

Первая интегральная схема, изображенная выше Джеком Килби, была бы невозможна без изобретения транзистора. (Источник изображения)

Когда кремниевые транзисторы, наконец, стали жизнеспособными и доступными с точки зрения производства, началась гонка за тем, что мы можем создать.Что касается Texas Instruments, то имя компании стало нарицательным, поскольку на волне успеха она выпустила первое в мире транзисторное радио.

Предоставление кредита в срок

Итак, у вас есть полная история транзистора, от электронных ламп до германия и, наконец, кремния. Свидетельства этих открытий есть повсюду вокруг нас, в наших смартфонах, ноутбуках и многих других устройствах, на которые мы полагаемся сегодня. И хотя германиевый транзистор получил широкую огласку, мы считаем, что кремниевый транзистор заслуживает такой же высокой оценки.

Хотите самому творить историю? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня.

.

Полупроводники, транзисторы и интегральные схемы - интегральные схемы

Открытие полупроводников, изобретение транзисторов и создание интегральной схемы - вот что делает возможным закон Мура и, как следствие, современную электронику. До изобретения транзистора наиболее широко используемым элементом в электронике была электронная лампа . Инженеры-электрики использовали вакуумные лампы для усиления электрических сигналов. Но электронные лампы имели тенденцию ломаться, и они также выделяли много тепла.

Bell Laboratories начала искать альтернативу электронным лампам для стабилизации и укрепления растущей национальной телефонной сети в 1930-х годах. В 1945 году лаборатория сконцентрировалась на поиске способа использования полупроводников . Полупроводник - это материал, который может действовать как проводник и как изолятор . Проводники - это материалы, которые пропускают поток электронов - они проводят электричество. Изоляторы имеют атомную структуру, которая препятствует потоку электронов.Полупроводники могут делать и то, и другое.

Объявление

Контроль потока электронов - вот что заставляет электронику работать. Поиск способа использовать уникальную природу полупроводников стал приоритетной задачей Bell Labs. В 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн построили первый рабочий транзистор . Транзистор - это устройство, предназначенное для управления потоками электронов - у него есть затвор, который, когда он закрыт, предотвращает прохождение электронов через транзистор.Эта основная идея лежит в основе того, как работает практически вся электроника.

Ранние транзисторы были огромными по сравнению с производителями транзисторов сегодня. Самый первый был ростом в полдюйма (1,3 сантиметра). Но как только инженеры научились создавать работающие транзисторы, началась гонка за их создание лучше и меньше. Первые несколько лет транзисторы существовали только в научных лабораториях, так как инженеры улучшили конструкцию.

В 1958 году Джек Килби внес следующий огромный вклад в мир электроники: интегральная схема .Ранее электрические схемы состояли из ряда отдельных компонентов. Инженеры-электрики собирали каждую деталь, а затем прикрепляли их к основанию, называемому подложкой . Килби экспериментировал с построением схемы из цельного куска полупроводникового материала и наложением металлических частей, необходимых для соединения различных частей схемы, поверх нее. Получилась интегральная схема.

Следующей крупной разработкой стал планарный транзистор .Чтобы сделать планарный транзистор, компоненты травятся непосредственно на полупроводниковой подложке. Это делает одни части субстрата выше, чем другие. Затем на основу наносится напыленная металлическая пленка. Пленка прилипает к выступающим частям полупроводникового материала, покрывая его металлом. Металл создает связи между различными компонентами, которые позволяют электронам переходить от одного компонента к другому. Это почти как печать схемы прямо на полупроводниковой пластине.

.

Что такое автоматический регулятор напряжения? Значение, принцип работы и применение

Автоматический регулятор напряжения предназначен для регулирования напряжения. Он принимает колебания напряжения и преобразует их в постоянное напряжение. Колебания напряжения в основном возникают из-за изменения нагрузки на систему питания. Колебания напряжения вызывают повреждение оборудования энергосистемы. Колебанием напряжения можно управлять, установив оборудование для контроля напряжения в нескольких местах, например, рядом с трансформаторами, генератором, фидерами и т. Д., Стабилизатор напряжения предусмотрен более чем в одной точке энергосистемы для управления колебаниями напряжения.

В системе питания постоянного тока напряжение может контролироваться с помощью составных генераторов в случае фидеров одинаковой длины, но в случае фидеров разной длины напряжение на конце каждого фидера поддерживается постоянным с помощью усилителя фидера. В системе переменного тока напряжение можно контролировать с помощью различных методов, таких как повышающие трансформаторы, индукционные регуляторы, шунтирующие конденсаторы и т. Д.,

Принцип работы регулятора напряжения

Работает по принципу обнаружения ошибок. Выходное напряжение генератора переменного тока, полученное через трансформатор напряжения, затем выпрямляется, фильтруется и сравнивается с эталоном. Разница между фактическим напряжением и опорным напряжением известна как напряжение ошибки . Это напряжение ошибки усиливается усилителем и затем подается на основной или пилотный возбудитель.

automatic-voltage-controlled-rectifier

Таким образом, усиленные сигналы ошибки управляют возбуждением основного или пилотного возбудителя посредством понижающего или повышающего действия (т.е.е. контролирует колебания напряжения). Управление выходом возбудителя ведет к контролю напряжения на клеммах главного генератора.

Применение автоматического регулятора напряжения

Основные функции AVR следующие.

  1. Он контролирует напряжение системы и приближает работу машины к стабильному установившемуся режиму.
  2. Он разделяет реактивную нагрузку между генераторами, работающими параллельно.
  3. Автоматические регуляторы напряжения снижают перенапряжения, возникающие из-за внезапного отключения нагрузки в системе.
  4. Увеличивает возбуждение системы в условиях неисправности, так что максимальная мощность синхронизации существует во время устранения неисправности.

Когда происходит резкое изменение нагрузки в генераторе переменного тока, необходимо изменить систему возбуждения, чтобы обеспечить такое же напряжение при новых условиях нагрузки. Сделать это можно с помощью автоматического регулятора напряжения. Аппаратура автоматического регулятора напряжения работает в поле возбудителя и изменяет выходное напряжение возбудителя и ток возбуждения.Во время резких колебаний АРВ не дает быстрого ответа.

Для быстрого реагирования используются быстродействующие регуляторы напряжения на основе принципа , превышающего отметку . В соответствии с принципом перерегулирования, когда нагрузка увеличивается, возбуждение системы также увеличивается. Перед увеличением напряжения до значения, соответствующего повышенному возбуждению, регулятор снижает возбуждение до надлежащего значения.

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о