Как работает простой усилитель на двух транзисторах. Каковы основные элементы схемы. Какие преимущества дает использование двух каскадов усиления. Для чего применяются такие усилители.
Принцип работы двухкаскадного транзисторного усилителя
Двухкаскадный транзисторный усилитель представляет собой схему, состоящую из двух последовательных усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Рассмотрим принцип работы такого устройства:
- Первый каскад на NPN-транзисторе усиливает входной сигнал по току
- Усиленный сигнал с коллектора первого транзистора подается на базу второго PNP-транзистора
- Второй каскад обеспечивает дополнительное усиление по напряжению
- С коллектора второго транзистора снимается усиленный выходной сигнал
Такая двухкаскадная схема позволяет получить значительно большее усиление по сравнению с однокаскадным усилителем. При этом конструкция остается достаточно простой и экономичной.
Основные элементы схемы двухтранзисторного усилителя
В состав типовой схемы двухкаскадного транзисторного усилителя входят следующие ключевые элементы:
- Два биполярных транзистора разной структуры (NPN и PNP)
- Резисторы в цепях базы и коллектора для задания рабочей точки
- Конденсаторы для разделения по постоянному току и фильтрации
- Источник питания (обычно 9-12 В)
- Входной и выходной разъемы
Правильный подбор номиналов пассивных компонентов обеспечивает оптимальный режим работы транзисторов и необходимые параметры усиления.
Преимущества двухкаскадной схемы усилителя
Использование двухкаскадной схемы на разнотипных транзисторах дает ряд важных преимуществ:
- Большой коэффициент усиления при простой схеме
- Широкая полоса пропускания усилителя
- Низкий уровень искажений сигнала
- Хорошая температурная стабильность
- Возможность работы с низким напряжением питания
- Простота настройки и отладки
Эти качества делают двухкаскадные транзисторные усилители оптимальным выбором для многих практических применений.
Области применения двухтранзисторных усилителей
Двухкаскадные транзисторные усилители находят широкое применение в различных областях электроники и радиотехники:
- Предварительные усилители звуковой частоты
- Усилители для головных телефонов и наушников
- Усилители сигналов с микрофонов и датчиков
- Драйверы для светодиодов и других маломощных нагрузок
- Усилители промежуточной частоты в радиоприемниках
- Усилители в измерительных приборах
Простота конструкции в сочетании с хорошими параметрами делает такие усилители популярными в любительской практике и учебных целях.
Как рассчитать параметры двухкаскадного усилителя
Расчет и проектирование двухкаскадного транзисторного усилителя включает следующие основные этапы:
- Выбор рабочей точки транзисторов по постоянному току
- Расчет резисторов в цепях базы и коллектора
- Определение емкостей разделительных конденсаторов
- Расчет коэффициента усиления каскадов
- Оценка частотных свойств усилителя
При расчете используются справочные параметры выбранных транзисторов и требования к характеристикам усилителя. Важно обеспечить стабильность рабочей точки и отсутствие искажений сигнала.
Настройка и отладка двухтранзисторного усилителя
После сборки схемы двухкаскадного транзисторного усилителя необходимо выполнить его настройку и отладку. Основные этапы этого процесса:
- Проверка правильности монтажа и отсутствия замыканий
- Измерение напряжений на электродах транзисторов
- Подстройка токов покоя транзисторов
- Проверка коэффициента усиления усилителя
- Измерение частотной характеристики
- Оценка уровня нелинейных искажений
При необходимости выполняется корректировка номиналов элементов схемы для получения требуемых параметров усилителя. Правильная настройка обеспечивает стабильную работу устройства.
Типовые неисправности двухкаскадных усилителей
При эксплуатации двухкаскадных транзисторных усилителей могут возникать различные неисправности. Наиболее распространенные из них:
- Отсутствие усиления или низкий коэффициент усиления
- Сильные искажения выходного сигнала
- Самовозбуждение усилителя
- Повышенный уровень шумов
- Нестабильность усиления при изменении температуры
Причинами неисправностей могут быть выход из строя транзисторов, нарушение контактов, изменение параметров элементов схемы. Важно правильно локализовать и устранить неисправность для восстановления работоспособности усилителя.
Модификации схемы двухкаскадного усилителя
Базовая схема двухкаскадного транзисторного усилителя допускает различные модификации для улучшения характеристик:
- Введение общей отрицательной обратной связи для стабилизации параметров
- Использование эмиттерной термокомпенсации
- Применение составных транзисторов для повышения усиления
- Добавление цепей частотной коррекции
- Схемы с параллельным включением транзисторов для увеличения мощности
Модификации позволяют адаптировать базовую схему под конкретные требования и условия применения усилителя. При этом сохраняются основные преимущества двухкаскадной топологии.
Транзисторный усилитель класса А своими руками / Хабр
На Хабре уже были публикации о DIY-ламповых усилителях, которые было очень интересно читать. Спору нет, звук у них чудесный, но для повседневного использования проще использовать устройство на транзисторах. Транзисторы удобнее, поскольку не требуют прогрева перед работой и долговечнее. Да и не каждый рискнёт начинать ламповую сагу с анодными потенциалами под 400 В, а трансформаторы под транзисторные пару десятков вольт намного безопаснее и просто доступнее.
В качестве схемы для воспроизведения я выбрал схему от John Linsley Hood 1969 года, взяв авторские параметры в расчёте на импеданс своих колонок 8 Ом.
Классическая схема от британского инженера, опубликованная почти 50 лет назад, до сих пор является одной из самых воспроизводимых и собирает о себе исключительно положительные отзывы. Этому есть множество объяснений:
— минимальное количество элементов упрощает монтаж. Также считается, что чем проще конструкция, тем лучше звук;
— несмотря на то, что выходных транзисторов два, их не надо перебирать в комплементарные пары;
— выходных 10 Ватт с запасом хватает для обычных человеческих жилищ, а входная чувствительность 0.
5-1 Вольт очень хорошо согласуется с выходом большинства звуковых карт или проигрывателей;
Внутренний дизайн
Усилитель начинается с питания. Разделение двух каналов для стерео правильнее всего вести уже с двух разных трансформаторов, но я ограничился одним трансформатором с двумя вторичными обмотками. После этих обмоток каждый канал существует сам по себе, поэтому надо не забывать умножать на два всё упомянутое снизу. На макетке делаем мосты на диодах Шоттки для выпрямителя.
Можно и на обычных диодах или даже готовых мостах, но тогда их необходимо шунтировать конденсаторами, да и падение напряжения на них больше. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Если взять меньше и ёмкость, и резистор, то CRC-фильтр станет дешевле и меньше греться, но увеличатся пульсации, что не комильфо.
Далее переходим к самой плате усилителя. В интернет-магазинах продаётся куча готовых китов, однако не меньше и жалоб на качество китайских компонентов или безграмотных разводок на платах. Поэтому лучше самому, под свою же «рассыпуху». Я сделал оба канала на единой макетке, чтобы потом прикрепить её ко дну корпуса. Запуск с тестовыми элементами:
Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах, об этом чуть ниже. К авторской схеме из оригинальной статьи нужно сделать такие ремарки:
— не всё нужно сразу впаивать намертво. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением.
— не исключено, что в порядке эксперимента захочется сравнить звучание разных транзисторов, поэтому для них тоже можно оставить возможность удобной замены.
Я попробовал на входе 2N3906, КТ361 и BC557C, была небольшая разница в пользу последнего. В предвыходных пробовались КТ630, BD139 и КТ801, остановился на импортных. Хотя все вышеперечисленные транзисторы очень хороши, и разница может быть скорее субъективной. На выходе я поставил сразу 2N3055 (ST Microelectronics), поскольку они нравятся многим.
— при регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. По Сети ещё гуляет русская картинка-схема «Ультралинейный усилитель класса А», где этот конденсатор вообще предложен как 0.1 мкф, что чревато срезом всех басов под 90 Гц:
— пишут, что эта схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф.
— предохранители, их можно и нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
— очень уместным будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.
Слесарно-столярное
Теперь о традиционно самой сложной части в DIY — корпусе. Габариты корпуса задаются радиаторами, а они в классе А должны быть большими, помним про 30 Ватт тепла с каждой стороны. Сначала я недоучёл эту мощность и сделал корпус со средненькими радиаторами 800см² на канал. Однако при выставленном токе покоя 1.2А они нагрелись до 100°С уже за 5 минут, и стало ясно, что нужно нечто помощнее. То есть нужно либо ставить радиаторы побольше, либо использовать кулеры. Делать квадрокоптер мне не хотелось, поэтому были куплены гигантские красавцы HS 135-250 площадью 2500 см² на каждый транзистор. Как показала практика, такая мера оказалась немного избыточной, зато теперь усилитель спокойно можно трогать руками – температура равна лишь 40°С даже в режиме покоя. Некоторой проблемой стало сверление отверстий в радиаторах под крепления и транзисторы – изначально купленные китайские свёрла по металлу сверлили крайне медленно, на каждую дырку уходило бы не менее получаса.
На помощь пришли кобальтовые свёрла с углом заточки 135° от известного немецкого производителя — каждое отверстие проходится за несколько секунд!
Сам корпус я сделал из оргстекла. Заказываем у стекольщиков сразу нарезанные прямоугольники, выполняем в них необходимые отверстия для креплений и красим с обратной стороны чёрной краской.
Покрашенное с обратной стороны оргстекло смотрится очень красиво. Теперь остаётся только всё собрать и наслаждаться музы… ах да, при окончательной сборке ещё важно для минимизации фона правильно развести землю. Как было выяснено за десятилетия до нас, C3 нужно присоединять к сигнальной земле, т.е. к минусу входа-входа, а все остальные минуса можно отправить на «звезду» возле конденсаторов фильтра. Если всё сделано правильно, то никакого фона не расслышать, даже если на максимальной громкости поднести ухо к колонке. Ещё одна «земляная» особенность, которая характерна для звуковых карт, не развязанных с компьютером гальванически – это помехи с материнки, которые могут пролезть через USB и RCA.
Судя по интернету, проблема встречается часто: в колонках можно услышать звуки работы HDD, принтера, мышки и фон БП системника. В таком случае проще всего разорвать земляную петлю, заклеив изолентой заземление на вилке усилителя. Опасаться тут нечего, т.к. останется второй контур заземления через компьютер.
Регулятор громкости на усилителе я не стал делать, поскольку достать какой-нибудь качественный ALPS не удалось, а шуршание китайских потенциометров мне не понравилось. Вместо него был установлен обычный резистор 47 кОм между «землёй» и «сигналом» входа. Тем более регулятор у внешней звуковой карты всегда под рукой, да и в каждой программе тоже есть ползунок. Регулятора громкости нет только у винилового проигрывателя, поэтому для его прослушивания я приделал внешний потенциометр к соединительному кабелю.
Я угадаю этот контейнер за 5 секунд…
Наконец, можно приступать к прослушиванию. В качестве источника звука используется Foobar2000 → ASIO → внешняя Asus Xonar U7.
Колонки Microlab Pro3. Главное достоинство этих колонок — это отдельный блок собственного усилителя на микросхеме LM4766, который можно сразу убрать куда-то подальше. Намного интереснее с этой акустикой звучали усилок от мини-системы Panasonic с гордой надписью Hi-Fi или усилитель советского проигрывателя Вега-109. Оба вышеупомянутых аппарата работают в классе АВ. Представленный в статье JLH переиграл всех вышеперечисленных товарищей в одну калитку, по результатам слепого теста для 3 человек. Хотя разницу было слышно невооружённым ухом и без всяких тестов – звук явно детальнее и прозрачнее. Весьма легко, например, услышать различие между MP3 256kbps и FLAC. Раньше я думал, что эффект lossless больше как плацебо, но теперь мнение изменилось. Аналогичным образом гораздо приятнее стало слушать нескомпрессованые от loudness war файлы — dynamic range меньше 5 Дб вообще не айс. Линсли-Худ стоит затрат времени и денег, ибо аналогичный брендовый усилок будет стоить намного дороже.
Материальные затраты
Трансформатор 2200 р.
Выходные транзисторы (6 шт. с запасом) 900 р.
Конденсаторы фильтра (4 шт) 2700 р.
«Рассыпуха» (резисторы, мелкие конденсаторы и транзисторы, диоды) ~ 2000 р.
Радиаторы 1800 р.
Оргстекло 650 р.
Краска 250 р.
Разъёмы 600 р.
Платы, провода, серебряный припой и пр. ~1000 р.
ИТОГО ~12100 р.
Простой УМЗЧ на комплементарных составных транзисторах, схема и настройка.
Как увеличить мощность легендарного транзисторного усилителя мощности JLH Джона Линсли Худа без потери естественности и
прозрачности звучания?
Ответ не сложен — трепетно сберечь схемотехническую простоту УНЧ и озаботиться сохранением максимально короткой и неглубокой
отрицательной обратной связи! Ну и естественным образом, обеспечить работу усилителя в режиме, максимально близком к классу А.
Озадачился этим вопросом и уважаемый Г. Попцов, опубликовавший в журнале Радиоконструктор №1-2016 схему аудио усилителя мощности на
комплементарных транзисторах TIP112, TIP117, обеспечивающую 20Вт выходной мощности при однополярном напряжении питания +40В.
Ознакомимся со статьёй:
ПРОСТОЙ УМЗЧ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Обычно, если требуется сделать УНЧ «по быстрому» и «без лишних деталей» радиолюбители обращают свои взоры на микросхемы —
интегральные УМЗЧ. При таком подходе — положительный результат проявляется сразу при минимуме деталей и времени на сборку.
Однако, УМЗЧ «по быстрому» и относительно «без лишних деталей», можно сделать и без микросхем, используя мощные разноструктурные
транзисторы Дарлингтона TIP112 и TIP117. Получится очень простой усилитель, всего на трех транзисторах, развивающий выходную мощность до
20W при питании от однополярного источника напряжением 40V.
Параметры усилителя:
1. Диапазон рабочих частот 30-200000 Гц.
2. КНИ в диапазоне рабочих частот — не более 0,2% при Pвых 10W на нагрузке 8 Ом.
3. Максимальная выходная мощность при КНИ не более 1% — 22W на нагрузке 8 Ом.
4. Максимальная выходная мощность возникает при уровне входного сигнала 1,2V.
Принципиальная схема УМЗЧ на TIP112 и TIP117 показана на рисунке. Входной сигнал поступает через цепь C1-R1 на первый каскад на
транзисторе VT1. Сигнал с его коллектора поступает на выходной каскад на комплементарной паре мощных транзисторов Дарлингтона VT2 и VТ3,
соответственно TIP112 и TIP117.
Для создания напряжения смещения на базах этих транзисторов с целью устранения искажений типа «ступенька» и термостабилизации включена
между их базами цепь из диодов VD1-VD3 в прямом направлении по току и дополнительного корректирующего резистора R6.
Рис.1. Принципиальная схема УНЧ на транзисторах TIP112, TIP117 с выходной мощностью 20Вт.
ДЕТАЛИ И НАЛАЖИВАНИЕ
Напряжение смещения на базу транзистора VT1 поступает с выхода УНЧ, с точки соединения эмиттеров VT2 и VT3 через резисторы R3 и R4.
В процессе налаживания подстройкой резистора R4 нужно на эмиттерах VТ2 и VT3 установить постоянное напряжение, равное половине
напряжения питания.
Конденсатор С1 должен быть на напряжение не ниже 25V, С2 — не ниже 50V, С3 — не ниже 50V, С4 — не ниже 10V, С5 не ниже 60V, С6 —
не ниже 60V. Выходные транзисторы должны быть установлены на радиаторах, обеспечивающих их эффективное охлаждение.
Попцов Г. РК-2016-01.
Схема получилась хорошей, однако есть нюансы:Ясен хулахуп, что одной регулировкой уровня постоянного выходного напряжения нам обойтись не удастся — необходима установка тока покоя выходных транзисторов (VТ2 и VT3).
Как выяснилось, в данном схемотехническом построении существует оптимальная величина этого тока, при превышении либо понижении которого — резко увеличиваются нелинейные искажения. Причём ток этот необходимо устанавливать определённой величины для различных сопротивлений нагрузки:
1,5А — для 4-омной нагрузки,
1А — для 6-омной,
0,7А — для 8-омной.
Поэтому — вместо R6 следует впаять переменный резистор номиналом 330.
..470 Ом и посредством него установить ток покоя выходных
транзисторов на указанном уровне.
Ну, вроде и всё! А на следующей странице полюбуемся на схему ещё одного легендарного усилителя из 70-ых — УМЗЧ HITACHI с выходным каскадом на полевых транзисторах.
Схема двухтранзисторного аудиоусилителя