Как работает усилитель класса А. Какие преимущества и недостатки у этого типа усилителей. Какие схемы усилителей класса А существуют. Почему усилители класса А обеспечивают высокое качество звука.
Принцип работы усилителя класса А
Усилитель класса А — это тип усилителя, в котором выходной элемент (транзистор или лампа) работает в активном режиме на протяжении всего периода входного сигнала. Это означает, что через выходной элемент постоянно протекает ток, даже при отсутствии входного сигнала.
Основные особенности работы усилителя класса А:
- Рабочая точка выходного элемента находится примерно посередине линейного участка его характеристики
- Выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала (угол отсечки 360°)
- Отсутствуют искажения, связанные с переходом через нуль
- Очень низкие нелинейные искажения
- Высокая линейность усиления
Благодаря этим особенностям усилители класса А обеспечивают наиболее точное усиление сигнала с минимальными искажениями. Однако платой за это является низкий КПД, обычно не превышающий 25-30%.
Схемы усилителей класса А
Существует несколько основных схем построения усилителей класса А:
Однотактная схема с резистивной нагрузкой
Это простейшая схема усилителя класса А. Она содержит один выходной транзистор, в цепь коллектора которого включен резистор нагрузки. Недостатком является низкий КПД, не превышающий 25%.
Однотактная схема с трансформаторной связью
В этой схеме вместо резистора используется первичная обмотка выходного трансформатора. Это позволяет повысить КПД до 50% теоретически. На практике достигается КПД около 40%.
Двухтактная схема
Содержит два выходных транзистора, работающих в противофазе на общую нагрузку. Позволяет получить высокую выходную мощность. КПД может достигать 50%.
Преимущества усилителей класса А
Основные достоинства усилителей класса А:
- Очень низкий уровень нелинейных искажений (менее 0,1%)
- Отсутствие искажений при прохождении сигнала через ноль
- Высокая линейность усиления во всем диапазоне сигнала
- Отличная передача микродинамики звукового сигнала
- Простота схемотехники
Благодаря этим качествам усилители класса А обеспечивают наиболее естественное и комфортное для слуха звучание. Они отлично передают тембры инструментов, атмосферу записи, мельчайшие нюансы исполнения.
Недостатки усилителей класса А
Основные недостатки усилителей класса А:
- Низкий КПД (25-30% для однотактных схем)
- Большое тепловыделение
- Необходимость в мощном источнике питания
- Большие габариты и масса
- Высокая стоимость
Из-за этих недостатков усилители класса А редко используются в массовой аппаратуре. Их применение ограничено высококачественными Hi-Fi и High-End системами, где качество звучания важнее экономичности.
Применение усилителей класса А
Несмотря на недостатки, усилители класса А находят применение в следующих областях:
- Высококачественные стационарные Hi-Fi системы
- Студийное оборудование (мониторные усилители, микрофонные предусилители)
- High-End аудиотехника
- Лабораторные измерительные усилители
- Предварительные каскады усиления в различной аппаратуре
В этих применениях высокое качество звука и линейность усиления важнее, чем экономичность и габариты.
Сравнение усилителей класса А с другими типами
По сравнению с усилителями других классов, усилители класса А имеют следующие особенности:
- Более низкий уровень искажений, чем у усилителей классов AB и B
- Лучшая линейность усиления, чем у классов AB и B
- Более естественное звучание по сравнению с классом D
- Меньшая выходная мощность, чем у аналогичных по габаритам усилителей других классов
- Более высокая стоимость по сравнению с другими типами усилителей
При этом по качеству звучания усилители класса А превосходят усилители других типов, что делает их выбором аудиофилов и профессионалов.
Особенности конструкции усилителей класса А
При разработке усилителей класса А необходимо учитывать следующие особенности:
- Требуется мощный и хорошо стабилизированный источник питания
- Необходимо обеспечить эффективный теплоотвод от выходных транзисторов
- Желательно использовать высококачественные компоненты (транзисторы, конденсаторы, резисторы)
- Важна тщательная настройка режимов работы каскадов
- Требуется экранирование чувствительных цепей для снижения наводок
Соблюдение этих требований позволяет реализовать все преимущества усилителей класса А и получить высочайшее качество звучания.
Перспективы развития усилителей класса А
Несмотря на недостатки, усилители класса А продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:
- Применение новых полупроводниковых материалов для снижения энергопотребления
- Использование более эффективных схем теплоотвода
- Оптимизация схемотехники для повышения КПД
- Внедрение цифровых методов коррекции искажений
- Комбинирование с элементами других классов усиления
Эти меры позволят сохранить преимущества усилителей класса А, уменьшив их недостатки. Это обеспечит им применение в аудиотехнике высшего класса и в будущем.
Практичность правит миром или усилители класса «АВ»
10.09.2019
Класс АВ — это тот тип усилителей, который до недавнего времени применялся в Hi-Fi-аппаратуре в разы чаще, чем любой другой.
Сейчас над ним уже нависла угрожающая тень усилителей класса D, занимающих все большую долю рынка Hi-Fi, но пока модели класса АВ по-прежнему в большинстве и сдаваться так легко они не собираются. В классе АВ могут работать как ламповые, так и транзисторные схемы, но если говорить об абсолютном большинстве класс АВ ассоциируется скорее с эпохой транзисторного Hi-Fi.
Принцип работы
Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А.
Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.
Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».
Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.
Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.
Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.
Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.
На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.
Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.
Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект.
При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.
+ Плюсы +
Рассматривать достоинства и недостатки класса АВ имеет смысл на фоне двух исходных технологий. Класс АВ однозначно и существенно выигрывает у класса А по энергоэффективности. Его реальный КПД достигает 70–80%, если конечно производитель не сильно увлекся поднятием тока покоя. С точки зрения звучания класс АВ превосходит класс А в те моменты, когда сигнал достигает высокой амплитуды или требуется высокая мощность. В то же время на малых уровнях громкости
Имея большую мощность и лучшую энергоэффективность, усилители класса АВ куда менее капризны при выборе акустики. Они не нуждаются в высокой чувствительности и легче уживаются со сложными кроссоверами, используемыми в многополосных колонках. Вполне справедливо будет заявить, что подавляющее большинство пассивных акустических систем выпускаемых сегодня на рынок рассчитаны на работу со среднестатистическим транзисторным усилителем класса АВ.
— Минусы —
Объективные минусы у класса АВ можно разглядеть только на фоне еще более совершенных с технической точки зрения классов G, H или D, о которых мы расскажем чуть позже. В список претензий можно отнести разве что субъективные отзывы от ценителей класса А, которые, в целом, сводятся к тому, что класс АВ звучит не столь чисто, детально и изысканно. Чтобы оценить обоснованность данных претензий, рассмотрим схемотехнику усилителей класса АВ более детально, с точки зрения качества звучания.
* Особенности *
Одной из практических проблем усилителей класса В и АВ является подбор пар транзисторов, работающих в одном канале усиления. Располагаясь в схеме зеркально, два транзистора должны быть полностью идентичны друг другу. В противном случае, сигналы положительной и отрицательной полуволн будут воспроизводиться не симметрично, и это существенно повысит общий уровень искажений.
В реальной жизни абсолютная идентичность — понятие абстрактное, скорее имеет смысл рассуждать о степени похожести или, говоря техническим языком, о пределах допустимых отклонений транзисторов от заданных характеристик. Чем более похожи два транзистора друг на друга, тем меньше уровень искажений, и тем больше их совместная работа приближается к тому, что мы имеем в классе А, когда обе полуволны воспроизводит один транзистор.
Понимая, что даже при самом строгом отборе по параметрам отличия между двумя транзисторами в паре все же будут иметь место (пусть и в предельно малых значениях), мы вынуждены признать, что при прочих равных условиях один такой же транзистор работающий в классе А будет звучать чуть чище и чуть лучше, чем пара в классе АВ.
Совсем иная ситуация вырисовывается, когда речь заходит о работе на большой амплитуде сигнала и на нагрузке требующей высокой мощности. Имея высокий КПД класс АВ нуждается в менее мощном и громоздком блоке питания, нежели усилитель класса А, и тут уже поклонники однотактников вынуждены признать абсолютное и безоговорочное превосходство класса АВ.
Более того, разработчики имеют возможность гораздо свободнее экспериментировать с блоками питания, управляя характером и динамикой звучания путем подбора рабочих характеристик трансформатора и конденсаторов. Например, можно установить трансформатор с многократным запасом мощности, чтобы на пиках сигнала он не выходил из оптимального режима работы, или использовать улучшенные конденсаторы, способные мгновенно отдавать высокий ток.
Еще одна тонкость: работая в классе А, транзисторы выделяют большое количество тепла, что может негативно сказываться на качестве их работы, особенно при увеличении нагрузки.
В классе АВ транзисторы греются в меньшей степени, вследствие чего они быстро приходят в рабочий режим и менее подвержены риску перегрева, снижающего качество звучания при работе усилителя на высокой громкости.
Практика
Защищать честь усилителей класса АВ в сравнительном прослушивании было уготовано мощному двухблочному усилителю Atoll серии Signature, состоящему из усилителя мощности AM200 и предварительного усилителя PR300. Интересующий нас усилитель мощности выстроен в полном соответствии с изложенными выше теоретическими выкладками.
Реализуя потенциал, заложенный в схемотехнике класса АВ, разработчики обеспечили по 120 Вт выходной мощности на канал, чего достаточно для большинства акустических систем за исключением самых низкочувствительных и просто монструозных моделей. Говоря об особенностях своего усилителя, производитель акцентирует внимание на применении подобранных пар транзисторов с последующей подстройкой схемы вручную для минимизации общего уровня искажений.
С целью лучшего разделения каналов и исключения перекрестных помех усилитель выстроен по схеме полного двойного моно, поэтому каждый канал усиления получил собственный блок питания. Суммарная мощность блока питания составляет 670 ВА, что покрывает потребности усилителя мощностью 120 Вт с большим запасом. Солидную дополнительную подпитку на пиках сигнала обеспечат конденсаторы емкостью 62 000 мкФ.
Звук
Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.
В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом.
Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.
Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно. Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии.
Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален.
Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.
Выводы
Высокая мощность, высокий КПД с умеренным тепловыделением, способность справляться со сложной нагрузкой и хорошая динамика — вот что такое усилитель класса АВ. Это делает его, в первую очередь, идеальным решением для массового производства усилителей, что подтверждает сама история развития индустрии Hi-Fi.
Однако крайне ошибочно руководствоваться стереотипным мнением о том, что массовый универсальный продукт и продукт элитный должны быть непременно вылеплены из разного теста. При должном внимании к деталям и глубоком понимании принципов работы данная схемотехника может быть реализована на самом высоком уровне качества. Так что сегодня High End-усилитель, работающий в классе AB — такая же обыденность, как и хайэндный усилитель, работающий в любой другой схемотехнике.
Источник: stereo & video
Транзисторный биполярно-полевой УМЗЧ класса А (20
Колин Вонфор, занимающийся проектированием ламповых одно-тактных УНЧ с начала 70-х, отмечая высокое качество звучания, все же пришел к выводу, что они не вполне соответствуют идеалу меломана.
Примечание. Основная причина этого— недостаточная выходная мощность, обычно не превышающая 20 Вт, что не позволяет в полной мере ощутить динамику звука, особенно при использовании акустических систем с чувствительностью менее 90 дБ.
Наращивание мощности упирается в огромные (даже по сравнению с трансформаторами аналогичной мощности, но двухтактных ламповых УНЧ) габариты и массу выходного трансформатора, а также довольно короткий ресурс ламп, загнанных для получения сколь-нибудь приемлемой выходной мощности в весьма напряженный режим.
Принципиальная схема
Пятнадцатилетние эксперименты позволили ему создать транзисторный биполярно-полевой УНЧ класса А (рис.
1), свободный от перечисленных недостатков и в то же время обеспечивающий по уверениям автора «просто фантастический» звук. Без изменения схемы 5 вариантов выходного каскада позволяют создавать ряд УНЧ мощностью от 20 до 300 Вт.
Первый каскад — дифференциальный на транзисторах ТгЗ, Тг4 с генератором тока Тг6, Тг8 в эмиттерной цепи. Второй каскад — усилитель напряжения на Tr1 — нагружен на усовершенствованное токовое зеркало Тг9—Tr11 и эмиттерный повторитель Тг2.
Tr11 и Тг10 одновременно выполняют функцию генератора стабильного тока для эмиттерной цепи Тг2, таким образом, все транзисторы работают в режиме класса А.
Выходной каскад также работает в классе А и выполнен на полевом транзисторе Тг1З с генератором стабильного тока на составном биполярном транзисторе Тг7 в цепи истока.
Транзистор Тг5 с сенсором тока R10 защищают Тг1З от токовых перегрузок при К.З. нагрузки, a Trl2-R15-R16 задают начальный ток выходного каскада.
В самом маломощном 20-ваттном варианте выходная ступень состоит из 5 соединенных параллельно выходных каскадов (каждый из них содержит «собственные» Тг5, Тг7, Тг12, ТгІЗ с соответствующим резисторным обрамлением), подключаемых к основной схеме в точках Lk3, Lk4, Lk5, Lk6, Lk7.
Рис. 1. Схема транзисторного биполярно-полевого усилителя мощности класса А, 20-300 Ватт.
При этом ток каждого из 5 транзисторов ТгІЗ устанавливается индивидуальным резистором R15, а резистор R3 — общий для каждой пятерки выходных каскадов. После установки токов выходных каскадов и получасового прогрева резистором R11 устанавливают «О» на выходе.
Детали
Примечание. Как и любой усилитель класса А, устройство требует высококачественного блока питания.
Для 300-ваттного варианта суммарная емкость конденсаторов фильтра основного (+ѵе НТ и -ѵе НТ) выпрямителя должна быть не менее 120000 + 120000 мкФ, а отдельный выпрямитель для питания каскадов раскачки (НТ +15 В, здесь обозначение +15 В означает не 15-вольтовое напряжение, а превышение напряжения питания оконечной ступени на 15 В) — 10000 мкФ.
Режимы и количество мощных каскадов в выходной ступени указаны в табл. 1. Типы активных и номиналы пассивных элементов для 5 вариантов усилителя мощностью 20, 50,100, 200 и 300 Вт указаны в табл.
2.
Таблица 1. Режимы и количество мощных каскадов в выходной ступени.
Типы активных и номиналы пассивных элементов для 5 вариантов усилителя мощностью 20,50, 100,200 и 300 Вт
| Вариант | 20 Вт | 50 Вт | 100 Вт | 200 Вт | 300 Вт |
| Tr1 | BD140 | BD140 | BD956 | 2SA968 | MJE350 |
| Тг9 | BD139 | BD139 | BD955 | 2SC2238 | MJE340 |
| Тг2 | TIP29C | TIP29C | 2SC2238C | 2SC2238 | ТІР47 |
| Тг10 | TIP29C | TIP29C | 2SC2238C | 2SC2238 | ТІР47 |
| ТгЗ | 2SC2547 | 2SC2547 | 2SC3467D | 2SC3467D | 2SC3467D |
| Тг4 | 2SC2547 | 2SC2547 | 2SC3467D | 2SC3467D | 2SC3467D |
| Тг6,8,11 | 2SC2547 | 2SC2547 | 2SC3467D | 2SC3467D | 2SC3467D |
| Тг12,5 | ZTX450 | ZTX450 | ZTX450 | ZTX450 | ZTX450 |
| R6 feedback | 18к | 28к | 39к | 47к | 47к |
Коэфф. усил. |
19 | 29 | 40 | 48 | 48 |
| R16 | 0.42 | 0.83 | 0.94 | 1.02 | 1.24 |
| R10 | 0.21 | 0.42 | 0.48 | 0.52 | 0.63 |
| R3 | Зк9 | 6к2 | 9к1 | 12к | 15к |
| R3 (Вт) | 0.103 | 0.145 | 0.223 | 0.300 | 0.375 |
Каждая пятерка транзисторов (Тг7, Тг1З) выходного каскада установлена на индивидуальном пластинчатом радиаторе размером 300×300 мм, расположенном на расстоянии 40 мм от других. АЧХ усилителя линейна в диапазоне от 10 Гц до 65 кГц, коэффициент гармоник 0,01% .
Литература: Сухов Н. Е. — Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками.
19
7614
Ламповые усилители (УНЧ)
- Fender Tweed Deluxe — схема двухтактного усилителя на лампах 6V6
- Fender Bassman model 5F6-A — двухтактный ламповый усилитель (5881)
- Fender Bassman model 5F6 — двухтактный ламповый усилитель на 5881
- Трехламповый приемник с постоянной обратной связью (1К1П, 2П1П)
— Теория | Модель
Усилитель мощности класса А.
Усилитель мощности класса А представляет собой тип усилителя мощности, в котором выходной транзистор постоянно включен, а выходной ток течет в течение всего цикла формы входного сигнала. Усилитель мощности класса А является самой простой из всех конфигураций усилителей мощности. Они обладают высокой точностью воспроизведения и полностью невосприимчивы к кроссоверным искажениям. Несмотря на то, что усилители мощности класса А имеют несколько хороших характеристик, они не являются лучшим выбором из-за их низкой эффективности. Поскольку активные элементы (транзисторы) постоянно смещены в прямом направлении, через них будет протекать некоторый ток, даже если входной сигнал отсутствует, и это основная причина неэффективности. Выходные характеристики усилителя мощности класса А показаны на рисунке ниже.
Из приведенного выше рисунка видно, что точка Q расположена точно в центре линии нагрузки постоянного тока, а транзистор проводит в каждой точке входного сигнала.
Теоретический максимальный КПД усилителя мощности класса А составляет 50%. В практическом сценарии с емкостной связью и индуктивными нагрузками (громкоговорители) эффективность может снизиться до 25%. Это означает, что 75% мощности, потребляемой усилителем из линии питания, тратится впустую. Большая часть потребляемой мощности теряется в виде тепла на активных элементах (транзисторах). В результате даже для усилителя мощности класса А средней мощности требуется большой источник питания и большой радиатор.
Цепь усилителя мощности класса А.
Принципиальная схема двухкаскадного несимметричного усилителя мощности класса А показана выше. R1 и R2 — резисторы смещения. Они образуют цепь делителя напряжения, которая подает на базу транзистора напряжение на 0,7 В выше, чем «отрицательное максимальное амплитудное колебание» входного сигнала. Это причина того, что транзистор открыт независимо от амплитуды входного сигнала. Конденсатор Cin является входным развязывающим конденсатором, который удаляет составляющие постоянного тока, присутствующие во входном сигнале.
Если Cin отсутствует, а во входном сигнале есть составляющие постоянного тока, эти составляющие постоянного тока будут напрямую связаны с базой транзистора и обязательно изменят условия смещения.
Rc — сопротивление коллектора, а Re — сопротивление эмиттера. Их значение выбирается таким образом, чтобы ток коллектора находился на желаемом уровне, а рабочая точка располагалась в центре линии нагрузки при нулевом сигнале. Размещение рабочей точки как можно ближе к центру линии нагрузки очень важно для работы усилителя без искажений. Cc — это конденсатор связи, который соединяет два каскада вместе. Его функция заключается в блокировании прохождения компонентов постоянного тока с первой ступени на вторую.
Ce — эмиттерный обходной конденсатор, функция которого заключается в обходе компонентов переменного тока эмиттерного тока во время работы усилителя. Если Ce нет, компоненты переменного тока будут падать на эмиттерный резистор, что приведет к уменьшению усиления (дегенеративная обратная связь).
Самое простое объяснение состоит в том, что дополнительное падение напряжения на Re будет добавлено к напряжению база-эмиттер, а это означает, что для прямого смещения транзистора требуется дополнительное прямое напряжение.
Cout — выходной конденсатор связи, соединяющий выход с нагрузкой (громкоговорителем). Cout блокирует поступление компонентов постоянного тока второй ступени в нагрузку (громкоговоритель). Конденсаторы связи Cout, Cin и Cc ухудшают низкочастотную характеристику усилителя. Это связано с тем, что эти конденсаторы образуют фильтры верхних частот в сочетании с входным сопротивлением последующих каскадов, что приводит к ослаблению низкочастотных составляющих. Формы входных и выходных сигналов двухкаскадного усилителя на RC-паре показаны на рисунке ниже.
Преимущества усилителя мощности класса А.
- Конструкция класса А является самой простой.
- Высокая точность, поскольку входной сигнал будет точно воспроизводиться на выходе.
- Поскольку активное устройство постоянно включено, для включения не требуется время, что улучшает высокочастотную характеристику.
- Поскольку активное устройство проводит весь цикл входного сигнала, не будет перекрестного искажения. Несимметричная конфигурация
- может быть практически реализована в усилителе класса А. Несимметричный означает, что в выходном каскаде имеется только одно активное устройство (транзистор).
Недостатки усилителя мощности класса А.
- Основной недостаток — низкий КПД.
- Действия по повышению эффективности, такие как трансформаторная связь и т. д., влияют на частотную характеристику.
- Мощные усилители мощности класса А дороги и громоздки из-за большого блока питания и радиатора.
Усилитель мощности класса А с трансформаторной связью.
Усилитель, в котором нагрузка соединена с выходом с помощью трансформатора, называется усилителем с трансформаторной связью. Используя трансформаторную связь, можно значительно повысить эффективность усилителя. Трансформатор связи обеспечивает хорошее согласование импеданса между выходом и нагрузкой, и это основная причина повышения эффективности.
Согласование импеданса означает приведение выходного импеданса усилителя в соответствие с входным импедансом нагрузки, что является важным критерием для передачи максимальной мощности. Принципиальная схема типичного однокаскадного усилителя класса А показана на принципиальной схеме ниже.
Согласование импеданса может быть достигнуто путем выбора количества витков первичной обмотки таким образом, чтобы ее полное полное сопротивление было равно выходному сопротивлению транзисторов, и выбора количества витков вторичной обмотки таким образом, чтобы ее полное полное сопротивление было равно входному сопротивлению громкоговорителей.
Преимущества усилителя с трансформаторной связью.
- Основным преимуществом является повышение эффективности.
- Обеспечивает хорошую изоляцию постоянного тока, так как нет физической связи между выходом усилителя и нагрузкой. Звуковые сигналы передаются с одной стороны на другую благодаря индукции.
Недостатки усилителя с трансформаторной связью.
- Немного сложно сделать/найти точно подходящий трансформатор. Трансформаторы
- громоздки, что увеличивает стоимость и размер усилителя.
- Обмотка трансформатора не оказывает сопротивления постоянному току. Если на выходе усилителя присутствуют какие-либо компоненты постоянного тока, они протекут через первичную обмотку и насытят сердечник. Это приведет к уменьшению действия трансформатора.
- Трансформаторная связь снижает низкочастотную характеристику усилителя.
- Трансформаторная связь вызывает гудение на выходе.
- Трансформаторная муфта может использоваться только для небольших нагрузок.
Двухтактная схема усилителя — схемы усилителей классов A, B и AB
Транзисторная двухтактная схема представляет собой электронную схему, в которой используются активные устройства, соединенные определенным образом, которые при необходимости попеременно подают ток и потребляют от подключенной нагрузки.
Он используется для подачи большой мощности на нагрузку. Он также известен как Двухтактный усилитель и в схемах TTL (Transistor Transistor Logic) он называется « Totem Pole Output » на основе транзисторов, диодов и резисторов.
Сервоусилители широко используются из-за особой характеристики, которая позволяет им передавать энергию на нагрузку или даже иногда поглощать мощность от нагрузки. Хотя использование этих компонентов обширно, первым выбором, когда дело доходит до подачи питания на них, является двухтактная транзисторная схема.
Он состоит из двух транзисторов, один из которых NPN, а другой PNP. Один транзистор выталкивает выход на положительном полупериоде, а другой тянет на отрицательном полупериоде, отсюда и название двухтактного усилителя. Основным преимуществом этой транзисторной схемы является отсутствие рассеивания мощности на выходном транзисторе при отсутствии сигнала. Существует три типа двухтактных усилителей, но обычно 9Усилитель 0080 класса B считается двухтактным усилителем.
Существует множество типов схем двухтактных усилителей, но мы рассмотрим следующие, относящиеся к схемам двухтактных усилителей:
- Усилитель класса А
- Усилитель класса B
- Усилитель класса AB
Содержание
Усилитель класса АСреди трех конфигураций двухтактного усилителя наиболее распространенной является конфигурация класса А. Он состоит только из одного переключающего транзистора, который постоянно включен. Он устроен так, что дает на выходе минимальные искажения и максимальную амплитуду сигнала.
КПД усилителя класса А очень низкий и колеблется около 30%. Усилитель класса А пропускает через себя ток нагрузки даже при отсутствии входного сигнала. Это приводит к значительному нагреву усилителя, что требует больших радиаторов на выходных транзисторах. Принципиальная схема усилителя класса А приведена ниже.
Усилитель класса B Хотя все конфигурации двухтактного усилителя технически можно назвать двухтактным усилителем, только усилитель класса B является фактическим двухтактным усилителем.
В отличие от усилителя класса A, усилитель класса B имеет два транзистора для двухтактного электрического действия, один из которых — NPN, а другой — PNP.
Каждый транзистор будет работать в течение половины цикла ввода, производя необходимый вывод. Это повышает эффективность усилителя класса B во много раз по сравнению с усилителем класса A. Угол проводимости для этого усилителя составляет 180 градусов, потому что каждый транзистор работает только на одну половину.
Усилитель класса B является одним из наиболее часто используемых усилителей, но у него есть свой недостаток. Обычно он страдает от эффекта, известного как кроссоверное искажение. Из-за этого эффекта сигнал искажается при 0 В. Для включения транзистора требуется 0,7 В на переходе база-эмиттер. Это означает, что транзистор не включится, пока напряжение на его переходе база-эмиттер не достигнет 0,7 В.
То же явление повторяется для отрицательного полупериода PNP-транзистора. Этот зазор на выходе, когда выходной сигнал усилителя отсутствует, называется мертвой зоной.
Эту проблему можно решить, используя диоды вместо транзисторов, когда схема находится в мертвой зоне. Этот модифицированный усилитель теперь получил другое название, он называется усилителем класса AB.
Принципиальная схема усилителя класса B приведена ниже.
Усилитель класса ABКак обсуждалось выше, искажение кроссовера можно исправить, используя два диода, которые проводят вместо транзистора. Модифицированная схема теперь известна как схема усилителя класса AB.
Этот усилитель класса AB представляет собой схему, выполненную с использованием характеристик схем усилителей как класса A, так и класса B. От 0 В до 0,7 В диоды смещены в состоянии проводимости, когда транзисторы не имеют сигнала на базовой клемме. Это решает проблему искажения кроссовера.
Искажение кроссовера Искажение кроссовера обычно наблюдается в конфигурациях усилителей класса B. Транзисторы смещены в точке отсечки в усилителе класса B.
Известно, что кремниевый транзистор и германиевый диод требуют 0,7 В и 0,2 В соответственно на переходе базового эмиттера, прежде чем они перейдут в проводящий режим, и это напряжение базового эмиттера называется напряжением включения.
Германиевые диоды не подходят для усилителей. Транзистор может получить напряжение включения только от самого источника. В результате части входного сигнала с напряжением ниже 0,7 В будут подавлены, и поэтому соответствующие части будут отсутствовать в выходном сигнале. Это называется эффектом кроссоверного искажения.
Теперь, когда у нас есть знания о типах двухтактных усилителей и основной концепции работы, мы попробуем сами сделать двухтактную транзисторную схему.
Необходимые материалы- Трансформатор: (6-0-6) Транзистор
- PNP: BC557
- НПН транзистор: 2N2222
- Резистор: 1 кОм
- Светодиод
Трансформатор, который используется в цепи, представляет собой первичную обмотку 240 В и вторую обмотку с отводом от середины.
Трансформатор действует как понижающий трансформатор, уменьшая напряжение 240 В переменного тока до 6 В переменного тока.
Трансформатор — это электрическое устройство, в котором используется физическое явление, называемое индуктивной связью, возникающее между двумя катушками устройства для передачи энергии между ними. Эти катушки в трансформаторе называются обмотками. Из-за магнитной связи двух обмоток трансформатора переменный ток в одной из катушек вызовет результирующее изменение в другой обмотке.
Это происходит из-за магнитного поля, индуцируемого переменным током в сердечнике трансформатора. Этот переменный магнитный поток индуцирует переменную электромагнитную силу или напряжение во вторичной обмотке. Сердечник трансформатора, используемого в этой схеме, изготовлен из кремнистой стали с высокой проницаемостью, потому что сталь имеет гораздо более высокую проницаемость по сравнению с воздухом или свободным пространством, что помогает сдерживать магнитное поле, создаваемое обмотками.
Использование этих высокопроницаемых сердечников имеет свои преимущества, такие как значительное снижение тока намагничивания.
BC557 — очень распространенный и широко используемый PNP-транзистор. Это PNP-транзистор, что означает, что у него закрыты коллектор и эмиттер, когда базовый вывод находится под потенциалом земли, и он будет разомкнут, когда на базовой клемме есть сигнал. Поскольку BC557 является транзистором общего назначения, его можно использовать для удовлетворения наших потребностей в переключателе.
Из-за конструкции транзистора он не может выдерживать нагрузки, потребляющие ток более 100 мА. А для переключения транзистора из состояния ВЫКЛ и ВКЛ на базовую клемму должен подаваться ток, который не должен превышать 5 мА.
Принципиальная схема транзистора PNP приведена ниже.
Распиновка BC-557 приведена в табличной форме ниже.
| BC-557 PNP Транзистор Клеммы | ||
| 1 | Коллектор | Ток протекает через коллектор |
| 2 | База | Управляет смещением транзистора |
| 3 | Излучатель | Утечка тока через эмиттер |
Транзистор 2N2222 представляет собой NPN-транзистор общего назначения.
Это широко используемый BJT для общих целей, таких как переключение или усиление малой мощности. Конструкция транзистора позволяет использовать его для приложений, требующих работы с низким энергопотреблением и умеренно высокими скоростями. Наряду с низким энергопотреблением для работы, он может работать с низким и средним уровнем входного тока и не очень высоким напряжением.
Схема выводов транзистора 2N2222 приведена ниже. Распиновка транзистора
2N2222 NPN приведена ниже. Ключевыми особенностями транзистора 2N2222 является возможность работы с током более высоких номиналов.
| 2N2222 NPN Транзистор Клеммы | |
| 1 | Излучатель |
| 2 | База |
| 3 | Коллектор, соединенный с корпусом |
В нашем анализе схемы мы рассмотрим усилитель класса B.
Принципиальная схема двухтактного усилителя состоит из двух транзисторов Q1 и Q2, которые имеют NPN и PNP соответственно. Когда входной сигнал положительный, Q1 начинает проводить и воспроизводить положительный входной сигнал на выходе. В этот момент Q2 остается в выключенном состоянии. Точно так же, когда входной сигнал отрицательный, Q1 отключается, а Q2 начинает проводить и воспроизводить на выходе копию отрицательного входного сигнала.
Теперь, почему происходит перекрестное искажение , когда Vin достигает нуля. Транзисторы Q1 и Q2 не могут быть включены одновременно. Для включения Q1 требуется, чтобы Vin было больше Vout, а для Q2 Vin должно быть меньше Vout. Если Vin равно нулю, то Vout также должно быть равно нулю.
Теперь, когда Vin увеличивается от нуля, выходное напряжение Vout будет оставаться равным нулю до тех пор, пока Vin не превысит Vbe1 (что примерно равно 0,7 В), где Vbe — это напряжение, необходимое для включения NPN-транзистора Q1.
