Підсилювач на транзисторах: види, схеми, прості і складні

Найпростіший підсилювач на транзисторах може бути хорошим посібником для вивчення властивостей приладів. Схеми і конструкції досить прості, можна самостійно виготовити пристрій і перевірити його роботу, зробити виміри всіх параметрів. Завдяки сучасним польових транзисторів можна виготовити буквально з трьох елементів мініатюрний мікрофонний підсилювач. І підключити його до персонального комп'ютера для поліпшення параметрів звукозапису. Та й співрозмовники при розмовах будуть набагато краще і чіткіше чути вашу мову.

Частотні характеристики

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

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

Класи роботи звукових підсилювачів

Всі підсилювальні пристрої поділяються на кілька класів, залежно від того, яка ступінь протікання протягом періоду роботи струму через каскад: Клас «А» – струм протікає безупинно протягом усього періоду роботи підсилювального каскаду. У класі роботи «В» протікає струм протягом половини періоду. Клас «АВ» говорить про те, що струм протікає через підсилювальний каскад протягом часу, що дорівнює 50-100 % від періоду. У режимі «За» електричний струм протікає менш ніж половину періоду часу роботи. Режим «D» УНЧ застосовується в радіоаматорський практиці зовсім недавно – трохи більше 50 років. У більшості випадків ці пристрої реалізуються на основі цифрових елементів і мають дуже високий ККД – понад 90 %.

Наявність спотворень у різних класах НЧ-підсилювачів

Робоча область транзисторного підсилювача класу «А» характеризується досить малими нелінійними спотвореннями. Якщо вхідний сигнал викидає імпульси з більш високою напругою, це призводить до того, що транзистори насичуються. У вихідному сигналі біля кожної гармоніки починають з'являтися більш високі (до 10 або 11). З-за цього з'являється металевий звук, характерний тільки для транзисторних підсилювачів.

При нестабільному харчуванні вихідний сигнал буде по амплітуді моделюватися біля частоти мережі. Звук стане в лівій частині частотної характеристики більш жорстким. Але чим краще стабілізація живлення підсилювача, тим складніше стає конструкція всього пристрою. УНЧ, працюють у класі «А», мають відносно невеликий ККД – менше 20 %. Причина полягає в тому, що транзистор постійно відкритий і струм через нього протікає постійно. Для підвищення (правда, незначного) ККД можна скористатися двотактними схемами. Один недолік – напівхвилі у вихідного сигналу стають несиметричними. Якщо ж перевести з класу «А» в «АВ», збільшаться нелінійні спотворення в 3-4 рази. Але коефіцієнт корисної дії всієї схеми пристрої все ж збільшиться. УНЧ класів «АВ» та «В» характеризує наростання спотворень при зменшенні рівня сигналу на вході. Але навіть якщо додати гучність, це не допоможе повністю позбутися від недоліків.

Робота в проміжних класах

У кожного класу є декілька різновидів. Наприклад, існує клас роботи підсилювачів «А+». У ньому транзистори на вході (низьковольтні) працюють в режимі «А». Але високовольтні, що встановлюються в вихідних каскадах, працюють або «В» або «АВ». Такі підсилювачі набагато економічніше, ніж працюють у класі «А». Помітно меншу кількість нелінійних спотворень – не вище 0003 %. Можна добитися і більш високих результатів, використовуючи біполярні транзистори. Принцип роботи підсилювачів на цих елементах буде розглянуто нижче.
Але все одно є велика кількість вищих гармонік у вихідному сигналі, чому звук стає характерним металевим. Існують ще схеми підсилювачів, що працюють в класі «АА». У них нелінійні спотворення ще менше – до 00005 %. Але головний недолік транзисторних підсилювачів все одно є – характерний металевий звук.

«Альтернативні» конструкції

Не можна сказати, що вони альтернативні, просто деякі фахівці, що займаються проектуванням і складанням підсилювачів для якісного відтворення звуку, все частіше віддають перевагу ламповим конструкцій. У лампових підсилювачів такі переваги: Дуже низьке значення рівня нелінійних спотворень у вихідному сигналі. Вищих гармонік менше, ніж у транзисторних конструкціях. Але є один величезний мінус, який переважує всі достоїнства, – обов'язково потрібно ставити пристрій для погодження. Справа в тому, що у лампового каскаду дуже великий опір – кілька тисяч Ом. Але опір обмотки динаміків – 8 або 4 Ома. Щоб їх узгодити, потрібно встановлювати трансформатор.

Звичайно, це не дуже великий недолік – існують і транзисторні пристрої, в яких використовуються трансформатори для узгодження вихідного каскаду і акустичній системи. Деякі фахівці стверджують, що найбільш ефективною схемою виявляється гібридна – в якій застосовуються однотактні підсилювачі, не охоплені негативним зворотним зв'язком. Причому всі ці каскади функціонують в режимі УНЧ класу «А». Іншими словами, застосовується в якості повторювача підсилювач потужності на транзисторі. Причому ККД у таких пристроїв досить високий – близько 50 %. Але не варто орієнтуватися тільки на показники ККД і потужності – вони не говорять про високу якість відтворення звуку підсилювачем. Набагато більше значення мають лінійність характеристик і їх якість. Тому потрібно звертати увагу в першу чергу на них, а не на потужність.

Схема однотактного УНЧ на транзисторі

Самий простий підсилювач, побудований за схемою з загальним емітером, працює в класі «А». У схемі використовується напівпровідниковий елемент зі структурою n-p-n. В колекторної ланцюга встановлено опір R3 обмежує протікає струм. Колекторна ланцюг з'єднується з позитивним проводом живлення, а эмиттерная – з негативним. У разі використання напівпровідникових транзисторів із структурою p-n-p схема буде точно такий же, ось тільки потрібно поміняти полярність. З допомогою розділового конденсатора С1 вдається відокремити змінний вхідний сигнал від джерела постійного струму. При цьому конденсатор не є перепоною для протікання змінного струму по дорозі база-емітер. Внутрішній опір переходу емітер-база разом з резисторами R1 і R2 являють собою простий дільник напруги живлення. Зазвичай резистор R2 має опір 1-15 кОм – найбільш типові значення для таких схем. При цьому напруга живлення ділиться рівно навпіл. І якщо живити схему напругою 20 Вольт, то можна побачити, що значення коефіцієнта посилення по струму h21 складе 150. Потрібно відзначити, що підсилювачі КВ на транзисторах виконуються по аналогічним схемам, тільки працюють трохи інакше. При цьому напруга емітера дорівнює 9 В і падіння на ділянці ланцюга «Е-Б» 07 В (що характерно для транзисторів на кристалах кремнію). Якщо розглянути підсилювач на германієвих транзисторах, то в цьому випадку падіння напруги на ділянці «Е-Б» дорівнюватиме 03 Ст. Струм в ланцюзі колектора буде дорівнює тому, який протікає в емітері. Обчислити можна, розділивши напруга емітера на опір R2 – 9В/1 кОм=9 мА. Для обчислення значення струму бази необхідно 9 мА розділити на коефіцієнт підсилення h21 – 9мА/150=60 мкА. У конструкціях УНЧ зазвичай використовуються біполярні транзистори. Принцип роботи у нього відрізняється від польових. На резисторі R1 тепер можна обчислити значення падіння – це різниця між напругами бази та харчування. При цьому напруга бази можна дізнатися за формулою – сума характеристик емітера і переходу «Е-Б». При живленні від джерела 20 Вольт: 20 – 97 = 103. Звідси можна обчислити і значення опору R1=103/60 мкА=172 кОм. У схемі присутній ємність С2 необхідна для реалізації ланцюга, по якій зможе проходити змінна складова емітерного струму. Якщо не встановлювати конденсатор С2 змінна складова буде дуже сильно обмежуватися. З-за цього такий підсилювач звуку на транзисторах буде мати дуже низьким коефіцієнтом посилення по струму h21. Потрібно звернути увагу на те, що в наведених розрахунках приймалися рівними струми бази і колектора. Причому за струм бази брався той, який втікає в ланцюг від емітера. Виникає він тільки за умови подачі на виведення бази транзистора напруги зсуву. Але потрібно враховувати, що по ланцюгу бази абсолютно завжди, незалежно від наявності зсуву, обов'язково протікає струм витоку колектора. У схемах з загальним емітером струм витоку посилюється не менш ніж у 150 разів. Але зазвичай це значення враховується тільки при розрахунку підсилювачів на германієвих транзисторах. У разі використання кремнієвих, у яких струм ланцюга «К-Б» дуже малий, цим значенням просто нехтують.

Підсилювачі на МДП-транзисторах

Підсилювач на польових транзисторах, представлений на схемі, має безліч аналогів. В тому числі і з використанням біполярних транзисторів. Тому можна розглянути в якості аналогічного прикладу конструкцію підсилювача звуку, зібрану за схемою з загальним емітером. На фото представлена схема, виконана по схемі із загальним витоком. На вхідних і вихідних ланцюгах зібрані R-C-зв'язку, щоб пристрій працював в режимі підсилювача класу «А». Змінний струм від джерела сигналу відокремлюється від постійної напруги живлення конденсатором С1. Обов'язково підсилювач на польових транзисторах повинен володіти потенціалом затвора, який буде нижче аналогічної характеристики витоку. На представленої схемою затвор з'єднаний із загальним проводом допомогою резистора R1. Його опір дуже велика – зазвичай застосовують в конструкціях резистори 100-1000 кОм. Таке велике опір вибирається для того, щоб не шунтировался сигнал на вході. Це опір майже не пропускає електричний струм, внаслідок чого у затвора потенціал (у разі відсутності сигналу на вході) такий же, як у землі. На початку ж потенціал виявляється вище, ніж у землі, тільки завдяки падінню напруги на опорі R2. Звідси ясно, що в затвора потенціал нижче, ніж у витоку. А саме це і потрібно для нормального функціонування транзистора. Потрібно звернути увагу на те, що С2 і R3 в цій схемі підсилювача мають таке ж призначення, як і в розглянутій вище конструкції. А вхідний сигнал зсунутий відносно вихідного на 180 градусів.

УНЧ з трансформатором на виході

Можна виготовити такий підсилювач своїми руками для домашнього використання. Виконується він за схемою, яка працює в класі «А». Конструкція така ж, як і розглянуті вище, – з загальним емітером. Одна особливість – необхідно використовувати трансформатор для погодження. Це є недоліком такого підсилювача звуку на транзисторах. Колекторна ланцюг транзистора навантажується первинної обмоткою, яка розвиває вихідний сигнал, який передається через вторинну на динаміки. На резисторах R1 і R3 зібраний дільник напруги, який дозволяє вибрати робочу точку транзистора. За допомогою цього ланцюжка забезпечується подача напруги зміщення на базу. Усі інші компоненти мають таке ж призначення, як і в розглянутих вище схем.

Двотактний підсилювач звуку

Не можна сказати, що це простий підсилювач на транзисторах, так як його робота трохи складніше, ніж у розглянутих раніше. У двотактних УНЧ вхідний сигнал розщеплюється на дві напівхвилі, різні по фазі. І кожна з цих півхвиль посилюється своїм каскадом, виконаний на транзисторі. Після того, як відбулося посилення кожної напівхвилі, обидва сигналу з'єднуються і надходять на динаміки. Такі складні перетворення здатні викликати перекручування сигналу, так як динамічні і частотні властивості двох, навіть однакових за типом, транзисторів будуть відмінні. У результаті на виході підсилювача істотно знижується якість звучання. При роботі двотактного підсилювача в класі «А» не виходить якісно відтворити складний сигнал. Причина – підвищений струм протікає по плечах підсилювача постійно, напівхвилі несиметричні, виникають фазові спотворення. Звук стає менш розбірливим, а при нагріванні спотворення сигналу ще більше посилюються, особливо на низьких і наднизьких частот.

Бестрансформаторные УНЧ

Підсилювач НЧ на транзисторі, виконаний з використанням трансформатора, незважаючи на те, що конструкція може мати малі габарити, все одно недосконалий. Трансформатори все одно важкі і громіздкі, тому краще від них позбавитися. Набагато ефективніше виявляється схема, виконана на комплементарних напівпровідникових елементах з різними типами провідності. Велика частина сучасних УНЧ виконується саме по таким схемам і працюють у класі «В». Два потужних транзистора, використовуваних в конструкції, що працюють за схемою емітерного повторювача (загальний колектор). При цьому напруга входу передається на вихід без втрат і посилення. Якщо на вході немає сигналу, то транзистори на межі включення, але все одно ще відключені. При подачі гармонічного сигналу на вхід відбувається відкривання позитивної полуволной першого транзистора, а другий в цей час знаходиться в режимі відсічки. Отже, через навантаження здатні пройти тільки позитивні напівхвилі. Але негативні відкривають другий транзистор і повністю замикають перший. При цьому в навантаженні виявляються тільки негативні напівхвилі. В результаті посилення по потужності сигнал виявляється на виході пристрою. Подібна схема підсилювача на транзисторах досить ефективна і здатна забезпечити стабільну роботу, якісне відтворення звуку.

Схема УНЧ на одному транзисторі

Вивчивши всі вищеописані особливості, можна зібрати підсилювач своїми руками на простий елементній базі. Транзистор можна використовувати вітчизняний КТ315 або будь-якої його зарубіжний аналог – наприклад ВС107. В якості навантаження потрібно використовувати навушники, опір яких 2000-3000 Ом. На базу транзистора необхідно подати напругу зміщення через резистор опором 1 Мом і конденсатор розв'язки 10 мкФ. Харчування схеми можна здійснити від джерела напругою 45-9 Вольт, струм - 03-05 А. Якщо опір R1 не підключити, то в базі і колекторі не буде струму. Але при підключенні напруга досягає 07 і дозволяє протікати струму близько 4 мкА. При цьому коефіцієнт підсилення по струму виявиться близько 250. Звідси можна зробити простий розрахунок підсилювача на транзисторах і дізнатися ток колектора – він виявляється дорівнює 1 мА. Зібравши цю схему підсилювача на транзисторі, можна провести її перевірку. Підключіть до виходу навантаження – навушники. Торкніться входу підсилювача пальцем – повинен з'явитися характерний шум. Якщо його немає, то, швидше за все, конструкція зібрана неправильно. Перевірте всі з'єднання і номінали елементів. Щоб наочніше була демонстрація, підключіть до входу УНЧ джерело звуку – вихід від плеєра або телефону. Прослуховуйте музику та оцініть якість звучання.