Усилитель звука на транзисторах #1

Усилитель звука относится к одному из наиболее интересных электронных устройств для начинающих электронщиков или радиолюбителей. И это не удивительно, ведь если устройство собрано правильно, то достаточно подключить динамик и сразу же раздастся звук, оповещающий о том, что усилитель мощности работает. Наличие звука приносить радость успешного завершения сборки усилителя звука своими руками, а его отсутствие – разочарование. Поэтому цель данной статьи – принести радость начинающему электронщику. Но сначала все по порядку…

Усилитель мощности на транзисторах. Базовые положения

Усилитель мощности на транзисторах присутствует в том или ином виде во многих электронных устройствах. Особенно ярко выделено его применение в звуковой технике.

Современный мир электроники полностью опутан различными запоминающими устройствами: флешки, жесткие диски и т.п. Для воспроизведения информации, хранящейся в памяти накопителей, нужно, прежде всего, преобразовать и усилить ее сигналы.

Главное назначение любого усилителя состоит в преобразовании маломощного сигнала в более мощный. При этом форма его должна сохраняться и не искажаться в процессе преобразования. Иначе произойдет частичная или полная утеря информации.

Начинающим электронщикам следует помнить очень важный момент. Усиление происходит не за счет каких-либо магических свойств транзистора, а за счет энергии блока питания. Транзистор лишь управляет потоком мощности от источника питания к нагрузке. Причем он выполняет свою работу в нужные моменты времени. Отсюда становится понятно, что мощность на нагрузке ограничена лишь мощностью блока питания. Если нагрузка, например динамик, имеет мощность 10 Вт, а источник тока способен выдать только 5 Вт, то нагрузка будет способна развить только 5 Вт.

Структура усилителя состоит из источника и узла, согласующего входной сигнал с источником тока. Такое согласование позволяет получить выходной сигнал.

Устройство транзистора

Поскольку главным элементом усилителя является транзистор, то рассмотрим вкратце устройство и принцип работы это полупроводникового прибора.

Среди довольно обширного выбора полупроводниковых приборов, как по характеристикам, так и по принципу действия, в данной статье мы рассмотрим, и будем применять исключительно биполярные транзисторы (БТ).

Такой электронный прибор состоит из полупроводникового кристалла и трех, подсоединенных к нему электродов. Вся конструкция помещается в корпус, который защищает прибор от разных внешних воздействий (пыль, влага и т.п.). От корпуса отходят три вывода: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э).

Существуют принципиально два типа БТ n-p-n и p-n-p структуры. Принцип работы их аналогичен, а отличие состоит лишь в полярности подключения к их выводам источника питания и радиоэлектронных элементов, имеющих полярность, например электролитических конденсаторов.

Биполярный транзистор имеет два pn-перехода, поэтому конструктивно его можно рассматривать, как два последовательно встречно соединенных диода. Точка соединения диодов аналогична базе. Но если взять два любых диода и соединить их соответствующим образом, то в такой конструкции не будут проявляться усилительные свойства. Причина в том, что у «настоящего» транзистора слишком малое расстояние между различными полупроводниковыми структурами (база-эмиттер, база-коллектор). Расстояние равно единицам микрометра, то есть несколько тысячных миллиметра (1мкм = 0,001 мм = 0,000001 м). Именно за счет малого расстояния получается транзисторный эффект.

Как работает биполярный транзистор (БТ)

Принцип работы БТ упрощенно рассмотрим на примере ниже приведенной схемы.

Базу оставим не подключенной либо соединим ее с минусом источника питания. Последний вариант более предпочтительный, поскольку исключает появление наводок на выводе.

Чтобы исключить короткое замыкание в цепь коллектора следует установить резистор Rн, он же будет служить нагрузкой. Однако при подключении источника питания Uип, ток в цепи VT и Rн протекать не будет (обратный ток мы не берем в счет, поскольку его значение слишком мало и не превышает единиц микроампер). Отсутствие тока в цепи поясняется тем, что транзистор закрыт. И если вернуться к аналогии с диодом, то мы заметим, что один из них находится под обратным напряжением, поэтому он заперт.

Открыть БТ не составит большого труда. Следует на базу относительно эмиттера (для n-p-n структуры) приложить положительный потенциал, то есть подать напряжение, например от другого источника питания – батарейки. Величина напряжения должна быть порядка 0,6 В, чтобы скомпенсировать падение напряжения на эмиттерном переходе. Резистор Rб служит для ограничения тока, протекающего в цепи базы.

Таким образом, если подать небольшое напряжение на базу, то в цепи нагрузки Rн будет протекать ток коллектора Iк. При смене полярности блока питания VT закроется. Чтобы не запутаться и правильно подключать источник питания следует обратить внимание на направление стрелки эмиттера. Она указывает на направление протекания токов Iк и Iб. Для БТ n-p-n типа Iк и Iб входят в эмиттер, а для p-n-p – выходят.

Коэффициент усиления транзистора

Токи базы Iб и коллектора Iк находятся в тесной взаимосвязи. Более того, величина тока, протекающего в цепи коллектора помимо параметров Uип и Rн определяются величиной Iб в прямопропорциональной зависимости. Отношение Iк к Iб называется коэффициентом усиления транзистора по току и обозначается буквой β («бета»):

Коэффициент усиления является одним из важнейших параметров БТ и всегда приводится в справочниках. Для большинства маломощных БТ он находится в диапазоне 50…550 единиц. В общем, β показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы.

Усилитель звука на транзисторах

Усилитель звука на транзисторах предназначен для повышения мощности сигнала звуковой частоты, поэтому его еще называют усилитель мощности звуковой частоты или сокращенно УМЗЧ. Источником звука, подлежащего усилению, чаще всего служит микрофон или выход звуковой карты компьютера, ноутбука, смартфона и т.п. Мощность таких источников довольно низкая и составляет микроватты, а для нормальной работы динамика (громкоговорителя) необходимо обеспечить мощность единицы и десятки ватт, а то и сотни ватт. Поэтому главной задачей УМЗЧ является повышение мощности слабого входного сигнала в тысячи и десятки тысяч раз.

Звуки раздающейся мелодии или речи имеют сложный характер. Однако любой из них, даже самой сложной формы можно разложить в ряд сигналов синусоидальной формы, отличающихся как по частоте, так и по амплитуде.

Поэтому с целью упростить пояснение принципа работы схемы УМЗЧ будем применять входной сигнал синусоидальной формы u_c. Нагрузкой на первых порах вместо динамика буде служить резистор Rн.

Однако приведенная выше схема применяется лишь для работы БТ в ключевом режиме, то есть когда полупроводниковый прибор VT находится в двух фиксированных состояниях – открытом и закрытом. Для усиления переменного сигнала данная схема непригодна, поскольку будет усиливаться только положительная полуволна входного сигнала. Для отрицательной полуволны транзистор будет закрыт. Кроме того, амплитуда входного сигнала должна быть не меньше 0,6 В, иначе просто останется незамеченным, поскольку не откроется эмиттерный переход.

Базовая схема входного каскада УМЗЧ

Чтобы схема УМЗЧ работала правильно, а это означает, усиливала без искажений положительные и отрицательные полуволны, изначально следует приоткрыть VT наполовину. Тогда положительная полуволна будет еще больше открывать БТ, а отрицательная – призакрывать его.

Приоткрыть БТ можно небольшим напряжением, поданным на базу, оно же называется напряжением смещения. Сам процесс называют установкой рабочей точки транзистора по постоянному току. Напряжение смещения зачастую подается от общего источника питания через токоограничивающий резистор Rб, согласно схемы, приведенной ниже.

Чтобы постоянное напряжение не воздействовало на источник переменного сигнала, а также не нарушался режим работы схемы по постоянному току, переменная составляющая отделяется конденсатором С1, а нагрузка подключается к коллектору через разделительный конденсатор C2 к клеммам u_вых.

Правильная установка или настройка рабочей точки транзисторного усилителя звука имеет ключевое значение, поскольку если ее установить неверно, то выходной сигнал будет иметь искажения либо вовсе отсутствовать. Чтобы установить рабочую точку пользуются выходной статической характеристикой биполярного транзистора. Она характеризует зависимость тока в цепи коллектора от приложенного напряжения между выводами коллектор-эмиттер при разных значениях тока базы. На данной характеристике располагается нагрузочная прямая, на которой выделяют три участка: 1-2, 2-3 и 3-4. Участок 1-2 называется областью отсечки – здесь БТ полностью закрыт; 3-4 – область насыщения – БТ полностью открыт; 2-3 – активная область – здесь БТ находится в приоткрытом состоянии. Участки 1-2 и 3-4 используются для работы транзистора в ключевом режиме. Активный участок 2-3 соответствует работе БТ в режиме усиления. Именного на него ориентируются при настройке рабочей точки.

Расчет параметров элементов усилителя мощности

Расчет основных параметров усилителя мощности начинается с определения сопротивления резистора, который находится в цепи коллектора Rк. Чтобы его посчитать, согласно закону Ома понадобится прежде определить падение напряжения на нем URк и ток Iк:

Напряжение URк принимают из таких соображений, чтобы на полуоткрытом транзисторе оно было, равное половине напряжения источника питания Uип. Это соответствует половине нагрузочной прямой на выходной статической характеристике – точке А.

Если рабочая точка будет находится значительно выше или ниже точки А, например А1 или А2, то выходной сигнал с усилителя будет искажаться. Произойдет срез его нижних или верхних полуволн, что отразится на ухудшении качества звука. Поэтому стоит придерживаться средней точки – т. А. Однако это не всегда оправдано, особенно для сигналов очень низкой мощности. В таком случае рабочую точку принимают насколько ниже т. А, что позволяет снизить потребление электроэнергии без искажения формы выходного сигнала.

В нашем случае будем опираться на точку А. Примем напряжение источника питания Uип = 9 В (батарейка «крона»). Тогда напряжение на резисторе Rк равно:

Коллекторный ток, называемый током покоя коллектора, принимают для расчетов 0,8…1,2 мА. Возьмем среднее значение 1 мА = 0,001 А.

Сопротивление Rк равно:

Примем ближайший стандартный номинал резистора 4,7 кОм.

Теперь определит сопротивление в цепи базы Rб:

Коэффициент усиления БТ легко и с достаточной точность можно определить мультиметром. Для pn2222 я определил значение 170 единиц.

Более точную установку тока покоя коллектора устанавливают переменным резистором, включенным в цепь базы и изменяют его до тех пока, пока значение Iк станет равным 1мА. При этом ориентируются на показания миллиамперметра, установленного в цепь коллектора.

Ниже приведены схемы входных каскадов усилителей с полупроводниковыми приборами разной структуры.

Расчет емкости конденсаторов усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

При расчете УМЗЧ следует обратить внимание на емкость развязывающих конденсаторов С1 и С2. Если их принять слишком малыми, то плохо будут проходить токи низкой частоты. Поэтому емкость можно определить по следующему выражению:

где fн – нижняя граница частоты сигнала, Гц. Для УНЧ как правило принимают 20 Гц – нижний порог слышимости человеческого уха;

Rвх – входное сопротивление следующего каскада или нагрузки. Для усилителей, в которых применяется БТ, включенный по схеме с общим эмиттером это сопротивление равняется нескольким килоом. Примем Rвх = 4,7 кОм = 4700 Ом.

Таким образом емкости конденсаторов С1 и С2 следует принимать не менее 10 мкФ.

Однако рассмотренная выше схема усилителя звука имеет недостаток, который исключает применение ее в таком виде в электронных устройствах. В схеме отсутствует температурная стабилизация, поэтому любые изменение температуры могут привести к искажению формы выходного сигнала. Устранение данного недостатка и причины его возникновения подробно рассмотрено в следующей статье.