A tranzisztoros erősítő már hosszú története ellenére továbbra is a kezdők és a veterán rádióamatőrök kedvenc tanulmányi tárgya. És ez érthető. A legnépszerűbb rádióamatőr eszközök: rádióvevők és alacsony (hang)frekvenciás erősítők nélkülözhetetlen alkatrésze. Megnézzük, hogyan épülnek fel a legegyszerűbb alacsony frekvenciájú tranzisztoros erősítők.
Amper frekvencia válasz
Bármely televízió- vagy rádióvevőben, minden zenei központban vagy hangerősítőben megtalálhatók tranzisztoros hangerősítők (alacsony frekvenciájú - LF). A különbség az audio tranzisztoros erősítők és más típusok között a frekvencia átvitelükben rejlik.
A tranzisztoros audioerősítő egységes frekvenciaválaszt mutat a 15 Hz és 20 kHz közötti frekvenciasávban. Ez azt jelenti, hogy az ezen a tartományon belüli frekvenciájú bemeneti jeleket az erősítő átalakítja (erősíti). Ugyanarról. Az alábbi ábra az audioerősítő ideális frekvencia-válasz görbéjét mutatja az "erősítő erősítés Ku - bemeneti jel frekvenciája" koordinátáiban.
Ez a görbe szinte lapos 15Hz és 20kHz között. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen erősítőt kifejezetten a 15 Hz és 20 kHz közötti frekvenciájú bemeneti jelekhez kell használni. A 20 kHz feletti vagy 15 Hz alatti frekvenciájú bemeneti jelek hatékonysága és teljesítménye gyorsan romlik.
Az erősítő frekvenciaválaszának típusát az áramkör elektromos rádióelemei (ERE) és mindenekelőtt maguk a tranzisztorok határozzák meg. A tranzisztorokra épülő hangerősítőket általában az úgynevezett alacsony és közepes frekvenciájú tranzisztorokra szerelik össze, a bemeneti jelek teljes sávszélessége tíz és száz Hz-től 30 kHz-ig terjed.
Erősítő osztály
Mint tudod, a tranzisztorerősítő fokozaton (erősítőn) áthaladó áram folytonossági fokától függően a következő működési osztályokat különböztetjük meg: "A", "B", "AB", "C", "D ".
A működési osztályban az "A" áram átfolyik a fokozaton a bemeneti jel periódusának 100%-ában. Az ebbe az osztályba tartozó kaszkádot a következő ábra szemlélteti.
Az "AB" osztályú erősítő fokozatban az áram több mint 50%-ban, de kevesebb mint 100%-ban folyik át rajta a bemeneti jel periódusának (lásd az alábbi ábrát).
A "B" fokozat működési osztályában az áram pontosan a bemeneti jel periódusának 50%-ában folyik át rajta, ahogy az ábrán is látható.
Végül a "C" fokozat működési osztályában az áram a bemeneti jel periódusának kevesebb mint 50%-áig folyik rajta.
LF-tranzisztoros erősítő: torzítás a főbb munkaosztályokban
A munkaterületen az "A" osztályú tranzisztoros erősítő alacsony szintű nemlineáris torzítással rendelkezik. De ha a jel impulzusfeszültséggel rendelkezik, ami a tranzisztorok telítéséhez vezet, akkor magasabb harmonikusok (a 11.-ig) jelennek meg a kimeneti jel minden „standard” harmonikusa körül. Ez okozza az úgynevezett tranzisztoros vagy fémes hang jelenségét.
Ha a tranzisztorokon lévő alacsony frekvenciájú teljesítményerősítők nem stabilizált tápellátással rendelkeznek, akkor a kimeneti jeleiket a hálózati frekvencia közelében amplitúdó szerint modulálják. Ez a hang keménységéhez vezet a frekvenciaválasz bal szélén. A különféle feszültségstabilizációs módszerek bonyolultabbá teszik az erősítő tervezését.
Az egyvégű A osztályú erősítő tipikus hatásfoka nem haladja meg a 20%-ot a mindig bekapcsolt tranzisztor és az egyenáramú komponens folyamatos áramlása miatt. Készíthetsz A osztályú erősítőt push-pull, a hatásfok enyhén nő, de a jel félhullámai aszimmetrikusabbak lesznek. A kaszkád átvitele az "A" munkaosztályból az "AB" munkaosztályba megnégyszerezi a nemlineáris torzítást, bár az áramkörének hatékonysága nő.
BAz "AB" és "B" osztályú erősítők torzítása a jelszint csökkenésével nő. Önkéntelenül is hangosabbra akarja kapcsolni az ilyen erősítőt, hogy teljes mértékben érezze a zene erejét és dinamikáját, de ez gyakran nem sokat segít.
Középszintű munkaköri osztályok
Az „A” munkaosztálynak van egy változata – „A+” osztály. Ebben az esetben az ebbe az osztályba tartozó erősítő kisfeszültségű bemeneti tranzisztorai az "A" osztályba tartoznak, az erősítő nagyfeszültségű kimeneti tranzisztorai pedig, ha bemeneti jeleik meghaladnak egy bizonyos szintet, a "B" osztályba, ill. "AB". Az ilyen kaszkádok hatékonysága jobb, mint a tiszta "A" osztályban, és a nemlineáris torzítás kisebb (legfeljebb 0,003%). Azonban ezek is "fémesen" szólnak a kimeneti jelben lévő magasabb harmonikusok miatt.
A másik osztályba tartozó erősítők - "AA" még alacsonyabb fokú nemlineáris torzítást mutatnak - körülbelül 0,0005%, de magasabb harmonikusok is jelen vannak.
Vissza az A osztályú tranzisztoros erősítőhöz?
Ma a jó minőségű hangvisszaadás területén sok szakember szorgalmazza a visszatérést a csöves erősítőkhöz, mivel az általuk a kimeneti jelbe bevitt nemlineáris torzítás és magasabb harmonikus szint nyilvánvalóan alacsonyabb, mint a tranzisztoré. Ezeket az előnyöket azonban nagymértékben ellensúlyozza, hogy a nagy impedanciájú csöves kimeneti fokozat és az alacsony impedanciájú hangszórók között megfelelő transzformátorra van szükség. Azonban egy egyszerű tranzisztoros erősítő is készíthető transzformátor kimenettel az alábbiak szerint.
Van egy olyan szempont is, hogy csak egy hibrid csöves tranzisztoros erősítő képes a tökéletes hangminőséget biztosítani, amelynek minden fokozata egyvégű, nem fedi le negatív visszacsatolás, és "A" osztályban működik. Vagyis egy ilyen teljesítménykövető egyetlen tranzisztoron lévő erősítő. Sémája maximálisan elérhető hatékonysága ("A" osztályban) legfeljebb 50%. De sem az erősítő teljesítménye, sem hatékonysága nem jelzi a hangvisszaadás minőségét. Ugyanakkor az áramkörben lévő összes ERE karakterisztikájának minősége és linearitása különösen fontos.
Ahogy az egyvégű áramkörök ezt a perspektívát látják, az alábbiakban megvizsgáljuk a lehetőségeket.
Egyvégű egytranzisztoros erősítő
Áramköre, amely közös emitterrel és R-C csatlakozásokkal készül az „A” osztályú működés bemeneti és kimeneti jeleihez, az alábbi ábrán látható.
N-p-n Q1 tranzisztort mutat. A kollektora egy R3 áramkorlátozó ellenálláson keresztül csatlakozik a +Vcc pozitív kivezetésre, az emittere pedig a -Vcc-re. A p-n-p tranzisztoros erősítőnek ugyanaz az áramköre lesz, de a tápvezetékek felcserélve lesznek.
A C1 egy leválasztó kondenzátor, amely elválasztja az AC bemeneti forrást a Vcc egyenfeszültségforrástól. Ugyanakkor a C1 nem akadályozza meg a váltakozó bemeneti áram áthaladását a Q1 tranzisztor bázis-emitter átmenetén. R1 és R2 ellenállások ellenállással együttAz "E - B" átmenet Vcc feszültségosztót képez a Q1 tranzisztor működési pontjának statikus üzemmódban történő kiválasztásához. Erre az áramkörre jellemző az R2=1 kOhm érték, és a működési pont helyzete Vcc / 2. Az R3 egy kollektorköri terhelési ellenállás, és változó feszültségű kimeneti jel létrehozására szolgál a kollektoron.
Tegyük fel, hogy Vcc=20 V, R2=1 kOhm, és az áramerősítés h=150. A Ve=9 V emitter feszültségét választjuk, és az "A - B" átmenetnél a feszültségesést Vbe=0,7 V. Ez az érték az úgynevezett szilícium tranzisztornak felel meg. Ha egy germánium tranzisztorokon alapuló erősítőt gondolnánk, akkor az "E - B" nyitott csomóponton a feszültségesés Vbe=0,3 V.
Emitteráram, körülbelül egyenlő a kollektorárammal
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Alapáram Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Feszültségesés az R1 ellenálláson
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20 V - 9,7 V=10,3 V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
A C2 szükséges egy áramkör létrehozásához az emitteráram változó komponensének (valójában a kollektoráram) áthaladásához. Ha nem lenne, akkor az R2 ellenállás erősen korlátozná a változó komponenst, így a szóban forgó bipoláris tranzisztoros erősítő alacsony áramerősségű lenne.
Számításainkban azt feltételeztük, hogy Ic=Ib h, ahol Ib az emitterből belefolyó bázisáram, amely akkor jön létre, ha a bázisra előfeszítő feszültséget kapcsolunk. Az alapon keresztül azonban mindig (eltolással és anélkül is)szivárgó áram is van az Icb0 kollektorból. Ezért a valós kollektoráram Ic=Ib h + Icb0 h, azaz. a szivárgási áram az OE-vel rendelkező áramkörben 150-szeresére erősödik. Ha germánium tranzisztor alapú erősítőt vennénk figyelembe, akkor ezt a körülményt figyelembe kellene venni a számításoknál. A helyzet az, hogy a germánium tranzisztorok jelentős, több μA nagyságrendű Icb0-val rendelkeznek. Szilíciumban három nagyságrenddel kisebb (körülbelül néhány nA), ezért általában figyelmen kívül hagyják a számításoknál.
Egyvégű MIS tranzisztoros erősítő
Mint minden térhatású tranzisztoros erősítőnek, a kérdéses áramkörnek is megvan a maga analógja a bipoláris tranzisztoros erősítők között. Ezért vegye figyelembe az előző áramkör analógját, közös emitterrel. Közös forrás- és R-C csatlakozásokkal készül az „A” osztályú működéshez szükséges bemeneti és kimeneti jelekhez, és az alábbi ábrán látható.
Itt a C1 ugyanaz a leválasztó kondenzátor, amellyel az AC bemeneti forrást leválasztják a Vdd egyenfeszültségforrástól. Mint tudják, minden térhatású tranzisztoros erősítőnek a MOS tranzisztorok kapupotenciáljának a forrás potenciálja alatt kell lennie. Ebben az áramkörben a kaput R1 földeli, amely általában nagy ellenállású (100 kΩ – 1 MΩ), így nem söntöli a bemeneti jelet. Az R1-en keresztül gyakorlatilag nincs áram, így a kapupotenciál bemeneti jel hiányában megegyezik a földpotenciállal. A forráspotenciál nagyobb, mint a földpotenciál az R2 ellenálláson bekövetkező feszültségesés miatt. ÍgyÍgy a kapupotenciál alacsonyabb, mint a forráspotenciál, ami a Q1 normál működéséhez szükséges. A C2 kondenzátor és az R3 ellenállás célja ugyanaz, mint az előző áramkörben. Mivel ez egy közös forrású áramkör, a bemeneti és kimeneti jelek 180°-kal fázison kívül vannak.
Transformer kimeneti erősítő
A harmadik egyfokozatú, egyszerű tranzisztoros erősítő, amely az alábbi ábrán látható, szintén a közös emitteráramkör szerint készült az "A" osztályú működéshez, de egy kis impedanciájú hangszóróhoz csatlakozik egy illesztően keresztül. transzformátor.
A T1 transzformátor primer tekercse a Q1 tranzisztor kollektoráramköri terhelése, és kimeneti jelet fejleszt. A T1 a kimenő jelet a hangszórónak küldi, és biztosítja, hogy a tranzisztor kimeneti impedanciája megegyezzen az alacsony (néhány ohmos nagyságrendű) hangszóró impedanciával.
A Vcc kollektoros tápegység R1 és R3 ellenállásokra szerelt feszültségosztója biztosítja a Q1 tranzisztor működési pontjának megválasztását (előfeszítő feszültséget biztosítva a bázisára). Az erősítő többi elemének célja ugyanaz, mint az előző áramkörökben.
Push-pull audioerősítő
A két tranzisztoros, kisfrekvenciás erősítő a bemeneti audiojelet két fázison kívüli félhullámra osztja fel, amelyek mindegyikét saját tranzisztoros fokozat erősíti. Az ilyen erősítés végrehajtása után a félhullámok egy teljes harmonikus jellé egyesülnek, amely a hangszórórendszerbe kerül. Az alacsony frekvenciájú ilyen átalakításajel (hasadás és újrafúzió) természetesen visszafordíthatatlan torzítást okoz benne, az áramkör két tranzisztorának frekvenciájának és dinamikai tulajdonságainak különbsége miatt. Ez a torzítás csökkenti a hangminőséget az erősítő kimenetén.
Az "A" osztályban működő push-pull erősítők nem reprodukálják elég jól az összetett hangjeleket, mivel folyamatosan megnövekedett állandó áram folyik a karjukban. Ez a jel félhullámainak aszimmetriájához, fázistorzulásokhoz és végső soron a hangérthetőség elvesztéséhez vezet. Fűtéskor két erős tranzisztor megduplázza a jeltorzítást az alacsony és az infra-alacsony frekvenciákon. Ennek ellenére a push-pull áramkör fő előnye az elfogadható hatékonyság és a megnövelt kimeneti teljesítmény.
Push-pull tranzisztoros teljesítményerősítő áramkör az ábrán látható.
Ez egy "A" osztályú erősítő, de az "AB" és még a "B" osztály is használható.
Transzformátor nélküli tranzisztoros teljesítményerősítő
A miniatürizálás terén elért haladás ellenére a Transformerek még mindig a legterjedelmesebb, legnehezebb és legdrágább ERE-k. Ezért találtak egy módot a transzformátor eltávolítására a push-pull áramkörből úgy, hogy két erős, különböző típusú (n-p-n és p-n-p) komplementer tranzisztoron működtetik. A legtöbb modern teljesítményerősítő ezt az elvet használja, és a "B" osztályú működésre tervezték. Egy ilyen teljesítményerősítő áramköre az alábbi ábrán látható.
Mindkét tranzisztorja egy közös kollektor (emitter követő) áramkör szerint van csatlakoztatva. Ezért az áramkör a bemeneti feszültséget erősítés nélkül továbbítja a kimenetre. Ha nincs bemeneti jel, akkor mindkét tranzisztor a bekapcsolt állapot határán van, de ki vannak kapcsolva.
Ha harmonikus jel kerül bemenetre, annak pozitív félhulláma megnyitja a TR1-et, de a TR2 p-n-p tranzisztort teljes levágási módba állítja. Így a terhelésen csak az erősített áram pozitív félhulláma folyik át. A bemeneti jel negatív félhulláma csak a TR2-t nyitja meg, és kikapcsolja a TR1-et, így az erősített áram negatív félhulláma jut a terheléshez. Ennek eredményeként teljes teljesítményű (áramerősítés miatt) szinuszos jel kerül a terhelésre.
Egyetlen tranzisztoros erősítő
A fentiek asszimilálásához saját kezünkkel összeállítunk egy egyszerű tranzisztoros erősítőt, és kitaláljuk, hogyan működik.
A BC107 típusú kis teljesítményű T tranzisztor terheléseként 2-3 kOhm ellenállású fejhallgatót kapcsolunk be, az előfeszítő feszültséget az alapra egy nagy ellenállású R 1-es ellenállásról kapcsoljuk. MΩ, bekapcsoljuk a 10 μF és 100 μF közötti kapacitású C leválasztó elektrolit kondenzátort a T alapáramkörben. Az áramkört 4,5 V / 0,3 A akkumulátorról fogjuk táplálni.
Ha az R ellenállás nincs csatlakoztatva, akkor nincs sem Ib bázisáram, sem Ic kollektoráram. Ha az ellenállás csatlakoztatva van, akkor az alap feszültsége 0,7 V-ra emelkedik, és Ib \u003d 4 μA áram folyik át rajta. Együtthatóa tranzisztor áramerősítése 250, ami Ic=250Ib=1 mA.
Miután saját kezűleg összeszereltünk egy egyszerű tranzisztoros erősítőt, most már tesztelhetjük is. Csatlakoztassa a fejhallgatót, és helyezze az ujját a diagram 1. pontjára. Zajt fog hallani. Az Ön szervezete 50 Hz-es frekvencián érzékeli a hálózat sugárzását. A fejhallgatóból hallható zaj ez a sugárzás, amelyet csak a tranzisztor erősít fel. Magyarázzuk meg ezt a folyamatot részletesebben. A C kondenzátoron keresztül 50 Hz-es váltakozó feszültség csatlakozik a tranzisztor alapjához. A bázis feszültsége most egyenlő az R ellenállásból származó egyenáramú előfeszítő feszültség (körülbelül 0,7 V) és a váltakozó áramú ujjfeszültség összegével. Ennek eredményeként a kollektoráram 50 Hz frekvenciájú váltakozó komponenst kap. Ez a váltakozó áram arra szolgál, hogy a hangszórók membránját azonos frekvencián előre-hátra mozgassa, ami azt jelenti, hogy 50 Hz-es hangot hallhatunk a kimeneten.
Az 50 Hz-es zajszint hallása nem túl érdekes, így alacsony frekvenciájú forrásokat (CD-lejátszó vagy mikrofon) csatlakoztathat az 1. és 2. ponthoz, és felerősített beszédet vagy zenét hallhat.
