Tranzistorsko pojačalo, uprkos svojoj već dugoj istoriji, ostaje omiljeni predmet učenja i za početnike i za veterane radio-amatera. I ovo je razumljivo. Neizostavna je komponenta najpopularnijih radio-amaterskih uređaja: radio prijemnika i niskofrekventnih pojačala (zvuka). Pogledat ćemo kako se grade najjednostavniji niskofrekventni tranzistorski pojačivači.
frekvencijski odziv pojačala
U svakom televizijskom ili radio prijemniku, u svakom muzičkom centru ili pojačivaču zvuka, možete pronaći tranzistorska pojačala zvuka (niske frekvencije - LF). Razlika između audio tranzistorskih pojačala i drugih tipova leži u njihovom frekvencijskom odzivu.
Tranzistorsko audio pojačalo ima ujednačen frekvencijski odziv u frekvencijskom opsegu od 15 Hz do 20 kHz. To znači da se svi ulazni signali sa frekvencijom unutar ovog opsega pretvaraju (pojačavaju) od strane pojačala.otprilike isto. Slika ispod prikazuje idealnu krivu frekvencijskog odziva za audio pojačalo u koordinatama "pojačanje pojačala Ku - frekvencija ulaznog signala".
Ova kriva je skoro ravna od 15Hz do 20kHz. To znači da bi takvo pojačalo trebalo koristiti posebno za ulazne signale sa frekvencijama između 15 Hz i 20 kHz. Za ulazne signale sa frekvencijama iznad 20 kHz ili ispod 15 Hz, njegova efikasnost i performanse se brzo pogoršavaju.
Tip frekvencijskog odziva pojačala je određen električnim radio elementima (ERE) njegovog kola, a prije svega samim tranzistorima. Audio pojačalo bazirano na tranzistorima se obično sklapa na takozvanim tranzistorima niske i srednje frekvencije sa ukupnim opsegom ulaznih signala od desetina i stotina Hz do 30 kHz.
Klasa pojačala
Kao što znate, u zavisnosti od stepena kontinuiteta strujnog toka tokom svog perioda kroz tranzistorski pojačalni stepen (pojačalo), razlikuju se sledeće klase njegovog rada: "A", "B", "AB", "C", "D".
U klasi rada, struja "A" teče kroz stepen za 100% perioda ulaznog signala. Kaskada u ovoj klasi je ilustrovana na sljedećoj slici.
U stepenu pojačala klase "AB", struja teče kroz njega više od 50%, ali manje od 100% perioda ulaznog signala (vidi sliku ispod).
U klasi rada stepena "B", struja teče kroz njega tačno 50% perioda ulaznog signala, kao što je prikazano na slici.
Konačno, u radnoj klasi "C" faze, struja teče kroz nju manje od 50% perioda ulaznog signala.
LF-tranzistorsko pojačalo: distorzija u glavnim klasama rada
U radnom području, tranzistorsko pojačalo klase "A" ima nizak nivo nelinearne distorzije. Ali ako signal ima impulsne skokove napona, što dovodi do zasićenja tranzistora, tada se oko svakog "standardnog" harmonika izlaznog signala pojavljuju viši harmonici (do 11.). Ovo uzrokuje fenomen takozvanog tranzistoriziranog ili metalnog zvuka.
Ako niskofrekventni pojačivači snage na tranzistorima imaju nestabilizirano napajanje, tada su njihovi izlazni signali modulirani u amplitudi blizu frekvencije mreže. To dovodi do oštrine zvuka na lijevoj ivici frekvencijskog odziva. Različite metode stabilizacije napona čine dizajn pojačala složenijim.
Tipična efikasnost single-ended pojačala klase A ne prelazi 20% zbog stalno uključenog tranzistora i kontinuiranog protoka DC komponente. Možete napraviti push-pull pojačalo klase A, efikasnost će se malo povećati, ali će polutalasi signala postati asimetričniji. Prenos kaskade iz radne klase "A" u radnu klasu "AB" učetvorostručava nelinearnu distorziju, iako se efikasnost njenog kola povećava.
Bpojačala klasa "AB" i "B" izobličenja povećavaju kako se nivo signala smanjuje. Nehotice poželiš da pojačaš glasnije za potpuni osjećaj snage i dinamike muzike, ali to često ne pomaže mnogo.
Srednje klase poslova
Radna klasa "A" ima varijaciju - klasa "A+". U ovom slučaju niskonaponski ulazni tranzistori pojačala ove klase rade u klasi "A", a visokonaponski izlazni tranzistori pojačala, kada im ulazni signali pređu određeni nivo, prelaze u klasu "B" ili "AB". Efikasnost takvih kaskada je bolja nego u čistoj klasi "A", a nelinearna distorzija je manja (do 0,003%). Međutim, oni takođe zvuče "metalno" zbog prisustva viših harmonika u izlaznom signalu.
Pojačala druge klase - "AA" imaju još niži stepen nelinearne distorzije - oko 0,0005%, ali su prisutni i viši harmonici.
Povratak na tranzistorsko pojačalo klase A?
Danas, mnogi stručnjaci na polju kvalitetne reprodukcije zvuka zagovaraju povratak na cijevna pojačala, budući da je nivo nelinearne distorzije i viših harmonika koje oni unose u izlazni signal očito niži nego kod tranzistora. Međutim, ove prednosti su u velikoj mjeri nadoknađene potrebom za odgovarajućim transformatorom između cijevnog izlaznog stupnja visoke impedancije i zvučnika niske impedancije. Međutim, jednostavno tranzistorizovano pojačalo se može napraviti sa izlazom transformatora kao što je prikazano ispod.
Također postoji stanovište da samo hibridno cijevno-tranzistorsko pojačalo može pružiti vrhunski kvalitet zvuka, čiji su svi stupnjevi jednostruki, nisu pokriveni negativnim povratnim informacijama i rade u klasi "A". Odnosno, takav sljedbenik snage je pojačalo na jednom tranzistoru. Njegova shema može imati najveću moguću efikasnost (u klasi "A") ne više od 50%. Ali ni snaga ni efikasnost pojačala nisu pokazatelji kvaliteta reprodukcije zvuka. Istovremeno, kvalitet i linearnost karakteristika svih ERE u krugu su od posebne važnosti.
S obzirom da jednostruka kola imaju ovu perspektivu, pogledaćemo njihove opcije u nastavku.
Jednostruko jednotranzistorsko pojačalo
Njegovo kolo, napravljeno sa zajedničkim emiterom i RC konekcijama za ulazne i izlazne signale za rad u klasi "A", prikazano je na donjoj slici.
Pokazuje n-p-n tranzistor Q1. Njegov kolektor je povezan sa +Vcc pozitivnim terminalom preko strujno ograničavajućeg otpornika R3, a njegov emiter je povezan na -Vcc. P-n-p tranzistorsko pojačalo će imati isto kolo, ali će vodovi napajanja biti obrnuti.
C1 je kondenzator za razdvajanje koji odvaja AC ulazni izvor od izvora istosmjernog napona Vcc. Istovremeno, C1 ne sprječava prolaz naizmjenične ulazne struje kroz spoj baza-emiter tranzistora Q1. Otpornici R1 i R2 zajedno sa otporomprelaz "E - B" formira djelitelj napona Vcc za odabir radne točke tranzistora Q1 u statičkom načinu rada. Tipična za ovaj krug je vrijednost R2=1 kOhm, a pozicija radne točke je Vcc / 2. R3 je otpornik za opterećenje kolektorskog kola i koristi se za stvaranje promjenjivog izlaznog signala napona na kolektoru.
Pretpostavimo da je Vcc=20 V, R2=1 kOhm, a strujni dobitak h=150. Odabiremo napon na emiteru Ve=9 V, a pad napona na prelazu "A - B" je uzeti jednak Vbe=0,7 V. Ova vrijednost odgovara tzv. silicijumskom tranzistoru. Ako bismo razmatrali pojačalo bazirano na germanijumskim tranzistorima, onda bi pad napona na otvorenom spoju "E - B" bio Vbe=0,3 V.
Struja emitera, približno jednaka struji kolektora
Ie=9 V/1 kΩ=9 mA ≈ Ic.
Bazna struja Ib=Ic/h=9mA/150=60uA.
Pad napona na otporniku R1
V(R1)=Vcc - Vb=Vcc - (Vbe + Ve)=20V - 9.7V=10.3V
R1=V(R1)/Ib=10, 3 V/60 uA=172 kOhm.
C2 je potreban za kreiranje kola za prolaz varijabilne komponente emiterske struje (zapravo struje kolektora). Da ga nema, onda bi otpornik R2 ozbiljno ograničio varijabilnu komponentu, tako da bi dotično bipolarno tranzistorsko pojačalo imalo nisko strujno pojačanje.
U našim proračunima, pretpostavili smo da je Ic=Ib h, gdje je Ib struja baze koja teče u nju iz emitera i koja nastaje kada se napon pristrasnosti primjenjuje na bazu. Međutim, kroz bazu uvijek (i sa i bez pomaka)postoji i struja curenja iz kolektora Icb0. Dakle, stvarna struja kolektora je Ic=Ib h + Icb0 h, tj. struja curenja u kolu sa OE je pojačana 150 puta. Ako bismo razmatrali pojačalo bazirano na germanijumskim tranzistorima, onda bi se ova okolnost morala uzeti u obzir u proračunima. Činjenica je da germanijumski tranzistori imaju značajan Icb0 reda od nekoliko μA. U silicijumu je tri reda veličine manji (oko nekoliko nA), pa se obično zanemaruje u proračunima.
Single-ended MIS tranzistorsko pojačalo
Kao i svako tranzistorsko pojačalo s efektom polja, dotično kolo ima svoj analog među bipolarnim tranzistorskim pojačalima. Stoga razmislite o analogu prethodnog kola sa zajedničkim emiterom. Napravljen je sa zajedničkim izvorom i RC priključcima za ulazne i izlazne signale za rad u klasi "A" i prikazan je na slici ispod.
Ovdje je C1 isti kondenzator za razdvajanje, pomoću kojeg je AC ulazni izvor odvojen od izvora istosmjernog napona Vdd. Kao što znate, svako pojačalo tranzistora sa efektom polja mora imati potencijal gejta svojih MOS tranzistora ispod potencijala njihovih izvora. U ovom kolu, kapija je uzemljena pomoću R1, koji je tipično visokog otpora (100 kΩ do 1 MΩ) tako da ne šantira ulazni signal. Kroz R1 praktički nema struje, tako da je potencijal gejta u odsustvu ulaznog signala jednak potencijalu zemlje. Potencijal izvora je veći od potencijala zemlje zbog pada napona na otporniku R2. DakleDakle, potencijal gejta je manji od potencijala izvora, koji je neophodan za normalan rad Q1. Kondenzator C2 i otpornik R3 imaju istu svrhu kao u prethodnom kolu. Pošto je ovo kolo sa zajedničkim izvorom, ulazni i izlazni signali su van faze za 180°.
Transformer Output Amplifier
Treće jednostepeno jednostavno tranzistorsko pojačalo, prikazano na donjoj slici, takođe je napravljeno po zajedničkom emiterskom kolu za rad u klasi "A", ali je povezano na zvučnik niske impedanse preko odgovarajućeg transformator.
Primarni namotaj transformatora T1 je opterećenje kolektorskog kola tranzistora Q1 i razvija izlazni signal. T1 šalje izlazni signal zvučniku i osigurava da izlazna impedancija tranzistora odgovara niskoj (reda nekoliko oma) impedanciji zvučnika.
Razdjelnik napona kolektorskog napajanja Vcc, montiran na otpornicima R1 i R3, omogućava izbor radne tačke tranzistora Q1 (napajanje prednapona na njegovu bazu). Namjena preostalih elemenata pojačala je ista kao u prethodnim krugovima.
Push-pull audio pojačalo
Pojačalo niske frekvencije sa dva tranzistora push-pull dijeli ulazni audio signal u dva vanfazna poluvala, od kojih je svaki pojačan vlastitim tranzistorskim stepenom. Nakon ovakvog pojačanja, polutalasi se kombinuju u kompletan harmonijski signal, koji se prenosi na sistem zvučnika. Takva transformacija niske frekvencijesignal (cijepanje i ponovno spajanje), naravno, uzrokuje nepovratnu distorziju u njemu, zbog razlike u frekvenciji i dinamičkim svojstvima dva tranzistora kola. Ovo izobličenje smanjuje kvalitet zvuka na izlazu pojačala.
Push-pull pojačala koja rade u klasi "A" ne reprodukuju dovoljno dobro složene audio signale, jer povećana konstantna struja stalno teče u njihovim rukama. To dovodi do asimetrije polutalasa signala, faznih izobličenja i, na kraju, do gubitka razumljivosti zvuka. Kada se zagriju, dva snažna tranzistora udvostručuju izobličenje signala na niskim i infra-niskim frekvencijama. Ali ipak, glavna prednost push-pull kola je njegova prihvatljiva efikasnost i povećana izlazna snaga.
Push-pull tranzistorski krug pojačala je prikazan na slici.
Ovo je pojačalo klase "A", ali se može koristiti i klasa "AB", pa čak i "B".
Tranzistorsko pojačalo snage bez transformatora
Transformeri, uprkos napretku u njihovoj minijaturizaciji, i dalje su najglomazniji, najteži i najskuplji ERE. Stoga je pronađen način da se transformator eliminiše iz push-pull kola tako što će se pokrenuti na dva moćna komplementarna tranzistora različitih tipova (n-p-n i p-n-p). Većina modernih pojačala snage koristi ovaj princip i dizajnirana su za rad u klasi "B". Krug takvog pojačala je prikazan na slici ispod.
Oba njegova tranzistora su povezana prema zajedničkom kolektorskom (emiterskom sljedbeniku) kolu. Dakle, kolo prenosi ulazni napon na izlaz bez pojačanja. Ako nema ulaznog signala, tada su oba tranzistora na granici uključenog stanja, ali su isključena.
Kada se unese harmonični signal, njegov pozitivni poluval otvara TR1, ali stavlja p-n-p tranzistor TR2 u režim potpunog prekida. Dakle, samo pozitivni poluval pojačane struje teče kroz opterećenje. Negativni poluval ulaznog signala otvara samo TR2 i isključuje TR1, tako da se negativni poluval pojačane struje dovodi do opterećenja. Kao rezultat toga, sinusoidalni signal punom snagom pojačan (zbog pojačanja struje) se isporučuje na opterećenje.
Pojačalo sa jednim tranzistorom
Da bismo asimilirali gore navedeno, sastaviti ćemo jednostavno tranzistorsko pojačalo vlastitim rukama i shvatiti kako funkcionira.
Kao opterećenje tranzistora male snage T tipa BC107, uključujemo slušalice sa otporom od 2-3 kOhm, primjenjujemo prednapon na bazu sa otpornika visokog otpora R od 1 MΩ, uključujemo razdvojni elektrolitički kondenzator C kapaciteta od 10 μF do 100 μF u osnovnom kolu T. Kolo ćemo napajati iz baterije od 4,5 V / 0,3 A.
Ako otpornik R nije spojen, tada ne postoji ni bazna struja Ib ni struja kolektora Ic. Ako je otpornik spojen, tada napon na bazi raste na 0,7 V i kroz njega teče struja Ib=4 μA. Koeficijenttrenutni dobitak tranzistora je 250, što daje Ic=250Ib=1 mA.
Nakon što smo sastavili jednostavno tranzistorsko pojačalo vlastitim rukama, sada ga možemo testirati. Povežite slušalice i stavite prst na tačku 1 dijagrama. Čućete buku. Vaše tijelo percipira zračenje mreže na frekvenciji od 50 Hz. Buka koju čujete iz slušalica je ovo zračenje, samo pojačano tranzistorom. Objasnimo ovaj proces detaljnije. Izmjenični napon od 50 Hz je povezan na bazu tranzistora preko kondenzatora C. Napon na bazi je sada jednak zbiru DC prednapona (približno 0,7 V) koji dolazi iz otpornika R i AC napona prsta. Kao rezultat toga, struja kolektora prima naizmjeničnu komponentu frekvencije od 50 Hz. Ova naizmjenična struja se koristi za pomicanje membrane zvučnika naprijed-nazad na istoj frekvenciji, što znači da možemo čuti ton od 50Hz na izlazu.
Slušanje nivoa buke od 50 Hz nije baš interesantno, tako da možete povezati niskofrekventne izvore (CD plejer ili mikrofon) na tačke 1 i 2 i čuti pojačan govor ili muziku.
