Усилитель транзистор: Как работает усилитель звуковой частоты / Хабр

Как работает усилитель звука (УНЧ) на транзисторе

Рубрика: Статьи обо всем Опубликовано 12.04.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 9 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 690

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который позволяет генерировать, создавать и усиливать электрические колебания. С помощью него можно усилить любой электрический сигнал. Разберем типовую. схему включения биполярного n-p-n транзистора.

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Как именно определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, общий контакт эмиттер. Поэтому схема называется с общим эмиттером. Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора.

Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

К тому же, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть предел для увеличения емкости для схемы. Если в эту схему подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ. Это связано с тем, что у транзистора так же есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и другие параметры.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

• не закрывается;
• не переходит в режим насыщения;
• не искажает сигнал;
• и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Самое важное касается согласование сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.

В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h31э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.

Как проверить работу схемы

Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.

Post Views: 690

Простой германиевый усилитель мощности – Усилители на транзисторах – Звуковоспроизведение

Николай Трошин

В последнее время заметно вырос интерес к усилителям мощности на германиевых транзисторах. Есть мнение, что звучание таких усилителей более мягкое, напоминает «ламповый звук».
Предлагаю вашему вниманию две простые схемы усилителей мощности НЧ на германиевых транзисторах, опробованные мной некоторое время назад.

Здесь использованы более современные схемные решения, чем те, которые использовались в 70-е годы, когда «германий» был в ходу. Это позволило получить приличную мощность при хорошем качестве звучания.
Схема на рисунке ниже, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из моей статьи в журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55).

Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Несколько слов о деталях:

При сборке усилителя, в качестве конденсаторов постоянной ёмкости (помимо электролитических), желательно применять слюдяные конденсаторы. Например типа КСО, такие, как ниже на рисунке.

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Пластина разрезается по линиям, потом этой заготовке придают форму трубки, используя для этой цели любую подходящую цилиндрическую оправку (например сверло).
После этого заготовку (1) плотно надевают на корпус транзистора (2) и прижимают пружинящим кольцом (3), предварительно отогнув боковые крепёжные ушки.

Кольцо изготовляется из стальной проволоки диаметром 0,5-1,0 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки.
Теперь осталось загнуть снизу боковые ушки для крепления радиатора за корпус транзистора и отогнуть на нужный угол надрезанные перья.

Подобный радиатор можно также изготовить и из медной трубки, диаметром 8мм. Отрезаем кусок 6…7см, разрезаем трубку вдоль по всей длине с одной стороны. Далее на половину длины разрезаем трубку на 4 части и отгибаем эти части в виде лепестков и плотно надеваем на транзистор.

Так как диаметр корпуса транзистора где-то 8,2 мм, то за счёт прорези по всей длине трубки, она плотно оденется на транзистор и будет удерживаться на его корпусе за счёт пружинящих свойств.
Резисторы в эмиттерах выходного каскада – либо проволочные мощностью 5 Вт, либо типа МЛТ-2 3 Ом по 3шт параллельно. Импортные пленочные использовать не советую – выгорают мгновенно и незаметно, что ведет к выходу из строя сразу нескольких транзисторов.

Настройка:

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный.

Самая дефицитная деталь для сборки усилителя по вышеприведённой схеме – это выходные германиевые транзисторы ГТ806. Их и в светлое советское время было не так легко приобрести, а сейчас наверно и того труднее. Гораздо проще найти германиевые транзисторы типов П213-П217, П210.
Если Вы не сможете по каким либо причинам приобрести транзисторы ГТ806, то Вашему вниманию предлагается ещё одна схема усилителя, где в качестве выходных транзисторов, можно использовать как раз вышеупомянутые П213-П217, П210.

 

Схема эта – модернизация первой схемы. Выходная мощность этого усилителя составляет 50Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и 30Вт при 8-Омной нагрузке.
Напряжение питания этого усилителя (U пит) так же двухполярное и составляет ±27 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Какие же изменения внесены в эту схему;
Добавлены два источника тока в «усилитель напряжения» и еще один каскад в «усилитель тока».
Применение еще одного каскада усиления на довольно высокочастотных транзисторах П605, позволило несколько разгрузить транзисторы ГТ402-ГТ404 и расшевелить совсем уж медленные П210.

Получилось довольно не плохо. При входном сигнале 20кГц, и при выходной мощности 50Вт – на нагрузке искажений практически не заметно (на экране осциллографа).
Минимальные, мало заметные искажения формы выходного сигнала с транзисторами типа П210, возникают только на частотах около 20 кгц при мощности 50 вт. На частотах ниже 20 кгц и мощностях менее 50 вт искажений не заметно.
В реальном музыкальном сигнале таких мощностей на столь высоких частотах обычно не бывает, по этому отличий в звучании (на слух) усилителя на транзисторах ГТ806 и на транзисторах П210 я не заметил.
Впрочем, на транзисторах типа ГТ806, если смотреть осциллографом, усилитель работает все-таки лучше.

При нагрузке 8 Ом в этом усилителе, также возможно применение выходных транзисторов П216…П217, и даже П213…П215. В последнем случае напряжение питания усилителя нужно будет снизить до ±23В. Выходная мощность при этом, разумеется, тоже упадет.
Повышение же питания – ведет к увеличению выходной мощности, и я думаю, что схема усилителя по второму варианту имеет такой потенциал (запас), однако, я не стал экспериментами искушать судьбу.

Радиаторы для этого усилителя обязательны следующие – на выходные транзисторы площадью рассеивания не менее 300см2, на предвыходные П605 – не менее 30см2 и даже на ГТ402, ГТ404 (при сопротивлении нагрузки 4 Ом) тоже нужны.
Для транзисторов ГТ402-404 можно поступить проще;
Взять медную проволоку (без изоляции) диаметром 0,5-0,8, намотать на круглую оправку (диаметром 4-6 мм) проволоку виток к витку, согнуть в кольцо полученную обмотку (с внутренним диаметром меньше диаметра корпуса транзистора), соединить концы пайкой и надеть полученный “бублик” на корпус транзистора.

Эффективней будет наматывать проволоку не на круглую, а на прямоугольную оправку, так как при этом увеличивается площадь соприкосновения проволоки с корпусом транзистора и соответственно повышается эффективность отвода тепла.
Также для повышения эффективности отвода тепла для всего усилителя, можно уменьшить площадь радиаторов и применить для охлаждения 12В куллер от компьютера, запитав его напряжением 7…8В.

Транзисторы П605 можно заменить на П601…П609.
Настройка второго усилителя аналогична описанной для первой схемы.
Несколько слов об акустических системах. Понятно, что для получения хорошего звучания они должны иметь соответствующую мощность. Желательно также, используя звуковой генератор – пройтись на разных мощностях по всему диапазону частот. Звучание должно быть чистым, без хрипов и дребезга. Особенно, как показал мой опыт, этим грешат высокочастотные динамики колонок типа S-90.

Если у кого возникнут какие либо вопросы по конструкции и сборке усилителей – задавайте, по возможности постараюсь ответить.

Удачи всем Вам в Вашем творчестве и всего наилучшего!

 

Работа биполярного транзистора. Режим усиления

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 3. высокой частоты — 30 МГц 4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В. Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал? Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток — снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала \(P_C = U_С I_С\) , передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты — усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства. Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону. Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора. На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.   Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления   Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно. Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи “коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания” при достаточно слабом токе в цепи “база — эмиттер — маломощный источник сигнала”. Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление. Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.     < Предыдущая   Следующая >

Самый простой усилитель звука на одном транзисторе.

Усилитель низкой частоты на мощных транзисторах

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10… 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3…12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20…30 кОм и переменный сопротивлением 100… 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 – 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2…4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5…0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50…60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30…50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2… 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит – напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 – 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 – вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 – 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

После освоения азов электроники, начинающий радиолюбитель готов паять свои первые электронные конструкции. Усилители мощности звуковой частоты, как правило самые повторяемые конструкции. Схем достаточно много, каждая отличается своими параметрами и конструкцией. В этой статье будут рассмотрены несколько простейших и полностью рабочих схем усилителей, которые успешно могут быть повторены любым радиолюбителем. В статье не использованы сложные термины и расчеты, все максимально упрощено, чтобы не возникло дополнительных вопросов.

Начнем с более мощной схемы.
Итак, первая схема выполнена на известной микросхеме TDA2003. Это монофонический усилитель с выходной мощностью до 7 Ватт на нагрузку 4 Ом. Хочу сказать, что стандартная схема включения этой микросхемы содержит малое количество компонентов, но пару лет назад мною была придумана иная схема на этой микросхеме. В этой схеме количество комплектующих компонентов сведено к минимуму, но усилитель не потерял свои звуковые параметры. После разработки данной схемы, все свои усилители для маломощных колонок стал делать именно на этой схеме.

Схема представленного усилителя имеет широкий диапазон воспроизводимых частот, диапазон питающих напряжений от 4,5 до 18 вольт (типовое 12-14 вольт). Микросхему устанавливают на небольшой теплоотвод, поскольку максимальная мощность достигает до 10 Ватт.

Микросхема способна работать на нагрузку 2 Ом, это значит, что к выходу усилителя можно подключать 2 головки с сопротивлением 4 Ом.
Входной конденсатор можно заменить на любой другой, с емкостью от 0,01 до 4,7 мкФ (желательно от 0,1 до 0,47 мкФ), можно использовать как пленочные, так и керамические конденсаторы. Все остальные компоненты желательно не заменять.

Регулятор громкости от 10 до 47 кОм.
Выходная мощность микросхемы позволяет применять его в маломощных АС для ПК. Очень удобно использовать микросхему для автономных колонок к мобильному телефону и т.п.
Усилитель работает сразу после включения, в дополнительной наладке не нуждается. Советуется минус питания дополнительно подключить к теплоотводу. Все электролитические конденсаторы желательно использовать на 25 Вольт.

Вторая схема собрана на маломощных транзисторах, и больше подойдет в качестве усилителя для наушников.

Это наверное самая качественная схема такого рода, звук чистый, чувствуются весь частотный спектр. С хорошими наушниками, такое ощущение, что у вас полноценный сабвуфер.

Усилитель собран всего на 3-х транзисторах обратной проводимости, как самый дешевый вариант, были использованы транзисторы серии КТ315, но их выбор достаточно широк.

Усилитель может работать на низкоомную нагрузку, вплоть до 4-х Ом, что дает возможность, использовать схему для усиления сигнала плеера, радиоприемника и т.п. В качестве источника питания использована батарейка типа крона с напряжением 9 вольт.
В окончательном каскаде тоже применены транзисторы КТ315. Для повышения выходной мощности можно применить транзисторы КТ815, но тогда придется увеличить напряжение питания до 12 вольт. В этом случае мощность усилителя будет достигать до 1 Ватт. Выходной конденсатор может иметь емкость от 220 до 2200 мкФ.
Транзисторы в этой схеме не нагреваются, следовательно, какое-либо охлаждение не нужно. При использовании более мощных выходных транзисторов, возможно, понадобятся небольшие теплоотводы для каждого транзистора.

И наконец – третья схема. Представлен не менее простой, но проверенный вариант строения усилителя. Усилитель способен работать от пониженного напряжения до 5 вольт, при таком случае выходная мощность УМ будет не более 0,5 Вт, а максимальная мощность при питании 12 вольт достигает до 2-х Ватт.

Выходной каскад усилителя построен на отечественной комплементарной паре. Регулируют усилитель подбором резистора R2. Для этого желательно использовать подстроечный регулятор на 1кОм. Медленно вращаем регулятор до тех пор, пока ток покоя выходного каскада не будет 2-5 мА.

Усилитель не обладает высокой входной чувствительностью, поэтому желательно перед входом применить предварительный усилитель.

Немало важную роль в схеме играет диод, он тут для стабилизации режима выходного каскада.
Транзисторы выходного каскада можно заменить на любую комплементарную пару соответствующих параметров, например КТ816/817. Усилитель может питать маломощные автономные колонки с сопротивлением нагрузки 6-8 Ом.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Усилитель на микросхеме TDA2003
	Аудио усилитель	TDA2003	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С1		47 мкФ х 25В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С2	Конденсатор	100 нФ	1	Пленочный	Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С3	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 25В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С5	Электролитический конденсатор	470 мкФ х 16В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R2	Переменный резистор	50 кОм	1	От 10 кОм до 50 кОм	Поиск в Чип и Дип	В блокнот
Ls1	Динамическая головка	2-4 Ом	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
	Усилитель на транзисторах схема №2
VT1-VT3	Биполярный транзистор	КТ315А	3		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С1	Электролитический конденсатор	1 мкФ х 16В	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
С2, С3	Электролитический конденсатор	1000 мкФ х 16В	2		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R1, R2	Резистор	100 кОм	2		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R3	Резистор	47 кОм	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R4	Резистор	1 кОм	1		Поиск в Чип и Дип	В блокнот
R5	Переменный резистор	50 кОм	1

В режиме усиления транзистор усилитель работает в схемах приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ и УНЧ). При работе применяются малые токи в базовой цепи, управляющие большими токами в коллекторе.В этом заключается и отличие режима усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор в зависимости от Uб на базе.

В качестве опыта для начинающего радиолюбителя соберем самый простой усилитель транзистор, в соответствии с предлагаемой схемой и рисунком.

К коллектору VT1 подсоединим высокоомный телефон BF2 , между базой и минусом блока питания подключим сопротивление Rб , и развязывающую емкость конденсатора C св .

Конечно, сильного усиления звукового сигнала от такой схемы мы не получим, но услышать звук в телефоне BF1 все таки можно, т.к мы собрали ваш первый усилительный каскад.

Усилительным каскадом называют схему транзистора с резисторами, конденсаторами и другими радиокомпонентами, обеспечивающими последнему условия работы как транзистор усилитель. Кроме того сразу скажем о том, что усилительные каскады можно соединять между собой и получать многокаскадные усилительные устройства.

При подключение источника питания к схеме, на базу транзистора через сопротивление Rб идет небольшое отрицательное напряжение порядка 0,1 – 0,2В, называемое напряжением смещения. Оно немного приоткрывает транзистор, т.е снижает высоту потенциальных барьеров, и через переходы полупроводникового прибора начинает течь небольшой ток, который держит усилитель в дежурном режиме, из которого он способен мгновенно выйти, как только на входе появится входной сигнал.

Без присутствия напряжения смещения эмиттерный переход будет заперт и, как диод, будет не пропускать положительные полупериоды входного напряжения, а усиленный сигнал будет искажаться.

Если на вход усилителя подсоединить еще один телефон и применить его в роли микрофона, то он будет преобразовывать возникающие на его мембране звуковые колебания в переменное напряжение звукового диапазона, которое через емкость Ссв будет следовать на базу транзистора.

Конденсатор Ссв является связующим компонентом между телефоном и базой. Он отлично пропускает напряжение ЗЧ, но создает серьезную преграду постоянному току идущему из базовой цепи к телефону. Кроме того телефон обладает внутренним сопротивлением порядка 1600 Ом, поэтому без этой емкости конденсатора база через внутреннее сопротивление соединялась бы с эмиттером и никакого усиления не было бы.

Теперь, если начать говорить в телефон-микрофон, то эмиттерной цепи появятся колебания тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током возникающем в коллекторе и эти усиленные колебания, преобразованные вторым телефоном в обычный звук, мы и будем слышать.

Процесс усиления сигнала можно представить так. В момент отсутствия напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора протекают незначительные токи (прямые участки диаграммы а, б, в), заданные приложенным напряжением блока питания, напряжением смещения и усилительными характеристиками биполярного транзистора.

Как только на базу поступает входной сигнал (правая часть диаграммы а), то в зависимости от него начнут изменяться и токи в цепях трехвыводного полупроводникового прибора (правая часть диаграммы б, в).

В отрицательной полуволне сигнала, когда Uвх и напряжение БП суммируются на базе – токи протекающие через транзистор возрастают.

При плюсовой волне минусовое напряжение на базе снижается, как и протекающие токи. Вот таким образом и работает транзистор усилитель.

Если на выход подключить не телефон а резистор, то появляющееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно подвести ко входной цепи второго каскада для дополнительного усиления. Один прибор способен усиливать сигнал в 30 – 50 раз.

По этому же принципу работают VT противоположной структуры n-p-n. Но для них полярность включения блока питания необходимо поменять на противоположную.

Для работы транзистора усилителя на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно должно поступать постоянное напряжение смещения, открывающее полупроводниковый прибор.

Для германиевых VT открывающее напряжение должно быть не более 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта. Напряжение смещения на базу не подают только тогда, когда эмиттерный переход транзистора применяют для детектирования сигнала, но об этом мы поговорим позднее.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) является составной частью большинства радиотехнических устройств как то телевизора, плеера, радиоприемника и различных приборов бытового назначения. Рассмотрим две простые схемы двухкаскадного УНЧ на .

Первый вариант УНЧ на транзисторах

В первом варианте усилитель построен на кремниевых транзисторах n-p-n проводимости. Входной сигнал поступает через переменный резистор R1, который в свою очередь является нагрузочным сопротивлением для схемы источника сигнала. подсоединены к коллекторной электроцепи транзистора VT2 усилителя.

Настройка усилителя первого варианта сводится к подбору сопротивлений R2 и R4. Величину сопротивлений нужно подобрать такой, чтобы миллиамперметр, подключенный в коллекторную цепь каждого транзистора, показывал ток в районе 0,5…0,8 мА. По второй схеме необходимо также выставить коллекторный ток второго транзистора путем подбора сопротивления резистора R3.

В первом варианте возможно применить транзисторы марки КТ312, или их зарубежные аналоги, однако при этом необходимо будет выставить правильное смещение напряжения транзисторов путем подбора сопротивлений R2, R4. Во втором варианте в свою очередь, возможно применить кремневые транзисторы марки КТ209, КТ361, или зарубежные аналоги. При этом выставить режимы работы транзисторов можно путем изменения сопротивления R3.

В коллекторную электроцепь транзистора VT2 (обоих усилителей) взамен наушников возможно подключить динамик с высоким сопротивлением. Если же необходимо получить более мощное усиление звука, то можно собрать усилитель на , который обеспечивает усиление до 15 Вт.

Источник питания должен выдавать стабильное или нестабильное двуполярное напряжение питания ±45V и ток 5А. Эта схема УНЧ на транзисторах весьма проста, так как в выходном каскаде используется пара мощных комплементарных транзисторов Дарлингтона . В соответствии с справочными характеристиками эти транзисторы могут коммутировать ток до 5А при напряжении эмиттерном-коллекторном переходе до 100V.

Схема УНЧ представлена на рисунке чуть ниже.

Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной состовляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3. Но следует учитовать, что слишком сильное увеличение сопротивления R7 приводет к возбуждению.

Режим работы по постоянному току обеспечивается подбором резистора R6. Выходной каскад на транзисторах Дарлингтона VT3 и VT4 работает в классе АВ. Диоды VD1 и VD2 нужны для стабилизации рабочей точки выходного каскада.

Транзистор VT5 ппредназначен для раскачки выходного каскада, на его базу поступает сигнал с выхода дифференциального предварительного усилителя, а так же постоянное напряжение смещения, которое определяет режим работы выходного каскада по постоянному току.

Все конденсаторы схемы должны быть рассчитаны на максимальное постоянное напряжение не ниже 100V. Транзисторы выходного каскада рекомендуется закрепить на радиаторы площадью не меньше 200 см в квадрате

Рассмотренная схема простого двухкаскадного усилителя разработана для работы с наушниками или для использования в простых устройствах с функцией предварительного усилителя.

Первый транзистор усилителя подсоединен по схеме с общим эмиттером, а второй транзистор с общим коллектором. Первый каскад предназначен для базового усиления сигнала по напряжению, а второй каскада усиливает уже по мощности.

Малое выходное сопротивление второго каскада двухкаскадного усилителя, называемого эмиттерным повторителем, позволяет подсоединять не только наушники с большим сопротивлением, но и другие виды преобразователей акустического сигнала.

Эта тоже двухкаскадная схема УНЧ выполненная на двух транзисторах, но уже противоположной проводимости. Ее главная особенность в том, что связь между каскадами непосредственная. Охваченная ООС через сопротивление R3 напряжение смещения со второго каскада проходит на базу первого транзистора.

Конденсатор СЗ, шунтирует резистор R4, уменьшает ООС по переменному току, тем самым уменьшающая усиление VT2. Путем подбора номинала резистора R3 задают режим работы транзисторов.

УМЗЧ на двух транзисторах

Этот достаточно легкий усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) можно спаять всего на двух транзисторах. При напряжении питания 42В постоянного тока выходная мощность усилителя достигает 0,25 Вт при нагрузке 4 Ом. Потребляемый ток всего 23 mA. Усилитель работает в однотактном режиме «А».

Напряжение низкой частоты от источника сигнала подходит к регулятору громкости R1. Далее через защитный резистор R3 и конденсатор C1 сигнал оказывается на базе биполярного транзистора VT1 включенного по схеме с общим эмиттером. Усиленный сигнал через R8 подается на затвор мощного полевого транзистора VT2 включенный по схеме с общим истоком и его нагрузкой служит первичная обмотка понижающего трансформатора К вторичной обмотке трансформатора можно подключить динамическую головку или акустическую систему.

В обоих транзисторных каскадах присутствует местная отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току, так и общей цепью ООС.

В случае увеличения напряжения на затворе полевого транзистора сопротивление сток исток его канала уменьшается и напряжение на его стоке уменьшается. Это влияет и на уровень сигнала поступающий на биполярный транзистор, что снижает напряжения затвор-исток.

Совместно с цепями местной отрицательной обратной связи, таким образом, стабилизируются режимы работы обоих транзисторов даже в случае незначительного изменения питающего напряжения. Коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивлений резисторов R10 и R7. Стабилитрон VD1 предназначен для предотвращения выхода полевого транзистора из строя. Питание усилительного каскада на VT1 производится через RC фильтр R12C4. Конденсатор C5 блокировочный по цепи питания.

Усилитель может быть собран на печатной плате размерами 80×50 мм,на ней расположены все элементы кроме понижающего трансформатора и динамической головки

Наладку схемы усилителя осуществляют при том напряжении питания, при котором он будет работать. Для тонкой настройки рекомендуется использовать осциллограф, щуп которого подключают к выводу стока полевого транзистора. Подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 100 … 4000 Гц, с помощью регулировки подстроечного резистора R5 добиваются того, чтобы отсутствовали заметные искажения синусоиды при как можно большем размахе амплитуды сигнала на выводе стока транзистора.

Выходная мощность усилителя на полевом транзисторе небольшая, всего 0,25Вт, напряжение питания от 42В до 60В. Сопротивление динамической головки 4 Ома.

Аудио сигнал через переменное сопротивление R1, затем R3 и разделительную емкость C1 поступает на усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Далее с этого транзистора усиленный сигнал через сопротивление R10 проходит на полевой транзистор.

Первичная обмотка трансформатора является нагрузкой для полевого транзистора, а к вторичной обмотки подключен четырех омная динамическая головка. Соотношением сопротивлений R10 и R7 задаем степень усиления по напряжению. С целью защиты униполярного транзистора в схему добавлен стабилитрон VD1.

Все номиналы деталей имеются на схеме. Трансформатор можно использовать типа ТВК110ЛМ или ТВК110Л2, от блока кадровой развертки старого телевизора или аналогичный.

УМЗЧ по схеме Агеева

Наткнулся на эту схему в старом выпуске журнала радио, впечатления от нее остались самыми приятными,во первых схема настолько проста, что ее сможет собрать и начинающий радиолюбитель,во вторых при условии рабочих компонентов и правильной сборки наладки она не требует.

Если вас заинтересовала эта схема, то остальные подробности по ее сборке вы сможете найти в журнале радио №8 за 1982 год.

Высококачественные транзисторные УНЧ

Транзисторный усилитель мощности • HamRadio

Транзисторный усилитель мощности (ШПУ) отработана и мало чем отличается в различных промышленных конструкциях, что говорит о практическом отсутствии «белых пятен» в данной области радио конструирования. И все же радиолюбители довольно редко применяют самодельные конструкции на мощности более 30-40 Вт. Это, конечно, связано с дефицитностью качественных мощных транзисторов для линейного усиления ВЧ сигнала в диапазоне 1-30 Мгц.
Возможно и то, что основной способ настройки любительской техники – «метод научного тыка» для таких конструкций не подходит, поэтому сегодня более популярны ламповые усилители. Неоднократное применение различных типов транзисторов в ШПУ трансиверов показало их явные преимущества в сравнении с ламповыми на такие же мощности (речь, конечно, идет о Рвых.< 200 Вт). При изготовлении и эксплуатации транзисторного усилителя нужно учитывать определенные особенности, которые не возникают либо менее выражены в ламповом. Вот некоторые из них:

1.Нужно использовать транзисторы, специально разработанные для линейного усиления на частотах 1,5-30 МГц.

2. Выходная мощность двухтактного ШПУ не должна превышать максимального значения мощности применяемых транзисторов, хотя они и выдерживают перегрузки. Например, в военной технике этот показатель не превышает 25-50% от максимального значения.
3. Хотя бы один раз заглянуть в справочник и внимательно ознакомиться с параметрами используемого транзистора.
4. Нельзя превышать ни один из предельно допустимых параметров.
5. Во время предварительной настройки следует использовать безындукционную нагрузку в виде эквивалента сопротивлением 50-75 Ом соответствующей мощности, но ни в коем случае не электролампочку, как это многие делают при настройке лампового усилителя.
6. Наконец-то, напрячься и сделать раз и навсегда качественный КСВ-метр в одной коробке с коммутатором антенн и фильтром TVI с обязательным отключением антенн в нерабочем состоянии. Тем самым Вы избавите себя от нервных стрессов при общении с соседями – любителями сверхдальнего телевизионного приема на комнатную антенну и спешного поиска резиновых перчаток для откручивания разъема антенны с началом каждой грозы.
7. Если Вы заражены «стрелочной болезнью» или любите «держать микрофон» пока из него не закапает «конденсат» – не нужно экономить на размерах корпуса и радиатора. Аксиома -«надежный усилитель – это большой усилитель».

В противном случае обязательно введение дополнительного обдува.

8. Не нужно браться за постройку такого усилителя, если смутно представляете себе разницу между трансформаторами типа «бинокль» и с «объемным витком». В этом случае лучше приобрести готовую конструкцию (в чем Вам может помочь автор статьи) или импровизировать с лампами.

Транзисторный усилитель мощности, предлагаемый в данной статье, работает в любом участке КВ диапазона, согласующее устройство позволяет использовать антенны с сопротивлением 50 Ом и более (рис. ).

Мощность раскачки не превышает 1 Вт. Максимальная выходная мощность определяется типом применяемых транзисторов, для КТ957А – до 250 Вт. Коэффициент усиления по мощности до 25 дБ на низкочастотных диапазонах. Входное сопротивление 50 Ом. Уровень гармоник на выходе не более 55 дБ.
Транзисторный усилитель мощности (ШПУ) отработана и мало чем отличается в различных промышленных конструкциях, что говорит о практическом отсутствии «белых пятен»
Максимальный ток потребления до 18-19 А. В связи с тем, что на радиостанции использовалась одна антенна на все диапазоны (треугольник периметром 160 м) было решено ввести в усилитель согласующее устройство с КСВ-метром. Габаритные размеры усилителя определялись размерами используемого трансивера (RA3AO) и составляют 160x200x300 мм. В эти габариты не удалось «уложить» источник +24 В, который выполнен в отдельном корпусе. Для того, чтобы усилитель не перегревался в летнее время, введен принудительный обдув радиатора. В итоге получилась довольно удачная конструкция небольших габаритов, которая может использоваться при работе с возбудителем небольшой мощности, это могут быть трансивер на базе Р399А, трансиверы «Роса», RA3AO с пониженной выходной мощностью и т.д. Аналогичную конструкцию используют RK6LB, UR5HRQ, a RU6MS уже несколько лет эксплуатирует выходной каскад на КТ956А с Р399А.

Сигнал с трансивера поступает на трансформатор Т1 (рис.),

это обычный «бинокль», который понижает входное сопротивление и обеспечивает два одинаковых противофазных сигнала на входе драйвера VT1, VT2. Цепочки C4R2 и C5R3 служат для формирования амплитудно-частотной характеристики с подъемом в высокочастотной области. Смещение подается отдельно на каждый транзистор с источника +12В (ТХ). В качестве VT1, VT2 нужно использовать транзисторы, которые служат для линейного усиления ВЧ сигнала. Наиболее подходящие и недорогие КТ921 и КТ955. Если есть возможность подобрать пару, тогда цепи смещения можно объединить. Резисторы отрицательной обратной связи в цепи эмиттеров улучшают устойчивость и линейность работы каскада.

«Фильтр-дырку» C10R10 можно заменить на несколько обычных блокировочных конденсаторов разного номинала (например 1000 пф; 0,01 мк; 0,1 мк), включенных параллельно. Элементы C14, C18, R11 …R14 формируют требуемую АЧХ выходного каскада. Резисторы R15, R18 служат для предотвращения пробоя эмиттерного перехода при обратной полуволне управляющего напряжения. Их можно рассчитать по формуле R = (βmin/(6,28*frp*C3) для других типов транзисторов. Трансформатор Т2 («бинокль») согласовывает относительно высокое выходное сопротивление первого каскада с более низким сопротивлением входных цепей оконечного.

Трансформатор ТЗ обеспечивает подачу питания на VT4, VT5 и симметрирует форму напряжения на коллекторах транзисторов с целью снижения уровня четных гармоник. Дополнительно с помощью контура, образованного обмоткой II и конденсатором С19, реализуется подъем АЧХ усилителя в области 24…30 МГц.

Выходной трансформатор Т4 согласовывает низкое сопротивление выходного каскада с сопротивлением нагрузки 50 Ом. Резистор R21 рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт (его можно набрать из нескольких) имеет условное обозначение – «защита от дурака». Наличие этого резистора имеет решающее значение в случае отсутствия какой-либо нагрузки для усилителя. В такой момент вся выходная мощность будет рассеиваться на этом резисторе и от него пойдет «дух горелой краски» – вывод нерадивому пользователю – «горим!». Транзисторы такую экзекуцию выдерживают – по данным завода-изготовителя степень рассогласования нагрузки при Рвых=70 Вт для одного транзистора в течение 1 с – 30:1. В нашем случае имеем 10:1, поэтому можно предположить, что за 3 секунды с транзисторами ничего не произойдет. Как показали эксперименты и многолетний опыт применения такой «защиты», транзисторы ни разу не выходили из строя от перегрузки по выходу.

Даже после прямого попадания молнии в антенну одного из пользователей такой техники вышел из строя только один транзистор, а резистор R21 рассыпался на мелкие кусочки. Реле К1 коммутирует антенну в режимах прием/передача (RX/TX). Желательно применять новое надежное герметизированное реле с малым временем срабатывания. Включение К1 происходит напряжением +12В (ТХ) через транзисторный ключ VT6. Цепь смещения VT4,VT5 объединена, т.к. была возможность подобрать пары этих транзисторов, в противном случае цепи смещения лучше выполнить раздельно, как это сделано, например, в [1]. Для температурной стабилизации тока покоя желательно обеспечить тепловой контакт хотя бы одного из диодов VD1 ,VD3 с ближайшим транзистором.

С выхода усилителя сигнал подается на КСВ-метр (рис.). Схема таких устройств (рис.) неоднократно описывалась в литературе.

Следует лишь отметить, что в качестве сердечника Т1 можно использовать практически любое ферритовое кольцо независимо от проницаемости. С увеличением проницаемости уменьшаем количество витков обмотки II. Подстроечные конденсаторы С1 и С8 должны выдерживать напряжение не менее 120 В и не изменять свои параметры при нагреве.

Узел ФНЧ (АЗ) (рис.4) состоит из шести фильтров нижних частот 5-го порядка, которые переключаются с помощью реле РЭС34 или РЭС10. Их входные и выходные нагрузочные сопротивления 50 Ом. Данные этих фильтров приведены в табл.1, они немного отличаются от расчетных. Это связано с тем, что усилитель слегка расстраивает фильтры и пришлось дополнительно подбирать элементы при максимальной выходной мощности. Это довольно рискованное мероприятие, но другой реальной методики как учесть, просчитать и компенсировать влияние усилителя на ФНЧ в рабочем режиме автору не известно. Фильтры переключаются подачей питающего напряжения на реле с «галетника» SB2 (рис.1).

Отфильтрованный сигнал подается на согласующее устройство (рис.), состоящее из катушек L1,L2 и емкостей С9,С10. При такой схеме включения элементов возможно согласование с нагрузкой >50 Ом. Это полностью соответствовало поставленной задаче – согласовать с рамкой периметром 160 м. Входное сопротивление такой антенны не было меньше 70 Ом ни на одном из диапазонов. Если потребуется согласование с нагрузками ниже 50 Ом, нужно ввести еще один галетный переключатель, который позволит менять конфигурацию устройства. Или хотя бы переключатель конденсатора С10 с выхода устройства на его вход. Очень сложно подобрать вариометр подходящих размеров для такой конструкции, да к тому же с возможностью изменения индуктивности в пределах 0…1 мкГн.

Шаровые вариометры не подходят, т.к. редко изменяют индуктивность на малых пределах, катушки с «бегунком» имеют большие габариты. Поэтому применен простейший вариант – бескаркасная катушка, свернутая в кольцо и своими выводами припаянная на контактные лепестки обычного керамического галетного переключателя на 11 положений. Отводы у катушек сделаны по-разному для того, чтобы более точно подобрать общую индуктивность согласующего устройства. Например, у L1 от 1, 3, 5, 7, 9, 13, 17, 21, 25, 30 витков, а у L2 от 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32 витков. Такой дискретности будет достаточно, чтобы точно подобрать требуемую индуктивность.

Например, в антенных тюнерах трансиверов TS-50 и TS-940 фирмы Kenwood используются катушки с семью отводами. Если сопротивление антенны не превысит 360…400 Ом, можно оставить одну катушку на 40…44 витка. Зазор между пластинами С10 должен быть не менее 0,5 мм, подойдут конденсаторы от старых ламповых радиоприемников. Для работы на 160 м, а иногда и на 80 м подключается дополнительный конденсатор С9.

При изготовлении усилителя следует обратить внимание на качество деталей и их электрическую прочность. Выводы элементов в ВЧ цепях должны иметь минимальную длину. По возможности, нужно подобрать пары транзисторов, хотя бы по простейшей методике.

Например, транзисторам задают одинаковые смещения на базе, измеряют коллекторные токи (по крайней мере при трех различных значениях напряжений смещения) и по более близким токам коллекторов отбирают пары транзисторов. Т.к. транзисторы мощные, нужно проводить измерения, задавая токи коллектора ориентировочно 20…50 мА, 200..          .400 мА и 0,9…1,3 А, а напряжение на коллектор подавать близкое к рабочему, хотя бы 18…22 В. Транзисторам при больших токах потребуется временный теплоотвод или измерения нужно проводить быстро, т.к. при прогреве растет крутизна транзистора. Конденсаторы лучше применять керамические, проверенные в аппаратуре, электролитические конденсаторы – танталовые.

Дроссели в базовых цепях можно использовать типов ДМ, ДПМ с минимальным внутренним сопротивлением, чтобы не создавалось на них дополнительное автосмещение, т.е. расчитанные на большой ток (для драйвера не менее 0,4 А, для выходных транзисторов не менее 1,2 А). Еще лучше намотать их на ферритовых кольцах диаметром 7. ..10 мм проницаемостью 600. ..2000, достаточно будет 5… 10 витков провода диаметром 0,4…0,7 мм. «Бинокли» изготавливались по «упрощенной технологии», т.е. внутри столбиков из ферритовых колец протягивается виток посеребряной оплетки от коаксиального кабеля, а уже внутри этой оплетки располагается провод вторичной обмотки в термостойкой изоляции. Каких-либо отличий в работе таких трансформаторов от «биноклей» с медными трубками замечено не было.

Немного сложнее подобрать качественный феррит для ТЗ. В аналогичных усилителях промышленного изготовления отечественного и зарубежного производства рекомендуемая проницаемость феррита для таких трансформаторов 100…125НН. В одном из усилителей авторского изготовления была попытка применить кольцо 125НН диаметром 22 мм, но такой трансформатор имел паразитный резонанс около 4 МГц, что резко ухудшило параметры усилителя на диапазоне 80 метров. Не было «проколов» с ферритами проницаемостью 400… 1000.

Более качественные параметры трансформатор имеет при его намотке скруткой из тонких проводов. Например, в промышленном УМ на КТ956А этот трансформатор намотан скруткой из 16 проводов ПЭВ-0,31, разделенных на 2 группы из 8 проводов. При выборе транзисторов для такого усилителя в первую очередь нужно обратить внимание, для каких целей предназначены эти транзисторы.

Не будет проблем с TVI при максимальной мощности, если применить транзисторы, предназначенные для линейного усиления сигнала в диапазоне 1 …30 МГц – это КТ921,927, 944, 950, 951,955, 956, 957, 980 и т.д. Такие приборы позволяют получать максимально возможную мощность без ухудшения надежности и с минимальной нелинейностью. Для таких транзисторов нормируется коэффициент комбинационных составляющих третьего и пятого порядков и далеко не каждая лампа может соперничать с ними по этим показателям.

Применение КТ930, 931,970 и им подобных в таком усилителе не имеет смысла. Чтобы не загружать читателя излишней информацией по поводу тех или иных транзисторов, нужно только отметить, что транзисторы, предназначенные для частот выше 60 МГц, как правило, изготавливаются по иной технологии и работают в классе С, усиливая частотно-модулированный сигнал. При использовании таких транзисторов на частотах ниже 30 МГц они склонны к возбуждению, не позволяют получать максимальной мощности из-за резкого снижения надежности и повышенных TVI. Более или менее сносно работают только КТ971А, да и то при пониженной мощности.

НАСТРОЙКА усилителя сводится к выставлению токов покоя – по 300…400 мА на VT1 , VT2 и по 150…200 мА на VT4,VT5. Эта процедура выполняется при помощи R1, R4, которые могут быть в пределах 390 Ом…2 кОм и R5 (680 Ом…10 кОм). Если не удается получить требуемых токов, можно добавить по одному диоду последовательно с VD2, VD4, и VD1, VD3.

Нагружаем усилитель на эквивалент, подсоединив его параллельно R21 при отключенных ФНЧ и подав на вход 0,5 Вэфф частотой 29 МГц, контролируем ламповым вольтметром ВЧ напряжение на эквиваленте и потребляемый ток. По отсутствию возбуждения убеждаемся в правильности подключения выводов витка связи в ТЗ. Подбором С19 устанавливается максимальный коэффициент усиления на 29 МГц. Включив параллельно резисторам в эмиттерах VT1, VT2 конденсаторы емкостью 1200…3300 пФ, можно еще немного поднять усиление на высокочастотных диапазонах. Затем проверяем отсутствие паразитных возбуждений, плавно увеличивая напряжение на входе усилителя, при этом выходное напряжение на эквиваленте должно расти так же плавно и без резких скачков. Мощность возбуждения не следует увеличивать более 1 Вт (7 Вэфф).

Правильное соотношение витков в трансформаторах при предполагаемой максимальной мощности проверяют, подсоединив ФНЧ и переключив нагрузку к выходу фильтров. Заметив значения выходного напряжения и потребляемого тока на диапазонах 28, 14, 3,5 МГц, изменяют на один виток II обмотку Т4. Нужно оставить такое количество витков, когда будут минимальные показания измерителя тока при максимальных или тех же значениях выходного напряжения. Как правило, изначально можно намотать 3 витка, а в процессе настройки уменьшить на виток. Аналогичную процедуру проводим с Т1 и Т2.

Для компенсации неравномерности усиления, которая обычно наблюдается на разных диапазонах, возможно потребуется дополнительный подбор C4,R2,C5,R3,R11,…R14,C14,C18. Если транзисторы предварительно не подбирались, желательно подкорректировать токи покоя по максимальному подавлению четных гармоник, уровень которых контролируют анализатором спектра или приемником.

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА (рис.) выполнена из двухстороннего стеклотекстолита толщиной не менее 1,2 мм при помощи острого ножа, металлической линейки и резака для нарезания контактных «пятачков».

Снизу платы некоторые «пятачки» соединены между собой или печатными дорожками, или монтажным проводом (показано пунктиром на рис.5). Для упрощения обозначены только основные радиоэлементы. Общую земляную шину «верха и низа» платы следует соединить пропаянными перемычками в нескольких точках по всему периметру платы. Плата установлена на металлических стойках на радиаторе размером 200×160 мм с ребрами высотой 25 мм. Под транзисторы в плате просверлены отверстия, а для лучшего теплового контакта посадочные места под транзисторы в радиаторе профрезерованы и смазаны теплопроводящей краской.

ФНЧ, выполненные по данным приведенным в таблице 1, в настройке практически не нуждаются.

Конденсаторы должны выдерживать реактивную мощность не менее 200 Вар. Можно использовать КСО или КМ размером не менее 10×10 мм. Допускается параллельное включение конденсаторов меньшей мощности. Катушки диапазонов выше 10 МГц намотаны с шагом, равным диаметру провода, на низкочастотные – виток к витку. Для переключения ФНЧ можно использовать реле или галетный переключатель. Во втором случае элементы фильтров нужно расположить так, чтобы исключить «пролезание» сигнала через соседние, т.к. их входы/выходы в этом случае остаются незаземленными.

Схему согласующего устройства можно изменить или ввести дополнительный переключатель для коммутации различных вариантов включения элементов. Это зависит от конструкции используемых антенн. Необходимо обязательно обеспечить возможность изменения индуктивности в малых пределах, в противном случае могут возникнуть проблемы при настройке согласующего устройства на высокочастотных диапазонах.

Вентилятор М1 для обдува радиатора – от блока питания компьютера. Все блокировочные конденсаторы – керамические, хорошего качества, с выводами минимальной длины. Электролитичекие конденсаторы – типов К53, К52. Диод VD1 имеет тепловой контакт с VT5.

Стабилизатор напряжения 24…27 В должен быть с ограничением максимального потребляемого тока. Можно рекомендовать схему, которая применяется на протяжении последних лет в трансиверах с транзисторными выходными каскадами и зарекомендовала себя как «надежная и простейшая» (рис.).

Это обычный параметрический стабилизатор с защитой от КЗ и перегрузки по току. Для получения требуемого тока применено параллельное включение двух мощных составных транзисторов с выравнивающими резисторами в цепи эмиттеров.

Регулировка выходного напряжения осуществляется резистором R6, а установка тока, при котором срабатывает защита, – R4 (чем выше его сопротивление, тем меньше ток). R5 служит для надежного запуска стабилизатора. В момент, когда выходной каскад не работает и ток потребления источника +24 В равен нулю, напряжение на выходе стабилизатора может повышаться до входного уровня. Чтобы этого не произошло, включен нагрузочный резистор R7, номинал которого зависит от утечки VT2, VT3 и R5. Собранный стабилизатор следует нагрузить на мощное проволочное сопротивление и выставить ток, при котором срабатывает защита. Достоинство этой схемы еще и в том, что регулирующие транзисторы крепятся к шасси (радиатору) без изолирующих теплопроводящих прокладок. При покупке КТ827А обязательна проверка транзисторов на утечку, т.к. очень много попадается брака.

Транзисторный усилитель мощности намоточные данные.

Согласующее устройство (рис.1). L1, L2 – бескаркасные, диаметр провода 1 …1,2 мм, диаметр оправки 16…18 мм, по 35 витков с отводами. С10 – от старых ламповых радиоприемников, зазор не менее 0,5 мм.

Усилитель мощности, А1 Т1 – «бинокль» (два столбика из 4-х тороидальных сердечников каждый, 1000…2000 НМ, К7). I – два витка, провод МПО-0,2; II – 1 виток, провод МПО-0,2.

Т2 – «бинокль» (два столбика из 5-ти сердечников каждый, 1000НМ, К7). 1 – 2 витка по 2 провода МПО-0,2, с отводом от точки соединения конца 1-го провода с началом 2-го; II – 1 виток оплетки коаксиального кабеля диаметром 3…5 мм (желательно посеребренной), или медная трубка. Обмотка I располагается внутри обмотки II, при этом ее оплетка должна плотно облегать витки первой обмотки.

ТЗ – один тороидальный сердечник, 100…600НМ, К16…18. I – 6 витков из 12 скрученных проводов ПЭВ 0,27…0,31, разделенных на 2 группы из 6-ти проводов, с отводом от точки соединения концов проводов первой группы с началом второй. II -1 виток провода МПО-0,2.

Т4 – «бинокль» (два столбика из 7-ми тороидальных сердечников каждый, 400…1000НН, К14…16. I – виток оплетки от коаксиального кабеля диаметром 5…9 мм или медная трубка. II – 2 витка из скрученных 4…5-ти проводов МПО-0,2. Обмотка II – внутри I.
L3 – один тороидальный сердечник, 1000НМ, К10…12, 5 витков провода ПЭВ 0,4…0,5 мм.
L6 – два тороидальных сердечника, 400…1000НМ, К10…12, 8 витков провода ПЭВ 0,9…1,2 мм или скрутки из 5…7 проводов ПЭВ 0,4…0,5 мм.
L1, L2, L4, L5 – стандартные дроссели типа ДМ, L4, L5 индуктивностью 10…15 мкГн на ток не менее 0,4 А.

КСВ-метр, А2

Т1 – тороидальный сердечник 20…50ВЧ, К16…20. I – отрезок коаксиального кабеля, оплетка которого служит электростатическим экраном и заземляется только с одной стороны. II – 15…20 витков ПЭВ 0,2…0,4 мм.

 

Транзисторный усилитель мощности 144-148 МГц 500 Вт MRF300AN, MRF300BN

В 2019 году компания NXP анонсировала выпуск новых LDMOS транзисторов MRF300. Теперь эти транзисторы стали доступны и для радиолюбителей. Принципиальное преимущество данного транзистора — это простой пластмассовый корпус, который позволяет устанавливать транзистор при помощи обычной термопасты на радиатор. Решающий фактор для тех, кто занимается радио хобби, это доступная цена — 30 долларов за транзистор. Следует учитывать, что оптимальная мощность, которую можно получать от одного транзистора, составляет 250 Вт, не смотря на заявленные производителем максимальные 330 Вт. Это связано с тем, что в радиолюбительских конструкциях отсутствуют жестко заданные эксплуатационные параметры, а именно, например, в режиме SSB меняется ток в зависимости от уровня громкости голоса оператора. Изменение радио частоты приводит к изменению КСВ в нагрузке, что также изменяет ток и ВЧ напряжение на транзисторе. Изменение тока приводит к изменению сопротивления транзистора. Существует множество параметров, которые можно было бы приводить для демонстрации отклонения от технических условий эксплуатации транзистора, которые рекомендует производитель. Исходя из этого, необходимо иметь 20-25% «запаса прочности». При конструировании транзисторного усилителя мощности, необходимо учитывать такой важный параметр, как температура. Кристалл LDMOS транзистора похож на сердце человека. Пока транзистор молод и находится в руках конструктора, он может вынести повышенные нагрузки. Но наступает момент постоянной эксплуатации, и каждый стресс (перегрев, защитное отключение и пр.) оставляет маленький шрам на сердце транзистора. Накопленные шрамы приводят к «синдрому внезапной смерти», и совсем необязательно в момент перегрузки. Производитель не скрывает повышенную чувствительность транзистора к перегреву или циклированию (нагрев\остывание), и дает такой эксплуатационный параметр, как «время жизни». Многие неправильно понимают эту характеристику, ложно полагая о столетиях возможной эксплуатации. На самом деле, производитель хочет сказать не о том, что транзистор будет жить вечно, а том, что он как раз имеет срок жизни, который зависит от перегрузок. Практическое применение двух транзисторов MRF300 показало возможность их использования в двухтактной схеме усилителя 144-148 МГц для получения 500 Вт выходной мощности.   В предлагаемом варианте схемного решения применены широкополосные трансформаторы 4:1 на выходе и 9:1 на входе. Преимущество широкополосных трансформаторов заключается в отсутствии резонанса. Они способны работать в полосе нескольких октав. Усилители с широкополосными трансформаторами не склонны к возбуждению из-за отсутствия резонанса, в следствие чего они имеют меньший нагрев элементов. Кроме того они менее критичны к изменениям нагрузки. Так же данный тип трансформаторов просты в изготовлении без использования высоких технологий, например, изготовления печатных плат из мало доступных материалов. Каждый радиолюбитель может изготовить это самостоятельно, и допущенная ошибка в расчетах 20-30% не приведет к ухудшению параметров, т. к. данный трансформатор является широкополосным. Недостатком широкополосного трансформатора является ограниченное количество вариантов трансформации — 4:1 или 9:1, в тоже время резонансные трансформаторы имеют гибкий коэффициент трансформации. Резонансные трансформаторы являются хорошим средством для демонстрации максимальных возможностей транзистора производителем. На производстве так же изготовление трансформаторов резонансного типа является экономически оправданным, т. к. это не предполагает использование кабеля (резка, зачистка, разделка – ручной труд), и заключается в изготовлении печатной платы. На производстве важно выполнить тех. условия, поставленные заказчиком. Это не возможно с применение широкополосных трансформаторов т. к. у них всего два коэффициента трансформации.     Для эффективного распределения и отвода тепла необходимо использовать медную подложку между транзисторами и алюминиевым радиатором. Следует учитывать, что площадь такой подложки не должна быть минимальной, например только под транзисторами. Чем больше площадь меди, тем равномернее «растаскивается» тепло по алюминиевому радиатору. Место установки транзисторов должно быть «зеркально» гладким, так рекомендует производитель. Несколько слов о том, стоит ли фрезеровать медь для установки транзистора. Углубление, которое делается фрезой, имеет следы и не ровности после обработки. Добиться «зеркальной» гладкости, плоскости этого посадочного места очень сложно, практически не возможно. Многие, припаивая транзистор на медь, считают, что теплопередача сохранится, но это не так. Теплопередача припоя приблизительно в пять раз хуже, чем у меди, поэтому толщина теплоинтерфейса должна быть минимальной. Таким образом «зеркальная» полировка меди — это лучшее решение. Избежать фрезеровки и последующих проблем, можно путем формования выводов транзистора. Вообще, трудно сказать, откуда появилась мода на фрезерование меди под транзистор… И к вопросу о ремонтопригодности припаянного транзистора. Трудно представить себе моральное состояние обычного пользователя, столкнувшегося с такой проблемой. В усилителе мощности использовано защитное устройство на основе ключа BTS500. Это решение позволяет с высокой скоростью в случае аварии отключать питание усилителя.   Главное преимущество данного ключа заключается в отсутствии необходимости использовании шунта контроля тока, малого внутреннего сопротивления, как следствие небольшого нагрева. Данная система автоматики не подвержена ВЧ наводкам  и позволяет с высокой скоростью осуществлять защиту от высокого КСВ, от превышения выходной мощности, от превышения тока. Также, данная схема позволяет получить информацию для индикации тока, потребляемого усилителем. Для фильтрации гармоник используется фильтр нижних частот седьмого порядка, который прост в изготовлении. ФНЧ изготовлен на печатной пате из материала FR4, на которой нанесены только контактные площадки, не имеющие технологической емкости. Поскольку нет технологической емкости, отсутствует нагрев. Параметры фильтра рассчитаны в программе ELISE.   Направленный ответвитель изготовлен на основе кабеля RG-141, путем снятия части оплетки высокооборотной фрезой, которая применяется в стоматологии. Печатная плата не несет никакой ВЧ нагрузки.     а плате приема передачи установлены реле TIANBO TRA2 L-12VDC-S-Z , которые проверенны временем и сотнями тысяч пользователей. Значение КСВ платы 1.1:1.    Характеристики:   Диапазон частот 144-148 МГц Виды излучения SSB, CW, DIGI, RTTY Входная мощность 50 Вт Выходная мощность 500 Вт (SSB/CW, DIGI, RTTY) Максимальный КСВ в антенне 1.5:1 Напряжение питания +30 … +53В Ток потребления 15А max (по +53В) Входной импеданс 50 Ом (несимметричный) Выходной импеданс 50 Ом (несимметричный) Входные/выходные разъемы UHF SO-239 Схема усилителя двухтактная, класс АВ Транзисторы выходного каскада MRF300AN, MRF300BN Размеры – ш х в х г (мм) 290х140х205 Вес (гр.) 3900   Схемы защиты усилителя мощности: 1. Защита от перегрева. В случае превышения температуры корпуса транзистора более чем +70С, произойдет срабатывание биметаллического термического переключателя, находящегося на корпусе транзистора и передача становится невозможной, вплоть до его остывания до +65С. 2. Защита от превышения максимальной допустимой выходной мощности. Если уровень выходной мощности превысит допустимый порог, произойдет срабатывание защиты, отключающей от выходных транзисторов питание. На передней панели загорается светодиод Р. Для сброса защиты необходимо источник питания. 3. Защита от высокого КСВ. Если КСВ в нагрузке превысит значении 1.5:1, то произойдет срабатывание системы защиты. На передней панели загорается светодиод SWR. Для сброса защиты необходимо выключить питание. В случае срабатывания защиты, рекомендуем проверить КСВ антенны. 4. Защита от превышения максимальнго допустимого тока. Если величина тока выходных транзисторов превысит допустимый порог, произойдет срабатывание защиты, отключающей от выходных транзисторов питание. На передней панели загорается светодиод I. Для сброса защиты необходимо выключить питание.   Виктор R3KR

Биполярные транзисторы как усилители

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Распознавать основные режимы подключения транзисторного усилителя.
• • Эмиттер обыкновенный.
• • Общий коллектор.
• • Общая база.
• Опишите основные параметры каждого режима усилителя.
• • Коэффициент усиления по напряжению.
• • Текущее усиление.
• • Входное и выходное сопротивление.

Как подключен транзистор для создания усилителя.

Рис. 3.6.1 Подключение усилителя.

Поскольку усилитель должен иметь два входа и два выхода, транзистор, используемый в качестве усилителя, должен иметь один из своих трех контактов, общих для входа и выхода, как показано на рисунке 3.6.1. Выбор клеммы, используемой в качестве общего подключения, оказывает заметное влияние на характеристики усилителя.

Транзистор, подключенный в трех режимах, показанных на рис. 3.6.2–3.6.4 будут показывать совершенно разные характеристические кривые для каждого режима. Эти различия могут быть использованы разработчиком схем для создания усилителя с характеристиками, наиболее подходящими для конкретной цели. Обратите внимание, что схемы показаны здесь в уменьшенном виде и не предназначены для использования в качестве практических схем.

В схеме транзисторного усилителя, показанной на рис. 3.6.2–3.6.4, линия питания + V и линия 0V могут рассматриваться как одна и та же точка, если речь идет о любом сигнале переменного тока. Это связано с тем, что, хотя очевидно, что между этими двумя точками существует напряжение (напряжение питания), источник постоянного тока всегда отключается большим конденсатором (например, емкостным конденсатором в источнике питания), поэтому не может быть разницы в напряжении переменного тока. между шинами + V и 0V.

Рис.3.6.2 Режим общего эмиттера.

Режим общего эмиттера

Наиболее распространенная функция транзистора – использование в режиме ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА. В этом способе подключения небольшие изменения тока базы / эмиттера вызывают большие изменения тока коллектора / эмиттера. Следовательно, это схема усилителя ТОКА. Для усиления НАПРЯЖЕНИЯ в цепь коллектора должен быть подключен нагрузочный резистор (или импеданс, например, настроенная цепь), чтобы изменение тока коллектора приводило к изменению напряжения, возникающего на нагрузочном резисторе.Значение резистора нагрузки влияет на УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ усилителя. Это связано с тем, что чем больше резистор нагрузки, тем большее изменение напряжения будет вызвано данным изменением тока коллектора. Обратите внимание, что из-за этого метода подключения форма выходного сигнала будет противофазна входному сигналу. Это связано с тем, что увеличение напряжения базы / эмиттера вызовет увеличение тока базы. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока коллектора, но по мере увеличения тока коллектора падение напряжения на нагрузочном резисторе увеличивается, и, поскольку напряжение на верхнем конце нагрузочного резистора (напряжение питания) не изменится, напряжение на резисторе нагрузки не изменится. нижний конец должен уменьшиться.Следовательно, увеличение напряжения база / эмиттер вызывает снижение напряжения коллектор / эмиттер.

Общие параметры эмиттера

Усиление напряжения: высокое (около 100).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800).

Входное сопротивление: среднее (от 3 кОм до 5 кОм).

Выходное сопротивление: среднее (приблизительное значение резистора нагрузки).

Рис. 3.6.3 Режим общего коллектора.

Режим общего коллектора

Рис.3.6.3 иллюстрирует режим ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР; также называется режимом эмиттерного повторителя, поскольку в этой схеме форма выходного сигнала на эмиттере не инвертируется и поэтому «следует» за формой входного сигнала на базе. Этот метод подключения часто используется в качестве БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ для таких задач, как согласование импедансов между двумя другими цепями. Это связано с тем, что этот режим дает усилителю высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме немного меньше единицы (x 1), но доступен высокий коэффициент усиления по току (называемый h _fc в режиме общего коллектора).Другой способ использования этого режима подключения – УСИЛИТЕЛЬ ТОКА, часто используемый для выходных цепей, которые должны управлять сильноточными устройствами переменного тока, такими как громкоговорители или устройствами постоянного тока, такими как двигатели и т. Д.

Параметры общего коллектора

Коэффициент усиления напряжения: чуть меньше единицы (1).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800)

Входное сопротивление: высокое (несколько кОм)

Выходное сопротивление: низкое (несколько Ом)

Рис.3.6.4 Режим общей базы.

Режим общей базы

COMMON BASE MODE обычно используется для усилителей VHF и UHF, где, хотя коэффициент усиления по напряжению невелик, существует небольшая вероятность того, что выходной сигнал будет возвращен во входную цепь (что может быть проблемой на этих частотах). Поскольку в этом режиме база транзистора заземлена, он образует эффективный заземленный экран между выходом и входом. Поскольку ток коллектора в этом режиме будет равен току эмиттера минус ток базы, коэффициент усиления по току (h _fb в режиме общей базы) меньше единицы (<1).

Параметры общей базы

Коэффициент усиления по напряжению: средний (от 10 до 50).

Текущее усиление: менее единицы (<1)

Входное сопротивление: низкое (около 50 Ом)

Выходное сопротивление: высокое (около 1 МОм)

Начало страницы

Усилитель с общим эмиттером | Биполярные переходные транзисторы

В начале этой главы показано, как транзисторы могут использоваться в качестве переключателей, работающих в режимах «насыщения » или «отсечки» .В последнем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах , между дальними пределами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы могут управлять током аналоговым способом, они находят применение в качестве усилителей аналоговых сигналов.

Транзистор как простой переключатель

Common-Emitter Одна из более простых схем транзисторного усилителя для изучения ранее проиллюстрировала переключающую способность транзистора.

Транзистор

NPN как простой переключатель.

Это называется конфигурацией с общим эмиттером , потому что (без учета батареи источника питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод эмиттера в качестве общей точки подключения, показанной на рисунке ниже. Это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя, как мы увидим в последующих разделах этой главы.

Усилитель с общим эмиттером: входные и выходные сигналы имеют общую связь с эмиттером.

Раньше небольшой солнечный элемент насыщал транзистор током, освещая лампу.Теперь, зная, что транзисторы могут «дросселировать» свои токи коллектора в соответствии с величиной базового тока, подаваемого источником входного сигнала, мы должны видеть, что яркостью лампы в этой схеме можно управлять с помощью освещенности солнечного элемента. Когда на солнечный элемент попадает совсем немного света, лампа будет тускло светиться. Яркость лампы будет постоянно увеличиваться по мере того, как больше света попадает на солнечный элемент.

Предположим, что мы были заинтересованы в использовании солнечного элемента в качестве прибора для измерения силы света.Мы хотим измерить интенсивность падающего света с солнечного элемента, используя его выходной ток для движения измерителя. Для этого можно напрямую подключить движение счетчика к солнечному элементу. Вот так устроены простейшие экспонометры для фотографических работ.

Свет высокой интенсивности напрямую управляет экспонометром.

Хотя этот подход может работать для измерений средней интенсивности света, он не будет работать также для измерений низкой интенсивности света.Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности движения счетчика в энергии, чувствительность системы неизбежно ограничена. Предположим, что нам здесь нужно измерить интенсивность света очень низкого уровня, мы вынуждены искать другое решение.

Транзистор как усилитель

Возможно, наиболее прямым решением этой проблемы измерения является использование транзисторов с по для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение измерителя при меньшем падении света.

Ток в ячейке должен быть усилен для получения света низкой интенсивности.

Ток, протекающий через движение счетчика в этой цепи, будет в β раз больше тока солнечного элемента. С транзистором β, равным 100, это представляет собой существенное увеличение чувствительности измерения. Разумно отметить, что дополнительная энергия для перемещения стрелки счетчика исходит от батареи в дальнем правом углу схемы, а не от самого солнечного элемента. Весь ток солнечного элемента – это , управляющий током аккумулятора , поступающий на счетчик, чтобы обеспечить более высокие показания счетчика, чем солнечный элемент мог бы обеспечить без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством регулирования тока, и поскольку показания счетчика основаны на токе через движущуюся катушку, показания счетчика в этой цепи должны зависеть только от тока от солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого батарея. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния батареи, что является важной особенностью! Все, что требуется от батареи, – это определенное минимальное выходное напряжение и выходной ток, чтобы измерить полную шкалу.

Выходное напряжение из-за тока через резистор нагрузки

Другой способ, которым может использоваться конфигурация с общим эмиттером, – это создание выходного напряжения , полученного из входного сигнала, а не специального выходного тока . Заменим механизм счетчика простым резистором и измеряем напряжение между коллектором и эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером вырабатывает выходное напряжение из-за тока через нагрузочный резистор.

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет в режиме отсечки и будет вести себя как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером для максимального выходного напряжения _V , равного полному напряжению батареи.

При полной мощности (максимальная освещенность) солнечный элемент переводит транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером или почти нулевое выходное напряжение.В действительности насыщенный транзистор никогда не может достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, около нескольких десятых вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

Для уровней освещенности где-то между нулем и максимальной выходной мощностью солнечного элемента, транзистор будет в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи.Здесь следует отметить важное качество конфигурации с общим эмиттером: выходное напряжение на инвертировано на по отношению к входному сигналу. То есть выходное напряжение уменьшается по мере увеличения входного сигнала. По этой причине конфигурация усилителя с общим эмиттером упоминается как инвертирующий усилитель .

Быстрое моделирование SPICE (рисунок ниже) схемы на рисунке ниже подтвердит наши качественные выводы об этой схеме усилителя.

 * усилитель с общим эмиттером i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v (2,0) .end 

Схема общего эмиттера с номерами узлов и соответствующим списком соединений SPICE.

Общий эмиттер: выходное напряжение коллектора относительно входного тока базы.

В начале моделирования на рисунке выше, где источник тока (солнечный элемент) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, а на выходе усилителя отображаются полные 15 вольт от батареи (между узлами 2 и 0). ).Когда ток солнечного элемента начинает увеличиваться, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как линия выходного напряжения на графике является идеально линейной (с шагом 1 вольт от 15 до 1 вольт) до точки насыщения, где оно никогда не достигает нуля. Это эффект, упомянутый ранее, когда насыщенный транзистор никогда не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за эффектов внутреннего перехода.Что мы действительно видим, так это резкое снижение выходного напряжения с 1 вольт до 0,2261 вольт при увеличении входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем продолжающееся снижение выходного напряжения с этого момента (хотя и постепенно меньшими шагами). Наименьшее выходное напряжение, когда-либо полученное в этой модели, составляет 0,1299 вольт, асимптотически приближаясь к нулю.

Транзистор как усилитель переменного тока

До сих пор мы видели транзистор, используемый в качестве усилителя для сигналов постоянного тока. В примере с измерителем света на солнечном элементе мы были заинтересованы в усилении выхода постоянного тока солнечного элемента для управления движением измерителя постоянного тока или для создания выходного напряжения постоянного тока.Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто требуется усилитель AC для усиления переменного тока и сигналов напряжения . Одно из распространенных применений – в аудиоэлектронике (радио, телевизоры и системы громкой связи). Ранее мы видели пример аудиовыхода камертона, активирующего транзисторный ключ. Давайте посмотрим, сможем ли мы изменить эту схему для передачи энергии на динамик, а не на лампу, как показано на рисунке ниже.

Транзисторный переключатель активируется звуком.

В исходной схеме использовался двухполупериодный мостовой выпрямитель для преобразования выходного сигнала переменного тока микрофона в напряжение постоянного тока для управления входом транзистора. Все, о чем мы здесь заботились, – это включить лампу звуковым сигналом от микрофона, и такого устройства для этого было достаточно. Но теперь мы хотим воспроизвести сигнал переменного тока и запустить динамик. Это означает, что мы больше не можем исправить выход микрофона, потому что нам нужен неискаженный сигнал переменного тока для управления транзистором, снятия мостового выпрямителя и замены лампы динамиком:

Усилитель с общим эмиттером приводит в действие динамик звуковым сигналом.

Поскольку микрофон может создавать напряжения, превышающие прямое падение напряжения PN (диодного) перехода база-эмиттер, резистор должен быть установлен последовательно с микрофоном. Смоделируйте схему с помощью SPICE. Список соединений включен в (рисунок ниже)

SPICE версия усилителя звука с общим эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером vinput 1 0 sin (0 1,5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn.tran 0.02m 0.74m. участок tran v (1,0) i (v1) .end 

Сигнал на коллекторе ограничен из-за отсутствия смещения базы постоянного тока.

Моделирование отображает как входное напряжение (сигнал переменного тока с пиковой амплитудой 1,5 В и частотой 2000 Гц), так и ток через 15-вольтовую батарею, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоидальную волну переменного тока, чередующуюся как в положительном, так и в отрицательном направлениях, и форму волны выходного тока в виде полуволны, которая пульсирует только в одном направлении.Если бы мы управляли динамиком с такой формой волны, воспроизводимый звук был бы искажен.

Что не так со схемой? Почему он не может точно воспроизвести всю форму волны переменного тока с микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти при внимательном рассмотрении модели транзисторного диодного источника тока, представленной на рисунке ниже.

Модель показывает, что базовый ток течет в одном направлении.

Ток коллектора контролируется или регулируется с помощью механизма постоянного тока в соответствии со скоростью, задаваемой током через диод база-эмиттер.Обратите внимание, что оба пути тока через транзистор однонаправлены: только в одну сторону! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала AC , по сути, это устройство DC , способное обрабатывать токи в одном направлении. Мы можем подавать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но ток не может течь в этой цепи в течение той части цикла, которая вызывает обратное смещение диодного перехода база-эмиттер. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки в течение этой части цикла.Он будет «включаться» в активном режиме только тогда, когда входное напряжение имеет правильную полярность для прямого смещения диода база-эмиттер, и только когда это напряжение достаточно высокое, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде. Помните, что биполярные транзисторы – это устройства с регулируемым током : они регулируют ток коллектора на основе наличия тока база-эмиттер , а не напряжения база-эмиттер .

Единственный способ заставить транзистор воспроизводить всю форму волны при прохождении тока через динамик – это поддерживать транзистор в активном режиме все время.Это означает, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего цикла формы входного сигнала. Следовательно, диодный переход база-эмиттер должен всегда оставаться смещенным в прямом направлении. К счастью, это может быть выполнено с помощью напряжения смещения постоянного тока, добавленного к входному сигналу. Последовательно подключив достаточное постоянное напряжение к источнику переменного тока, прямое смещение может поддерживаться во всех точках на протяжении волнового цикла. (Рисунок ниже)

Vbias удерживает транзистор в активной области.

Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v (1,0) i (v1) .end 

Неискаженный выходной ток I (v (1) из-за Vbias

При наличии источника напряжения смещения 2,3 В транзистор остается в активном режиме на протяжении всего цикла волны, точно воспроизводя форму волны в динамике.Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется от 0,8 до 3,8 вольт, размах напряжения 3 вольта, как и ожидалось (напряжение источника = 1,5 вольта пиковое). Выходной (динамик) ток варьируется от нуля до почти 300 мА, сдвиг на 180 ° по фазе с входным (микрофонным) сигналом.

Иллюстрация на рисунке ниже представляет собой другой вид той же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами («осциллографами»), подключенными в критических точках для отображения всех соответствующих сигналов.

Вход смещен вверх у основания. Выход инвертирован.

Смещение

Необходимость смещения схемы транзисторного усилителя для получения воспроизведения полной формы сигнала является важным соображением . Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен методам смещения и смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может быть необходимо для правильного вывода напряжения и тока из усилителя.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и прирост мощности.Типовой транзистор, используемый в этих анализах SPICE, имеет β, равный 100, на что указывает короткая распечатка статистики транзисторов, включенная в текстовый вывод в таблице ниже (эти статистические данные были вырезаны из последних двух анализов для краткости).

Параметры модели BJT SPICE.

 тип npn - 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000 

β указан под аббревиатурой «bf», что на самом деле означает «бета, вперед» . Если бы мы хотели вставить для анализа наше собственное отношение β, мы могли бы сделать это на.модельный ряд списка соединений SPICE.

Поскольку β – это отношение тока коллектора к току базы, и наша нагрузка подключена последовательно с выводом коллектора транзистора, а источник – последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току равно бета . Таким образом, наше текущее усиление для этого примера усилителя составляет 100 или 40 дБ.

Коэффициент усиления напряжения

Коэффициент усиления по напряжению немного сложнее вычислить, чем коэффициент усиления по току для этой схемы.Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному. Чтобы экспериментально определить это, мы модифицируем наш последний анализ SPICE для отображения выходного напряжения, а не выходного тока, поэтому у нас есть два графика напряжения для сравнения на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v (1,0) v (3). конец 

В (3), выходное напряжение на r spkr , по сравнению с входным.

На графике в том же масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую размах амплитуды, чем входной сигнал, помимо того, что он находится при более низком напряжении смещения, а не повышается. от 0 вольт вроде вход. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется соотношением амплитуд переменного тока, мы можем игнорировать любое смещение постоянного тока, разделяющее две формы сигнала. Даже в этом случае форма входного сигнала по-прежнему больше, чем выходная, что говорит нам о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Низкое усиление по напряжению не характерно для усилителей с общим эмиттером. Это следствие большой разницы между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) всего 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току этого усилителя определяется исключительно β транзистора и поскольку это значение β является фиксированным, коэффициент усиления по току для этого усилителя не будет изменяться при изменении любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению на зависит от этих сопротивлений.Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его большим значением, оно упадет пропорционально большему напряжению для своего диапазона токов нагрузки, что приведет к большей форме выходного сигнала. Попробуйте другое моделирование, только на этот раз с нагрузкой 30 Ом на рисунке ниже вместо нагрузки 8 Ом.

Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v (1,0) v (3). конец 

Увеличение r _spkr до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз форма волны выходного напряжения на рисунке выше значительно больше по амплитуде, чем форма волны входного сигнала.Присмотревшись, мы видим, что амплитуда выходного сигнала колеблется от 0 до 9 вольт: примерно в 3 раза больше амплитуды входного напряжения.

Мы можем провести еще один компьютерный анализ этой схемы, на этот раз попросив SPICE проанализировать ее с точки зрения переменного тока, давая нам значения пикового напряжения для входа и выхода вместо временного графика форм сигналов. (Таблица ниже)

Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока.

 Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v (1,0) v (4,3). конечная частота v (1) v (4,3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

Измерения пикового напряжения на входе и выходе показывают, что входное напряжение составляет 1,5 В, а выходное напряжение – 4,418 В. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В) или 9,3827 дБ.

Решение для увеличения напряжения:

Поскольку коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером фиксирован на β, и поскольку входное и выходное напряжения будут равны входному и выходному токам, умноженным на их соответствующие резисторы, мы можем вывести уравнение для приблизительного усиления напряжения:

Как видите, прогнозируемые результаты для усиления напряжения довольно близки к результатам моделирования.При идеально линейном поведении транзистора эти два набора цифр будут точно совпадать. SPICE разумно учитывает многие «причуды» работы биполярного транзистора в своем анализе, отсюда и небольшое несоответствие в усилении напряжения на выходе SPICE.

Эти приросты напряжения остаются неизменными независимо от того, где мы измеряем выходное напряжение в цепи: на коллекторе и эмиттере или на последовательном нагрузочном резисторе, как мы это делали в последнем анализе. Величина изменения выходного напряжения для любой заданной величины входного напряжения останется прежней.Рассмотрим два следующих анализа SPICE как доказательство этого. Первое моделирование на рисунке ниже основано на времени, чтобы обеспечить график входных и выходных напряжений. Вы заметите, что два сигнала сдвинуты по фазе на 180o друг с другом. Вторая симуляция в таблице ниже – это анализ переменного тока, чтобы обеспечить простые показания пикового напряжения для входа и выхода.

Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15.модель mod1 npn .tran 0,02m 0,74m .plot tran v (1,0) v (3,0) .end 

Усилитель с общим эмиттером показывает усиление напряжения с R _spkr = 30 Ом Список соединений SPICE для анализа переменного тока

 Усилитель с общим эмиттером vinput 1 5 ac 1,5 vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v (1,0 ) v (3,0). конечная частота v (1) v (3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

У нас все еще пиковое выходное напряжение 4.418 вольт при пиковом входном напряжении 1,5 вольт.

До сих пор во всех примерах схем, показанных в этом разделе, использовались транзисторы NPN. Транзисторы PNP так же пригодны для использования, как NPN в любой конфигурации усилителя , при условии соблюдения правильной полярности и направления тока, и усилитель с общим эмиттером не является исключением. Инверсия выхода и коэффициент усиления транзисторного усилителя PNP такие же, как и у его аналога NPN, только полярность батареи отличается.

PNP версия усилителя с общим эмиттером.

ОБЗОР:

• Транзисторные усилители с общим эмиттером называются так называемыми, потому что точки входа и выхода напряжения совместно используют вывод эмиттера транзистора друг с другом, без учета каких-либо источников питания.
Транзисторы
• – это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи в обратном направлении. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного тока, входной сигнал должен быть смещен на напряжение постоянного тока, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего цикла волны.Это называется смещением .
• Если выходное напряжение измеряется между эмиттером и коллектором усилителя с общим эмиттером, оно будет сдвинуто по фазе на 180 ° с формой волны входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя .
• Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером при нагрузке, включенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером приблизительно приведен здесь:

• Где «Rout» – резистор, подключенный последовательно с коллектором, а «Rin» – резистор, подключенный последовательно с базой.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Конструкция усилителя с общим эмиттером на транзисторе

»Lectronics Notes

Простые в использовании пошаговые инструкции по проектированию электронной схемы каскада усилителя на транзисторах с общим эмиттером, показывающие расчеты значений электронных компонентов.

---

Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем

---

Усилитель с общим эмиттером широко используется, и его электронная схема относительно проста..

Есть несколько простых расчетов, которые можно объединить с простой схемой проектирования, чтобы получить надежный результат. Довольно легко принять предпочтительные значения компонентов в конструкции усилителя с общим эмиттером.

Есть несколько вариантов усилителя с общим эмиттером, и они могут быть легко включены в конструкцию. Самая основная форма конструкции усилителя с общим эмиттером – это простой логический буфер / выход, состоящий из транзистора и пары резисторов.В него можно добавить несколько дополнительных компонентов, которые позволят превратить его в усилитель со связью по переменному току со смещением по постоянному току и резистором обхода эмиттера.

Простая логическая конструкция усилителя с общим эмиттером

Эта очень простая конструкция логического буфера или усилителя с общим эмиттером настолько проста, насколько может быть любая конструкция.

На схеме показан транзистор с входным резистором и коллекторным резистором. Входной резистор используется для ограничения тока, протекающего в базу, а резистор коллектора используется для создания этого напряжения на выходе.

Когда на входе виден высокий логический уровень, это заставляет ток течь через R1 в базу. Это вызывает включение транзистора. В свою очередь, напряжение на коллекторе падает почти до нуля, и все напряжение вырабатывается на резисторе R1.

Видно, что есть инверсия фазы. При высоком входном напряжении выходной сигнал низкий, т.е. Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером – этот вариант часто используется с логическими схемами в качестве простого переключателя.

Усилитель с общим эмиттером, действующий как буфер для логической ИС, очень легко спроектировать.

Хотя это не единственный способ спроектировать сцену, можно использовать следующее пошаговое руководство.

1. Выберите транзистор: Выбор транзистора, обозначенного на схеме как TR1, будет зависеть от ряда факторов:
   
   • Ожидаемое рассеивание мощности.
   • Требуемая скорость переключения – для коммутационных приложений выбирайте переключающий транзистор, а не другую форму транзистора с широкой полосой пропускания, фут.
   • Требуется текущий коэффициент усиления.
   • Требуемый ток.
   • Напряжение коллектор-эмиттер.
   Все это можно предвидеть с достаточной точностью до начала проектирования. После завершения проектирования следует проверить все цифры, чтобы убедиться, что транзистор соответствует выбранным значениям.
2. Расчет резистора коллектора: Выбрав тип транзистора, необходимо определить значения других электронных компонентов.Определение резистора коллектора R2 достигается путем определения тока, необходимого для протекания через резистор. Это будет зависеть от таких элементов, как ток, который должна обеспечивать цепь. Также может потребоваться светодиодный индикатор, включенный последовательно с резистором коллектора. Сила тока должна быть определена так, чтобы обеспечить требуемый световой поток. Номинал резистора можно определить с помощью закона Ома, зная ток, протекающий через резистор, и напряжение на нем.
3. Определите номинал резистора базы: Ток базы – это ток коллектора, деленный на значение β или hfe, которое практически одинаково. Убедитесь, что имеется достаточный ток привода, чтобы включить транзистор для самых низких значений β даже при низких температурах, когда значения β будут ниже. Следует проявлять осторожность, чтобы не пропускать чрезмерный ток в базу, поскольку в результате переключение может занять больше времени, поскольку необходимо удалить избыточный накопленный заряд.
4. Переоценить исходные допущения: После того, как проект был завершен, необходимо повторно оценить некоторые из начальных решений и оценок на случай, если окончательный проект что-то изменил.

Простая конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Схема электронной схемы для базовой схемы усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току приведена ниже.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером и одиночным базовым резистором смещения

Эта схема не получила широкого распространения, поскольку трудно определить точную рабочую точку схемы из-за встречающихся вариаций значений β.

Можно использовать пошаговый процесс, показанный ниже:

1. Выберите транзистор: Выбор транзистора будет зависеть от факторов, включая ожидаемую рассеиваемую мощность, напряжение коллектор-эмиттер, полосу пропускания и т. Д.
2. Выберите резистор коллектора: Значение должно быть выбрано таким образом, чтобы коллектор находился примерно на половине питающей шины для требуемого тока. Величину сопротивления можно определить просто по закону Ома. Текущее значение следует выбирать так, чтобы сопротивление / выходное сопротивление было приемлемым для следующего этапа.
3. Выберите базовый резистор: Используя показатель β для транзистора, определите базовый ток.Затем, используя закон Ома, зная напряжение питания и тот факт, что база будет на 0,5 В (для кремния) над землей, рассчитайте резистор.
4. вычислить разделительные конденсаторы: Используя знание входного и выходного сопротивлений, определите значение конденсатора, равное импедансу на самой низкой частоте использования. (Xc = 2π f C, где C – в фарадах, а частота – в Гц).
5. Пересмотрите расчеты: Пересмотрите все расчеты и допущения, чтобы убедиться, что все они остаются в силе в свете того, как развивалась схема.

Комплексная конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Включив несколько дополнительных компонентов в общую схему эмиттера, можно обеспечить лучший уровень усиления, а также улучшенную температурную стабильность при постоянном токе.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Конструкция усилителя с общим эмиттером относительно проста. В качестве основы можно использовать следующую схему проектирования.

1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
2. Расчет резистора коллектора: Необходимо определить ток, необходимый для адекватного управления следующей ступенью. Зная, какой ток должен протекать через резистор, выберите напряжение коллектора, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить равные колебания сигнала вверх и вниз. Это определит номинал резистора по закону Ома.
3. Рассчитайте резистор эмиттера: обычно для напряжения эмиттера выбирается напряжение около 1 В или 10% от значения шины.Это обеспечивает хороший уровень устойчивости схемы по постоянному току. Вычислите сопротивление, зная ток коллектора (фактически такой же, как ток эмиттера) и напряжение эмиттера.
4. Определить базовый ток: Можно определить базовый ток, разделив ток коллектора на β (или hfe, что по сути то же самое). Если указан диапазон для β, работайте с осторожностью.
5. Определите базовое напряжение: Это легко вычислить, потому что базовое напряжение – это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер.Это принято равным 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.
6. Определите номиналы резистора базы: Предположим, что ток, протекающий по цепи R1 + R2, примерно в десять раз больше необходимого тока базы. Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе.
7. Конденсатор обхода эмиттера: Коэффициент усиления схемы без конденсатора на резисторе эмиттера составляет примерно R3 / R4.Чтобы увеличить коэффициент усиления для сигналов переменного тока, добавлен конденсатор С3 обхода эмиттерного резистора. Это должно быть рассчитано таким образом, чтобы реактивное сопротивление равнялось R4 при самой низкой рабочей частоте.
8. Определите значение входного конденсатора: Величина входного конденсатора должна равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение -3 дБ на этой частоте. Общий импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, т.е.е. сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.
9. Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается так, чтобы он равнялся сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи – это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, то есть следующей цепи.
10. Переоценка допущений: В свете того, как развивалась схема, переоценить все допущения о схеме, чтобы убедиться, что они остаются в силе.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.

Можно получить более определенное усиление для каскада для сигналов более высокой частоты, поместив резистор (R5) последовательно с C3. Для низких значений усиления по напряжению это можно определить из простого соотношения A _v = R3 / R5.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером с дополнительным эмиттерным резистором в цепи обхода конденсатора

При небольшой практике различные каскады в конструкции транзисторного усилителя с общим эмиттером становятся второй натурой, и их можно очень легко выполнить.Выбор транзистора также может быть упрощен. Как упоминалось выше, очень важно использовать переключающий транзистор для коммутационных приложений – даже транзисторы с большим ft или отсечкой не будут работать так же хорошо, как правильный переключающий транзистор.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Транзистор как усилитель

Транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может выполнять функции усиления и переключения. Ниже схематически описывается работа транзистора в качестве линейного усилителя. Существует четыре возможных режима работы транзистора в качестве линейного усилителя – источник тока, управляемый током, источник тока, управляемый напряжением, источник напряжения, управляемый током, и источник напряжения, управляемый напряжением.

Источники тока и напряжения существуют для того, чтобы генерировать выходной уровень тока или напряжения, пропорциональный входному сигналу с определенной константой, которая называется усилением транзистора. Биполярный переходный транзистор (BJT) играет роль усилителя с регулируемым током, полевой транзистор (FET) играет роль усилителя, управляемого напряжением.

Режимы работы транзистора как линейного усилителя

В нелинейном режиме транзисторы действуют как переключатели с управлением по току и напряжением (см. Ниже).

Схемы переключателей с управлением по току и напряжением на основе работы транзистора

Транзистор биполярный переход

Двухконтактный p-n переход является основой для большого разнообразия более сложных полупроводниковых устройств, и биполярный транзистор является одним из них. BJT состоит из комбинированных полупроводниковых материалов с разными уровнями легирования, то есть он может быть образован -слоем, расположенным между p- и p ⁺ -слоями, или p -слое между n – и n ⁺ -слой.Эти BJT называются транзисторами pnp и npn соответственно. Схематично эти два транзистора изображены ниже.

Схемы pnp (a) и npn (b) транзисторов

Работа транзистора может быть легко понята, если вы пересмотрите предыдущий раздел о том, как работает переход pn . Давайте рассмотрим ситуацию, когда для транзистора переход база-эмиттер работает как классический переход или диод, будучи смещенным в прямом направлении. Электроны будут течь от эмиттера к базе, а дырки – от базы к эмиттеру.

Здесь поток электронов тяжелее, потому что слой более легирован. База здесь должна быть намного тоньше эмиттера. Электроны, испускаемые эмиттером, проходя через базу, испытывают небольшую рекомбинацию. Остальные электроны попадают в коллектор и собираются там.

Итак, мы имеем сильный ток, протекающий от эмиттера к коллектору, противоположный потоку электронов. KCL для перехода: iE = iB + iC, iC = βIB

Как упоминалось выше, β-транзистор работает так же, как и транзистор npn , описанный выше, но носители заряда поменяны местами.Точная конструкция и детали работы транзисторов представлены в части курса, посвященной проектированию СБИС.

Итак, поскольку транзистор является трехконтактным устройством, для описания его работы достаточно двух токов и двух напряжений. Для этого мы должны использовать уравнения KCL и KVL. Аналогично этому, мы должны использовать две характеристики: ток базы – напряжение база-эмиттер и ток коллектора – напряжение коллектор-эмиттер. На рисунке 4 показаны типичные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора Toshiba 2SA1162.

Вольт-амперные характеристики pnp BJT транзистора Toshiba 2SA1162

Рассмотрим, как определить рабочую область транзистора в линейном режиме. На рисунке ниже изображена простая электрическая схема транзистора. Предположим, нам известны напряжения VB, VE, VG. Это дает нам напряжение эмиттер-база VBE = VB – VE, и это напряжение может сказать нам, имеет ли переход база-эмиттер прямое или обратное смещение, а напряжение коллектор-эмиттер VCE = VC – VE. Также мы можем определить токи коллектора и базы IC = VCC – VCRC, IB = VBB – VBRB.Наконец, мы можем определить коэффициент усиления β = ICIB.

Схема идеального транзистора, действующего как усилитель.

Рассмотрим, как определить рабочую точку биполярного транзистора. На рисунке ниже изображена идеальная схема транзистора со смещением постоянного тока. Он характеризуется набором кривых, где определенное значение базового тока iB соответствует определенной кривой iiC – vCE . Правильный выбор тока базы и эмиттера позволяет определить рабочую точку транзистора Q.Здесь iB = IBB, VCE = VCC – iCRC. Итак, iC = VCCRC – VCERC.

Итак, здесь мы можем найти пересечение iB и iC – vCE, которое приведет нас к рабочей точке транзистора Q.

Схема на смещенном постоянным током pnp-транзисторе

определение устройств MOS

Транзистор как усилитель: работа и его применение

Усилитель – это базовая схема, полученная из транзисторов. Эти устройства сконструированы таким образом, что транзисторы с низким значением входного сигнала преобразуются в сигналы, обладающие высокой силой.Они наиболее широко используются в концепции междугородной связи, а также там, где беспроводная передача данных используется в качестве носителя.

Это основные устройства, устанавливаемые в передатчики и приемники. Поскольку транзисторы бывают разных типов, это может быть биполярный переходный транзистор (BJT), полевой транзистор (FET) и полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET).

Усилители являются производными от транзисторов, потому что они способны работать в трех областях: активная, отсечка и насыщение.С целью усиления фокус будет на активной области. Основное назначение этих усилителей – без изменений усилить подаваемый входной сигнал.

Транзистор как усилитель

Усилители – это схемы, которые предназначены для улучшения интенсивности сигналов. Применяемый вход может быть сигналами напряжения или тока в соответствии с требованиями. Этот процесс усиления используется в радиосигналах, междугородной связи и т. Д.

Транзистор должен быть эффективным с точки зрения усиления, линейности.Он должен обладать высокой пропускной способностью. Если эти параметры существуют в транзисторе, его можно использовать в различных приложениях, в частности, в усилителях звука.

Транзисторная схема для усиления разработана таким образом, что вход всегда подается на переход, который смещен в прямом направлении. Точно так же выходной сигнал может быть собран через смещенный в обратном направлении переход транзистора. Причина рассмотрения этого условия заключается в том, что оно точно обеспечивает результаты амплификации.На входе транзистор имеет низкое значение сопротивления, по этой причине он может обеспечивать изменения выходного значения, если есть какое-либо существенное изменение входного сигнала.

Транзистор как схема усилителя

К схеме можно приложить даже постоянное напряжение. Таким образом, на вход подается низкое значение сигнала, поскольку из-за конструкции внутренней схемы генерируемый выходной сигнал обладает такой же силой выходного сигнала.В целом схема, разработанная здесь, действует как усилитель. Чтобы удовлетворить параметры и конструктивные соображения в целом, в приложениях усилителя используется конфигурация с общим эмиттером.

Рабочий

Рассмотрим схему усилителя, выполненного с базовой схемой общего эмиттера. В этой конфигурации напряжение прикладывается к клеммам базы и эмиттера. Поскольку соединение между ними считается находящимся в режиме смещения пересылки.Рассматриваемый выход берется через резистор, который действует как нагрузка, подключенная между коллектором и базой.

Поскольку низкое сопротивление присутствует на входной стороне в спроектированной схеме, сигналы малой силы были поданы на вход, и сгенерированный выход будет очевиден по силе полученного сигнала. Таким образом, транзистор работает как усилитель. Существуют различные типы усилителей.

Это, во-первых, транзисторы с биполярным переходом, которые классифицируются как общая база, общий эмиттер и общий коллектор.Во-вторых, классы усилителей классифицируются на основе применяемого входа и собираемого выхода. Это класс A, класс B, класс AB, класс C, класс D и т. Д., Наконец, усилители, разработанные на основе их основного фактора, называемого эффективностью. Для достижения эффективности он может быть выполнен в виде ступеней: одноступенчатые, многоступенчатые и т. Д.

Проект

В электронных схемах обычно используется BJT типа N-P-N. Он также считается наиболее часто используемым.В частности, конфигурация с общим эмиттером выбрана из-за ее способности усиления. Сторона входа может состоять из резистора, подключенного таким образом, что он образует цепь делителя потенциала. Этот вид смещения чаще всего используется в усилителях, созданных с помощью BJT.

Усиление звука

Транзистор на входе с резистором делает его одноступенчатым усилителем. Если выход одноступенчатого каскада используется как вход подключенного к нему транзистора, то он становится многокаскадным усилителем.

Конструкция транзистора за счет такого смещения делает схему транзистора более стабильной. Следовательно, вся функциональность транзистора полностью зависит от смещения, приложенного к транзистору.

Применение транзистора в качестве усилителя

Транзистор, работающий в качестве усилителя, имеет различные преимущества и применения в области электроники и связи. Их
1. Его можно использовать в междугородной связи, потому что интенсивность сигнала, получаемого на выходе, будет высокой.
2. Эти транзисторные усилители используются в усилении радиосигналов.
3. Усилители играют важную роль в беспроводной связи.
4. Усиление сигналов с использованием транзисторов в качестве усилителей может быть использовано в радиовещании ЧМ-сигналов.
5. В волоконно-оптической связи также используются усилители этих типов.
6. Основное применение этого транзисторного усилителя – аудиоусилитель, который используется в повседневной деятельности, с которой мы сталкиваемся.

Таким образом, усилитель на транзисторах имеет множество применений. Дизайн очень прост. Просто схема, разработанная с резистором и снабженная источниками напряжения на выводах транзистора.

Конструкция может быть различных типов, конструкция которой зависит от требований. Таким образом, после анализа транзистора, который может работать как усилитель, можете ли вы описать, кроме усиления, где вы можете использовать транзисторы?

Схема 4-транзисторного усилителя звука

Это схема 4-транзисторного усилителя звука.Комплементарный двухтактный усилитель с 4 транзисторами, демонстрирующий основы конструкции аудиоусилителя.

Эта схема экономит на токе батареи, который довольно низкий при средней громкости, повышаясь до 25-30 мА при увеличении громкости.

Это дает нам усилитель мощностью 250 мВт, которого достаточно, чтобы довести громкоговоритель до той же громкости, что и мобильный телефон или MP3-плеер.

Входное напряжение должно быть около 100-500 мВ, чтобы усилитель полностью работал. Ранее вам может понравиться схема усилителя LM386 .Но вам может понравиться и эта схема.

Работа схемы 4-х транзисторного усилителя

Этот тип схемы с использованием небольшого количества компонентов не требует без трансформаторов и обеспечивает очень хорошие результаты. Четыре транзистора напрямую связаны, а петли обратной связи постоянного тока помогают стабилизировать работу схемы.

Рекомендуется: Изучите работу транзистора здесь

4 работающих транзистора

Оба транзистора Q3 и Q4 скомпонованы как комплементарная пара , работающая в двухтактном режиме.Каждый выходной транзистор выполняет одну половину звукового цикла, причем один отключается, когда другой проводит.

Затем транзисторы Q1 и Q2 работают как предварительный усилитель для увеличения входящего напряжения для управления выходной парой.

Затем в точке Q1 смещение всей цепи начинается с делителя напряжения, состоящего из резисторов 56 кОм и 100 кОм.

Это обеспечивает базу с напряжением смещения 5,5 В. Напряжение эмиттера на 0,6В меньше этого, и будет 4,9В.

И далее, транзистор Q2 смещен так, что он обеспечивает напряжение на нагрузочном резисторе 270 Ом, которое образует выходные транзисторы.

Рекомендуется: Схема 3-х транзисторного усилителя звука

Между их выводами базы и эмиттера существует перепад напряжения 0,6 В.

Это необходимо для уменьшения перекрестных искажений, которые возникают всякий раз, когда два транзистора соединены по двухтактной схеме.

Электролитический фильтр емкостью 100 мкФ защищает динамик от появления постоянного тока, поэтому динамик должен колебаться вокруг этого нового положения.

См. Множество схем транзисторных усилителей

Прежде всего, вам понадобятся все детали ниже

Детали, которые вам понадобятся

• Q1, Q3: BC547 или эквивалент, 45 В 0.1A, транзистор NPN
• Q2, Q4: BC557 или аналогичный, 45 В 0,1 A, транзистор PNP

0,25 Вт Допуск резисторов: 5%

• R1: 56K
• R2: 100K
• R3: 33K
• R4: 470 Ом
• R5: 270 Ом
• R6: 1.5K
• R7: 10K

Электролитические конденсаторы

• C1: 10 мкФ 25V
• C2: 1 25 В

• B1: 9-вольтовые батареи
• SP1: 8 Ом 0.25 ” Громкоговоритель

Эта схема требует достаточного источника питания. У тебя есть это? Если у вас его нет. Смотри: Много Схема блока питания

Эта схема небольшого размера можно собрать их на макетной плате. Или Вы можете собрать схему усилителя на небольшом куске универсальной печатной платы с 20 – 25 отверстиями. Прежде чем приступать к какой-либо пайке, сначала составьте схему расположения, которая почти соответствует схеме.

С осторожностью вы обнаружите, что вам не придется вырезать ни одну из универсальных дорожек печатной платы, и большинство деталей аккуратно поместятся на плату, поскольку все они 0.Расстояние 1 дюйм.

Для моего сына план будет строить его на деревянной доске или твердой бумаге , это также экономит деньги и весело!

Когда вы закончите пайку, затем подключите батарею через миллиамперметр, чтобы проверить, что ток находится в пределах 30 мА и, скорее всего, 5-15 мА при отсутствии входного сигнала.

Вы можете проследить через усилитель с помощью трассировщика сигналов проекта .

Очевидно, что все ступени не могут обеспечить хороший усилитель, поскольку транзистор имеет усиление не менее 20 раз, а иногда и внутрисхемное усиление 100.

Таким образом, этот коэффициент усиления усилителя примерно в 20 x 20 x 20 или в 8000 раз! Но это не так. Если на входе около 250 мВ, усилитель должен обеспечивать усиление от 40 до 80 раз.

Трассировщик сигналов укажет, какой транзистор обеспечивает это усиление. Посмотреть на себя. В целом, эти объединенные 4 транзистора проекта должны доставить вам много часов удовольствия. Хотя эта схема 4-х транзисторного усилителя звука устарела, она все еще подходит для обучения детей и хорошего звука.
Источник: http://www.talkingelectronics.com/

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Транзистор

в качестве усилителя | Electrical4U

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, а именно эмиттером (E), базой (B) и коллектором (C), и, таким образом, имеет два перехода, а именно переход база-эмиттер (BE) и переход база-коллектор (BC). соединение, как показано на рисунке 1a. Такое устройство может работать в трех разных регионах, а именно., отсечка, активный и насыщенный. Транзисторы полностью отключены в области отсечки и полностью включены при работе в области насыщения.

Однако, работая в активной области, они действуют как усилители, т.е. их можно использовать для увеличения мощности входного сигнала без значительного его изменения. Причину такого поведения можно понять, проанализировав работу транзистора с точки зрения носителей заряда. Для этого давайте рассмотрим npn-транзистор с биполярным переходом (BJT), смещенный для работы в активной области (переход BE смещен в прямом направлении, а переход BC смещен в обратном направлении), как показано на рисунке 1b.

Здесь, как правило, эмиттер будет сильно легированным, база будет слаболегированной, а коллектор будет умеренно легированным. Далее база будет узкой, эмиттер – шире, а коллектор – значительно шире.

Прямое смещение, приложенное между базой и выводами эмиттера транзистора, вызывает прохождение тока базы I _B в область базы. Однако его величина меньше (обычно в единицах мкА, поскольку V _BE составляет всего около 0.6 В, в общем).

Это можно рассматривать как перемещение электронов из базовой области или инжекцию дырок в базовую область в эквивалентном смысле. Кроме того, эти инжектированные дырки притягивают к себе электроны в области эмиттера, что приводит к рекомбинации дырок и электронов.

Однако из-за меньшего легирования базы по сравнению с эмиттером количество электронов будет больше по сравнению с дырками. Таким образом, даже после эффекта рекомбинации гораздо больше электронов останется свободным.Эти электроны теперь пересекают узкую базовую область и движутся к клемме коллектора под влиянием смещения, приложенного между коллекторной и базовой областями.

Это не что иное, как ток коллектора I _C , движущийся в коллектор. Из этого можно заметить, что изменяя ток, текущий в базовую область (I _B ), можно получить очень большое изменение тока коллектора, I _C . Это не что иное, как усиление тока, из чего можно сделать вывод, что npn-транзистор, работающий в его активной области, действует как усилитель тока.Соответствующий коэффициент усиления по току может быть математически выражен как:

Теперь рассмотрим npn-транзистор с входным сигналом, подаваемым между его выводами базы и эмиттера, а выходной сигнал собирается через нагрузочный резистор RC, подключенный через коллектор и выводы базы, как показано на рисунке 2.

Теперь рассмотрим npn-транзистор с входным сигналом, подаваемым между его выводами базы и эмиттера, в то время как выходной сигнал собирается через нагрузочный резистор RC, подключенный через коллектор и выводы базы, как показано на рисунке 2. .

Кроме того, обратите внимание, что транзистор всегда гарантированно работает в своей активной области при использовании соответствующих источников напряжения, V _EE и V _BC . Здесь видно, что небольшое изменение входного напряжения V _в существенно изменяет ток эмиттера I _E , поскольку сопротивление входной цепи низкое (из-за состояния прямого смещения).

Это, в свою очередь, изменяет ток коллектора почти в том же диапазоне из-за того, что величина базового тока значительно меньше для рассматриваемого случая.Это большое изменение I _C вызывает большое падение напряжения на нагрузочном резисторе R _C , которое представляет собой не что иное, как выходное напряжение.

Следовательно, получается усиленная версия входного напряжения на выходных клеммах устройства, что приводит к заключению, что схема действует как усилитель напряжения.