Розрахунок транзисторних підсилювачів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Початківцю радіоаматору

 Коментарі до статті

Транзистори, щойно з'явилися, швидко вибороли чільне місце в підсилювальній техніці, і причин тому кілька. Транзистори не мають нитки розжарення, а значить, не вимагають потужності на її нагрівання, чудово працюють при низькій напрузі живлення, добре узгоджуються з низькоомними навантаженнями (наприклад, динамічними головками гучномовців), довговічні і надійні. На відміну від ламп характеристики транзисторів відрізняються помітною нелінійністю, і в підсилювачах її доводиться знижувати додатковими заходами, наприклад, введенням негативного зворотного зв'язку (ООС).

Зупинимося на розрахунку дещо складнішого, але найбільш поширеного підсилювача потужності звукових частот - УМЗЧ (рис. 51). Усі транзистори, що використовуються в підсилювачі, – кремнієві.

На транзисторах VT1 та VT2 зібраний за диференціальною схемою вхідний каскад. Він реагує лише на різницю напруг, поданих на неінвертуючий та інвертуючий входи. Ця різниця в залежності від полярності закриває один і відкриває інший транзистор. Навантаження R1 включена в колекторний ланцюг транзистора VT1, але частина його колекторного струму направляється в ланцюг бази транзистора каскаду передоконечного VT3, забезпечуючи зміщення і подачу на нього сигналу.

Кінцевий каскад зібраний на транзисторах VT4 та VT5 за двотактною схемою з послідовним включенням транзисторів. Вони працюють в режимі класу АВ або навіть залежно від зміщення, яке створюється діодами VD1 і VD2. Підсилювач навантажений на динамічну головку ВА1, включену без роздільного конденсатора, оскільки в режимі спокою напруга на виході підсилювача практично дорівнює нулю.

Живиться підсилювач від двополярного джерела (рис. 52) з однаковими вихідними напругами. Схеми підсилювача і джерела живлення гранично прості, але зібрана по них конструкція цілком працездатна і може забезпечити непогані параметри.

Подальші вдосконалення зводяться до встановлення транзисторних генераторів струму замість резисторів, стабілізаторів напруги в джерелі живлення, включенню емітерних повторювачів між окремими каскадами - варіації на цю тему нескінченні, і схемотехнікою УМЗЧ, що цікавляться, вивчать їх самі. Ми ж перейдемо до розрахунку найпростішої схеми.

Підсилювач (рис. 51) є не що інше, як операційний підсилювач (ОУ) у його найпростішому вигляді. ОУ мають низку переваг, що забезпечили їм універсальне і найширше застосування. Вхідний опір та коефіцієнт посилення ідеального ОУ нескінченні, вихідний опір дорівнює нулю. Ідеальний ОУ реагує лише з різниця напруг з його входах. Це означає, що одночасна (синфазна) зміна напруги на входах не призводить до появи вихідного сигналу.

Наш ОУ далекий від ідеального: його вхідний опір становить десятки кілоом, коефіцієнт посилення - кілька тисяч, а придушення синфазної компоненти вхідного сигналу вбирається у 20...40 дБ. Тим не менш, включається і працює він так само, як ідеальний ОУ (рис. 53).

Вхідний сигнал подається через розділовий конденсатор С4 на неінвертуючий вхід DA1 (те, що в трикутнику, відповідає схемі рис. 51, але може бути і іншим ОУ з потужним виходом, наприклад, К157УД1, К174УН11 і т.д.). Резистор R4 встановлює нульовий потенціал на вході.

Без негативного зворотного зв'язку, що знижує посилення і одночасно нелінійні спотворення, а також розширює смугу частот, що підсилюються, ОУ працювати не може. ООС подається з виходу підсилювача на вхід, що інвертує, через резистор R6. На постійному струмі та нижніх частотах ланцюжок C5R5 ніякої ролі не відіграє, тому глибина ООС - 100%. Це означає, що потенціали на виході та на вході, що інвертує, також нульові. Дійсно, найменше відхилення потенціалу виходу, наприклад, в позитивну сторону, буде передано на вхід, що інвертує, через резистор R6, посилено і призведе до зниження потенціалу виходу, компенсуючи початкове відхилення.

Інша справа на змінному струмі 3Ч - в ланцюзі ООС працює дільник R6R5, і на вхід, що інвертує, передається тільки частина змінної вихідної напруги, рівна UвыxR5/(R5 + R6). Напруги на входах практично рівні (не забудемо, що коефіцієнт посилення ОУ – тисячі), тому формула для коефіцієнта посилення буде такою:

K = Ux/UBX = 1 + R6/R5.

Реактивний опір конденсатора на нижній частоті смуги пропускання підсилювача fH має бути меншим за опір резистора R5, тому

С5≥ 1/2πfHR5.

Щоб закінчити обчислення елементів схеми рис. 53, нам залишилося вибрати опори резисторів R4 та R6. Їх доцільно взяти однаковими, тоді однакові вхідні струми ОУ, проходячи через ці резистори, викличуть однакові падіння напруги. Різниця напруги на входах залишиться нульовою. Проте ці падіння напруги не повинні бути більшими, розумно обмежити їх на рівні 50...100 мВ. Отже,

R4 = R6 = (0,05 ... 0,1) / iвх.

Наприклад, при iвх = 1 мкА опору резисторів виходять рівними 50... 100 кОм.

Тепер перейдемо до розрахунку внутрішніх елементів ОУ (див. рис. 51). Струм вхідних транзисторів VT1 і VT2 (він однаковий) становить

i1 = i2 · h21е

де h21е - статичний коефіцієнт передачі струму вхідних транзисторів у схемі із загальним емітером (він теж має бути по можливості однаковим). Сумарний струм транзисторів проходить через резистор R2, і падіння напруги на ньому має бути на 0,5 (порогова напруга відкривання транзисторів) менше напруги джерела живлення Еn. Звідси

R2 = (En-0,5)/2i1

При h21е = 100 і iвх = 1 мкА струм кожного вхідного транзистора складе 0,1 мА, а опір резистора R2 при Еn = 6 - 27 кОм. Струм i повинен створювати на резисторі R1 падіння напруги, достатнє для відкривання транзистора VT3, тобто. не менше 0,5 В. Отже, опір резистора R1 має становити

R1 = 0,5/i1

У прикладі R1 = 5 кОм. Якщо його вибрати більше, то значна частина струму i буде направлена ​​в базу транзистора передконечного каскаду VT3. Це можна допустити за умови

де i3 – колекторний струм транзистора VT3; h21ЕЗ – його коефіцієнт передачі струму. Струм i3 визначиться при подальшому розрахунку.

Далі можна приступити до розрахунку передконечного і кінцевого каскадів, причому почати краще з останнього, оскільки режим першого багато в чому і визначається. Тут знадобляться колекторні характеристики потужних вихідних транзисторів, показані на рис. 54 та наведені в довідниках.

Передбачається, що транзистори VT4 та VT5 мають однакові характеристики, розрізняючись лише структурою. Подібні пари комплементарних транзисторів випускаються промисловістю (приклади: КТ315 та КТ361, КТ815 та КТ814, КТ819 та КТ818 з різними літерними індексами). Характеристики показують залежність колекторного струму від миттєвої напруги на колекторі за різних струмів бази.

На графіці штриховими лініями показана область допустимих режимів колекторного ланцюга: зверху вона обмежена максимальним струмом колектора, праворуч - максимально допустимою колекторною напругою, в середній частині - максимально допустимою потужністю розсіювання транзистора, що обчислюється як добуток колекторного струму на напругу. Навантажувальна пряма ніде не повинна перетинати межі допустимих режимів.

Як згадувалося, транзистори VT4 і VT5 працюють у режимі, близькому до класу У. Це означає, що за відсутності сигналу напруга на транзисторі дорівнює Еп, а струм близький до нулю (права частина прямої навантаження). На позитивній напівхвилі сигналу відкривається верхній за схемою транзистор (VT4), негативною - нижній (VT5). Оскільки процеси є повністю симетричними, розглянемо роботу верхнього транзистора.

У міру його відкриття колекторний струм зростає, а напруга колектор-емітер падає, оскільки позитивна напівхвиля напруги виділяється на навантаженні - головці ВА1. Переміщаючись вздовж навантажувальної прямої вліво і вгору, за колекторними характеристиками визначаємо iк max і Uк min показані на рис. 54. Якщо характеристик немає, то струм iк max береться дещо менший за максимально допустимий струм колектора, а під Uк min мається на увазі напруга насичення колектор-емітер (падіння напруги на транзисторі, коли він повністю відкритий).

Знання останніх двох параметрів дозволяє порахувати потужність підсилювача. Справді, розмах (амплітуда) змінної напруги ЗЧ на навантаженні становитиме En - Uк min, а амплітуда струму - iк max. Потужність складе

Р = (Еn - Uк min) iк max /2.

Насправді часто саме з цього і починають розрахунок - задавшись вихідною потужністю, визначають напругу живлення Еn і підбирають тип вихідних транзисторів, що забезпечують потрібний максимальний струм і відповідних за гранично допустимими параметрами (рис. 54). При цьому слід мати на увазі, що колекторна напруга закритого транзистора може досягати майже 2Еn - гранично допустиме значення напруги колектор-емітер обраних транзисторів повинно бути не менше 2Еn.

Знаючи коефіцієнт передачі струму (в режимі великого сигналу) вихідних транзисторів h21е4 і h21е5 (знову бажано, щоб вони були однаковими), знаходять максимальний струм бази

iб4 = iк max/h21е4

Струм колектора передконечного каскаду (нагадаємо, що на відміну від вихідних транзисторів він працює в класі А) повинен бути істотно більшим за iб4. Тут виявляються недоліки найпростішої схеми (рис. 51). Справа в тому, що на позитивній напівхвилі сигналу відкривається транзистор VT3 і його струм, що збільшується, відкриває вихідний транзистор VT4. Ці процеси відбуваються досить добре. Але на негативній напівхвилі сигналу повинен відкриватися транзистор VT5, а його максимальний струм бази визначається резистором R3, причому напруга на цьому резистори на піку негативної напівхвилі виходить навіть менше Uк min! Ось чому доводиться задавати великий струм колектора передконечного каскаду i3 в 10...20 разів більше iб4, а опір резистора R3 підраховувати по форомулі

R3 = En/i3.

Зрозуміло, це невигідно - доводиться ставити в каскад досить потужний транзистор, та й економічність всього підсилювача знижується. Виправляють ситуацію наступні заходи: збільшення коефіцієнта передачі вихідних транзисторів струму (установка складових транзисторів, двох або хоча б одного на місці VT5), використання замість резистора R3 транзисторного генератора струму, включення "вольтодобавки". В останньому випадку резистор R3 складають із двох послідовно включених резисторів, а їхню середню точку з'єднують через конденсатор великої ємності з виходом підсилювача. Виникла місцева позитивна зворотний зв'язок і сприяє кращому відкриванню транзистора VT5.

Остання деталь підсилювача, що залишилася не розглянутою, - конденсатор С1, що коригує АЧХ в області вищих частот. Його ємність зазвичай невелика – десятки пікофарад. Докладніше про нього буде сказано в наступному розділі.

Питання для самоперевірки. Розрахуйте УМЗЧ з такими параметрами, вхідна напруга – 0,1 В, напруга живлення – ±6,3 В, опір навантаження – 4 Ом, смуга відтворюваних частот – 50 Гц…12,5 кГц. Виберіть тип транзисторів. Визначте максимальну вихідну потужність на синусоїдальному сигналі.

відповідь. Почнемо з останнього - розрахуємо вихідний каскад в режимі максимальної потужності, що віддається. Поклавши залишкову напругу на колекторі відкритого вихідного транзистора U_{k min} = 0,3, отримуємо амплітуду змінної складової ЗЧ на виході Um = 6 В. Тоді максимальне значення струму через транзистор складе l_m= У_m/R_H = 6 В/4 Ом -= 1,5 А. Вихідна потужність на синусоїдальному сигналі складе Р = = U_mI_m/ 2 = 4,5 Вт. Середнє значення струму косинусоїдальних імпульсів через вихідні транзистори становить 0,32l_m (0,32 – це нульовий коефіцієнт розкладання імпульсу на гармонійні складові). Отже, l₀ = 0,32 л_m = 0,5 А. Сюди треба додати ще струм спокою_пок вихідних транзисторів близько 0,05 А.

Тепер знаходимо споживану підсилювачем потужність Р₀ = 2Е_n(I₀ + Я_пок) = 7 Вт. Як бачимо, ККД підсилювача в режимі максимальної потужності складе лише Р/Р₀ = 4,5 Вт/7 Вт = 0,64 чи 64 %. За менших потужностей ККД виявиться ще менше. На кожному з вихідних транзисторів буде розсіюватись потужність (Р₀ - Р) / 2 = 1,25 Вт. Непоганий вибір транзисторів – комплементарна пара KT816, KT817 (з будь-якими буквеними індексами). Їхні параметри задовольняють нашим умовам із значним запасом.

Посилення попередніх каскадів за напругою має становити як мінімум 6,3 В/0,1 В = 63. Один транзисторний каскад, враховуючи навантаження на низький вхідний імпеданс потужних транзисторів, такого посилення не забезпечить, отже, необхідно щонайменше два каскади. Рекомендуються схеми рис. 51-53. Надлишок посилення гаситься введенням ООС (рис. 53) із ставленням опорів R6/R5 приблизно 60...70.

Автор: В.Поляков, м.Москва

Дивіться інші статті розділу Початківцю радіоаматору.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем ​​з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву Новий метод перетворення вуглекислого газу на метан 02.03.2020 Японські вчені під керівництвом професора університету Васеда Ясуші Секіне (Yasushi Sekine) запропонували проводити низькотемпературну каталітичну реакцію синтезу водню та вуглекислого газу в метан за допомогою електричного поля. Існуючий промисловий спосіб перетворення вуглекислого газу метан за допомогою каталітичної реакції водню і діоксиду вуглецю має ряд технологічних труднощів. Зокрема вихід метану сильно залежить від необхідної температури, яка повинна бути від 300 до 400 градусів за Цельсієм. Вчені запропонували новий, низькотемпературний спосіб (100 градусів за Цельсієм), при якому відбувається ефективніше отримання метану з вуглекислого газу, ніж за інших аналогічних способів. У розробленому методі використовується взаємодія двоокису вуглецю з наночастинками оксиду церію на рутенієвому каталізаторі при накладенні електричного поля. Такий каталізатор виявив високу та стабільну каталітичну активність для перетворення діоксиду вуглецю на метан за допомогою гідрування в електричному полі. Дослідники запевняють, що таким методом можна отримувати метан із вуглекислого газу, що викидається в атмосферу промисловістю. Отриманий таким чином газ може не лише замінити викопне паливо, а й у довгостроковій перспективі запобігти глобальному потеплінню. Метод отримання метану з допомогою електрики і двох стадій. За допомогою електролізу вода розкладається на кисень та водень. Після цього водень змішується у присутності каталізатора з діоксидом вуглецю для одержання метану. На хімічній реакції отримання метану з вуглекислого газу засновано технологію "Енергія-Газ" (Power-to-gas), розроблену в Німеччині в 2008 році. Ідея полягала в тому, щоб спрямувати надлишок згенерованого електростанціями електрики на виробництво газу. Таким чином, можна не тільки "зберігати електроенергію", потім використовуючи газ як паливо для електростанцій, а й отримати газ для промисловості.

Інші цікаві новини:

▪ ТБ готується витіснити комп'ютер з квартири

▪ Небезпека надто довгого сну

▪ Смертельна небезпека звичайного пилу

▪ Акумуляторні аноди з крабових панцирів

▪ 60 та 75-вольтові MOSFET-транзистори для ланцюгів синхронного випрямлення

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Підсилювачі низької частоти. Добірка статей

▪ стаття Що наше життя? Гра! Крилатий вислів

▪ стаття Яке місто світу є найбільшим? Детальна відповідь

▪ стаття Олійне дерево. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Реактор на городі. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Трисмугова АС просторового звуку. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024