Как транзистор усиливает звуковой сигнал

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

Для надежной защиты громкоговорителя от постоянной составляющей выходного каскада применен автономный выпрямитель, в котором, в отличие от биполярного, нет потенциальной средней точки, соединенной с общим заземленным проводом. Ее функции по переменной составляющей выходного сигнала выполняет средняя точка последовательно соединенных конденсаторов С5, С6.

Балансируется усилитель мощности автоматически за счет подключения неинвертирующего входа – базы транзистора VT1 к средней точке резистивного делителя напряжения питания (R2, R3). Поскольку переходные процессы в цепях с общей постоянной времени взаимно компенсируются, сигнал «грохота» не возникает ни при включении и отключении питания, ни при колебаниях напряжения в сети.

Ток покоя выходных транзисторов VT9, VT10 стабилизируется транзисторами VT11, VT12, работающими (для коллекторного тока транзисторов VT5 – VT6) как управляемый током покоя шунт. Такой транзисторный шунт не только защищает выходные транзисторы от таковой перегрузки, но и значительно сглаживает импульсы переключения даже в режиме минимального тока покоя.

Основные технические характеристики

Номинальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом, Вт	12
Диапазон частот, Гц	от 20 до 20000 Гц
Коэффициент гармоник на частоте 1кГц, %	0,02

ИсточникНиколаев А.П. Малкина М.В. 500 схем для радиолюбителей.Post Views: 1 489

Класс работы усилителя

Как известно, в зависимости от степени непрерывности протекания тока на протяжении его периода через транзисторный усилительный каскад (усилитель) различают следующие классы его работы: «А», «B», «AB», «C», «D».

В классе работы ток «А» через каскад протекает на протяжении 100 % периода входного сигнала. Работу каскада в этом классе иллюстрирует следующий рисунок.

В классе работы усилительного каскада «AB» ток через него протекает более чем 50 %, но менее чем 100 % периода входного сигнала (см. рисунок ниже).

В классе работы каскада «В» ток через него протекает ровно 50 % периода входного сигнала, как это иллюстрирует рисунок.

И наконец в классе работы каскада «C» ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ

Усилитель низких частот (далее УНЧ) – электронное устройство, предназначенное для усиления колебаний низкой частоты до той, которая необходима потребителю. Они могут выполняться на различных электронных элементах вроде транзисторов разных типов, ламп или операционных усилителей.

• Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ
• Параметры
• Принцип работы усилителя
• Усилитель на транзисторах: виды, схемы, простые и сложные
• Частотные характеристики
• Классы работы звуковых усилителей
• Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
• Работа в промежуточных классах
• «Альтернативные» конструкции
• Таблица классов усилителей по углу проводимости
• Сфера применения
• Источники:

Параметры

• коэффициент усиления по току = выходной ток / входной ток;
• коэффициент усиления по напряжению = выходное напряжение / входное напряжение;
• коэффициент усиления по мощности = выходная мощность / входная мощность.

Для некоторых устройств вроде операционных усилителей значение этого коэффициента очень велико, но работать со слишком большими (равно как и со слишком малыми) числами при вычислениях неудобно, поэтому часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах.

Для этого применяются следующие формулы:

• коэффициент усиления по мощности в логарифмических единицах = 10 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по мощности;
• коэффициент усиления по току в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по току;
• коэффициент усиления по напряжению в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по напряжению;
• коэффициент искажения сигнала.

Рассчитанные подобным образом коэффициенты измеряются в децибелах. Сокращенное наименование – дБ.

1. Номинальная.
2. Паспортная шумовая.
3. Максимальная кратковременная.
4. Максимальная долговременная.

Схема усилителя звука на транзисторах своими руками

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются человеческим ухом, находится в пределах 20 Гц-20 кГц, но устройство, выполненное на одном полупроводниковом приборе, из-за простоты схемы и минимального количества деталей обеспечивает более узкую полосу частот. В простых устройствах, для прослушивания музыки достаточно частотного диапазона 100 Гц-6 000 Гц. Этого хватит для воспроизведения музыки на миниатюрный динамик или наушник. Качество будет средним, но для мобильного устройства вполне приемлемым.

Схема простого усилителя звука на транзисторах может быть собрана на кремниевых или германиевых изделиях прямой или обратной проводимости (p-n-p, n-p-n). Кремниевые полупроводники менее критичны к напряжению питания и имеют меньшую зависимость характеристик от температуры перехода.

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная – с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.

С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм – наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.

При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 – 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 – 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.

На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения – это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле – сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 – 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.

Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.

Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.

Схема усилителя звуковой частоты

Более качественный УНЧ можно собрать на двух приборах.

Схема усилителя на двух транзисторах включает в себя больше комплектующих элементов, но может работать с низким уровнем входного сигнала, так как первый элемент выполняет функцию предварительного каскада.

Переменный сигнал звуковой частоты подаётся на потенциометр R1, который играет роль регулятора громкости. Далее через разделительный конденсатор сигнал подаётся на базу элемента первой ступени, где усиливается до величины, обеспечивающей нормальную работу второй ступени. В цепь коллектора второго полупроводника включен источник звука, которым может быть малогабаритный наушник. Смещение на базах задают резисторы R2 и R4. Кроме КТ 315 в схеме усилителя звука на двух транзисторах можно использовать любые маломощные кремниевые полупроводники, но в зависимости от типа применяемых изделий может потребоваться подбор резисторов смещения.
Если использовать двухтактный выход можно добиться хорошего уровня громкости и неплохой частотной характеристики. Данная схема выполнена на трёх распространённых кремниевых приборах КТ 315, но в устройстве можно использовать и другие полупроводники. Большим плюсом схемы является то, что она может работать на низкоомную нагрузку. В качестве источника звука можно использовать миниатюрные динамики с сопротивлением от 4 до 8 ом.

Устройство можно использовать совместно с плеером, тюнером или другим бытовым прибором. Напряжение питания 9 В можно получить от батарейки типа «Крона». Если в выходном каскаде использовать КТ 815, то на нагрузке 4 ома можно получить мощность до 1 ватта. При этом напряжение питания нужно будет увеличить до 12 вольт, а выходные элементы смонтировать на небольших алюминиевых теплоотводах.

Микросхемы усилителей мощности звуковой частоты россыпью

Проверить актуальную цену или купить

Большинство микросхем УНЧ класса AB имеет конструкцию, удобную для монтажа в радиолюбительских конструкциях даже с проводным монтажом.

В связи с этим, когда ни одна готовая плата не подходит для задуманной конструкции, можно разработать свою собственную плату; а микросхемы для неё купить отдельно, благо микросхемы россыпью стоят настолько дешево, что чаще всего продаются не поштучно, а наборами по 2 — 10 шт.

По приведённой ссылке можно приобрести микросхемы УМЗЧ в наборах по 5 штук одного наименования.

Это — TDA7385 (4 мостовых канала по 30 Вт), TDA7388 (4 мостовых канала по 41 Вт), TDA7850 (4 мостовых канала по 50 Вт, MOSFET), TDA7851 (4 мостовых канала по 48 Вт, MOSFET).

Цена — от $6.3 до $11.5 за 5 шт. в зависимости от наименования.

Усилители класса AB на основе однокристалльных микросхем показали себя как добротное и проверенное временем решение с высоким качеством звучания.

Выходная мощность таких микросхем может быть очень значительной.

Фактически, если потребителю не нужно конструировать аппаратуру для озвучки стадионов и концертных залов, то для всех прочих бытовых нужд конструкции на основе таких микросхем будут вполне достаточны.

Кроме того, надо заметить, что они содержат различные виды защиты (от перегрева, от перегрузки по току и т.п.), а также имеют качественную термостабилизацию режимов за счёт того, что термодатчик и источник тепла расположены в непосредственной близости (на одной подложке).

То есть, при мощности до 100 — 150 Вт нет никакой необходимости собирать усилитель из дискретных элементов.

Описанные в подборке одноплатные усилители могут быть применены как для ремонта радиоаппаратуры, так и для создания самостоятельных конструкций; в том числе, например, для оживления «старосоветских» колонок (многие из которых до сих пор у населения живы и здоровы); или же для возвращения в строй «осиротевших» колонок от магнитол и музыкальных центров после непоправимого выхода из строя основного устройства.

Если указанные в описаниях товары найдутся у других продавцов на Алиэкспресс дешевле, то тоже можно брать — товар одинаковый (но надо следить за стоимостью доставки).

Сборка усилителя

Собирается схема на печатной плате размерами 50х40 мм, рисунок в формате Sprint-Layout к статье прилагается. Приведённую печатную плату при печати необходимо отзеркалить. После травления и удаления тонера с платы сверлятся отверстия, лучше всего использовать сверло 0,8 — 1 мм, а для отверстий под выходные транзисторы и клеммник 1,2 мм.
После сверления отверстий желательно залудить все дорожки, тем самым уменьшить их сопротивление и защитить медь от окисления. Затем впаиваются мелкие детали – резисторы, диоды, после чего выходные транзисторы, клеммник, конденсаторы. Согласно схеме, коллекторы выходных транзисторов должны соединяться, на данной плате это соединение происходит путём замыкания «спинок» транзисторов проволокой или радиатором, если он используется. Радиатор требуется ставить в том случае, если схема нагружена на динамик сопротивлением 4 Ома, или если на вход подаётся сигнал большой громкости. В остальных же случаях выходные транзисторы почти не нагреваются и не требуют дополнительного охлаждения.
После сборки обязательно нужно смыть остатки флюса с дорожек, проверить плату на наличие ошибок сборки или замыканий между соседними дорожками.

Понадобится

Транзисторы мощности и операционный усилитель:

• 2SC5200 Транзисторы х 5 — http://ali.pub/4xjey2
• 2SA1943 Транзисторы х 5 — http://ali.pub/4xjf1k
• ОУ HA17741 x 1 — http://ali.pub/4xjf4h

Остальные компоненты:
Показать / Скрыть текст

• SC 2SC2073 Транзисторы х 2.
• S 2SA940 Транзисторы х 2.
• 3 0,33 / 5 Вт резисторы х 10.
• 4.7 / 1W резисторы x 10.
• резисторы 10/2 Вт x 2.
• резисторы 100/1 Вт х 6.
• резисторы 330/1 Вт х 2.
• 10 резисторов х 1.
• 100 резисторов х 1.
• 1K резисторы х 1.
• 5K6 резисторов х 2.
• резисторы 10К х 2.
• 47К резисторов х 1.
• резисторы 100К х 1.
• 33P конденсаторы х 1.
• конденсаторы 220P x 4.
• 680P конденсаторы х 1.
• 0.1 мкФ конденсаторы х 1.
• 10 мкФ / 50 В конденсаторы х 2.
• 100 мкФ / 25 В конденсаторы х 3.
• 10.000 мкФ / 80 В конденсаторы х 2 или х 4.
• Диод 4148 х 2.
• Диодный мост 35A X 1.
• Стабилитрон 15V X 2.
• Катушка 16 витков (медная проволока диаметром 1,5мм).
• 50 К Потенциометры х 1.
• Слюдяная изоляция транзисторов x 10.
• Алюминиевый радиатор х 1.
• Трансформатор 45 — 50 В переменного тока 2 x 30A.

Настройка и испытания усилителя

После завершения сборки можно подавать питание на плату усилителя. В разрыв одного из питающих проводов нужно включить амперметр, для контроля потребляемого тока. Подаём питание и смотрим на показания амперметра, без подачи на вход сигнала усилитель должен потреблять примерно 15-20 мА. Ток покоя задаётся резистором R6, для его увеличения нужно уменьшить сопротивление этого резистора. Слишком сильно поднимать ток покоя не следует, т.к. увеличится выделение тепла на выходных транзисторах. Если ток покоя в норме, можно подавать на вход сигнал, например, музыку с компьютера, телефона или плеера, подключать на выход динамик и приступать к прослушиванию. Хоть усилитель и прост в исполнении, он обеспечивает весьма приемлемое качество звука. Для воспроизведения одновременно двух каналов, левого и правого, схему нужно собрать дважды. Обратите внимание, что если источник сигнала находится далеко от платы, подключать его нужно экранированным проводом, иначе не избежать помех и наводок. Таким образом, данный усилитель получился полностью универсальным благодаря небольшому потреблению тока и компактным размерам платы. Его можно использовать как в составе компьютерных колонок, так и при создании небольшого стационарного музыкального центра. Удачной сборки.

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток – полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

«Альтернативные» конструкции

Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:

1. Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
2. Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.

Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, – обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление – несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков – 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.

Конечно, это не очень большой недостаток – существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная – в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.

Причем КПД у таких устройств достаточно высокий – порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности – они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.

Усилитель

Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал U_вх, а к выходу цепляется нагрузка R_{н .}

Обобщенная схема усилителя

Она выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС E_И и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

K_U — это коэффициент усиления по напряжению

U_вых — напряжение на выходе усилителя, В

U_вх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е. R_вх >>R_и и R_н намного больше, чем R_вых (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где K_I — коэффициент усиления по току

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=U_вых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R_и и R_н << R_вых при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

K_P — коэффициент усиления по мощности

P_вых — мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

cos φ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Усилитель звука на транзисторах #1

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

Усилитель мощности на транзисторах. Базовые положения

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

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

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

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

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

Устройство транзистора

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

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

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

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

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

Как работает биполярный транзистор (БТ)

Принцип работы БТ упрощенно рассмотрим на примере ниже приведенной схемы.

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

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

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

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

Коэффициент усиления транзистора

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

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

Усилитель звука на транзисторах

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

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

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

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

Базовая схема входного каскада УМЗЧ

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

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

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

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

Расчет параметров элементов усилителя мощности

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

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

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

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

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

Сопротивление Rк равно:

Примем ближайший стандартный номинал резистора 4,7 кОм.

Теперь определит сопротивление в цепи базы Rб:

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

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

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

Расчет емкости конденсаторов усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ)

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

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

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

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

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

Усилитель — 3

Продолжим наш экскурс в мир усилителей низкой частоты. Но сначала поговорим о режимах работы транзисторов.
На рисунках изображены графики с проходной характеристикой транзистора – зависимостью тока его коллектора от напряжения между базой и эмиттером.

Вообще говоря, эта зависимость нелинейная, в первом приближении близка к экспоненте и проходит намного круче. Но для упрощения изложения представим ее в том виде, как она нарисована сплошной линией – с изломом в точке Uо = 0,65 вольт и сравнительно небольшим наклоном. Суть работы усилителя от такого упрощения не меняется.
Когда усилитель включен, но на его вход еще не подан усиливаемый сигнал, транзистор находится в режиме покоя. Измеренные в этот момент токи электродов и напряжения между ними определяют его рабочую точку. Наиболее значимыми параметрами при этом являются ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером. Напряжение между базой и эмиттером называется напряжением смещения (оно смещает рабочую точку транзистора на графике по горизонтали); положение рабочей точки в первую очередь зависит от него.
При подаче на вход усилителя переменного напряжения ток коллектора транзистора изменяется одновременно с напряжением на его базе. Если во всем диапазоне изменений входного сигнала ток коллектора не снижается до нуля, такой режим работы усилителя называется режимом класса А. Он применяется во всех маломощных каскадах усилителей и характеризуется очень низким коэффициентом полезного действия (КПД), так как ток через транзистор течет всегда, даже когда сигнал отсутствует.
Изменяя напряжение между базой и эмиттером транзистора (напряжение смещения) можно выбрать такую рабочую точку, в которой ток коллектора будет протекать ровно половину периода сигнала (в нашем случае это напряжение смещение будет равно0,65 вольт). Такой режим называется режимом класса B. При этом КПД усилителя становится значительно выше (теоретически до 78%, практически редко выше 50%), но усиливается только половина сигнала. Режим в основном применяется в выходных каскадах усилителей мощности низкой частоты (в таких, которые мы рассматриваем в этих постах).
Если же ток коллектора течет меньшую часть периода сигнала, то говорят о классе С.
Он в усилителях низкой частоты не применяется из-за очень больших искажений. Его удел – радиопередающие устройства, в которых эти искажения не страшны, а иногда и полезны.
Промежуточным режимом между классами А и В является режим АВ. В нем ток коллектора течет большую часть периода сигнала. Именно он, в основном, используется в усилителях мощности низкой частоты, потому, что из-за нелинейности характеристик транзисторов достичь настоящего режима В затруднительно. При этом усилитель, работающий в классе АВ вносит меньшие искажения и при очень малом сигнале вырождается в класс А, а при большом — в класс B.

Теперь продолжим разговор об усилителе, который не был закончен в предыдущем посте.

Из его схемы видно, что напряжение между базами VT2 и VT3 равно 0. Поэтому в режиме покоя напряжение между их базами и эмиттерами тоже равно 0 и транзисторы работают в режиме класса С.
На рисунке ниже показан выходной сигнал такого усилителя. На нем видно, что при его работе на сигнале образуется «ступенька» — в тот момент, когда оба транзистора закрыты. Эта ступенька представляет собой очень сильное искажение сигнала – такое, что при очень слабом сигнале он может просто не попасть на выход.

Такого рода искажения, которые обусловлены своим возникновением нелинейным свойствам транзисторов, называются нелинейными искажениями и неприятны на слух.
Измеряются нелинейные искажения следующим образом:
На вход усилителя подается испытательный синусоидальный сигнал с очень малыми искажениями. К выходу подключается измеритель нелинейных искажений, который, по сути представляет из себя комбинацию двух вольтметров переменного тока. Один вольтметр меряет уровень выходного сигнала, состоящего из основного сигнала и искажений, на входе другого стоит специальный заграждающий фильтр, который не пропускает основной сигнал и выделяет только сигнал искажений.
Отношение показаний двух вольтметров и есть коэффициент нелинейных искажений (КНИ).
Таким образом, при КНИ = 1%, в выходном сигнале 99% исходного сигнала и 1% искажений.
Для снижения искажений типа «ступенька» необходимо, чтобы при отсутствии сигнала на входе усилителя выходные транзисторы VT2 и VT3 были немного приоткрыты (на грани, класс АВ или В)) – через них должен течь начальный ток – ток покоя. Этого можно достигнуть включением между базами этих транзисторов, например, резистора R5

Коллекторный ток транзистора VT1 создаст на нем падение напряжения, и, если резистор подобрать так, чтобы на нем падало примерно 1,3 вольта (два раза по 0,65 в), они приоткроются. Ток покоя выходных транзисторов обычно выбирают в пределах от 1 до 100 миллиампер – меньше – в маломощных усилителях (0,05…1 Вт), больше – в мощных (100 и более Вт).
Но один резистор можно использовать только в очень маломощных усилителях, и вот почему. Параметры транзистора очень зависят от температуры его кристалла. При нагреве точка перегиба проходной характеристики перемещается влево и ток коллектора транзистора при том же самом напряжении между базой и эмиттером начинает увеличиваться.

Транзистор даже может войти в режимы саморазогрева, когда при нагреве увеличивается ток, а увеличение тока увеличивает нагрев – и он выйдет из строя – «сгорит».
Поэтому в усилителях применяют термостабилизацию рабочей точки – с помощью либо терморезисторов, сопротивление которых уменьшается с увеличением температуры, либо диодов и транзисторов, у которых при увеличении температуры уменьшается напряжение на р-n переходах.

При этом термочувствительный элемент приклеивают к корпусу транзистора или к его радиатору, чтобы улучшить тепловой контакт.
На схеме требуемое напряжение смещения между базами транзисторов VT1 и VT2 с уровнем 1,3 вольта обеспечивается падением напряжения на диоде (0,65 вольт) и на подстроечном резисторе R5. Меняя сопротивление этого резистора можно установить нужный ток покоя оконечных транзисторов.
При нагреве диода, напряжение на его p-n переходе уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения смещения выходных транзисторов и стабилизирует их ток покоя.
Эта схема вполне работоспособна, но у нее есть два недостатка – нестабильность напряжения в точке соединения эмиттеров выходных транзисторов (средней точке) и повышенные нелинейные искажения, достигающие нескольких процентов.
Чем плоха нестабильность средней точки?
Выходное напряжение усилителя может меняться от 0 до напряжения питания. Если напряжение в средней точке равно половине напряжения питания, то обе полуволны выходного напряжения в идеале могут достигать тоже половины напряжения питания. Если же средняя точка смещена вверх или вниз, то амплитуда неискаженного сигнала на выходе усилителя уменьшится и выходная мощность усилителя будет меньше.

Наиболее просто решить проблему стабильности рабочей точки – это подключить к ней резистор R1.

При этом, если напряжение в средней точке по какой-либо причине увеличится, увеличится напряжение на базе транзистора V1, при этом увеличится ток его коллектора, увеличится падение напряжения на резисторе R3 и уменьшится напряжение на коллекторе VT1, а значит и на базах транзисторов VT2 и VT3. И, соответственно, на средней точке транзисторов VT2 и VT3. Такой эффект от соединения называется отрицательной обратной связью, так как часть сигнала с выхода усилителя поступает обратно на вход, причем действует в направлении, противоположном входному сигналу, уменьшая его.
Если бы обратная связь увеличивала бы действие входного сигнала, она была бы положительной и усилитель мог бы превратиться в генератор – засвистеть.
Отметим, что если сигнал обратной связи поступает на вход параллельно входному сигналу (как на этой схеме), то связь называется параллельной, если последовательно (в усилителях, которые рассмотрим позже), то последовательной.
В этом усилителе сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению, поэтому в нем мы применили «параллельную обратную связь по напряжению». Если бы сигнал обратной связи был бы пропорционален выходному току, то мы бы говорили об обратной связи по току. Кстати, в самом первом рассмотренном нами усилителе действует именно «последовательная обратная связь по току».

В нем увеличение тока покоя транзистора вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R4, при этом уменьшится напряжение между базой и эмиттером транзистора, он начнет закрываться и ток коллектора его тоже уменьшится.

Кроме стабилизации рабочей точки обратная связь еще и уменьшает нелинейные искажения сигнала, расширяет полосу рабочих частот и многое другое. Поэтому она применяется практически во всех усилителях.

Хочу отметить, что входной каскад усилителя может быть собран не только на транзисторе с проводимостью n-p-n, но и с проводимостью p-n-p. При этом он просто перевернется, как показано на схеме.

Последний вариант усилителя полностью работоспособен и обладает вполне удовлетворительными характеристиками. Его недостаток — маленькая выходная мощность. Дело в том, что когда усилитель работает на низкоомную нагрузку, через нее течет очень большой ток. К примеру, при мощности 3 Ватта и сопротивлении динамика 4 Ома амплитуда тока через него составит 1,22 Ампера. Обычно мощные транзисторы, используемые на выходе усилителей мощности, имеют коэффициент усиления тока базы h21э на уровне 10-100. То есть, чтобы транзистор смог отдать ток 1,22 Ампера, в го базе должен течь ток в самом лучшем случае не менее 12 миллиампер. При этом коллекторный ток транзистора VT1 и ток через резистор R3 должны быть значительно больше, чтобы токи баз оконечных транзисторов не сильно влияли на их работу. Поэтому на выходе усилителей мощности обычно используют составные транзисторы, коэффициент усиления по току которых равен произведению коэффициентов усиления транзисторов, его составляющих, то есть сотни и тысячи раз. Составные транзисторы могут составляться по разным схемам, все они обладают примерно одинаковыми параметрами, а их особенности обсудим позднее.

Резисторы имеют одинаковые номиналы и выбираются из ряда 47…470 Ом в зависимости от мощности усилителя.
Из-за того, что в этих схемах применяются несколько транзисторов, может получиться, что требуемое для их открытия напряжение смещения потребуется больше, чем было сказано ранее. В первой схеме включены последовательно три эмиттерных p-n перехода, для нее нужно 1,95 Вольта, во второй – четыре и 2,6 Вольта. В третьей – только два и требуемое напряжение – 1,3 Вольта. Увеличения этого напряжения можно добиться увеличением сопротивления резистора R5 или, что лучше, добавлением одного диода на каждый дополнительный эмиттерный p-n переход. Но не больше. А то ток покоя может стать очень большим и выходные транзисторы сгорят.

Ниже приведена схема усилителя мощности с разделительным конденсатором на входе и потенциометром регулятора громкости.

Мой первый усилитель мощности был сделан именно по такой схеме. Он имел выходную мощность 3 Вт на нагрузке 4 Ом при напряжении питания 12 Вольт и имел неплохие параметры (на слух, так как это был 1971 год и у меня не было никаких приборов, кроме тестера). Его схема очень проста, допускает применение самых распространенных деталей и, при соответствующем выборе источника питания и транзисторов может без проблем отдать в нагрузку 100-150 Вт при уровне нелинейных искажений 0,2 – 0,5%. Чувствительность усилителя (напряжение, которое надо подать на вход для достижения максимальной мощности) составляет 250 милливольт.