Транзисторный усилитель напряжения. Транзисторные усилители

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.

Купив хороший ноутбук или крутой телефон, мы радуемся покупке, восхищаясь множеством функций и скоростью работы устройства. Но стоит подключить гаджет к динамикам, чтобы послушать музыку или посмотреть фильм, мы понимаем, что звук производимый устройством, как говорится «подкачал». Вместо полноценного и чистого звучания, мы слышим невразумительный шёпот с фоновым шумом.

Но не стоит расстраиваться и ругать производителей, проблему со звуком можно решить самостоятельно. Если вы немного разбираетесь в микросхемах и умеете хорошо паять, то вам не составит труда сделать собственный усилитель звука. В нашей статье мы расскажем как сделать усилитель звука для каждого типа устройства.

На первоначальном этапе работы по созданию усилителя, вам необходимо найти инструменты и купить комплектующие детали. Схема усилителя изготавливается на печатной плате при помощи паяльника. Для создания микросхем используйте специальные паяльные станции, которые можно купить в магазине. Использование печатной платы позволяет сделать устройство компактным и удобным в эксплуатации.

Усилитель звуковых частот
Не забывайте об особенностях компактных одноканальных усилителей на основе микросхем серий TDA, основным из которых является выделение большого количества тепла. Поэтому постарайтесь при внутреннем устройстве усилителя, исключить соприкосновение микросхемы с другими деталями. Для дополнительного охлаждения усилителя, рекомендуется использовать радиаторную решётку для отвода тепла. Размер решётки зависит от модели микросхемы и мощности усилителя. Заранее спланируйте место для теплоотвода в корпусе усилителя.
Ещё одной особенностью самостоятельного изготовления усилителя звука, является низкое потребление энергии. Это в свою очередь позволяет использовать усилитель в автомобиле подключив его к аккумулятору или в дороге, используя питание от батареи. Упрощённые модели усилителя, требуют напряжения тока всего лишь в 3 вольта.

Основные элементы усилителя
Если вы начинающий радиолюбитель, то для более удобной работы, рекомендуем вам воспользоваться специальной компьютерной программой - Sprint Layout. С помощью этой программы вы сможете самостоятельно создавать и просматривать схемы на компьютере. Учтите, что создание собственной схемы имеет смысл, только в том случаи если вы имеете достаточный опыт и знания. Если вы неопытный радиолюбитель, то пользуйтесь уже готовыми и проверенными схемами.

Ниже мы приведём схемы и описания разных вариантов усилителя звука:

Усилитель звука для наушников

Усилитель звука для портативных наушников обладает не большой мощностью, но потребляет очень мало энергии. Это немаловажный фактор для мобильных усилителей которые питаются от батареек. Также на устройство можно поместить разъём, для питания от сети через адаптер 3 вольта.

Самодельный усилитель для наушников
Для изготовления усилителя для наушников вам понадобятся:

Микросхема TDA2822 или аналог KA2209.
Схема сборки усилителя.
Конденсаторы 100 мкФ 4 штуки.
Гнездо для штекера наушников.
Разъём для адаптера.
Примерно 30 сантиметров медного провода.
Теплоотводящий элемент (для закрытого корпуса).

Схема усилителя звука для наушников
Усилитель изготавливается на печатной плате или навесным монтажом. Не используйте в данном виде усилителя импульсный трансформатор, поскольку он может создавать помехи. После изготовления, данный усилитель способен обеспечить мощный и приятный звук с телефона, плеера иди планшета.
Ещё с одним вариантом самодельного усилителя для наушников, вы можете ознакомится в видеоролике:

Усилитель звука для ноутбука

Усилитель для ноутбука собирается в тех случаях, если мощности встроенных в него динамиков не хватает для нормального прослушивания, или если динамики вышли из строя. Усилитель должен быть рассчитан на внешние динамики до 2 ватт и сопротивление обмоток до 4 Ом.

Усилитель звука для ноутбука
Для сборки усилителя вам потребуются:

Печатная плата.
Микросхема TDA 7231.
Блок питания на 9 вольт.
Корпус для размещения компонентов.
Конденсатор неполярный 0,1 мкФ - 2 штуки.
Конденсатор полярный 100 мкФ - 1 штука.
Конденсатор полярный 220 мкФ - 1 штука.
Конденсатор полярный 470 мкФ - 1 штука.
Резистор постоянный 10 Ком - 1 штука.
Резистор постоянный 4,7 Ом - 1 штука.
Выключатель двухпозиционный - 1 штука.
Гнездо для входа на громкоговоритель - 1 штука.

Схема усилителя звука для ноутбука
Порядок сборки определяется самостоятельно в зависимости от схемы. Радиатор охлаждения должен быть такого размера, чтобы рабочая температура внутри корпуса усилителя не превышала 50 градусов по Цельсию. Если вы планируете использовать устройство вне помещения, то для него необходимо изготовить корпус с отверстиями для циркуляции воздуха. Для корпуса можно использовать пластиковый контейнер или пластмассовые коробки из под старой радиоаппаратуры.
Визуальную инструкцию вы можете посмотреть в видеоролике:

Усилитель звука для автомагнитолы

Данный усилитель для автомагнитолы собран на микросхеме TDA8569Q, схема не сложная и очень распространённая.

Усилитель звука для автомагнитолы
Микросхема имеет следующие заявленные характеристики:

Входная мощность 25 ватт на канал в 4 Ом и 40 ватт на канал в 2 Ом.
Напряжение питания 6-18 вольт.
Диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц.

Для использования в автомобиле, к схеме необходимо добавить фильтр от помех, которые создаются генератором и системой зажигания. Микросхема также имеет защиту от короткого замыкания на выходе и перегрева.

Схема усилителя звука для автомагнитолы
Сверяясь с представленной схемой произведите закупку необходимых компонентов. Далее нарисуйте печатную плату и просверлите в ней отверстия. После этого протравите плату хлорным железом. В заключении лудим и начинаем припаивать компоненты микросхемы. Учтите что дорожки питания лучше покрыть более толстым слоем припоя, чтобы не было просадок по питанию.
На микросхему нужно установить радиатор или организовать активное охлаждение с помощью куллера, иначе при повышенной громкости усилитель будет перегреваться.
После сборки микросхемы, необходимо изготовить фильтр для питания по приведённой ниже схеме:

Схема фильтра от помех
Дроссель в фильтре мотается в 5 витков, проводом сечением 1-1,5 мм., на феритовом кольце диаметром 20 мм.
Также данный фильтр можно использовать если ваша магнитола ловит «наводки».
Внимание! Будьте внимательны и не перепутайте полярность питания, иначе микросхема сгорает моментально.
Как сделать усилитель для стерео сигнала, вы также можете узнать из видео:

Усилитель звука на транзисторах

В качестве схемы для транзисторного усилителя используйте схему приведённую ниже:

Схема транзисторного усилителя звука
Схема хоть и старая но имеет массу поклонников, по следующим причинам:

Упрощённый монтаж из-за малого количества элементов.
Нет необходимости перебирать транзисторы в комплементарные пары.
10 ватт мощности, с запасом хватает для жилых комнат.
Хорошая совместимость с новыми звуковыми картами и проигрывателями.
Отличное качество звука.

Начните сборку усилителя с питания. Разделите два канала для стерео двумя вторичными обмотками идущими от одного трансформатора. На макете сделайте мосты на диодах Шоттки для выпрямителя. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме, мощности 2 Вт будет достаточно.

Усилитель на транзисторах
Переходим к плате усилителя. Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением. Настройка сводится к следующим операциям - с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. Затем с помощью R1 и R2 выставляется ток покоя - ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем ток в точке входа плюса питания. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток должен быть 1.2 А при напряжении 27 вольт, что означает 32.4 ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются.
При регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. Считается что данная схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф. Предохранители нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
Хорошей идеей будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.
Теперь несколько слов о корпусе. Размер корпуса задаётся радиаторами - NS135-250 по 2500 квадратных сантиметров на каждый транзистор. Сам корпус делается из оргстекла или пластмассы. Собрав усилитель, прежде чем начать наслаждаться музыкой, необходимо для минимизации фона правильно развести землю. Для этого присоедините СЗ к минусу входа-выхода, а остальные минуса выведите на «звезду» возле конденсаторов фильтра.

Корпус усилителя звука на транзисторах
Примерная стоимость расходных материалов для транзисторного усилителя звука:

Конденсаторы фильтра 4 штуки - 2700 рублей.
Трансформатор - 2200 рублей.
Радиаторы - 1800 рублей.
Выходные транзисторы - 6-8 штук 900 рублей.
Мелкие элементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды) около - 2000 рублей.
Разъёмы - 600 рублей.
Оргстекло - 650 рублей.
Краска - 250 рублей.
Плата, провода, припой около - 1000 рублей

В итоге получается сумма - 12100 рублей.
Также вы можете посмотреть видеоролик по сборке усилителя на германиевых транзисторах:

Ламповый усилитель звука

Схема простого лампового усилителя состоит из двух каскадов - предварительный усилитель на 6Н23П и усилитель мощности на 6П14П.
Схема лампового усилителя
Как видно из схемы, оба каскада работают в триодном включении, а анодный ток ламп близок предельному. Токи выстраиваются катодными резисторами - 3мА для входной и 50мА для выходной лампы.
Детали используемые для лампового усилителя должны быть новыми и высокого качества. Допустимое отклонение номиналов резисторов может составлять плюс-минус 20%, а ёмкости всех конденсаторов можно увеличить в 2-3 раза.
Фильтрующие конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не меньше 350 вольт. На такое же напряжение должен быть рассчитан и межкаскадный конденсатор. Трансформаторы для усилителя могут быть обычными - ТВ31-9 или более современный аналог - TWSE-6.

Ламповый усилитель звука
Регулятор громкости и баланса стерео на усилитель лучше не устанавливать, поскольку данные регулировки можно сделать в самом компьютере или плеере. Входная лампа выбирается из - 6Н1П, 6Н2П, 6Н23П, 6Н3П. В качестве выходного пентода применяют 6П14П, 6П15П, 6П18П или 6П43П (с увеличенным сопротивлением катодного резистора).
Даже если у вас имеется работающий трансформатор, для первого включения лапового усилителя лучше использовать обычный трансформатор с выпрямителем на 40-60 ватт. Только после успешного испытания и настройки усилителя можно установить импульсный трансформатор.
Гнёзда для штекеров и кабелей используйте стандартные, для подключения динамиков лучше установить «педальки» на 4 контакта.
Корпус для лапового усилителя обычно делают из оболочки старой техники или кейсов системных блоков.
Ещё один вариант лампового усилителя вы можете посмотреть в видеоролике:

Классификация усилителей звука

Чтобы вы могли определить к какому классу усилителей звука принадлежит собранное вами устройство, ознакомьтесь с приведённой ниже классификацией УМЗЧ:

Класс А - усилители этого класса работают без отсечки сигнала на линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов, что обеспечивает минимум нелинейных искажений. Но за это приходится расплачиваться большим размером усилителя и огромной потребляемой мощность. КПД усилителя класса А составляет всего лишь 15-30%. К данному классу относят ламповые и транзисторные усилители.

Класс В - усилители класса В работают с отсечкой сигнала 90 градусов. Для режима такой работы используется двухтактная схема, в ней каждая часть усиливает свою половину сигнала. Основной минус усилителей класса В, это искажения сигнала по причине ступенчатого перехода одной полуволны к другой. Плюсом данного класса усилителей считают высокий КПД, иногда достигающий 70%. Но не смотря на высокую производительность, современных моделей усилителя класса В, вы не встретите на прилавках.

Класс АВ - это попытка объединения усилителей описанных выше классов, с целью добиться отсутствия искажений сигнала и высокого коэффициента полезного действия.

Класс Н - разработан специально для автомобилей, у которых имеется ограничение напряжения, питающего выходные каскады. Причиной создания усилителей класса Н служит то, что реальный звуковой сигнал имеет импульсный характер и его средняя мощность намного ниже пиковой. В основе схемы данного класса усилителей, лежит простая схема для усилителя класса AB, работающая по мостовой схеме. Добавлена лишь специальная схема удвоения напряжения питания. Основной элемент схемы удвоения, это накопительный конденсатор большой емкости, который постоянно заряжается от основного источника питания. На пиках мощности этот конденсатор подключается схемой управления с основным источником питания. Напряжение питания выходного каскада усилителя удваивается, позволяя ему справиться с передачей пиков сигнала. КПД усилителей класса Н достигает 80%, при искажении сигнала всего в 0,1%.

Класс D - это отдельный класс усилителей получивший название -«цифровые усилители». Цифровое преобразование обеспечивает дополнительные возможности по обработке звука: от регулировки уровня громкости и тембра до реализации цифровых эффектов, таких как реверберация, подавление шума, подавление акустической обратной связи. В отличие от аналоговых усилителей, выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной формы. Их амплитуда постоянна, а длительность изменяется в зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя. КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%.

В заключении хотелось бы сказать, что занятие радиоэлектроникой требуют большого объёма знаний и опыта, которые приобретаются в течении длительного времени. Поэтому, если у вас что-то не получилось, не расстраивайтесь, подкрепляйте свои знания из других источников и пробуйте снова!

Транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Первые управляются сигналом тока, подаваемым на его вход, а вторые - напряжением. Биполярный транзистор имеет два электронно-дырочных, перехода и три вывода – эмиттер, базу и коллектор. Биполярные транзисторы могут быть прямой или обратной проводимостями, а полевые с р или п каналами. Возможны три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

На рис. 2 показаны схемы включения биполярного транзистора прямой проводимости их основные характеристики: а) – с общей базой; б) с общим коллектором; в) с общим эмиттером:

где К i – коэффициент усиления по току; K u – коэффициент усиления по напряжению; R вх – входное сопротивление; R вых – выходное сопротивление.

Преимущественное распространение имеет схема с общим эмиттером (рис. 2, в).

Свойства транзистора в статическом режиме при такой схеме включения определяются семействами входных и выходных характеристик, показанных нарис. 3, а, б. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется выражением

I к = βI б + I к.о,

где I к - ток коллектора; I б -ток базы; I к.о - обратный ток коллектора; β -коэффициент передачи тока базы. Значение коэффициента β в зависимости от типа транзистора и режима его работы может быть от 30 до 300. Биполярный транзистор имеет малое входное и значительное выходное сопротивление. Если в цепь коллектора включить резистор, то при изменении тока базы будут одновременно изменяться ток и напряжение коллектора. При этом изменение мощности, выделяемой в коллекторной цепи, будет значительно больше изменения мощности на входе транзистора. На этом основана работа транзисторного усилителя.

По роду усиливаемого, сигнала различают транзисторные усилители постоянного и переменного тока. Так как с помощью одного каскада не удается решить задачу усиления, то усилители обычно выполняются многокаскадными. В многокаскадных усилителях переменного тока связи между каскадами, между источником сигнала и входом усилителя, а также между выходом и нагрузкой выполняются с помощью конденсаторов или трансформаторов. В усилителях постоянного тока эти связи выполняются непосредственно. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельные каскадов.

Каскад (усиления) – это функциональный узел устройства, содержащий усилительный элемент, связанный с предыдущими или последующими узлами устройства.

Схема усилительного каскада переменного тока с ёмкостной связью показана на рис. 4, а.

Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.

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.

Работа в промежуточных классах

У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.

Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.

«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:

Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
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.

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.

Усилители на МДП-транзисторах

Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».

Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.

Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.

УНЧ с трансформатором на выходе

Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.

Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.

Двухтактный усилитель звука

Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.

В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.

Бестрансформаторные УНЧ

Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».

Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.

Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.

Схема УНЧ на одном транзисторе

Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.

Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.

Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.

Схема № 1

Выбор класса усилителя . Сразу предупредим радиолюбителя - делать усилитель класса A на транзисторах мы не будем. Причина проста - как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом - вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика - и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами - трансформатором или конденсатором, - и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Принципиальная схема

Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 11.18.

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы - простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы - она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него - на резистор R5.

Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор C4 на АС.

Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него - на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора C постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал - с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 1 / (R×C) .

Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. е. более низкие частоты усилитель будет усиливать хуже, чем он мог бы.

Плата . Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 45×32.5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно . Хочу сразу предупредить радиолюбителя - звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно! Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.19.

Элементная база . При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1.

Остальные транзисторы - любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы - любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.125 Вт, конденсаторы - электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя . Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя и приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

P = (U × U) / (8 × R), Вт ,

где U - напряжение питания усилителя, В; R - сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

P рас = 0,25 × P, Вт .

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20 × P рас, см 2

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить - радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно - посчитайте сами!

Качество звучания . Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

Причина этого - «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 - на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна - больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Продолжение читайте