Как найти ток покоя транзистора

Что такое выходной транзистор? Выходными, или оконечными, транзисторами называют транзисторы, входящие в конструкцию выходных (последних) каскадов в каскадных усилителях (имеющих минимум два или три каскада) частоты. Кроме выходных имеются ещё и предварительные каскады, это все, некоторые расположены до выходного.

Каскад – это транзистор укомплектованный резистором, конденсатором и иными элементами, обеспечивающими его работу в качестве усилителя. Всё имеющееся в усилителе количество предварительных каскадов должно обеспечивать увеличение напряжения частоты таким образом, чтобы полученное значение было пригодно для функционирования выходного транзистора. В свою очередь сам выходной транзистор повышает мощность частотных колебаний до значения, обеспечивающего работу динамической головки.

При сборке максимально простых транзисторных усилителей выходной транзистор берётся такой же маломощный, как и на предварительных каскадах. Многие находят это весьма уместным с точки зрения эргономичности прибора. Показания выходной мощности у подобного усилителя невелики: от 10-20 мВт до полутора сотен.

В ситуациях, когда проблема экономии не стоит так остро, то в конструкции выходного каскада используется транзистор с более высокими мощностными показаниями.

Качественность работы усилителя определяют несколько параметров, но максимально точное представление можно получить по: данным о выходной мощности (Р вых), чувствительности и частотной характеристике.

Измерить ток покоя выходного транзистора

Током покоя называют коллекторный ток, который проходит по транзисторам выходных каскадов при условии, что сигнал отсутствует. В условно-идеальных (невозможных на самом деле) условиях значение такого тока должно находиться на нулевой отметке. На деле это не совсем так, собственная температура и характерные различия разнотипных транзисторов влияют на данный показатель. В наихудшем случае возможен перегрев, который станет причиной теплового пробоя транзистора.

Кроме того, существует ещё один показатель – напряжение покоя. Он демонстрирует значение напряжения соединительной точки транзисторов. Если питание у каскада двухполярное, то напряжение будет равно нулю, а если однополярное, тогда напряжение составляет 1/2 питающего напряжения.

  Оба эти показателя должны быть стабилизированы и для этого в качестве первоочередной меры следует озаботиться о контроле температурного режима.

На роль стабилизатора обычно берётся дополнительный транзистор, которые в качестве балласта подсоединяется к базовым цепям (наиболее часто он при этом оказывается прямо на радиаторе, максимально близко к выходным транзисторам).

Чтобы выявить, каков ток покоя выходных транзисторов или каскадов, необходимо при помощи мультиметра измерить данные по падению напряжения для его эмиттерных резисторов (значения обычно выражаются в милливольтах), а потом, опираясь на закон Ома и данные по реальному сопротивлению, можно будет вычислить нужный показатель: значение падения напряжения разделить на значение реального сопротивления – значения тока покоя для данного выходного транзистора.

Все замеры необходимо производить весьма осторожно, иначе придётся производить замену транзистора.

Есть ещё один способ, гораздо менее травмоопасный. Взамен предохранителей потребуется установить сопротивление в 100 Ом и минимальную мощность в 0,5 Ватт для каждого канала. При отсутствии предохранителей сопротивление подсоединяется к разрыву питания. После осуществляется подача питания усилителю, производятся замеры показаний по падению напряжения на приведённом выше уровне сопротивления. Дальнейшая математика до крайности проста: падению напряжения в 1 В соответствует ток покоя величиной в 10мА. Аналогичным образом при 3,5 В получится 35 мА и так далее.

Классификация выходных каскадов

Есть несколько методов сборки выходного каскада:

• Из транзисторов, имеющих различную проводимость. Для этих целей чаще всего используют “комплементарные” (близкие по параметрам) транзисторы.
• Из транзисторов, имеющих одинаковую проводимость.
• Из транзисторов составного типа.
• Из полевых транзисторов.

Работа усилителя, сконструированного, при помощи комплементарных транзисторов, отличается простотой: положительная сигнальная полуволна запускает работу одного транзистора, а отрицательная – другого. Необходимо, чтобы плечи (транзисторы) работали в одинаковых режимах и для реализации этого используется базовое смещение.

Если усилитель использует в работе одинаковые транзисторы, то никаких принципиальных отличий от первого варианта это не имеет. За исключением того факта, что для подобных транзисторов сигнал отличаться не должен.

При работе с остальными разновидностями усилителей необходимо помнить, что отрицательное напряжение для p-n-p транзисторов, и положительное – для n-p-n транзисторов.

Обычно звание усилителя мощности принадлежит именно оконечному каскаду, поскольку он работает с самыми большими величинами, хотя с технической точки зрения так можно называть и предварительные каскады. К числу основных показателей усилителя можно отнести: полезную, отдаваемую в нагрузку мощность, КПД, полосу усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. На эти показатели весьма сильно влияет выходная характеристика транзистора. При создании усилителя напряжения может быть использована однотактная и двухтактная схемы. В первом случае режим работы усилителя линейный (класс А). Данная ситуация характеризуется тем, что протекание тока по транзистору длится до тех пор пока не окончится период входного сигнала.

Однотактный усилитель отличается высокими показателями по линейности. Однако эти качества могут искажаться при намагничивании сердечника. Для предотвращения подобной ситуации необходимо озаботиться наличием цепи трансформатора с высоким уровнем индуктивности для первичной цепи. Это отразится на размерах трансформатора. К тому же, ввиду принципа его работы, он обладает достаточно низким КПД.

В сравнении с ним данные по двухтактному усилителю (класс B) куда выше. Данный режим позволяет искажать форму транзисторного тока на выходе. Это увеличивает результат отношения переменного и постоянного токов, снижая вместе с тем уровень потребляемой мощности, это и считается самым главным плюсом применения двухтактных усилителей. Их работа обеспечивается подачей двух равных по значению, но фазно противоположных напряжений. Если отсутствует трансформатор со средней точкой, то можно воспользоваться фазоинверсным каскадом, который снимет противоположные по фазе напряжения с соответственных резисторов цепей коллектора и эмиттера.

Существует двухтактная схема, не включающая в себя выходной трансформатор. Для этого потребуются разнотипные транзисторы, работающие как эмиттерные повторители. Если оказывать воздействие двуполярным входным сигналом, то будет происходить поочерёдное открытие транзисторов, и расхождение токов по противоположным направлениям.

Замена транзисторов

Поскольку УНЧ (усилители низких частот) становятся всё популярнее, то совершенно не лишним будет узнать, что делать, если такой прибор выйдет из строя.

В случае, если греется выходной транзистор, то велика вероятность, что он сломался или перегорел. В такой ситуации необходимо:

• Удостовериться в целостности всех прочих диодов и транзисторов, входящих в усилитель;
• Когда будет производиться ремонт очень желательно подсоединять усилитель к сети через лампочку в 40-100 В, это поможет сберечь оставшиеся целыми транзисторы при любых обстоятельствах;
• В первую очередь перемыкается участок эмиттер-база и транзисторы, потом осуществляется первичная диагностика УНЧ (любые изменения и реакции легко регистрируются при помощи свечения лампы);
• Основным показателем рабочего состояния и адекватной настройки транзистора можно считать данные по напряжению для участка база-эмиттер.
• Выявлять данные по напряжению межу корпусом и отдельными участками схемы – занятие практически бесполезное, никаких сведений о возможной поломке оно не даёт.

Даже наиболее упрощённый вариант проверки (до и после того как замена выходных транзисторов была произведена) обязательно должен включать в себя несколько пунктов:

• К базе и эмиттеру выходного транзистора подать минимальное напряжение, чтобы установился ток покоя;
• Проверить результативность своих действий по звуку или при помощи осциллографа (“ступенька” и искажения сигнала при мощностном минимуме должны отсутствовать);
• При помощи осциллографа выявить симметрию по ограничениям на резисторы при максимальной мощности работы усилителя.
• Удостовериться, что “паспортная” и действительная мощности усилителя совпадают.
• Обязательно требуется проверить рабочее состояние токоограничительных цепей, при наличии таковых на оконечном каскаде. Здесь не обойтись без регулируемого нагрузочного резистора.

Первое включение после того как ремонтные работы были произведены:

• Нежелательно сразу же устанавливать выходные транзисторы, для начала прибор задействуется только с предварительным каскадом (каскадами), и лишь после этого подсоединять оконечный. В ситуациях, когда осуществить включение без выходного транзистора технически невозможно, следует заменить резисторы на имеющие номинальное значение в 5-10 Ом. Это исключит вероятность перегорания транзистора.
• Перед тем как осуществлять каждое повторное включение усилителя потребуется разрядка электролитических конденсаторов питания УНЧ.
• Проконтролировать данные по току покоя в условиях низкой и высокой температуры радиатора. Разница при соотношении должна быть не более двух раз. В противном случае придётся заняться термостабилизатором УНЧ.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Расчет тока базы транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

• p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
• n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

• В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
• В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4. Отсечка (напряжение коллектор-база Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n

Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n

Источник

Смещение и точка покоя транзистора

До сих пор мы предполагали, что напряжение источника входного сигнала положительно и больше, чем напряжение база–эмиттер транзистора. Рассмотренные схемы усилителей (рис. 3.5, 3.8) будут нормально работать только при этом условии. Однако, напряжение входного сигнала чаще всего бывает переменной полярности.

Чтобы усиливать также и отрицательные полуволны напряжения и тока, нужно пропустить в цепи база–эмиттер постоянный ток от дополнительного источника – ток смещения базы, или ток покоя базы i_б0. Этот ток будет задавать некоторый постоянный уровень тока коллектора i_к0 – ток покоя коллектора (рис. 3.10), а также соответствующие уровни выходного напряжения и тока – так называемую рабочую точку транзистора. Ее еще называют точкой покоя. Транзистор находится в рабочей точке при отсутствии сигнала на входе усилителя.

Ток входного сигнала суммируется с током смещения базы, вызывая увеличение тока коллектора при положительном входном сигнале и уменьшение тока коллектора при отрицательном входном сигнале. Таким образом, происходят колебания тока коллектора, а также тока и напряжения выхода усилителя вокруг точки покоя (рис. 3.10). Точку покоя обычно выбирают посередине между режимами отсечки и насыщения, чтобы обеспечить максимальную амплитуду сигнала на выходе усилителя. Ток нагрузки эмиттерного повторителя при этом равен половине от максимально возможного (от тока в режиме насыщения), а напряжение на выходе усилителя напряжения равно половине напряжения источника. Такой усилитель называется усилителем класса А.

В качестве источника тока смещения базы обычно используют делитель напряжения. На рис. 3.11 этот делитель образуют резисторы R₁ и R₂.

Рис. 3.11. Усилительный каскад на биполярном

Усилительный каскад, как правило, отделен по постоянному току от источника входного сигнала и от нагрузки усилителя конденсаторами С_вх. и С_вых. Благодаря этим конденсаторам вход и выход усилителя не влияют на рабочую точку транзистора. Емкость этих конденсаторов выбирается достаточно большой – такой, чтобы сопротивление конденсатора С_вх. на рабочих частотах было намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, а сопротивление конденсатора С_вых. было намного меньше, чем выходное сопротивление усилителя. То есть, начиная с некоторой частоты, конденсаторы должны легко пропускать переменную составляющую тока.

Рис. 3.12. Эквивалентная схема каскада.

Конденсатор С_э обычно также присутствует в схеме каскада. Он уменьшает полное сопротивление цепи эмиттера, что в соответствии с рассуждениями, использованными для анализа усилителя напряжения, увеличивает коэффициент усиления каскада по напряжению. Сопротивление конденсатора С_э должно быть намного меньше сопротивления R_э: .

Для расчета входного и выходного сопротивления каскада нарисуем эквивалентную схему каскада для переменного тока рис. 3.12. При этом будем пренебрегать малыми сопротивлениями конденсаторов.

Как и у простейшего усилителя напряжения, выходное сопротивление каскада равно R_к.

Как и у эмиттерного повторителя, входное сопротивление транзистора со стороны базы равно (1+β)R_э. Оно велико по сравнению с сопротивлением резисторов делителя R₁ и R₂, и оно включено параллельно с R₁ и R₂, поэтому входное сопротивление каскада примерно равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁ и R₂: .

Зная входное и выходное сопротивления каскада, получаем требования к конденсаторам С_вх. и С_вых.: , .

Источник

Что такое выходной транзистор? Ток покоя и каскадные усилители

Что такое выходной транзистор? Выходными, или оконечными, транзисторами называют транзисторы, входящие в конструкцию выходных (последних) каскадов в каскадных усилителях (имеющих минимум два или три каскада) частоты. Кроме выходных имеются ещё и предварительные каскады, это все, некоторые расположены до выходного.

Каскад — это транзистор укомплектованный резистором, конденсатором и иными элементами, обеспечивающими его работу в качестве усилителя. Всё имеющееся в усилителе количество предварительных каскадов должно обеспечивать увеличение напряжения частоты таким образом, чтобы полученное значение было пригодно для функционирования выходного транзистора. В свою очередь сам выходной транзистор повышает мощность частотных колебаний до значения, обеспечивающего работу динамической головки.

При сборке максимально простых транзисторных усилителей выходной транзистор берётся такой же маломощный, как и на предварительных каскадах. Многие находят это весьма уместным с точки зрения эргономичности прибора. Показания выходной мощности у подобного усилителя невелики: от 10-20 мВт до полутора сотен.

Качественность работы усилителя определяют несколько параметров, но максимально точное представление можно получить по: данным о выходной мощности (Р вых), чувствительности и частотной характеристике.

Измерить ток покоя выходного транзистора

Током покоя называют коллекторный ток, который проходит по транзисторам выходных каскадов при условии, что сигнал отсутствует. В условно-идеальных (невозможных на самом деле) условиях значение такого тока должно находиться на нулевой отметке. На деле это не совсем так, собственная температура и характерные различия разнотипных транзисторов влияют на данный показатель. В наихудшем случае возможен перегрев, который станет причиной теплового пробоя транзистора.

Кроме того, существует ещё один показатель — напряжение покоя. Он демонстрирует значение напряжения соединительной точки транзисторов. Если питание у каскада двухполярное, то напряжение будет равно нулю, а если однополярное, тогда напряжение составляет 1/2 питающего напряжения.

Оба эти показателя должны быть стабилизированы и для этого в качестве первоочередной меры следует озаботиться о контроле температурного режима.

На роль стабилизатора обычно берётся дополнительный транзистор, которые в качестве балласта подсоединяется к базовым цепям (наиболее часто он при этом оказывается прямо на радиаторе, максимально близко к выходным транзисторам).

Чтобы выявить, каков ток покоя выходных транзисторов или каскадов, необходимо при помощи мультиметра измерить данные по падению напряжения для его эммитерных резисторов (значения обычно выражаются в милливольтах), а потом, опираясь на закон Ома и данные по реальному сопротивлению, можно будет вычислить нужный показатель: значение падения напряжения разделить на значение реального сопротивления — значения тока покоя для данного выходного транзистора.

Есть ещё один способ, гораздо менее травмоопасный. Взамен предохранителей потребуется установить сопротивление в 100 Ом и минимальную мощность в 0,5 Ватт для каждого канала. При отсутствии предохранителей сопротивление подсоединяется к разрыву питания. После осуществляется подача питания усилителю, производятся замеры показаний по падению напряжения на приведённом выше уровне сопротивления. Дальнейшая математика до крайности проста: падению напряжения в 1 В соответствует ток покоя величиной в 10мА. Аналогичным образом при 3,5 В получится 35 мА и так далее.

Схема:

Основой измерителя являются двухуровневые (оконные) компараторы LTC1042 от Linear Technology. Они имеют цифровые выходы и дифференциальные входы, напряжение на которых может изменяться в пределах от 0 до 5 В (напр. питания). Выходы компараторов через логические элементы управляют тремя светодиодами, которые указывают, что смещение (разбаланс плеч) выше, ниже или в пределах нормы. Чувствительность задается по входу компаратора “Width/2”. «ОК» загорается, когда разница напряжений между входами меньше, чем напряжение на “Width/2”. Резистор 100 кОм между выводом 7 и шиной питания устанавливает частоту внутреннего генератора для компаратора. (Он определяет выбор архитектуры компаратора для снижения энергопотребления.)

Так как в любой момент времени горит только один светодиод, то можно использовать один токоограничительный резистор на все светодиоды, а не на каждый отдельно:

На каждый канал используется две схемы компаратора:

Опорное напряжение формируется стабилизатором на TL431 (2,5В) и регулируется резисторами R4 – напряжение смещения и R6 – диапазон регулировки смещения.

От главного редактора РадиоГазеты: TL431 — трехвыводный стабилизатор. На схеме показан не совсем корректно. Чтобы напряжение стабилизации составило 2,5 В, надо управляющий вывод (на схеме даже не показан) соеденить с катодом.

Полная схема подключения к усилителю:

Увеличение по клику.

Диапазон регулировки составляет примерно от 40 до 80 мА (ток смещения на каждую лампу), с «окном» шириной 0 ± 8 мА. Значение R1 не является критическим, но для каждой пары ламп они должны быть согласованы (точно подобраны). Их величина должна быть меньше 10 кОм , но гораздо больше, чем сопротивление датчиков тока (Rs).

Значение резистора представляет собой компромисс между чувствительностью и перегрузочной способностью . Значение в 10 Ом подходит в большинстве случаев. Входы компаратора будут иметь уровень 0,6 V для типичного 60-мА тока смещения, который хорошо укладывается в диапазон компаратора от 0 до 5 В. Максимальный входной уровень компаратора составляет 5,3 В, что соответствует току смещения 530 мА, это значительно выше того, что бывает в нормальных условиях работы или при разумных перегрузках.

LTC1042 имеет точность порядка пары милливольт, что дает ошибку в несколько десятых долей миллиампер. Использование резисторов в 10 Ом позволяет легко вычислить опорное напряжение: опорное напряжение в мВ = ток смещения в мА х 10. Мощность, рассеиваемая на этих резисторах составляет около 0,125 W. Для обеспечения некоторого запаса стоит использовать резисторы мощностью 0,5W.

Классификация выходных каскадов

Есть несколько методов сборки выходного каскада:

• Из транзисторов, имеющих различную проводимость. Для этих целей чаще всего используют «комплементарные» (близкие по параметрам) транзисторы.
• Из транзисторов, имеющих одинаковую проводимость.
• Из транзисторов составного типа.
• Из полевых транзисторов.

Работа усилителя, сконструированного, при помощи комплементарных транзисторов, отличается простотой: положительная сигнальная полуволна запускает работу одного транзистора, а отрицательная — другого. Необходимо, чтобы плечи (транзисторы) работали в одинаковых режимах и для реализации этого используется базовое смещение.

Если усилитель использует в работе одинаковые транзисторы, то никаких принципиальных отличий от первого варианта это не имеет. За исключением того факта, что для подобных транзисторов сигнал отличаться не должен.

При работе с остальными разновидностями усилителей необходимо помнить, что отрицательное напряжение для p-n-p транзисторов, и положительное — для n-p-n транзисторов.

Обычно звание усилителя мощности принадлежит именно оконечному каскаду, поскольку он работает с самыми большими величинами, хотя с технической точки зрения так можно называть и предварительные каскады. К числу основных показателей усилителя можно отнести: полезную, отдаваемую в нагрузку мощность, КПД, полосу усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. На эти показатели весьма сильно влияет выходная характеристика транзистора. При создании усилителя напряжения может быть использована однотактная и двутактная схемы. В первом случае режим работы усилителя линейный (класс А). Данная ситуация характеризуется тем, что протекание тока по транзистору длится до тех пор пока не окончится период входного сигнала.

Однотактный усилитель отличается высокими показателями по линейности. Однако эти качества могут искажаться при намагничивании сердечника. Для предотвращения подобной ситуации необходимо озаботиться наличием цепи трансформатора с высоким уровнем индуктивности для первичной цепи. Это отразится на размерах трансформатора. К тому же, ввиду принципа его работы, он обладает достаточно низким КПД.

В сравнении с ним данные по двутактному усилителю (класс B) куда выше. Данный режим позволяет искажать форму транзисторного тока на выходе. Это увеличивает результат отношения переменного и постоянного токов, снижая вместе с тем уровень потребляемой мощности, это и считается самым главным плюсом применения двутактных усилителей. Их работа обеспечивается подачей двух равных по значению, но фазно противоположных напряжений. Если отсутствует трансформатор со средней точкой, то можно воспользоваться фазоинверсным каскадом, который снимет противоположные по фазе напряжения с соответственных резисторов цепей коллектора и эмиттера.

Существует двухтактная схема, не включающая в себя выходной трансформатор. Для этого потребуются разнотипные транзисторы, работающие как эмиттерные повторители. Если оказывать воздействие двуполярным входным сигналом, то будет происходить поочерёдное открытие транзисторов, и расхождение токов по противоположным направлениям.

КАК ОТРЕГУЛИРОВАТЬ УСИЛИТЕЛЬ ЛАНЗАР

Усилитель мощности Ланзар имеет две базовых схемы — первая полностью на биполярных транранзисторах, вторая с использованием полевых в предпоследнем каскаде. Принципиальная схема усилителя ЛАНЗАР здесь приводится не будет — она лежит в архиве SPLAN 6, там же можно взять перечень деталей, необходимый для самостоятельной сборки данного усилителя мощности. Кстати, в архиве две схемы — одна традиионная, а вторая — с одной парой транзисторов оконечного каскада.

Рисунок 1. Извлечение списка элементов из чертежа SPLAN

На рисунке 2 приведена схема усилителя Ланзар, но выполненная в симмуляторе МС-8. Позиционные номера элементов не совпадают, поэтому на этой странице будет идти речь о схеме выполненной в МИКРОКАП, чтобы избежать путаницы.

Рисунок 2 Схема усилителя мощности ЛАНЗАР из симмулятора МС-8

Для примера возьмем напряжение питания равным ±60 В. Если монтаж выполнен правильно и нет не исправных деталей то получим карту напряжений, показанную на рисунке 3.

Токи, протекающие через элементы усилителя мощности показаны на рисунке 4.

Рассеиваемая мощность каждого элемента показана на рисунке 5 (на транзисторах Q5, Q6 рассеивается порядка 990 мВт, следовательно и корпусу TO-126, и корпусу TO-220 потребуется теплоотвод).

Для остальный популярных напряжений питания рисунки с картами напряжений приведены ниже в правой колонке. Карты начинаются с напряжения питания ±30В, поскольку при более низком напряжении использовать усилитель ЛАНЗАР слишком дорого — ну не расчитан он на мощностя менее 100 Вт. На рисунка зеленым выделены элементы подгоняющие режимы работы усилителя под данное напряжение питания. Цифра возле резистора Х3 обозначает процентное положение движка подстроечного резистора

Uип ±30В Uип ±35В Uип ±40В Uип ±45В Uип ±50В Uип ±55В Uип ±60В Uип ±65В

Не последнее место в появлении повышенного THD играет собственный коф усиления усилителя мощности. Ниже на рисунке приведен уровень THD при популярном коф усиления в 26 дБ:

При собственном коф усиления 26 дБ уровень THD составляет 0,05%, однако снизив собственный ков усиления до 20 дБ уровень THD снижается до величины в 0,035%. Разумеется, что уровень входного сигнала тоже был увеличен, о чем свидетельствует одинаковое выходное напряжение (Внизу рисунка красная линия) дБ и при одинаковом выходном напряжении

Коф усиления зависит от отношения номиналов резисторов R25 и R13 и примерно может быть вычисленно по формуле Kу = (R25 / R13) + 1.

Рисунок 7. Карта напряжений усилителя мощности ЛАНЗАР

Рисунок 8. Карта токов усилителя мощности

Рисунок 9. Карта рассеиваемых мощностей усилителя

Несколько слов о о деталях и монтаже: Прежде всего следут обратить на правильность монтажа деталей, поскольку схема симметричная, то бывают довольно частыми ошибки. На рисунке 10 показано распложение деталей. Регулировка тока покоя (тока, протекающего через оконечные транзисторы при замкнутом на общий провод входе и компенсирующего вольт-амперную характеристику транзисторов) производится резистором Х1. При первом включении движок резистора должен находиться в верхенм по схеме положении, т.е. иметь максимальное сопротивление.

Ток покоя должен составлять 30…60 мА. Ставить выше не имеет мысла — ни приборы, ни на слух ощутимых изменений не происходит. Для установки тока покоя производится измерение напряжения на любом из эмиттерных резисторов оконечного каскада и выставляется в соответствии с таблицей:

НАПРЯЖЕНИЕ НА ВЫВОДАХ ЭМИТТЕРНОГО РЕЗИСТОРА , В	СЛИШКОМ МАЛЕНЬКИЙ ТОК ПОКОЯ, ВОЗМОЖНЫ ИСКАЖЕНИЯ «СТУПЕНЬКА», НОРМАЛЬНЫЙ ТОК ПОКОЯ, ВЕЛИКОВАТ ТОК ПОКОЯ — ЛИШНИЙ НАГРЕВ, ЕСЛИ ЭТО НЕ ПОПЫТКА СОЗДАТЬ КЛАСС «А», ТО ЭТО АВАРИЙНЫЙ ТОК.
ТОК ПОКОЯ ОДНОЙ ПАРЫ ОКОНЕЧНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, мА
0,22 Ома	0,33 Ома	0,47 Ом
0,01	45	30	21
0,02	91	60	43
0,03	136	91	64
0,04	182	121	85
0,05	227	152	106
0,1	0,45 А

0,3 А 0,2 А 0,2 0,91 А 0,6 А 0,4 А РАСШИРЕННЫЙ ВАРИАНТ ЭТОЙ ТАБЛИЦЫ НА СТРАНИЦЕ АУДИОСПРАВОЧНИКА

Рисунок 10 Расположение деталей на плате усилителя мощности. Показаны места, где возникают наиболее часто ошибки монтажа.

Поднимался вопрос о целесообразности использования в эмиттерных цепях оконечных транзисторов керамических резисторов. Можно использовать и МЛТ-2, по два штуки, включенных параллельно с номиналом 0,47…0,68 Ома. Однако вносимые керамическими резисторами искажения слишком малы, а вот тот факт, что они обрывные — при перегрузке они обрываются, т.е. их сопротивление становиться бесконечным, что довольно часто приводит к спасению оконечных транзисторов в критических ситуациях. Площадь радиатора зависит от условий охлаждения, на рисунке 11 показан один из вариантов, крепить силовые транзисторы к теплоотводу необходимо через изоляционные прокладки

. Лучше использовать слюду, поскольку она обладает довольно маленьким тепловым сопротивлением. Один из вариантов крепления транзисторов пказан нарисунке 12.

Рисунок 11 Один из вариантов радиатора для мощности 300 Вт при условии хорошей вентиляции

Рисунок 12 Один из вариантов крепления транзисторов усилителя мощности к радиатору. Необходимо использовать изоляционные прокладки.

Перед монтажом силовых транзисторов, а так же в случае подозрений на их пробой, силовые транзисторы проверяются тестером. Предел на тестере устанавливается на проверку диодов (рис 13).

Рисунок 13 Проверка оконечных транзисторов усилителя перед монтажом и в случае подозрений на пробой транзисторов после критических ситуаций.

Стоит ли подбирать транзисторы по коф. усиления?

Споров на эту тему довольно много и идея подбора элементов тянеться еще с глубоких семидесятых годов, когда качество элементной базы оставляло желать лучшего. На сегодня завод изготовитель гарантирует разброс параметров между транзисторами одной партии не более 2%, что уже само по себе говорит о хорошем качестве элементов. Кроме этого, учитывая то, что оконечные транзисторы 2SA1943 — 2SC5200 прочно обосновались в звукотехнике завод изготовитель начал выпус парных транзисторов, т.е. транзисторы и прямой, и обратной проводимости уже имеют одинаковые параметры, т.е. разницу не боле 2% (рис 14). К сожалению такие пары не всегда встречаютсяв продаже, тем не менее несколько раз нам доводилось покупать «близнецов». Однако даже имея разборос по коф. усиления между транзисторами прямой и обратной проводимости необходимо лишь следить за тем, чтобы транзисторы одной структуры были одной партии, поскольку включены они параллельно и разброс по h21 может вызывать перегрузку одного из транзисторов ( у которого этот параметр выше) и как следствие — перегрев и выход из строя. Ну а разброс между транзисторами для положительной и отрицательной полуволн вполне компенсируется отрицательной обратной связью.

Рисунок 14 Транзисторы разной структуры, но одной партии.

Тоже самое относиться и к транзисторам дифкаскада — если они одной партии, т.е. куплены одновременно в одном месте, то шанс на то, что разница в параметрах будет более 5 % ОЧЕНЬ малы. Лично нам больше нравяться транзисторы 2N5551 — 2N5401 фирмы ФАИРЧАЛЬД, однако и ST звучат вполне достойно. А вот транзисторы последнего каскада усилителя напряжения пожалуй имеет смысл подобрать. Точнее ВЫБРАТЬ

. Подобрать с одинаковым коф усиления получится, если ОЧЕНЬ сильно постараться, однако такого количества транзисторов у продавца может попросту не оказаться. Поэтому из того что есть ВЫБИРАЕМ транзисторы с максимальным коф усиления. Это заметно снижает THD.

КУПИТЬ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ ЛАНЗАР
2N5551 + 2N5401	2SA1930 + 2SC5171
BD139 + BD140	MJE15033 + MJE15032
2SB649A + 2SD669A	IRF640 + IRF9640
2SC4793 + 2SA1837	2SC5200 + 2SA1943

Однако это усилитель собирают и на отечественной элементной базе. Это вполне реально, однако давайте поправку на то, что у купленных КТ817 и найденных на полках у себя в мастерской, купленных еще в 90-х года параметры будут отличаться довольно сильно. Поэтому тут лучше все таки воспользаваться имеющимся почти во всех цифровых тестреах измерителем h21. Правда эта примочка в тестере показываетправду лишь для транзисторов малой мощности. Подбирать при ее помощи транзисторы оконечного каскада будет не совсм правильно, поскольку h21 зависит еще и от протекаемого тока. Именно поэому для отбраковки силовых транзисторов уже делают отдельные проверочные стенды. с регулируемых токо коллектора проверяемого транзистора (рис 15). Градуировка постоянного прибора для отбраковки транзисторов производиться таким образом, чтобы микроамперметр при токе коллектора 1 А отклонялся на половину шкалы, а при токе 2 А — полностью. Собирая усилитель только себе стенд можно и не делать, достаточно двух мультиметров с пределом измерения тока не менее 5 А. Для произведения отбраковки следует взять любой транзистор из отбраковываемой партии и переменным резистором выставить ток коллектора равным 0,4…0,6 А для транзисторов предпоследнего каскада и 1…1,3 А для транзисторов оконечного каскада. Ну а далее все просто — к клемам подключаются транзисторы и по показаниям амперметра, включенного в коллектор выбираются транзисторы с одинаковыми показаниями, не забывая поглядывать на показания амперметра в базовой цепи — они тоже должны быть похожими. Разброс в 5 % вполне приемлем, для стрелочных индикаторов на шкале можно сделать метки «зеленого коридора» во время градуировки. Следует заметить, что подобные токи вызывают не плохой нагрев кристала транзистора, а учитывая то, что он без теплоотвода длительность замеров не следует растягивать во времени — кнопку SB1 удерживать в нажатом состоянии более чем 1…1,5 сек не следует. Подобная отбраковка прежде всего позвлит отобрать транзисторы с реально похожим коф усиления, а проверка мощных транзисторов цифровым мультиметром есть лишь проверка для успокоения совести — в режиме микротоков у мощных транзисторов коф усиления более 500 и даже небольшой разброс при проверке мультиметром в режимах реальных токов может оказаться огромным. Другими словами — проверяя коф усиления мощного транзистора показанаия мультиметра есть не что иное как абстрактная величина, не имеющая ни чего общего с коф усиления транзистора через переход коллектор-эмиттер протекат хотя бы 0,5 А.

Рисунок 15 Отбраковка мощных транзисторов по коф усиления.

Проходные конденсаторы С1-С3, С9-С11 имеют не совсем типовое включение, по сравнению с заводскими аналогами усилителей. Связанно это с тем, что при таком включении получается не полярный конденсатор довольно большой емкости, а использование плленочного конденсатора на 1 мкФ компенсирует не совсем корректную работу электролитов на высоких частотах. Другими словами эта реализация позволила получить более приятный звук усилителя, по сравнению с одним элетролитом или одним пленочным конденсатором. В старых версиях Ланзар вместо диодов VD3, VD4 использовались резисторы на 10 Ом. Смена элементной базы позволила немного улучшить работу на пиках сигнала. Для более подробного рассмотрения этого вопроса обратимся . В схеме смоделирован не идеальный источник питания, а более приблежонный к реальному, имеющему свое сопротивление (R30, R31). При воспроизведении синусоидального сигнала напряжение на шинах питания будет иметь вид, показанный на рисунке 16. В данном случае емкость конденсаторов фильтра питания составляет 4700 мкФ, что несколько маловато. Для нормальной работы усилителя емкость конденсаторов питания должна составлять не менее 10000 мкФ на один канал, можно и больше, но существенной разницы уже не заметно. Но вернемся к рисунку 16. Синией линией показано напряжение непосредственно на коллекторах транзисторов оконечного каскада, а красной линией — напряжение питания усилителя напряжения в случае использования резисторов вместо VD3, VD4. Как видно из рисунка напряжение питания оконечного каскада просело с 60 В и распологается между 58,3 В в паузе и 55,7 В на пике синусоидального сигнала. Благодарая тому, что конденсатор С14 не только заражается через развязывающий диод, но и разряжается на пиках сигнала напряжение питания усилителя напряжение приобретает вид красной линии на рисунке 16 и колебается от 56 В до 57,5 В, т.е имеет размах порядка 1,5 В.

Рисунок 16 форма напряжения при использовании развязывающих резисторов.

Рисунок 17 Форма напряжений питания на оконечных транзисторах и усилителе напряжения

Заменив резисторы на диоды VD3 и VD4 мы получаем напряжения, представленные на рисунке 17. Как видно из рисунка амплитуда пульсаций на коллекторах оконечных транзисторах почти не изменилась, а вот напряжение питания усилителя напряжения приобрело совсем другой вид. Прежде всего амплитуда уменьшилась с 1,5 В до 1 В, а так же в тот момент когда проходит пик сигнала напряжение питания УН проседает лишь до половины амплитуды, т.е. примерно на 0,5 В, в то время как при использовании резистора напряжение на пике сигнала проседает 1,2 В. Другими словами — простой заменой резисторов на диоды удалось уменьшить пульсации питания в усилителе напряжения в 2 с лишним раза. Однако это теоритические выкладки. На практике эта замена позволяет получить «халявных» 4-5 Ватт, поскольку клиппинг усилителя наступает при более высоком выходном напряжении и уменьшает искажения на пиках сигнала. После сборки усилителя и регулировки тока покоя следует убедиться в отсутствии постоянного напряжения на выходе усилителя мощности. Если оно выше 0,1 В, то это уже однозначно требует корректировки режимов работы усилителя. В данном случае наиболее простым способом является подбор «подпирающего» резистора R1. Для наглядности приведем несколько вариантов этого номинала и покажем иземения постоянного напряжения на выходе усилителя на рисунке 18.

Рисунок 18 Изменение постоянного напряжения на выходе усилителя в зависимости от номана R1

Не смотря на то, что на симмуляторе оптимальное постоянное напряжение получилось лишь при R1 равным 8,2 кОм в реальных усилителях этот номинал составляет 15 кОм…27 кОм, в зависимости какого производителя используются транзисторы дифкаскада VT1-VT4. Пожалуй стоит сказать несколько слов об отличиях усилителей мощности полностью на биполярных транзисторах и с использованием полевиков в предпоследнем каскаде. Прежде всего при использовании полевых транзисторов ОЧЕНЬ сильно разгружается выходной каскад усилителя напряжения, поскольку затворы полевых транзисторов практически не имеют активного сопротивления — только емкость затвора является нагрузкой. В этом варианте схемотехника усилителя начинает наступать на пятки усилителям класса А, поскольку во всем диапазоне выходных мощностей ток протекающий через выходной каскад усилителя напряжения почти не изменятеся. Увеличение тока покоя предпоследнего каскада, работающего на плавающую нагрузку R18 и базы эмиттерных повторителей мощных транзисторов тоже меняется в небольших пределах, что в итоге привело к довольно заметному снижению THD. Однако в этой бочке меда есть и ложка дегтя — снизился КПД усилителя и уменьшилась выходная мощность усилителя, за счет необходимости подавать на затворы полевиков напряжение более 4 В для их открытия (для биполярного транзистора этот параметр составляет 0,6…0,7 В). На рисунке 19 показан пик синусоидального сигнала усилителя, выполненого на биполярных транзистора (синяя линия) и полевиках (красная линия) при максимальной амплитуде выходного сиганала.

Рисунок 19 Изменение амплитуды выходного сигнала при использовании разной элементной базы в усилителе.

Другими словами снижение THD заменой полевых транзисторов приводит к «недополучению» примерно 30 Вт, а уменьшение уровня THD примерно в 2 раза, так что именно ставить уже решать каждому персонально. Так же следует помнить, что уровень THD зависит и от собственного коф усиления усилителя. В данном усилителе коф усиления зависит от номиналов резисторов R25 и R13

(при используемых номиналах коф усиления составляет почти 27 дБ). Расчитать коф усиления в дБ можно по формуле Ku =20 lg R25 / (R13 +1), где R13 и R25 — сопротивление в Омах, 20 — множитель, lg — десятичный логарифм. Если необходимо расчитать коф усиления в разах, то формула приобретает вид Ku = R25 / (R13 + 1). Этот расчет бывает необходим при изготовлении предварительного усилителя и вычисления амплитуды выходного сигнала в вольтах, чтобы исключить работу усилителя мощности в режиме жесткого клиппинга. Снижение собственного коф. усиления до 21 дБ (R13 = 910 Ом) приводит к снижению уровня THD примерно в 1,7 раза при той же амплитуде выходного сигнала (увеличена амплитуда входного напряжения).

Ну а теперь несколько слов о самых популярных ошибках при сборке усилителя ЛАНЗАР самостоятельно. Одной из самых популярных ошибок является монтаж стабилитронов на 15 В не правильной полярностью, т.е. эти элементы работают не в режиме стабилизации напряжения, а как обычные диоды. Как правило такая ошибка вызывает появление на выходе постоянного напряжения, причем полярность может быть как положительной, так и отрицательной (чаще отрицательной). Величина напряжения базируется между 15 и 30 В. При этом ни один элемент не греется. На рисунке 20 показана карта напряжений при не правильном монтаже стабилитронов, которую выдал симмулятор. Ошибочный элементы выделены зеленым цветом.

Рисунок 20 Карта напряжений усилителя мощности с неправильно запаянными стабилитронами.

Следующей популярной ошибкой является монтаж транзисторов «вверх ногами», т.е. когда путают коллектор и эмиттер местами. В этом случае так же наблюдается постоянное напряжение, отсутствие каких либо признаков жизни. Правда обратное включение транзисторов дифкаскада может привести к выходу их из строя, ну а дальше как повезет. Карта напряжений при «перевернутом» включении показан на рисунке 21.

Рисунок 21 Карта напряжений при «перевернутом» включении транзисторов дифкаскада.

Довольно часто транзисторы 2N5551 и 2N5401 путают местами, причем могут попутать так же и эмиттер с коллектором. На рисунке 22 показана карта напряжений усилителя при «правильном» монтаже попутанных местами транзисторов, а на рисунке 23 — транзисторы не только поменяны местами, но и перевернуты.

Рисунок 22 Транзисторы дифкаскада попутаны местами.

Рисунок 23 Транзисторы дифкаскада попутаны местами, кроме этого попутаны местами коллектор и эмиттер.

Если попутаны местами транзисторы, а эмиттер-коллектор запаяны правильно, то на выходе усилителя наблюдается небольшое постоянное напряжение, регулируется ток покоя окнечных транзисторов, но звук либо отсутствует полностью, либо на уровне «кажется он играет». Перед монтажом на плату запаянных таким образом тразисторов их следует проверить на работоспособность. Если транзисторы поменяны местами, да еще и поменяны местами эмиттер-коллектор, то тут ситуация уже довольно критическая, поскольку в этом варианте для транзисторов дифкаскада полярность приложенного напряжения является правильной, а вот рабочие режимы нарушены. В этом варианте наблюдается сильный нагрев оконечных транзисторов (протекающий через них ток равен 2-4 А), небольшое постоянное напряжение на выходе и едва слышный звук. Попутать цоколевку транзисторов последнего каскада усилителя напряжения довольно проблематично, при использовании транзисторов в корпусе ТО-220, а вот транзисторы в корпусе ТО-126 довольно часто впаивают «вверх ногами», меняя местами коллектор и эмиттер. В этом варианте наблюдается сильно искаженный выходной сигнал, плохая регулировка тока покоя, отсутствие нагрева транзисторов последнего каскада усилителя напряжения. Более подробная карта напряжения для этого варианта монтажа усилителя мощности показана на рисунке 24.

Рисунок 24 Транзисторы последнего каскада усилителя напряжения запаяны «вверх ногами».

Иногда путают местами транзисторы последнего каскада усилителя напряжения. В этом случае наблюдается небольшое постоянное напряжение на выходе усилителя, звук если и есть, то очень слабый и с огромными искажениями, ток покоя регулируется только в сторону увеличения. Карта напряжений усилителя с такой ошибкой показана на рисунке 25.

Рисунок 25 Ошибочный монтаж транзисторов последнего каскада усилителя напряжения.

Предпоследний каскад и оконечные транзисторы в усилителе местами путают слишком редко, поэтому этот вариант расматриваться не будет. Иногда усилитель выходит из строя, самые частые причины для этого перегрев оконечных тразисторов или перегрузка. Недостаточная площадь теплоотвода или плохой тепловой контакт фланцев транзисторов может привести к нагреву кристалла оконечных транзисторов до температуры механического разрушения. Поэтому до полного ввода усилителя мощности в эксплуатацию необходимо убедиться в том, что винты или саморезы, крепящие оконечники к радиатору затануты полностью, изолирующиепрокладки между фланцами транзисторов и теплоотводом имеет хорошую смазку термопастой (рекомендуем старую, добрую КПТ-8), а так же размер прокладок больше размера транзистора минимум на 3 мм с каждой стороны. Если недостаточна площадь теплоотвода, а другого попросту нет, то можно воспользоваться вентиляторами на 12 В, которые используются в компьютерной технике. Если собранный усилитель планируется для работы только на мощностях выше средней (кафе, бары и т.д.) то куллер можно влючить на непрерывную работу, поскольку его все равно не будет слышно. Если же усилитель собран для домашенго использования и будет эксплуатироваться и на малых мощностях, то работу куллера уже будет слышно, а необходимость в охлаждении отпадает — радиатор почти не греется. Для таких режимо работы лучше испозовать управляемык куллеры. Решить проблему выхода из строя окнечных транзисторов можно либо установкой дополнительной защиты от перегрузки, либо аккуратным монтажом проводов идущих на акустическую систему (например использовать для подключения АС к усилителю автомобильных безкислородных проводов, которые кроме уменьшеного активного сопротивления имеют повышенную крепость изоляции, устойчивую к ударам и температуре). Для примера рассмотрим несколько варианов выхода из строя оконечных транзисторов. На рисунке 26 показана карта напряжений в случае выхода обратных оконечных транзисторов (2SC5200) на обрыв, т.е. переходы отгорели и имеют максимально возможное сопротивление. В этом случае усилитель сохраняет рабочие режимы, на выходе сохраняется напряжение близкое в нулю, но вот качество звука однозначно желает лучше, поскольку воспроизводится только одна полуволна синусоиды — отрицательная (рис 27). Тоже самое будет при обрыве прямых оконечных транзисторов (2SA1943), только воспроизводится будет положительная полуволна.

Рисунок 26 Обратные оконечные транзисторы выгорели до обрыва.

Рисунок 27 Сигнал на выходе усилителя в случае, когда транзисторы 2SC5200 отгорели полностью

На рисунке 27 — карта напряжений в ситуации, когда оконечники вышли из строя и имеют максимально низкое сопротивление, т.е. закорочены. Этот вариант неисправности загоняет усилитель в ОЧЕНЬ жесткие условия и дальнейшие горение усилителя ограничивает только источник питания, поскольку потребляемый в этот момент ток может превысить 40 А. Оставшиеся в живых детали мгновенно набирают температуру, в том плече, где транзисторы еще исправны напряжение немного больше, чем в том, где собственно произошло замыкание на шину питания. Однако именно эта ситуация относиться к наиболее легкой диагностике — достаотчно до включения усилителя проверит мультиметром сопротивление переходов между собой, даже не выпаивая их из усилителя. Предел измерения, установленного на мультиметре — ПРОВЕРКА ДИОДОВ или ЗВУКОВАЯ ПРОЗВОНКА. Как правило выгоревшие транзисторы показывают сопротивление между переходами в диапазоне от 3 до 10 Ом.

Рисунок 27 Карта напряжений усилителя мощности в случае перегорания оконечных транзисторов(2SC5200) на короткое замыкание

Усилитель поведет себя точно так же в случае пробоя предпоследнего каскада — при отгороани выводов будет воспроизводиться только одна полуволна синусоиды, при коротком замыкании переходов — огромное потребление и нагрев. При перегреве, когда считают, что радиатор на транзисторы последнего каскада усилителя напряжения не нужен (транзисторы VT5, VT6) они могут так же выйти из строя, причем как уйти на обрыв, так и на короткое замыкание. В случае отгорания переходов VT5 и бесконечно большого сопротивления переходов возникает ситуация, когда поддерживать ноль на выходе усилителя не чем, а приоткрытые оконечные транзисторы 2SA1943 потянут напряжение на выходе усилителя к минусу напряжения питания. Если нагрузка подключена, то величина постоянного напряжения будет зависеть от установленного тока покоя — чем он выше, тем будет больше величина отрицательного напряжения на выходе усилителя. Если нагрузка не подключена, то на выходе будет напряжение очень близкое по величине к минусовой шине питания (рис 28).

Рисунок 28 Транзистор усилителя напряжения VT5 «оборвался».

Если же транзистор в последнем каскаде усилителя напряжения VT5 вышел из строя и его переходы замкнулись, то при подключенной нагрузке на выходе будет довольно большое постоянное напряжение и ппротекающий через нагрузку постоянный ток, порядка 2-4 А. Если же нагрузка отключена, то напряжение на выходе усилителя будет почти равно положительной шине питания (рис. 29).

Рисунок 29 Транзистор усилителя напряжения VT5 «замкнулся».

На последок осталось только предложить несколько осцилограмм в наиболее координальных точках усилителя:

Напряжение на базах транзисторов дифкаскада при входном напряжении 2,2 В. Синия линия — базы VT1-VT2, красная линия — базы VT3-VT4. Как видно из рисунка и амплитудат и фаза сигнала практически совпадают.

Напряжение в точке соединения резисторов R8 и R11 (синяя линия) и в точке соединения резисторов R9 и R12 (красная линия). Входное напряжение 2,2 В.

Напряжение на коллекторах VT1 (красная линия), VT2 (зеленая), а так же на верхенм выводе R7 (синяя) и нижнем выводе R10 (сиреневая). ПРовал напряжения вызван рабтой на нагрузку и небольшим уменьшением питающего напряжения.

Напряжение на коллекторах VT5 (синим) и VT6 (красным. Входное напряжение уменьшено до 0,2 В, чтобы было наглядней видно, по по постоянному напряжению имеется разница примерно в 2,5 В

Осталось лишь пояснить на счет блока питания. Прежде всего мощность сетевого трансформатора для усилителя мощности в 300 Вт должна быть не менее 220-250 Вт и этого будет достаточно для воспроизведения даже очень жестких композиций. Более подробно о мощности блока питания для усилителей мощности можно ПОСМОТРЕТЬ ЗДЕСЬ. Другими словами, если у вас есть трансформатор от лампового цветного телевизора, то это ИДЕАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР для одного канала усилителя позволяющего без проблем воспроизводить музыкальные композиции мощностью до 300-320 Вт. Емкость конденсаторов фильтра блока питания должна быть не менее 10 000 мкФ на плечо, оптимально 15 000 мкФ. При использовании емкостей выше указанного номинала Вы попросту увеличиваете стоимость конструкции без какого либо заметного улучшения качества звука. Не следует забывать, что при использовании таких больших емкостей и напряжении питания выше 50 В на плечо мгновенные токи уже критически огромны, поэтому настоятельно рекомендуется использовать ситемы софт-старта. Прежде всего настоятельно рекомендутеся перед сборкой какого либо усилителя скачать на ВСЕ полупроводниковые элементы описания заводов производителей (даташиты). Это даст возможность ознакомиться с элементной базой поближе и в случае отсутствия в продаже какого либо элемента найти ему замену. Кроме этого у вас будет под рукой правильная цоколевка транзисторов, что значительно увеличит шансы на правильный монтаж. Особо ленивым предлагается ОЧЕНЬ внимаетльно ознакомиться хотя бы с расположением выводов транзисторов, используемых в усилителе:

усилитель мощности принципиальная схема усилителя мощности Ланзар описание работы рекомендации по сборке и регулировки
2N5551 — 2N5401	КОРПУС ТО-126
Э Б К	Э К Б KSE340-KSE350 Э К Б 2SB649-2SD669 Э К Б BD135; BD137
КОРПУС ТО-3 (2-21F1A)
Б К Э 2SA1837-2SC4793 Б К Э 2SA1930-2SC5171 З И С IRF640 — IRF9640	Б К Э 2SA1943-2SC5200 Б К Э 2SA1987-2SC5359

Ну вот собственно и весь усилитель. Хотя нет… Не весь… Для желающих разобраться в схемотехнике данного усилителя есть подробнейшие описание на эту тему. Тем же кому не нравятся предложенные печатные платы можно собрать данный усилитель в двух этажном варианте и тогда ЛАНЗАР будет выглядеть так:

Данный вариант печатной платы () отличается от базового наличием буферного усилителя на ОУ и защиты от перегрузки. На последок осталось добавить, что далеко не всем требуется мощность 200-300 Вт, поэтому печатная плата была переработана под одну пару оконечных танзисторов. Данный файл выполнен одним из посетителей форума сайта «ПАЯЛЬНИК» в программе СПРИНТ-ЛАЙОУТ-5 ().

Подробно о том, какой мощности нужен блок питания для усилителя мощности можно помотреть на видео ниже. Для примера взят усилитель STONECOLD, однако данный замер дает понимание тог, что мощность сетевого трансформатора может быть меньше мощности усилителя примерно на 30%.
Адрес администрации сайта

Замена транзисторов

Поскольку УНЧ (усилители низких частот) становятся всё популярнее, то совершенно не лишним будет узнать, что делать, если такой прибор выйдет из строя.

В случае, если греется выходной транзистор, то велика вероятность, что он сломался или перегорел. В такой ситуации необходимо:

• Удостовериться в целостности всех прочих диодов и транзисторов, входящих в усилитель;
• Когда будет производиться ремонт очень желательно подсоединять усилитель к сети через лампочку в 40-100 В, это поможет сберечь оставшиеся целыми транзисторы при любых обстоятельствах;
• В первую очередь перемыкается участок эмиттер-база и транзисторы, потом осуществляется первичная диагностика УНЧ (любые изменения и реакции легко регистрируются при помощи свечения лампы);
• Основным показателем рабочего состояния и адекватной настройки транзистора можно считать данные по напряжению для участка база-эмиттер.
• Выявлять данные по напряжению межу корпусом и отдельными участками схемы — занятие практически бесполезное, никаких сведений о возможной поломке оно не даёт.

Даже наиболее упрощённый вариант проверки (до и после того как замена выходных транзисторов была произведена) обязательно должен включать в себя несколько пунктов:

• К базе и эмиттеру выходного транзистора подать минимальное напряжение, чтобы установился ток покоя;
• Проверить результативность своих действий по звуку или при помощи осциллографа («ступенька» и искажения сигнала при мощностном минимуме должны отсутствовать);
• При помощи осциллографа выявить симметрию по ограничениям на резисторы при максимальной мощности работы усилителя.
• Удостовериться, что «паспортная» и действительная мощности усилителя совпадают.
• Обязательно требуется проверить рабочее состояние токоограничительных цепей, при наличии таковых на оконечном каскаде. Здесь не обойтись без регулируемого нагрузочного резистора.

Первое включение после того как ремонтные работы были произведены:

1. Нежелательно сразу же устанавливать выходные транзисторы, для начала прибор задействуется только с предварительным каскадом (каскадами), и лишь после этого подсоединять оконечный. В ситуациях, когда осуществить включение без выходного транзистора технически невозможно, следует заменить резисторы на имеющие номинальное значение в 5-10 Ом. Это исключит вероятность перегорания транзистора.
2. Перед тем как осуществлять каждое повторное включение усилителя потребуется разрядка электролитических конденсаторов питания УНЧ.
3. Проконтролировать данные по току покоя в условиях низкой и высокой температуры радиатора. Разница при соотношении должна быть не более двух раз. В противном случае придётся заняться термостабилизатором УНЧ.

Конструкция.

Измеритель можно вмонтировать внутрь усилителя или использовать как внешнее устройство, подключая его при необходимости к точкам А и В схемы.

Двухканальный вариант был выполнен на макетной плате размерами примерно 5×6 см. Для питания необходим источник на 5 В. Во избежание повреждения ИС, необходимо подать питание после включения усилителя. Во время нормальной работы усилителя, светодиоды будут мигать в такт сигнала. SW1 позволяет их отключать, чтобы предотвратить проникновение взаимных шумов в аудиоцепи. Светодиоды устанавливают рядом с соответствующими регулирующими потенциометрами.

Настройка схемы заключается в установке резистором R15 напряжения, соответствующего току покоя ламп. Например, для тока покоя 60-мА на движке резистора должно быть 600мВ. Резистором R17 устанавливается диапазон отклонения тока покоя. Например, «окну» ± 4 мА соответствует напряжение 40 мВ на движке резистора R17.

После регулировок опорных напряжений они останутся стабильными и в ходе эксплуатации их не придётся проверять или корректировать. Только вовремя менять лампы

Источник

Основными
элементами схемы (рис.
1.2) являются
источник питания Е_к,
управляемый элемент – транзистор
VT и резистор R_k
в цепи коллектора.

Рис. 1.2. Схема
усилительного каскада с ОЭ

Эти элементы
образуют главную цепь усилительного
каскада, в которой за счет протекания
коллекторного тока, управляемого по
цепи базы, создастся усиленное переменное
напряжение на выходе схемы.

Резисторы R1,
R2 используются как
делитель напряжения и служат для задания
режима покоя каскада. Резистор R1
предназначен для создания цепи протекания
тока базы покоя I_0б,
который определяет величину тока
покоя коллектора

I_0к
= β·I_0б
+ I*_к0,

где β – коэффициент
усиления по току;

I*_к0
– тепловой ток.

При
нормальной комнатной температуре
тепловой ток можно не учиты-вать в
виду его малости.

При отсутствии R2
схема называется схемой с фиксированным
током базы.
В этом случае режим покоя будет обеспечен
базовым током, обусловленным только
резистором R1. Такая
схема очень чувствительна к колебаниям
температуры. Поэтому ее целесообразно
применять только для устройств, работающих
в узком пределе их изменения. Значительно
большее распространение
получила схема с фиксированным
потенциалом базы,
который и
обеспечивается с помощью делителя R1
– R2.

Резистор R_э
осуществляет отрицательную обратную
связь по току
и предназначен для
стабилизации режима покоя при изменении
температуры.
Конденсатор С_э
шунтирует резистор R_э
по переменному току, исключая проявление
отрицательной обратной связи по
переменному току и соответствующее
уменьшение коэффициентов усиления
каскада.

Стабилизирующее
действие сопротивления R_э.
на ток I_0к
можно пояснить следующим образом.
Допустим, под влиянием температуры
увеличился ток I_0к.
В такой же степени увеличится и ток
эмиттера I_0э
= I_0к
+ I_0б
и напряжение на сопротивлении R_э,
U_Rэ
= I_э·R_э.
Напряжение U_R2
можно считать
постоянным, так как при
проектировании каскада выбирается ток
делителя I_д
на порядок больше тока базы покоя
транзистора I_д
= 10 ·I_0б. Поэтому

напряжение покоя эмиттер-база
транзистора уменьшается U_0эб
= U_R2
– U_RЭ.

В соответствии с входной характеристикой
транзистора уменьшается и ток базы I_0б,
вызывая уменьшение тока покоя коллектора
I_0к, чем создается
препятствие увеличению тока коллектора
I_0к.

1.3. Расчет маломощного усилительного каскада с оэ

Расчет
усилительного каскада состоит из двух
этапов. На первом этапе основной
задачей является обеспечение стабилизации
точки покоя и построение линии
нагрузки по постоянному току. Второй
этап имеет своей целью выбор конденсаторов
и построение нагрузочной прямой по
переменному току, расчету входного и
выходного сопротивлений каскада,
коэффициентов усиления по току, напряжению
и мощности.

Расчет каскада по
постоянному току проводят графоаналитическим
методом, основанным на использовании
входных и выходных характеристик
транзистора (рис. 1.3).

Рис. 1.3. К графическому
анализу режимов работы каскада с ОЭ

Исходными данными
для расчета являются: напряжение
источника питания Е_к, параметры
точки покоя I_0к,
U_0кэ (точка П на
рис. 1.3,б), сопротивление нагрузки R_н,
тип транзистора (p-n-p
или n-p-n)
и нижнюю граничную частоту усиливаемого
сигнала f.

При выполнении
расчетов используют некоторые допущения,
используемые в практике применения
каскадов ОЭ. Считается, что для хорошей
температурной
стабилизации точки покоя следует
выбирать падение напряжения на
эмиттерном сопротивлении U_Rэ
= (0.1 ÷ 0,3) Е_к.

Вариант
и исходные данные для расчета выбираются
из табл. 1 по порядковому номеру
Ф.И.О. студента в журнале.

Методические
указания к выполнению расчетов. В
результате расчета маломощного
усилительного каскада с RС–связью
необходимо:

1. определить
   номинальные параметры всех элементов
   схемы (R₁, R₂,
   R_К , R_Э,
   С₁, С₂, С_э );

2. рассчитать
   коэффициент нестабильности усилительного
   каскада;

3. определить
   коэффициенты усиления по току, напряжению
   и мощности;

4. на
   выходных характеристиках транзистора
   построить линии нагрузки по
   постоянному и переменному токам.

При
выполнении расчетов студент может
пользоваться одной из известных методик,
изложенных в рекомендованной литературе
или других доступных источниках [1], [2].
Нами рекомендуется следующая
последовательность расчета.

А. Выбирается
тип транзистора в соответствии с
вариантом
(табл. 1)

Тип транзистора
выбирают с учетом частотного диапазона
работы каскада (по частоте f_a
или f_б), а также
параметров по току, напряжению
и
мощности. Максимально допустимый ток
коллектора транзистора I_к.доп
должен быть больше
максимального мгновенного значения
тока коллектора в каскаде, т. е.

I
_k
max
= I_0k
+ I_k
m
< k_н
I_к
доп.

По напряжению
транзистор выбирают из соотношения

U_кэ
доп ≥ k_н Е
= (1.2 ÷ 1.5)Е.

Здесь k_н
– коэффициент нагрузки транзистора,
представляющий собой отношение
фактического нагрузочного параметра
к его номинальному значению. Коэффициент
k_н вводится для
повышения надежности транзистора и в
зависит от условий эксплуатации
усилительного каскада может изменяться
в широких пределах от 1,1 до 2,5. Нагрузочными
параметрами для транзистора являются
ток, напряжение и мощность.

Мощность
Р_к
= U_0кI_0к,
рассеиваемая на коллекторном переходе,
должна быть меньше на (20–40) %
максимально допустимой мощности Р_к.доп
транзистора.

Б. Рассчитываются
значения сопротивлений резисторов

Сопротивление
резистора выбирается таким, чтобы
падение напряжения на нем было в
пределах (0,1÷0,3) Е_к. Принимая
U_Rэ
= 0,2 Е_к (см. рис. 1,2), получим

где E_К
– напряжение источника питания;

I_0к
– ток покоя коллектора, определяющий
режим работы транзистора по постоянному
току;

I_0б
– ток покоя базы. Определяется из
семейства выходных характеристик по
заданному току покоя коллектора I_0К
на основе метода графической
экстраполяции.

Коллекторное
сопротивление равно

где U_0кэ
– напряжение между коллектором и
эмиттером в режиме покоя
по постоянному
току.

В.
Проводится линия нагрузки по
постоянному току на выходных
характеристиках транзистора рис. 1.3,б,
представляющих собой геометрическое
место точек, координаты которых I_к
и U_kэ
соответствуют возможным значениям
точки покоя каскада. Для построения
линии нагрузки
по постоянному току
достаточно двух точек, так как она
представляет
собой прямую линию
(линейное сопротивление R
связывает между собой ток и напряжение
каскада).

На оси абсцисс
находится первая точка, исходя из режима
“холостого хода”, т. е., при I_к
= 0. Тогда напряжение между коллектором
и эмиттером транзистора U_кэ
будет равно напряжению источника питания
Е_к, так как падение напряжения
на R_к принимается
равным нулю. Вторая точка определяется
из режима короткого замыкания U_кэ
= 0. При этом ток коллектора транзистора
должен быть равен I_к
= E_k/(R_k
+
R_э).
Отложив это значение
тока на оси
ординат, получим вторую точку.

Линия,
соединяющая первую и вторую точки,
является линией
нагрузки по постоянному току.
Аналитическое уравнение линии нагрузки
по постоянному току имеет вид

U_кэ
= E_к
− I_к
(R_к
+ R_э).

На этой линии
находится точка покоя П (рис. 1.3, б),
которой соответствует точка покоя П на
входной характеристике (рис. 1.3,а).

Величина тока
покоя базы I_0б,
соответствующего этой точке находится
из очевидного соотношения I_об
= I_0к/β.
Для выбранного транзистора ток
покоя
базы I_0б находится
по выходной характеристике транзистора.

Г.
Выбирается сквозной
ток делителя напряжения.
Для обеспечения необходимой
стабильности работы усилительного
каскада задаются достаточно большим
значением сквозного тока через
сопротивления делителя R₁,
R₂ – на
порядок превышающим значение тока покоя
базы:

I_д

10
I_0б
,

где I_д
– сквозной ток делителя
напряжения.

Величина резистора
R₂ определяется
из соотношения

где U_0эб
– напряжение между
эмиттером и базой транзистора в режиме
покоя, определяется по входной
характеристике для известного значения
I_0б.

По
резистору R₁
кроме тока I_д
протекает
ток базы транзистора, поэтому

Д. Строится
линия нагрузки каскада по переменному
току. Для определения переменных
составляющих выходного напряжения
каскада
и
коллекторного тока используют линию
нагрузки каскада по переменному току.
При этом следует учесть, что сопротивление
R_э зашунтировано
конденсатором С_э, сопротивление
которого переменному току практически
равно нулю, так же как и сопротивление
конденсатора С₂, соединяющее
нагрузку R_н
с коллектором. Если к тому же учесть,
что сопротивление
источника
питания Е_к
переменному
току также близко к нулю, то окажется,
что сопротивление каскада по
переменному току определяется
сопротивлениями R_к
и R_н,
включенными параллельно

т. е.
меньше, чем сопротивление каскада
постоянному току, равному R
= R_к
+ R_э.

Линия нагрузки
по переменному току обязательно должна
пройти через точку покоя. Это можно
объяснить так: если постепенно уменьшать
амплитуду переменного входного сигнала,
то в конце концов мы окажемся в точке
покоя П (рис. 1.3, б). Вторую точку линии
нагрузки по переменному току можно
найти, задав приращение тока коллектора
∆I_к и определив
соответствующее ему приращение напряжения
коллектор-эмиттер.

Для
того, чтобы эта точка находилась на оси
абсцисс, принимаем ∆I_к
= I_0к.

Следовательно,
вторая точка будет находиться на оси
абсцисс на расстоянии ΔU_кэ
вправо от точки покоя U_0кэ.

Линия, проведенная
через эти две точки, и будет являться
линией
нагрузки каскада по переменному
току.

При поступлении
на вход каскада переменного напряжения
u_вх
(см. рис.
1.3,а) в базовой цепи транзистора создается
переменная составляющая
тока базы i_б,
связанная с напряжением и_вх
входной
характеристикой. Так как ток
коллектора связан с током базы
пропорциональной зависимостью i_к
= βi_б, то в
коллекторной цепи транзистора создаются
переменная составляющая
тока коллектора i_к
(рис. 3.1, б) и переменное выходное напряжение
u_вых, связанное
с током i_к линией
нагрузки по переменному току.
Линия
нагрузки по переменному току показывает
как перемещается рабочая точка (i_к,
u_к) при
изменении мгновенных значений переменного
коллекторного тока.

Е.
Рассчитываются коэффициенты
усиления, входные и выходные сопротивления
каскада. Важными показателями
каскада являются его
коэффициенты
усиления по току К_I,
напряжению К_U,
мощности К_P,
а также входное R_вх
и выходное R_вых
сопротивления. Эти показатели
определяются путем расчета усилительного
каскада по переменному току. С этой

целью составляется схема замещения
усилительного каскада по переменному
току. На рис. 1.4. представлена схема
замещения каскада, в которой транзистор
представлен его схемой замещения в
h-параметрах. На схеме
замещения обозначены: Е_г и R_г
– напряжение и внутреннее сопротивление
источника сигнала переменного тока.

Рис.
1.4 – Схема замещения усилительного
каскада с ОЭ в h-параметрах

Расчет каскада
производится в области средних частот,
в которой
зависимость параметров от
частоты не учитывается, а сопротивления
конденсаторов в схеме рис. 1.3 равны нулю
и в схеме рис. 1.4 не показаны.
По
переменному току сопротивление источника
питания равно нулю,
поэтому верхние
концы резисторов R₁
и R₂ на схеме
замещения связаны
с выводом эмиттера.
Входной сигнал считается синусоидальным.
Токи
и напряжения в схеме оцениваются
их действующими значениями.

Входное
сопротивление каскада R_bx
равно
сопротивлению параллельно соединенных
резисторов R₁
R₂ и сопротивления
r_вx
= h₁₁ входной цепи
(r_эб) транзистора.

R_вx
= R₁||
R₂
||
r_вх.

Входное
сопротивление транзистора r_вх
определяется
по входной характеристике транзистора
рис. 1.5 как дифференциальное сопротивление
r_эб
транзистора
в точке покоя П при токе базы равном
I_0б.
Собственное
входное сопротивление транзистора
в рабочей точке покоя определяется по
входной характеристике как отношение
приращения U_ЭБ
к приращению тока базы I_б.
Способ определения
сопротивления показан на рис. 1.5.

Рис.
1.5. Пример определения
входного
сопротивления транзистора,
включенного
по схеме с ОЭ

Выходное
сопротивление каскада определяют
относительно его выходных зажимов

R_вых
= R_к
|| r_кэ,

где выходное
(коллекторное) сопротивление транзистора
r_кэ = 1/h₂₂
>> R_к, поэтому
можно считать, что R_вых
= R_к.

Коэффициент
усиления каскада по току равен
отношению тока наг-рузки к входному
току К_I
= I_н
/I_вх.
Выразим ток I_н
через I_вх.
Для этого
вначале определим ток базы транзистора
I_б через I_вх

I_б
= I_вхR_вх/r_вх.

Ток
нагрузки I_н
связан с током
коллектора транзистора I_к
соотношением

С учетом связи
между токами базы и коллектора транзистора
I_к = βI_б,
находим ток, протекающий через нагрузку

Окончательно
находим коэффициент усиления каскада
по току

Из формулы видно,
что K_I
пропорционален коэффициенту усиления
транзистора β и зависит от шунтирующего
действия входного делителя R₁,
R₂ и соотношения
R_к и R_н.

Коэффициент
усиления каскада по напряжению К_u
= U_вых/U_вх
можно найти, выразив входные и выходные
напряжения через входные и выходные
токи и входные и выходные сопротивления

И.
Рассчитывается
значение коэффициента нестабильности
каскада.

где S
– коэффициент нестабильности
каскада;

– эквивалентное
сопротивление базы транзистора, равное
параллельному соединению сопротивлений
входного делителя;

β₀ –
коэффициент усиления транзистора по
постоянному току в точке покоя,
определяемый как отношение тока покоя
коллектора I_0К
к току
покоя базы I_0б
: β₀ = I_0к
 I_0б
.

Обычно считают,
что если S
 [3

5], нестабильность усилительного
каскада по постоянному току
удовлетворительная.

Очевидно, что для
уменьшения S нужно
увеличивать принимаемый ток делителя
и наоборот. Кроме того, указанную величину
в определенных пределах можно изменять
и за счет величины сопротивления в цепи
эмиттера. Однако при этом следует
стремиться к тому, чтобы R_Э
 R.

К.
Определяются емкости С1,
С2, СЗ усилительного каскада.
Величины емкостей конденсаторов
С₁ и С₂ выбирают с
таким расчетом, чтобы их
реактивная емкость не вносила затухания
в полезный сигнал, проходящий через
них соответственно от источника сигнала
на вход каскада и с выхода каскада к
нагрузке.

Следовательно
основой для выбора номинальных значений
входной емкости С1, выходной
С2
и емкости Сэ, шунтирующей сопротивление

в цепи эмиттера, являются неравенства

x_Свх
<<
R_вх
; x_Свых
<<
R_Н
; x_Сэ
<<
R_Э.

на заданной частоте
усиливаемого сигнала переменного тока
f. Можно принять, что
емкостные сопротивления на частоте
f составляют
10 %
от соответствующих активных
сопротивлений.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #

  21.03.201583.46 Кб569.doc

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной — электронной (n) и дырочной (p) — проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых — либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель.

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой. Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R_б1 и R_б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R_к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R_э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R₂ делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R₁ делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R₂ делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I_б – U_бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I_к – U_кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I_R – U_R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R_к, который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С. Средняя точка – В, является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С, транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А. При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R_к, наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С, до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R_к., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

---

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h₂₁. Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (R_к) и эмиттерное (R_э) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R_вх=R_э*h₂₁, а выходное равно R_вых=R_к. Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R_э;

• Номиналы резисторов R_к и R_э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U_и.п.=12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P_max=150 мВт; I_max=150 мА; h₂₁>50.

Принимаем R_к=10*R_э

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U_бэ = 0,66 В

Решение:

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P_рас.max=0,8*P_max=0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I_к0=P_рас.max/U_кэ0=P_рас.max/(U_и.п./2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R_к+R_э)=(U_и.п./2)/I_к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R_к=10*R_э, находим значения резисторов :

R_к = 270 Ом; R_э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U_к0=(U_кэ0+ I_к0*R_э)=(U_и.п.— I_к0*R_к) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I_б=I_к/h₂₁=[U_и.п./(R_к+R_э)]/h₂₁ = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R_б1,R_б2. Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I_б, чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R_б1,R_б2: I_дел.=10*I_б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R_б1+R_б2=U_и.п./I_дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U_э=I_к0*R_э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I_к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U_б=U_э+U_бэ=0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R_б2= (R_б1+R_б2)*U_б/U_и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 ОмR_б1= (R_б1+R_б2)-R_б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор R_б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R_б1=1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t_н=R_вх*C_вх, где R_вх=R_э*h₂₁, C_вх — разделительная входная емкость каскада. C_вых транзисторного каскада, это C_вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f_н=1/t_н. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t_н=1/(R_вх*C_вх)<<f_н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк, где Cк — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

---

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R_б1. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R_б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.