В ходе данного эксперимента будет собран звуковой усилитель, который можно использовать для усиления выходного сигнала небольшого радиоприёмника, CD-плеера или другого источника звуковых сигналов. Для обработки стереофонического сигнала необходимо собрать два идентичных усилителя, — один для левого канала, а другой — для правого. Представленный усилитель также хорошо подходит для усиления «линейных" аудиосигналов высококачественных модульных компонентов. Он обеспечивает значительную звуковую мощность при воспроизведении через достаточно мощную акустическую систему, и может эксплуатироваться без радиаторов на транзисторах (хотя прежде чем от них отказаться вам следует поэкспериментировать, поскольку рассеиваемая мощность зависит от используемой акустической системы).

НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Четыре 6-вольтовых батарейки

Сдвоенный операционный усилитель, рекомендуемая модель TL082 (каталожный номер Radio Shack 276-1715)

Один мощный NPN-транзистор, тип корпуса TO-220 — (каталожный номер Radio Shack 276-2020 или эквивалентный)

Один мощный PNP-транзистор, тип корпуса TO-220 — (каталожный номер Radio Shack 276-2027 или эквивалентный)

Один переключающий диод 1N914 (каталожный номер Radio Shack 276-1620)

Один конденсатор, 47 мкФ, допустимое рабочее напряжение 35 В (каталожный номер Radio Shack 272-1015 или эквивалентный)

Два конденсатора, 0,22 мкФ, неполяризованные (каталожный номер Radio Shack 272-1070 или эквивалентные)

Один потенциометр 10 кОм с линейной функциональной характеристикой (каталожный номер Radio Shack 271-1715)

В представленной схеме необходимо использовать операционный усилитель с высокой скоростью нарастания выходного напряжения. По этой причине не следует использовать ОУ LM741 или LM1458.

Чем ближе соответствуют друг другу транзисторы по своим параметрам, тем лучше. Если возможно, попробуйте найти транзисторы TIP41 и TIP42 — мощные NPN и PNP транзисторы с максимальной рассеиваемой мощностью 65 Вт. Если вам не удастся найти NPN-транзистор TIP41, то его вполне можно заменить транзистором TIP3055. Не следует использовать слишком большие транзисторы (например, в корпусе TO-3), поскольку в этом случае операционный усилитель будет с трудом обеспечивать достаточный ток на базы транзисторов, необходимый для корректной работы звукового усилителя.

Цели эксперимента:

      Как собрать двухтактный усилитель класса B на дополняющих транзисторах.

      Искажение типа «ступенька» в схеме двухтактного усилителя.

      Использование отрицательной обратной связи для исправления нелинейности схемы.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

РИСУНОК

ИНСТРУКЦИИ

Назначение любого усилителя — воспроизведение кривой входного сигнала с наибольшей возможной точностью. Абсолютная точность здесь невозможна, и любые отличия между выходным и входным сигналами называются искажениями. В случае звукового усилителя искажения могут проявляться в виде неприятных на слух звуков. Существует множество конфигураций звуковых усилителей, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Данная схема представляет собой усилитель «класса B», или двухтактный усилитель.

Для большей части «мощных" усилителей характерна конфигурация класса B, в которой один транзистор пропускает в нагрузку ток в ходе одного полупериода, а второй — в ходе второго полупериода. В данной схеме ни один из транзисторов не остаётся включённым в ходе полного цикла, то есть для каждого из них имеется время для «отдыха» и остывания. Таким образом мы получаем энергоэффективный усилительный каскад, которому однако свойственны нелинейные искажения типа «ступенька», относящиеся к моментам перехода сигнала через нуль, которые очень заметны и неприятны на слух.

Ниже показана кривая, эквивалентная звуку постоянной высоты и постоянной громкости:

В двухтактном усилителе транзисторы усиливают поочерёдно отрицательную и положительную полуволны следующим образом:

Однако в момент «передачи управления» от одного транзистора к другому, вместо правильной синусоидальной формы сигнал на выходе усилителя может выглядеть следующим образом:

В данном случае искажение обусловлено тем, что между временем отключения одного транзистора и включением второго присутствует некоторая задержка. Данный тип искажений, когда форма кривой становится плоской в точке перехода через нуль называют искажением типа «ступенька». Для их устранения на каждый транзистор комплементарной пары обычно подают небольшое начальное смещение. Таким образом точки включения/выключения двух транзисторов накладываются друг на друга, и оба транзистора проводят в течение некоторого промежутка времени при переходе через нуль (на рисунке это показано отрезками сиреневого цвета).

Такой вариант усиления чаще называется классом AB, поскольку каждый из транзисторов «открыт" более 50% времени от общей длительно цикла. Недостатком подобного подхода является увеличение энергопотребления, поскольку в те моменты, когда работают оба транзистора некоторый ток не подаётся в нагрузку, а «закорачиватся» с одной линии питания на другую (с -V на +V). Помимо увеличения потребляемой энергии, на транзисторах рассеивается большая мощность. При увеличении температуры транзисторов изменяются их характеристики (падение напряжения в режиме прямого тока Vбэ, коэффициент β, сопротивления переходов), что затрудняет правильное смещение.

В данном эксперименте транзисторы работают в истинном классе В. То есть, они никогда не проводят в одно и то же время. Благодаря этому уменьшается энергопотребление и сокращается рассеиваемая мощность, однако схема не будет избавлена от искажений типа «ступенька». В нашей схеме для смягчения искажений типа «ступенька» используется операционный усилитель с отрицательной обратной связью для включения на некоторое время транзисторов в «мёртвой» зоне перехода через нуль.

Первый (крайний слева) операционный усилитель на схеме представляет собой простой буфер. Данный буфер помогает сократить загрузку входных RC-цепочек, которые необходимы для удаления из входного сигнала напряжения смещения, что позволит предотвратить усиление и подачу на динамики напряжения постоянного тока, который может их повредить. Без этого операционного усилителя, фильтрующая цепочка будет сокращать частотные характеристики в области нижних частот («басы"), и выделять верхние частоты.

Второй операционный усилитель работает как инвертирующий усилитель, коэффициент усиления которого контролируется потенциометром 10 кОм. Это необходимо для регулирования уровня громкости. Как правило, резисторы обратной связи инвертирующих операционных усилителей устанавливаются непосредственно между выходом усилителя и инвертирующим входом, как показано на рисунке:

Если бы мы подавали на базу конечный выходной сигнал транзисторной пары, то мы бы создавали значительные искажения типа «ступенька», поскольку при работе транзисторов присутствовала бы «мёртвая зона» при переходе напряжения базы от + 0,7 В до — 0,7 В:

Если вы уже собрали усилитель полностью, то вы можете упростить его схему до показанной выше и услышать разницу получаемого звука. Если же вы ещё не приступили к сборке схемы, то показанная выше схема может стать отправной точкой. Схема будет осуществлять усиление звука, однако звук будет просто ужасный!

Причина возникновения искажений заключается в том, что когда выходной сигнал операционного сигнала находится между + 0.7 В и — 0.7 В, ни один из транзисторов не будет проводить, и выходное напряжение, подаваемое на динамик будет равно 0 В для целого промежутка в 1,4 В напряжения базы. Таким образом, мы имеем некоторую «зону" входного сигнала, для которой в выходном сигнале не будет происходить никаких изменений. Именно в таких случаях применяются сложные методы смещения, необходимые для сокращения этого промежутка 1,4 В. Обычно применяется что-то вроде этого:

Падение на двух последовательно-включённых диодах будет составлять примерно 1,4 В, что эквивалентно суммарному падению напряжения Vбэ двух транзисторов, благодаря чему каждый транзистор будет готов включиться, когда входной сигнал составляет 0 В, что исключает существовавшую прежде «мёртвую" область 1,4 В.

К сожалению, такое решение не может считаться идеальным: по мере нагрева транзисторов, падение напряжения в режиме прямого тока Vбэ сократится с 0,7 В до приблизительно 0,5-0,6 В. Диоды не подвергаются такому сильному нагреву, поскольку не проводят сколько нибудь существенного тока, а, следовательно, здесь не будет наблюдаться такого изменения в падении напряжения. Таким образом, диоды будут продолжать обеспечивать то же напряжение смещения 1,4 В, в то время как транзисторам, в связи с нагревом, будет требоваться меньшее напряжение смещения. В результате схема начнёт работать в классе АВ, когда некоторое время оба транзистора находятся в проводящем состоянии. Конечно же, это приведёт к большей рассеиваемой мощности на транзисторах, что обострит ещё больше ситуацию с изменением падения напряжения.

Обычным решением этой проблемы является установка на выводы эмиттеров резисторов «обратной связи» для термокомпенсации.

Это решение не исключает одновременного включение двух транзисторов, а лишь снижает остроту проблемы и предотвращает ухода параметров из-за изменения температуры. Кроме того, это приводит к негативному эффекту появления сопротивления в цепи тока нагрузки, что ограничивает выходной ток усилителя.

В показанной схеме для обеспечения напряжения смещения 0,7 В для составных транзисторов используется один диод. Этого недостаточно для ликвидации «мёртвой» зоны сигнала, однако уменьшает её по меньшей мере на 50%.

Поскольку падение напряжения одного диода всегда меньше, чем суммарное падение напряжения двух переходов база-эмиттер, транзисторы никогда не будут включаться одновременно, тем самым будет предотвращаться работа усилительного каскада в классе АВ. Затем, для того чтобы избавиться от искажений типа «ступенька», сигнал обратной связи операционного усилителя берётся с выхода (эмиттеров составных транзисторов) следующим образом:

При наличии цепи обратной связи от эмиттеров транзисторов, операционный усилитель может чувствовать «мёртвую" зону, в которой не проводит ни один из транзисторов, и подавать затем необходимый сигнал напряжения на базы транзисторов, для того чтобы они вновь начали проводить. Для этого потребуется операционный усилитель с высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Более медленные операционные усилители, такие как LM741 или LM1458 могут не справиться с высокой скоростью изменения напряжения (параметр dv/dt), что необходимо для значительного сокращения искажений.

Для того чтобы привести схему к окончательному виду нужно добавить лишь пару конденсаторов. Конденсатор 47 мкФ, который ставится параллельно с диодом, помогает поддерживать напряжение смещения 0,7 В на постоянном уровне, несмотря на значительные колебания напряжения на выходе операционного усилителя. А конденсатор 0,22 мкФ, установленный между базой и эмиттером NPN-транзистора, помогает сократить искажения типа «ступенька» при малом уровне громкости.

Источник - Радиомастер