Улучшение параметров выходного двухтактного каскада
Во всех транзисторных каскадах вообще и в двухтактном каскаде в частности возникают нелинейные искажения, которые зависят от многих факторов, а в частности от таких как нелинейность характеристик транзисторов и неполной симметрией плеч каскада. Чтобы уменьшить величину нелинейных искажений необходимо более тщательно подбирать транзисторы по величине коэффициента усиления, а также параметры самого каскада: режимы работы и применение отрицательной обратной связи.
Выходной каскад работающий в классе усиления B имеет значительно большие нелинейные искажения, чем каскад работающий в классе AB. Поэтому абсолютное большинство выходных каскадов работают в классе AB. Для установления такого режима работы необходимо создать некоторое напряжение смещения на базах транзисторов VT1 и VT2, которое зависит от величины сопротивления резистора R2. При этом уменьшается величина параметров Pвых.max и КПД каскада, поэтому величина тока коллектора транзисторов VT1 и VT2 не должна превышать 0,1 iC max.
Для уменьшения зависимости параметров выходного каскада от изменения температуры довольно часто вместо резистора R2 включают диоды или терморезисторы. В этом случае ток покоя выходных транзисторов устанавливается экспериментально: в случае, когда необходимо увеличить ток покоя последовательно с диодом включают резистор, а в случае, когда необходимо уменьшить ток покоя резистор ставят последовательно с диодом.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Сборка УНЧ
Теперь сборка. На шасси пошла одна боковина от старого компьютерного корпуса, на днище – вторая. По задуманной конструкции, ламповые панели должны быть приподняты над шасси, поэтому в последнем были вырезаны прямоугольные отверстия, которые я закрыл платами из фольгированного стеклотекстолита со впаянными в них ламповыми панелями.
В первоисточнике было еще вот такое замечание.
Поэтому нужно было придумать задержку анодного напряжения. Ставить тумблер на анодное не захотел, поскольку не люблю резких переходных процессов в виде бросков анодных и сеточных токов. С учетом вышесказанного (и показанного), схема блока питания и софтстарта получилась вот такая.
Квазикомплементарный выходной каскад
Принципиальная схема квазикомплементарного выходного каскада
Квазикомплементарный выходной каскад , также известный как выход на тотемный полюс в области цифровых технологий , состоит из двух транзисторов одного типа. До 1970-х годов для этого использовались два PNP-транзистора, поскольку в конструкции NPN не было надежных германиевых силовых транзисторов. С появлением силовых транзисторов на основе кремния этот тип схемы также использовался для транзисторов NPN, пока не стали доступны дополнительные типы.
Квазикомплементарные схемы сегодня практически не используются для дискретных усилителей звука. Однако в интегральных схемах они по-прежнему играют роль. В частности, сетка TTL использует схему с тотемным полюсом и оптимизированный двухтактный выходной каскад с коротким временем переключения на выходе.
На рисунке справа показан пример схемы: Т2 и Т3 образуют выходной каскад, причем Т2 работает как коллекторная цепь, а Т3 как эмиттерная. Т1 выполняет роль водителя. Преимущество этой схемы состоит в том, что не требуется дополнительный тип NPN-PNP с идентичными электрическими параметрами. Однако технология CMOS теперь в значительной степени заменила TTL и работает исключительно с дополнительными транзисторами.
↑ Печатная плата
Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года. Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
— Спасибо за внимание! Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»
Купил китайскую плату усилителя в комплекте при слали транзисторы toshiba TTA1943 TTC5200 включил начал проверять два из 28 сгорело… посмотрел темы с похожими проблемами однозначного ответа нет. слышал что подобные транзисторы частенько поделывают. а можно ли подобрать аналогичные и где в каком магазине не нарваться на фуфло?
еще продавцы при покупке данной платы предлагают выбор между-toshiba TTA1943 TTC5200, toshiba 2SA1943 2sc5200 и NJW0281 NJW0302…
В подобном готовом усилителе видел такие — NJW21194/NJW21193, но опять же не факт что будет оригинал (( http://ru.aliexpress.com/item/SASION-PH-2030-450W-2-4ohm-Professional-Power-Amplifier-AMP-Disco-DJ-Stage-KTV-Amplifier-Best/32631918738.html?spm=2114.30010708.3.105.8D1Qpq&ws_ab_test=searchweb201556_8,searchweb201602_1_10034_10033_507_508_10020_10017_10005_10006_10021_10022_10009_10008_10018_10019,searchweb201603_2&bts >
20кГц)Суммарный коэффициент гармонических искажений: 200Перекрестные помехи между каналами: 1 кГц: -76 дБ / 20кГц: -58dBВходной импеданс: 20 кОм (симметричный) / 10 кОм (несимметричный)Чувствительность входа: 25 В / 4 Ω Номинальная мощностьslurcocks размер и плата усилителя размер: 143 * 78мм; 305 * 78мм
Двухтактный трансформаторный выходной каскад усилителя.
Особенность двухтактных выходных каскадов в том, что они имеют уже два транзистора и сравнительно большой к.п.д., который достигает
60 — 70%.
Как видно из рис.6а этот каскад имеет два входа относительно общего плюсового провода (все параметры в
дальнейшем будут показываться относительно этого провода), на которые подают противофазные переменные напряжения. Это означает, что
когда переменное напряжение на одной базе положительно, на другой базе будет отрицательное и, наоборот
Обратите внимание, что выходной. трансформатор имеет среднюю точку в первичной обмотке.
Противофазное напряжение вырабатывается фазоинверсным каскадом
Он содержит два выхода и находится перед двухтактным выходным
трансформатор имеет среднюю точку в первичной обмотке.
Противофазное напряжение вырабатывается фазоинверсным каскадом. Он содержит два выхода и находится перед двухтактным выходным
каскадом.
Разберемся, как работает двухтактный выходной каскад. На рис.6б показан момент, когда на первый вход действует положительное
положительное напряжение, а на второй — отрицательное. В этом случае нижний транзистор заперт, а верхний открыт, т.е ток протекает только
через верхнее плечо.
При перемене фазировки верхний транзистор закрыт, нижний — открыт (рис.6в). Получается, что одна полуволна переменного тока в трансформаторе
формируется одним транзистором, а другая полуволна — другим.
Следовательно, транзисторы потребляют энергию не одновременно, а по очереди, т.е. работают экономично.
К тому же, при отсутствии входных сигналов, коллекторные токи покоя (Iкп) обоих транзисторов относительно малы, и во время пауз потребление
каскада небольшое.
Теперь рассмотрим одну из наиболее распространенных схем фазоинверсного каскада (рис.7а). Особенность ее
состоит в том, что в коллекторную цепь транзистора включен фазоинверсный трансформатор у которого средний вывод вторичной обмотки
садится на общий провод. Трансформатор имеет два выхода на которых переменные напряжения всегда находятся в противофазе. Это видно на
рис.7б,в., где во время положительного полупериода генератора точка 1 — положительна,
а в точке 2 — отрицательна. При отрицательной полуволне все наоборот: 1 — отрицательна,
а 2 — положительна.
На рис.8 приведена конкретная схема двухтактного выходного каскада с выходной мощностью 0,1 Вт. Здесь
нагрузкой является громкоговоритель с катушкой на 4 Ом. Выходные транзисторы должны быть одного типа и с почти одинаковыми
коэффициентами усиления β. Резистор R1 подбирается таким, чтобы коллекторный ток покоя у транзистора V1 был 1 мА, а у V2, V3 — 2 мА, подбором резистора R2.
В этой схеме средний вывод вторичной обмотки фазоинверсного трансформатора не соединен с общим проводом на прямую, а через резистор
R3 = 100 Ом. Падение напряжения на нем небольшое (около 0.1 в), но оно надо для смещения обоих транзисторов, чтобы уменьшить нелинейные
искажения выходного каскада.
УМЗЧ с выходным каскадом на полевых транзисторах
Автор усилителя — А. Иванов. Схема была опубликована в статье с одноименным названием в каком-то из номеров журнала «Радио».
Усилитель чертовски прост и в то же время имеет очень и очень неплохие характеристики. Вот они:
Напряжение питания, В | +/-32 |
Номинальная (максимальная) выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт | 45(65) |
Коэффициент гармоник, % в диапазоне частот: | |
20…5000 | 0,003 |
5000…20000 | 0,01 |
Номинальное входное напряжение, мВ | 0,775 |
Номинальный диапазон частот, Гц | 20…100000 |
Неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот, дБ | 0,25 |
Отношение сигнал/шум, дБ | 100 |
Скорость нарастания выходного сигнала, В/мкс | 60 |
Схема усилителя:
Особо схему описывать не буду, скажу лишь, что термостабилизация выходного каскада осуществляется за счет транзистора VT3, который устанавливается на один радиатор с VT5. HL1 и HL2 индицируют перегрузку усилителя и одновременно снижают, возникающие при этом искажения сигнала.
Выходные транзисторы устанавливаются на радиаторы площадью 400 кв. см. Катушка L1 мотается на каркасе внешним диаметром 20мм и содержит 28 витков провода ПЭВ-2 1,0. Транзисторы КТ3108 можно заменить на КТ313А или КТ313Б.
Налаживание сводится к установке тока покоя выходных транзисторов в пределах 200…300мА подбором резисторов R7 и R10.
Источник питания для предварительного каскада усилителя можно собрать по следующей схеме:
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
Схема УМЗЧ. | ||||||
DD1 | Микросхема | КР544УД2А | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VT1 | Биполярный транзистор | КТ3102БМ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VT2, VT4 | Биполярный транзистор | КТ3108А | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VT3 | Биполярный транзистор | КТ3107К | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VT5, VT6 | Полевой транзистор | КП912Б | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VD1-VD5 | Диод | КД521А | 5 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
С1 | Конденсатор | 0.33 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
С2 | Конденсатор | 10 пФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
С3, С4 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R1 | Резистор | 100 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R2 | Резистор | 100 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R3 | Резистор | 300 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R4, R14, R15 | Резистор | 1 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R5 | Резистор | 4.3 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R6 | Резистор | 430 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R7 | Резистор | 1.6 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R8, R11 | Резистор | 51 Ом | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R9 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R10 | Резистор | 68 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R12 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R13 | Резистор | 10 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R16 | Резистор | 10 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
HL1, HL2 | Светодиод | АЛ307Б | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
L1 | Дроссель | 10 мкГн | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
F1, F2 | Предохранитель | 3 А | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
Источник питания предварительного каскада. | ||||||
VT1 | Биполярный транзистор | КТ815Б | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VT2 | Биполярный транзистор | КТ814Б | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
VD1-VD4 | Стабилитрон | Д814А | 4 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
С1, С2 | Электролитический конденсатор | 500 мкФ 50 В | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
С3, С4 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
R1, R2 | Резистор | 150 Ом | 2 | 0.5 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
R3, R4 | Резистор | 1 кОм | 2 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
Добавить все |
Конструкция и детали
Все детали УМЗЧ и блока питания размещены на одной плате. Исключение составляют транзисторы VT3, VТ4, VТ6, VТ8 УМЗЧ, установленные на общем теплоотводе с площадью рассеиваемой поверхности 1200 см2 и транзисторы VТ7, VТ8 БП, размещенные на отдельных теплоотводах с площадью рассеивающей поверхности 300 см2 каждый.
Катушки L1, L2 блока питания (рис. 3) и L1 усилителя мощности содержат 30…40 витков провода ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм, намотанного на корпусе резистора С5-5 или МЛТ-2. Резисторы R7, R12 блока питания представляют собой отрезок медного провода ПЭЛ, ПЭВ-1 или ПЭЛШО диаметром 0,33 мм и длиной 150 мм, намотанного на корпусе резистора МЛТ-1.
Трансформатор питания выполнен на тороидальном магнитопроводе из электротехнической стали Э320, толщиной 0,35 мм, ширина ленты 40 мм, внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, наружный — 130 мм. Сетевая обмотка содержит 700 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,47 мм, вторичная — 2×130 витков провода ПЭЛШО диаметром 1,2 мм.
Вместо ОУ К544УД2Б можно использовать К544УД2А, К140УД11 или К574УД1. Каждый из транзисторов КТ825Г можно заменить составными КТ814Г и КТ818А, а транзистор КТ827А — составными КТ815Г и КТ819Г (что очень нежелательно). Диоды VD3…VD6 УМЗЧ можно заменить любыми высокочастотными кремниевыми диодами, VD7, VD8 — любыми кремниевыми с максимальным прямым током не менее 100 мА.
Вместо стабилитронов КС515А можно использовать соединенные последовательно стабилитроны Д814А (Б, В, Г, Д) и КС512А.
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.
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.
↑ Возможная модернизация
1. Транзисторы типа КТ814, вставленные в панельки «смотрят» надписями от пользователя. Для устранения надо зеркально поменять справа налево рисунок печатной платы.
2. Если пробит переход К-Б, на стабилитрон TL431 поступит напряжение без ограничительного резистора. Поэтому сомнительные транзисторы надо предварительно проверять на замыкание омметром тестера. Для защиты TL431 можно вместо резистора 100 кОм (он предотвращает режим с оторванной базой, я поставил его для перестраховки) поставить резистор 100 Ом и включить его последовательно с миллиамперметром.
3. При длительной подаче повышенного напряжения питания, мощность на балластном резисторе TL431 превышает номинальную. Резистор надо умудриться сжечь, но если есть такие таланты, можно поставить его мощностью 0,5 Вт сопротивлением 200 Ом.
Я не стал вносить эти изменения — делать «защиту от дурака» для себя в схеме из одного стабилитрона и нескольких резисторов считаю ненужным. Плата просто приклеена к кусочку пенопласта с жесткой пленкой. Выглядит неэстетично, но работает, меня это устраивает, как говорится: «дёшево, надёжно и практично».
Двухтактный безтрансформаторный выходной каскад усилителя.
Трансформаторы — объемные и довольно дорогие детали и их устранение уменьшают стоимость и вес выходных каскадов. Поэтому
большинство современных выходных каскадов безтрансформаторные. Но сразу возникает проблема согласования малого сопротивления
громкоговорителя (4 — 8 Ом) с сравнительно большим (1 — 10 кОм) выходным сопротивлением транзисторов.
Этого можно добиться, включая выходные транзисторы по схеме с ОК (эмиттерный повторитель) . Тогда их выходное сопротивление будет всего 10
— 100 Ом. Но при таком включении транзисторов они не будут усиливать по напряжению, т.е. какое напряжение подали на вход текое получило на
выходе. А поскольку для получения значительной мощности на выходе выходного каскада нужно иметь значительное переменное напряжение (1 —
10 В) на его входе ( в отличии от схем с ОЭ). Поэтому применяют один — два каскада предварительного усиления, обычно с ОЭ, для усиления
входного сигнала.
Но, даже в мощных транзисторах, переменное напряжение между базой и эмиттером не может превышать 0,5 — 0,8 В. Однако превышение этих
параметров не будет, т.к. в схеме с ОК (рис.9) входной сигнал распределяется между участком усиления (Uбэ) и нагрузкой (Uвых). Например, если входной сигнал равен 5 В, то из них 4,5 В действуют на
нагрузку и 0,5 В — на управляющий участок.
Вместо фазоинверсного трансформатора ставят выходные транзисторы с противоположной проводимостью — n-p-n и p-n-p типа у которых
параметры (мощность, коэффициент усиления β и пр.) должны быть одинаковыми. Подобранные таким образом
транзисторы называются комплементарной парой, а схемы с такой парой — схемы с дополнительной симметрией.
Особенность такого выходного каскада состоит в том, что он управляется на двумя сигналами в противофазе, а только одним сигналом и имеет
один вход. При положительной амплитуде входного сигнала (красная линия) открывается только нижний транзистор V2, т.е. переменный коллекторный ток протекает через нижнее плечо схемы (рис.9а), а
отрицательный сигнал открывает верхний транзистор V1 и ток протекает через верхнее плечо (рис.9б). Так получается,
что в один полупериод ток через нагрузку протекает в одном направлении, а следующий полупериод — в другом.
Недостатком этой схемы
является то, что она питается от двух гальванически связанных источников тока, т.к. для тока в нагрузке при положительной полуволне нужно ее
напряжение замыкать на отрицательный полюс одного источника тока, а при отрицательной полуволне — на положительный другого.
Еще плохо то, что базы транзисторов «плавают», т.е. на них нет фиксированного небольшого напряжения смещения и открываются они не с
начала полупериода, а лишь в тот момент, когда напряжение амплитуды сигнала достигнет значения для его открытия. В конце полупериода
транзистор закрывается раньше, чем амплитуда дойдет до конца. Короче говоря, амплитуда обрезается в начале и в конце полупериода, что
приводит к искажению сигнала — к так называемой «ступеньке» (рис.10).
Этими недостатками лишена схема на рис.11, где показаны предварительный и оконечный каскады.
Здесь, выходной переменный ток транзистора V2 в первый полупериод открывает транзистор V3 и в его коллекторной цепи протекает переменный ток (IвыхV3), вызываемый заряженным
конденсатором С5.
При отсутствии сигнала конденсатор заряжен до напряжения, примерно равного половине напряжения источника тока.
Во втором полупериоде открывается V4 и протекает ток IвыхV4, вызванный разностью
напряжений источника тока и конденсатора С5.
Диод V5 служит для температурной стабилизации выходных транзисторов.
Если питать усилитель (как в данном случае) от однополярного источника громкоговоритель приходится включать через разделительный
конденсатор, что приводит на низких частотах к падению напряжения на конденсаторе. А это уменьшение полезной мощности в нагрузке и к.п.д.
каскада. Для устранения этих недостатков, необходимо выбрать емкость разделительного конденсатора из условия
C ≥ 1,5/(FнRн),
где Fн — низшая воспроизводимая частота сигнала усилительного каскада; Rн —
сопротивление громкоговорителя. При этом может понадобиться конденсаторы с большой емкостью (тысячи микрофарад) и расчитаные на
напряжение равное напряжению источника тока.
Громкоговоритель можно включить между выходом усилителя и искусственной средней точкой, образованной при помощи двух электролитических
конденсаторов с равными емкостями (рис.12). Тогда номинальное напряжение конденсаторов будет в два раза
меньше, чем в схеме на рис.11.
Cледующая >> |
Нужна ли нам схема с буферизацией тока?
Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.
Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.
К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.
Всего один биполярный транзистор
Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:
Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе
А вот соответствующая схема LTspice:
Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice
Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.
Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.
В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.
Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):
Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы
На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.
Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы
Несколько слов о деталях:
При сборке усилителя, в качестве конденсаторов постоянной ёмкости (помимо электролитических), желательно применять слюдяные конденсаторы. Например типа КСО, такие, как ниже на рисунке.
Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.
Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.
Пластина разрезается по линиям, потом этой заготовке придают форму трубки, используя для этой цели любую подходящую цилиндрическую оправку (например сверло).
После этого заготовку (1) плотно надевают на корпус транзистора (2) и прижимают пружинящим кольцом (3), предварительно отогнув боковые крепёжные ушки.
Кольцо изготовляется из стальной проволоки диаметром 0,5-1,0 мм. Вместо кольца можно использовать бандаж из медной проволоки.
Теперь осталось загнуть снизу боковые ушки для крепления радиатора за корпус транзистора и отогнуть на нужный угол надрезанные перья.
Подобный радиатор можно также изготовить и из медной трубки, диаметром 8мм. Отрезаем кусок 6…7см, разрезаем трубку вдоль по всей длине с одной стороны. Далее на половину длины разрезаем трубку на 4 части и отгибаем эти части в виде лепестков и плотно надеваем на транзистор.
Так как диаметр корпуса транзистора где-то 8,2 мм, то за счёт прорези по всей длине трубки, она плотно оденется на транзистор и будет удерживаться на его корпусе за счёт пружинящих свойств.
Резисторы в эмиттерах выходного каскада – либо проволочные мощностью 5 Вт, либо типа МЛТ-2 3 Ом по 3шт параллельно. Импортные пленочные использовать не советую – выгорают мгновенно и незаметно, что ведет к выходу из строя сразу нескольких транзисторов.