Самовозбуждение выходного каскада транзисторного усилителя. Усилитель на транзисторах: виды, схемы, простые и сложные

На Хабре уже были публикации о DIY-ламповых усилителях, которые было очень интересно читать. Спору нет, звук у них чудесный, но для повседневного использования проще использовать устройство на транзисторах. Транзисторы удобнее, поскольку не требуют прогрева перед работой и долговечнее. Да и не каждый рискнёт начинать ламповую сагу с анодными потенциалами под 400 В, а трансформаторы под транзисторные пару десятков вольт намного безопаснее и просто доступнее.

В качестве схемы для воспроизведения я выбрал схему от John Linsley Hood 1969 года, взяв авторские параметры в расчёте на импеданс своих колонок 8 Ом.

Классическая схема от британского инженера, опубликованная почти 50 лет назад, до сих пор является одной из самых воспроизводимых и собирает о себе исключительно положительные отзывы. Этому есть множество объяснений:
- минимальное количество элементов упрощает монтаж. Также считается, что чем проще конструкция, тем лучше звук;
- несмотря на то, что выходных транзисторов два, их не надо перебирать в комплементарные пары;
- выходных 10 Ватт с запасом хватает для обычных человеческих жилищ, а входная чувствительность 0.5-1 Вольт очень хорошо согласуется с выходом большинства звуковых карт или проигрывателей;
- класс А - он и в Африке класс А, если мы говорим о хорошем звучании. О сравнении с другими классами будет чуть ниже.

Внутренний дизайн

Усилитель начинается с питания. Разделение двух каналов для стерео правильнее всего вести уже с двух разных трансформаторов, но я ограничился одним трансформатором с двумя вторичными обмотками. После этих обмоток каждый канал существует сам по себе, поэтому надо не забывать умножать на два всё упомянутое снизу. На макетке делаем мосты на диодах Шоттки для выпрямителя.

Можно и на обычных диодах или даже готовых мостах, но тогда их необходимо шунтировать конденсаторами, да и падение напряжения на них больше. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Если взять меньше и ёмкость, и резистор, то CRC-фильтр станет дешевле и меньше греться, но увеличатся пульсации, что не комильфо. Данные параметры, имхо, являются разумными с точки зрения цена-эффект. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме мощности 2 Вт будет вполне достаточно.

Далее переходим к самой плате усилителя. В интернет-магазинах продаётся куча готовых китов, однако не меньше и жалоб на качество китайских компонентов или безграмотных разводок на платах. Поэтому лучше самому, под свою же «рассыпуху». Я сделал оба канала на единой макетке, чтобы потом прикрепить её ко дну корпуса. Запуск с тестовыми элементами:

Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах, об этом чуть ниже. К авторской схеме из оригинальной статьи нужно сделать такие ремарки:

Не всё нужно сразу впаивать намертво. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением. Настройка сводится к следующим операциям. Сначала с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. В одном из каналов мне не хватило 100 кОм, так что лучше брать эти подстроечники с запасом. Затем с помощью R1 и R2 (сохраняя их примерное соотношение!) выставляется ток покоя – ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем этот самый ток в точке входа плюса питания. Мне пришлось ощутимо снизить сопротивление обоих резисторов для получения нужного тока покоя. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток, по рекомендации автора, должен быть 1.2 А при напряжении 27 Вольт, что означает 32.4 Ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются и умрут. Ибо греются в основном они.

Не исключено, что в порядке эксперимента захочется сравнить звучание разных транзисторов, поэтому для них тоже можно оставить возможность удобной замены. Я попробовал на входе 2N3906, КТ361 и BC557C, была небольшая разница в пользу последнего. В предвыходных пробовались КТ630, BD139 и КТ801, остановился на импортных. Хотя все вышеперечисленные транзисторы очень хороши, и разница может быть скорее субъективной. На выходе я поставил сразу 2N3055 (ST Microelectronics), поскольку они нравятся многим.

При регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. По Сети ещё гуляет русская картинка-схема «Ультралинейный усилитель класса А», где этот конденсатор вообще предложен как 0.1 мкф, что чревато срезом всех басов под 90 Гц:

Пишут, что эта схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф.
- предохранители, их можно и нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
- очень уместным будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.

Слесарно-столярное

Теперь о традиционно самой сложной части в DIY - корпусе. Габариты корпуса задаются радиаторами, а они в классе А должны быть большими, помним про 30 Ватт тепла с каждой стороны. Сначала я недоучёл эту мощность и сделал корпус со средненькими радиаторами 800см² на канал. Однако при выставленном токе покоя 1.2А они нагрелись до 100°С уже за 5 минут, и стало ясно, что нужно нечто помощнее. То есть нужно либо ставить радиаторы побольше, либо использовать кулеры. Делать квадрокоптер мне не хотелось, поэтому были куплены гигантские красавцы HS 135-250 площадью 2500 см² на каждый транзистор. Как показала практика, такая мера оказалась немного избыточной, зато теперь усилитель спокойно можно трогать руками – температура равна лишь 40°С даже в режиме покоя. Некоторой проблемой стало сверление отверстий в радиаторах под крепления и транзисторы – изначально купленные китайские свёрла по металлу сверлили крайне медленно, на каждую дырку уходило бы не менее получаса. На помощь пришли кобальтовые свёрла с углом заточки 135° от известного немецкого производителя - каждое отверстие проходится за несколько секунд!

Сам корпус я сделал из оргстекла. Заказываем у стекольщиков сразу нарезанные прямоугольники, выполняем в них необходимые отверстия для креплений и красим с обратной стороны чёрной краской.

Покрашенное с обратной стороны оргстекло смотрится очень красиво. Теперь остаётся только всё собрать и наслаждаться музы… ах да, при окончательной сборке ещё важно для минимизации фона правильно развести землю. Как было выяснено за десятилетия до нас, C3 нужно присоединять к сигнальной земле, т.е. к минусу входа-входа, а все остальные минуса можно отправить на «звезду» возле конденсаторов фильтра. Если всё сделано правильно, то никакого фона не расслышать, даже если на максимальной громкости поднести ухо к колонке. Ещё одна «земляная» особенность, которая характерна для звуковых карт, не развязанных с компьютером гальванически – это помехи с материнки, которые могут пролезть через USB и RCA. Судя по интернету, проблема встречается часто: в колонках можно услышать звуки работы HDD, принтера, мышки и фон БП системника. В таком случае проще всего разорвать земляную петлю, заклеив изолентой заземление на вилке усилителя. Опасаться тут нечего, т.к. останется второй контур заземления через компьютер.

Регулятор громкости на усилителе я не стал делать, поскольку достать какой-нибудь качественный ALPS не удалось, а шуршание китайских потенциометров мне не понравилось. Вместо него был установлен обычный резистор 47 кОм между «землёй» и «сигналом» входа. Тем более регулятор у внешней звуковой карты всегда под рукой, да и в каждой программе тоже есть ползунок. Регулятора громкости нет только у винилового проигрывателя, поэтому для его прослушивания я приделал внешний потенциометр к соединительному кабелю.

Я угадаю этот контейнер за 5 секунд...

Наконец, можно приступать к прослушиванию. В качестве источника звука используется Foobar2000 → ASIO → внешняя Asus Xonar U7. Колонки Microlab Pro3. Главное достоинство этих колонок - это отдельный блок собственного усилителя на микросхеме LM4766, который можно сразу убрать куда-то подальше. Намного интереснее с этой акустикой звучали усилок от мини-системы Panasonic с гордой надписью Hi-Fi или усилитель советского проигрывателя Вега-109. Оба вышеупомянутых аппарата работают в классе АВ. Представленный в статье JLH переиграл всех вышеперечисленных товарищей в одну калитку, по результатам слепого теста для 3 человек. Хотя разницу было слышно невооружённым ухом и без всяких тестов – звук явно детальнее и прозрачнее. Весьма легко, например, услышать различие между MP3 256kbps и FLAC. Раньше я думал, что эффект lossless больше как плацебо, но теперь мнение изменилось. Аналогичным образом гораздо приятнее стало слушать нескомпрессованые от loudness war файлы - dynamic range меньше 5 Дб вообще не айс. Линсли-Худ стоит затрат времени и денег, ибо аналогичный брендовый усилок будет стоить намного дороже.

Материальные затраты

Трансформатор 2200 р.
Выходные транзисторы (6 шт. с запасом) 900 р.
Конденсаторы фильтра (4 шт) 2700 р.
«Рассыпуха» (резисторы, мелкие конденсаторы и транзисторы, диоды) ~ 2000 р.
Радиаторы 1800 р.
Оргстекло 650 р.
Краска 250 р.
Разъёмы 600 р.
Платы, провода, серебряный припой и пр. ~1000 р.
ИТОГО ~12100 р.

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

Частотные характеристики

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

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

Классы работы звуковых усилителей

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

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

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

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

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

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

Работа в промежуточных классах

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

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

«Альтернативные» конструкции

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

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

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

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

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

Схема однотактного УНЧ на транзисторе

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

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

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

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

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

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

Усилители на МДП-транзисторах

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

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

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

УНЧ с трансформатором на выходе

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

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

Двухтактный усилитель звука

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

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

Бестрансформаторные УНЧ

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

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

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

Схема УНЧ на одном транзисторе

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

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

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

Усилитель класса А.

Работает в линейном режиме: оба транзистора работают в одинаковых режимах. Это обеспечивает минимум искажений , но вследствии этого низкий кпд (15-30%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева. Потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности.

Усилитель класса В

К этому классу в основном относятся усилители с выходными транзисторами одинаковой проводимости. Каждый из транзисторов работает в ключевом режиме, т.е. усиливает только свою полуволну сигнала в линейном режиме (например положительную если применены транзисторы с N-P-N проводимостью). Для того чтобы усиливалась и отрицательная полуволна сигнала применяется фазоинветор еще на одном транзисторе. Это похоже на два отдельных класса А (для каждой полуволны свой). У усилителя такого класса высокий КПД (порядка 70%). Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, при отсутствии сигнала на входе она равна нулю. Усилители такого класса редко встречаются среди современных усилителей.

Усилитель класса AB

Наиболее распространенный вид усилителей. В этом классе объединены качества усилителей А и В класса, т.е. высокий КПД класса B и низкий уровень нелинейных искажений класса А. Здесь используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольт-амперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток (так называемый "ток покоя") , иногда значительный. И здесь возникает необходимость в регулировке и стабилизации этого тока таким образом чтобы транзисторы работали в одинаковых режимах не перегружая друг- друга. Неправильная установка тока покоя приведет к перегреву транзисторов и выходу их из строя.

Итак: для выходного каскада существуют два очень важных параметра (и особенно для класса АВ):

ток покоя и напряжение покоя

Если- бы транзисторы имели идеальную характеристику (чего на самом деле не бывает), то ток покоя можно было- бы считать равным нулю. Реально- же ток коллектора может увеличиваться как и из-за разброса характеристик транзисторов так и от их температуры. Более того: повышение температуры может привести к лавинообразному перегреву и тепловому пробою транзистора. Дело в том что при увеличении температуры ток коллектора только увеличивается, а следовательно возрастает и нагрев транзистора.

напряжение покоя: постоянное напряжение в точке соединения транзисторов(выход на нагрузку). Оно должно быть равно "0" при двухполярном питании выходного каскада или половине напряжения питания при однополярном питании. Другими словами: оба транзистора выходного каскада должны иметь одинаковое базовое смещение, то есть открыты равномерно, компенсируя друг-друга.

Эти два параметра необходимо стабилизировать, и в первую очередь исключить их температурную зависимость.

Для этой цели в усилителях используется дополнительный транзистор, включенный баластным образом в базовые цепи выходных транзисторов.(причем чаще всего он размещается непосредственно на радиаторе рядом с выходными транзисторами тем самым контролируя их температуру).

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 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.

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 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.

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.

16922

Двухсторонняя печатная плата усилителя JLH2005 под винтажные выходные транзисторы в металлических корпусах

Радиаторы драйверного и транзистора источника тока для надежности стянуты шпильками JLH2003

Установка выходных транзисторов 2sc5200 в усилитель JLH 2003 в пластиковых корпусах

Выходные транзисторы КТ-819 гм по три в плечо показали себя не хуже импортных

Два выходных транзистора и транзистор электронного фильтра вынесены на свитых проводах за габарит печатной платы

Бюджетный вариант усилителя JLH1969 на германиевых транзисторах гт404а и мп42б
Подбор выходных транзисторов в усилитель JLH1969 испытываются кт803

На платах оконечников JLH2003 установлены предварительные усилители на микросхемах

Печатные платы и корпус этого усилителя JLH2003 из китайского интернет магазина

Выходные транзисторы в усилитель JLH2003 впаяны непосредственно в платы

Усилитель класса А идеологии JLH собран по схеме - двойное моно, плоский тороидальный трансформатор находится по экраном

Подбор транзисторов в усилитель JLH

Выходные транзисторы

В усилителе JLH основное внимание нужно уделять подбору выходных транзисторов в пары и по максимальному значению Кус. Если у вас в качестве выходных будут работать ну очень хорошие и удобные для монтажа MJL21194, у которых Кус не очень высок (максимум 50-80), то в драйвер нужно ставить транзистор средней мощности с бетой не меньше 150-200, для транзисторов MJ15003 это не так актуально т.к. у них есть экземпляры с Кус = 90-120. MJ15003 более предпочтительны для выходного каскада из-за параметров, но с ними сложнее в конструктивном плане т.к. их нужно изолировать от радиаторов.

Входной транзистор либо с теми, либо с теми транзисторами должен иметь Кус не менее 250-300. Подбирать транзисторы для источников тока в версии усилителя 2003 года не обязательно, хотя для успокоения души тоже можно. У меня выходные транзисторы подобраны с точностью 3-4% и при этом особенно извращаться не пришлось т.к. я купил заведомо оригинальные приборы правда при этом прилично за них переплатив. Из купленных 16-ти транзисторов MJ15003 разброс коэффициента усиления у них не превышал 10-15% при токе коллектора 2,5 Ампера. Если четыре (восемь) выходных транзисторов подобрать с точностью 3-5% не получается, тогда советую транзисторы с большим Кус ставить в нижнее плечо каждого канала усилителя (по схеме 1969 года это Tr1). Повторюсь, что оригинальные транзисторы из одной партии и с одной датой выпуска имеют разброс беты не более 15% (ИМХО).

Измерение Кус выходных транзисторов

Мультиметром подбирать мощные транзисторы по коэффициенту усиления - распространенная ошибка. Ток, на котором производится измерение Кус промышленными мультиметрами и тестерами - десятки миллиампер, а нам нужен ток, примерно равный току покоя в рабочем режиме, т.е. 1,5 - 3 А. Лучший способ подбора - непосредственно после установки в макет усилителя по падению напряжения на резисторах, включенных в эмиттеры мощных транзисторов. К тому же в макете усилителя выходные транзисторы прогреются до рабочей температуры, плюс через них будет протекать полный рабочий ток. Можно отбирать транзисторы и вне схемы усилителя. Для этого нужно подключить коллектор транзистора к плюсу блока питания, а эмиттер через резистор 0,1-0,3 ома к минусу. Базу транзистора нужно подключить через резистор номиналом 1-2 кОм к плюсу, можно сделать цепь из постоянного резистора 0,5 кОм и подстроечного 1-5 кОм, тогда можно будет менять ток коллектора и вычислять Кус транзистора при разном его значении. Транзистор в обязательном порядке нужно прикрутить к радиаторы или опустить в банку с дистиллированной водой (нам нужно нормальное охлаждение, чтобы транзистор не разогрелся выше 50-60 градусов). После сборки схемы подаем напряжение, выставляем подстроечным резистором ток через транзистор в р-не 1,5-2.5 А (ток контролируем по падению напряжения на резисторе 0,1-0,3 Ома) и даем транзистору прогреться около 10-15 минут. Такую же процедуру проводим для остальных транзисторов, потом составляем пары и четверки приборов с максимально близкими значениями падения напряжения на эмитерном резисторе 0,1-0,3 Ома. Такого подбора транзисторов для JLH будет вполне достаточно.

Лучше измерять ток базы при фиксированных , и отбирать пары, которые имеюр близкий ток базы во всех трех точках измерения. У меня для охлаждения транзисторов была приспособлена толстая пластина из дюраля. К ней я прикручивал сразу по нескольку транзисторов и первый перед началом цикла измерений разогревал током 3 А до фиксации температуры радиатора на 60 градусах. Остальные транзисторы принимали ту же температуру и режим измерения оказывался близким к реальным условиям работы в оконечном каскаде.

Собрал сегодня один канал усилителя . На входе поставил германиевый МП20А с Кус около 70. В драйверный каскад впаял ГТ404Г с Кус 89, на выход поставил КТ908А без отбора по бете. КТ908А поставил на общий радиатор площадью 900 кв.см. через слюдяные прокладки и пасту. После получасового прогрева радиатор можно было трогать, температура по ощущениям была около 60 градусов. На слух звучание очень понравилось. Не знаю с чем это связано, с 908 на выходе или с двумя германиевыми на входе и драйвере, но когда я собирал то же самое со всеми кремниевыми транзисторами звук меня совсем не убедил. Потом попробовал 908 транзисторы заменить на КТ808, звук с ними понравился меньше и разогрелись они практически мгновенно. Осциллографа у меня не было поэтому причину быстрого разогрева и был ли с 808-ми возбуд, я так и не понял. Пробовал менять 808 на КТ803 и КТ-819, и те и те работают хуже 908 это точно. По крайней мере для себя я их оставил в приоритете.

Транзисторы СССР = Остапенко Игорь

Доброго времени суток! В результате экспериментов остановился на таком варианте: Первый транзистор АС125 с Кус 460 (от этого транзистора максимально зависит голос всего усилителя). До АС125 пробовал ставить советский МП10, 2N3906, BC327… эти были явно хуже. В драйверный каскад пробовал советские КТ801 и КТ630д. С КТ630 усилок без сигнала возбуждался, но звучал лучше, чем с импортным BD139. КТ801 не понравился по звуку. В итоге в драйвере оставил BD139 с Кус 160, а с КТ630 буду еще экспериментировать и пробовать убирать возбуд. На выходе у меня побывали 100% оригинальные TIP3055 и советские КТ819ГМ и КТ903А с бетой примерно 60-80. Импортные транзисторы оказались по звуку такими же как КТ903, а КТ-819ГМ остались в аутсайдерах. Итого: оставил КТ903 для которых у меня в радиаторах имелись готовые дырки. Если бы КТ819ГМ или TIP3055 сыграли лучше, радиаторы пришлось бы перепиливать.

Теперь про измерения и звук: Попробовал мерять усилок через RMAA. Толком не получилось потому, что у моей USB карты Беринжер искажения и собственный шум оказались выше чем у усилителя. Из чего я определил, что шум собственно усилителя не более 90 дБ, а искажения 0,07 % или около того. Спектр обогащен густым лесом идущим от звуковой карты(. При амплитуде 22 В на выходе синусоида чистая в диапазоне 20 Гц - 20000 кГц. Получилось около 8 ватт на 8-ми Омной нагрузке. Включал усилитель в раздолбанные S-90. Если честно, то был удивлен…Звук мощный и густой, такой «праздничный» что ли… Давно не слышал, чтобы при восьми ваттах в S-90 выплевывались низкочастотные динамики.

Гибрид JLH1969 и JLH2005 = and4841

У меня аппарат с однополярным питанием, в драйверном каскаде стоит источник тока, а усилитель напряжения запитан через стабилизатор на микросхеме LM. В выходном каскаде трудятся по две пары подобранных по Кус (80-90) 2N3055. Пробовал ставить в выходной каскад 2SC-5200, не понравилось по звучанию… Хочу сказать про мощностные характеристики т.к. изначально не ожидал получить от JLH большую мощу без риска сжечь редкий импорт. Максимальная амплитуда каждой полуволны почти 16 Вольт до среза верхушки. На 4 ома при токе покоя 3 А выходная мощность достигает 64 Ватт. Это пиковое значение и при таком токе транзисторы греются нещадно, хоть и установлены на радиаторе около 8000 кв.см. Сейчас ток покоя уменьшен до 2,1 А, и при нем пиковая мощность около 45 Ватт, зато транзисторы работают более - менее в нормальном режиме. Радиатор при всей его монструозности с отводом тепла не справляется и в помощь к нему приставлены четыре тихоходным 120 мм кулера. В каждом канале стоят по два трансформатора ТПП мощностью 90 Ватт каждый. Итого, усилитель у меня потребляет и соответственно рассеивает 360 ватт в непрерывном режиме. После трансформаторов стоит два диодных моста на 40 ампер и фильтры емкостью 3 х 10000 мкФ на канал. Земляная шина разведена звездой с минусовых выводов конденсаторов фильтра. Транзисторы на радиаторах стоят без прокладок, а сами радиаторы изолированы от корпуса. Для устранения хлопка в колонках стоит схема задержки.

Про транзисторы тезисно:

• В JLH-59 неплохо идет Tosiba 1943 и 5200, и мне почему-то показалось, что с транзисторами прямой проводимости на выходе - звук лучше. При применении "перевёрнутой" схемы есть один плюс и один минус в плане подбора транзисторов: плюс - "хороших" входных n-p-n гораздо бОльший выбор (начиная от ВС239, ВС339, 2N2222, 2N3904, 2SC2240...); минус - предвыходных p-n-p выбор - гораздо меньший (в принципе, только BD140, 2SA1815, 2SB647, 2SB667).
• Маломощный вариант усилителя JLH1969 лучше собирать на импорте в драйвере 2N3906 или советском КТ602БМ и выходными КТ908А при токе покоя 1,5 А и напряжении 12-14 В; а более мощный на 2SD667 - 2SD669 или MJE3055T и выходными MJ15003 током покоя 2,5 А и питанием 18-20 В. Маломощный вариант на 5-10 Вт можно собирать с среднемощными BD-139 с бетой 120-150 и током покоя 0,5 - 1 А.
• Схема усилителя с двухполярным питанием и современными деталями: Выходной каскад на 2sc5200, предвыходной - BD137 Philips и BD139 Fairchild, 2SC3421 (2SC5171 порадовал детальностью), входной малошумящий - 2SA970 (BL) и BC560 (C), транзисторы источников тока - MPSA56/92… звучит весьма интересно, гармоники ограничиваются 3-ей и её совсем мало. Измерялось на 30 кГц.
• В обеих версиях усилителя нет коррекции ВЧ, поэтому при использовании ВЧ транзисторов возможно самовозбуждение и многие советуют применять транзисторы НЧ. Но НЧ транзисторы заваливают фронт меандра, с ВЧ транзисторами все намного лучше, с ними нужно применять коррекцию, причем частота первого полюса должна быть более 25кгц, потому как при полюсе ниже 20-25 кгц завал по верхам слышен явно.
• На звуке сильна разница между инвертирующим и не инвертирующем варианте усилителя (те параллельной и последовательной ООС). Разница между схемами 1969 и 2005 года не так велика, хотя, как по мне, то 1969 приятнее. Для схемы 1969 года при транзисторах 2sc5200 на выходе, параллельно резистору ООС идущему с выхода на эмиттер первого транзистора нужно поставить конденсатор емкостью 33-68 пФ (при уменьшении этого резистора вдвое - до 1,2 кОм, емкость этого конденсатора нужно увеличить до 47-100 пФ). Второй элемент коррекции - это емкость между коллектором и базой предвыходного транзистора, ставьте 6-15 пФ, а если уменьшите номинал резистора в коллекторе первого каскада до 4 кОм, то 10-27 пФ. Эту емкость нужно выбирать минимальной при отсутствии возбуждения. Единственная проблема у инвертирующей схемы - ее входное сопротивление постоянно и равно номиналу резистора на входе (на схеме 1 кОм), а значит здесь нужен нестандартный низкоомный регулятор громкости номиналом меньше 1 кОм. Плюс инвертирующая схема накладывает жесткое ограничение на выходное сопротивление источника сигнала, которое не должно превышать сотен Ом. В инверсном включении звук намного лучше и входной транзистор работает с ОБ (меньше искажений). По звуку пока лучшее что я слышал = FEDGEN
• Из транзисторов для применения в выходном каскаде лучше MJ15024/ MJ15025 не встречал, с предвыходными вообще беда. Можно попробовать Тosiba 2SA1302\2SC3281, 2SA1987\2SC5359,они стабильнее и комплиментарнее = Vlad Bo.
• Проблемы в современных транзисторах - что с ними не делай в области ВЧ присутствует писклявость особенно SANKEN-ах а в LAPT-овых (многэмитерные). Люблю Моторолу MJ15025, на японских усилителях, которые мне попадались заменил все японские на моторолу. Транзисторы MJ15025 идеальные для звука по частотным свойствам лучших пока нет. Да и на слух Мотороловские MJE15003, MJE15004 звучат лучше Тошибы - 2sc5200, 2sc1943.

P. S. Кто собирал этот аппарат - хвалят. Особенно применив старые Мотороллы или старый наш германий. Если реализовать схему