Усилитель НЧ повышеной мощности для приемника (150-200мВт)
Во время опытов с двухкаскадным усилителем НЧ, которому был посвящен восьмой практикум, ты подключал к его выходу абонентский (радиотрансляционный) громкоговоритель, используя его переходный трансформатор в качестве выходного.
Громкоговоритель работал, но не так громко, чтобы озвучить, скажем, комнату средних размеров. Да это и понятно, ведь выходная мощность того усилителя не превышала 50... 60 мВт. Она достаточна для громкой работы телефонов, но мала для «раскачки» динамической головки громкоговорителя.
Чтобы громкоговоритель звучал нормально, к звуковой катушке его головки надо Подвести, по крайней мере, в два-три раза большую мощность, то есть 120...150 мВт (0,12...0,15 Вт), Такую мощность усилитель может развить а том случае, если к нему добавить двухтактный усилитель мощности, который и имеют обычно любительские и промышленные транзисторные приемники.
Двухтактный каскад усиления мощности может быть трансформаторным или бестрансформаторным. Среди радиолюбителей популярны оба -вида усилителей мощности.
Усилитель НЧ на трансформаторах
Упрощенная схема и графики, иллюстрирующие принцип работы двухтактного усилителя мощности, изображены на рис. 63. В усилитель входят: два одинаковых по структуре транзистора VI и V2, включенные по схеме с общим эмиттером, и выходной трансформатор Т с совершенно одинаковыми половинами первичной обмотки Iа и Iб.
Источник питания Uпит коллекторных цепей транзисторов, которым может быть батарея гальванических элементов или выпрямитель, включен так, что напряжение на коллекторы транзисторов подается (отрицательное — для транзисторов структуры р-n-р, положительное — для транзисторов структуры n-р-n) через половины первичной обмотки трансформатора. Каждый транзистор и относящаяся к нему половина обмотки трансформатора образуют симметричные плечи усилителя.
Сущность работы усилителя заключается в следующем. Напряжение входного сигнала Uвх (график а) подается на базы обоих транзисторов, в противофазе, то есть так, чтобы напряжения на них в каждый момент времени изменялись в противоположных направлениях.
Так, например, когда на базе транзистора VI отрицательный полупериод усиливаемого сигнала, на базе транзистора V2 должен быть положительный полупериод. При этом транзисторы работают поочередно, на два такта за каждый период подводимого к ним напряжения входного сигнала. Отсюда и название такого усилительного каскада — двухтактный.
Допустим, что на базе транзистора V1 относительно его эмиттера действует отрицательная полуволна входного напряжения Uвх. Транзистор при этом открывается, и через половину Iа первичной обмотки выходного трансформатора течет ток коллектора только этого транзистора (график б).
Транзистор V2 в это время закрыт, так как на его базе, также относительно эмиттера, действует положительная полуволна усиливаемого напряжения. В следующий полупериод, наоборот, отрицательная полуволна действует на базе транзистора V2, а положительная — на базе транзистора V1.
Теперь откроется транзистор V2, и его коллекторный ток Iк2: течет через половину, 16 первичном обмотки трансформатора (график в, который для наглядности перевернут и приближен к графику б), а транзистор VI, закрываясь, «отдыхает». Во время таких «передышек» транзисторы ток не потребляют, что повышает экономичность усилителя.
И так при каждом периоде колебаний низкой частоты, подаваемых на вход усилителя. В первичной обмотке трансформатора коллекторные токи обоих транзисторов суммируются (график г), в результате на выходе усилителя получаются более мощные колебания низкой частоты, чем на выходе уже знакомило тебе однотактно-го усилителя. К-этому надо добавить, что и КПД двухтактного усилителя значительно выше.
Каким образом на базы транзисторов можно подавать напряжение усиливаемого сигнала в противофазе? Проще всего — с помощью трансформатора, как схематично изображено на рис. 64, Здесь VI — транзистор предоконечного каскада, V2 и VЗ — транзисторы двухтактного каскада усиления мощности.
Коллекторной нагрузкой транзистора VI служит первичная обмотка трансформатора Т1, вторичная обмотка которого, состоящая, как и первичная об-. мотка выходного трансформатора Т2, из двух одинаковых половин На и 116, соединена с транзисторами выходного каскада.
При подаче на вход транзистора VI низкочастотного сигнала напряжения, подводимые к эмит-терным P-n переходам транзисторов V2 и V3 от половин вторичной обмотки трансформатора, равны по амплитуде, но противоположны по фазе, то есть, как говорят, сдвинуты по фазе на 180°. Это и требуется для работы двухтактного каскада усиления мощности.
Если к такому добавить для повышения чувствительности хотя бы один каскад предварительного усиления .напряжения входного сигнала, то его можно использовать для громкого воспроизведения грамзаписи или как усилитель НЧ транзисторного приемника с повышенной выходной мощностью.
Принципиальная схема простого усилителя НЧ
Принципиальная схема усилителя НЧ, предлагаемого тебе для опытной проверки, и сам усилитель, смонтированный на временной картонной плате, показаны на рис. 65. Чтобы повысить входное сопротивление усилителя и таким образом иметь возможность подключать к нему пьезоэлектрический звукосниматель (зашунтированный резистором сопротивлением 56... 100 кОм), транзистор V1 первого каскада включен по схеме с общим коллектором. Отрицательное напряжение смещения, -приоткрывающее этот транзистор, подается на его базу через резисторR1.
Если источником низкочастотного сигнала, который надо усилить, является звукосниматель, емкость входного конденсатора С1 может быть уменьшена до 0,1 мкФ.
Напряжение сигнала, усиленное транзистором V1, выделяется на его нагрузочном резисторе R2 и через конденсатор связи С2 поступает на базу транзистора V2 предоконечного каскада, а от него через межкаскадный трансформатор 77 — в противофазе на базы транзисторов выходного двухтактного каскада.
При рассмотрении принципа работы двухтактного усилителя мощности предполагалось, что базы его транзисторов через источник сигнала иди половины вторичной обмотки межкаскадного трансформатора соединены с эмиттерами транзисторов этого каскада. В таком случае исходное состояние транзисторов должно быть закрытое и в их коллекторных цепях практически не должно быть токов.
В действительности же для нормальной работы транзисторов на их базы относительно эмиттеров обязательно подают небольшое напряжение смещения; чуть приоткрывающее транзисторы.
В нашем усилителе это напряжение снимается с делителя, составленного из резисторов R4 и R5, и подается на базу транзисторов через соответствующие им половины вторичной обмотки трансформатора Т1. Ток покоя коллекторных цепей транзисторов этого каскада устанавливают подбором резистора R4, входящего в делитель напряжения R4R5.
Емкость конденсаторе C3, блокирующего первичную (I) обмотку выходного трансформатора Т2, подобрана так, чтобы он «срезал» наиболее высокие частоты колебаний звукового диапазона, предотвращая тем самым самовозбуждение усилителя.
Питать усилитель можно как от гальваническим батарей, так и от сетевого блока питания, который, надф Полагать, ты смонтировал на предыдущем практикуме.
Поэтому на схеме проводники со стрелками» символизирующими соединение усилителя с источником питания, обозначены лишь буквами Uпит. Напряжение источника питания должно быть 9 В.
Проводник, идущий л положительному полюсу источника питания, обозначен знаком «_|_», символизирующим соединение его с общим положительным проводником усилителя. Этот общий проводник часто называют «заземленным».
Для усилителя кроме маломощных низкочастотных транзисторов, конденсаторов и резисторов, номиналы которых указаны на схеме, потребуются межкаскадный трансформатор Т1, именуемый также согласующим, и выходной трансформатор Т2, предназначенные для транзисторных приемников с двухтактным выходным каскадом.
В усилителе, монтаж которого ты видишь на рис. 65, использованы трансформаторы из «радиоконструктора» — набора деталей и материалов, предназначенного для самостоятельной сборки малогабаритного приемника. Динамическая головка В1 может быть малогабаритной, например типа 0.1ГД-6. Но лучше будет звучать головка мощностью 0,5... 1 Вт, например 1ГД-18.
Статический коэффициент передачи тока транзисторов, может быть от 30...40 до 60...80. Для выходного каскада постарайся отобрать транзисторы с возможно близкими коэффициентами h21Э и обратными токами коллекторов Iкo. Иначе плечи каскада окажутся несимметричными, и усилитель может искажать сигнал.
Монтируя усилитель на временной плате, трансформаторы прикрепи к ней нитками. Соединительные проводники, которые будешь припаивать к выводным, лепесткам трансформаторов, тоже прикрепи к картонке, чтобы они вместе с лепестками не болтались и не могли порвать выводные концы обмоток.
Выводы транзисторов, резисторов и конденсаторов крепи в проколах в картонке и, не укорачивая их, припаивай к выводам деталей или токонесущим проводникам питания. Не спеши подключать к усилителю звукосниматель.
Сначала измерь ток покоя, потребляемый усилителем от источника питания, установи рекомендуемые коллекторные токи транзисторов всех каскадов и только после этого проигрывай грампластинку.
Чтобы измерить суммарный ток покоя, миллиамперметр включи в разрыв минусового проводника цепи питания или, если усилитель питаешь от батареи, параллельно контактам выключателя питания. Если ошибок в моктажс нет, детали исправны и номиналы резисторов близки к указанным на схеме, суммарный ток покоя не должен быть больше 7...3 мА. Если ток покоя больше — выключи питание и внимательно проверь весь монтаж и детали усилителя.
Для проверки качества работы усилителя можешь воспользоваться как источником низкочастотного сигнала радиотрансляционной сетью. Напряжение радиосети подевай не вход усилителя через делитель напряжения, схема которого показана на рис. 64». Для радиотрансляционной сети напряжением 15 В (в больших городах) со-противление резистора R1 Должно быть 150 кОм, а для сети напряжением 30 В-300 кОм.
Перемещая движок переменного резистора R2, напряжение звуковой частоты, подаваемое через делитель к усилителю, можно изменять от 0 до 0,15...0,2 В. Примерно такое напряжение развивает и пьезоэлектрический звукосниматель. Подавать на вход усилителя напряжение сети без делителя нельзя — транзисторы сразу же могут выйти из строяГ
Пользуясь таким источником сигнала НЧ, Можно проверить усилитель покаскадно. Подключи его сначала к первичной обмотке трансформатора Т1, чтобы проверить выходной каскад, далее параллельно резистору R2, чтобы проверить два последних каскада, а затем на вход первого каскада, чтобы проверить усилитель в целом. Одновременно дополнительным подбором резисторов R4, R3 и R1 можно скорректировать коллекторные токи транзисторов, добиваясь улучшения качества работы усилителя.
Опыты с усилителем
Такие опыты можно провести с усилителем?
Включи на вход усилителя высокоомный телефон и говори перед ним. Колебания низкой частоты, создаваемые таким «микрофоном», будут усилены, а головка на выходе усилителя преобразует их в звук. Получится ycтройство, аналогичное радиомегафону.
Телефон, используемый как микрофон, поднеси к головке усилителя — в ней появится ревущий звук. Этот звук — следствие акустической связи между выходом и входом усилителя, из-за которой, усилитель становится источником звуковых колебаний. Аналогичное явление может быть использовано для превращения усилителя в генератор колебаний звуковой частоты.
В эмиттерную цепь транзисторов выходного каскада (на рис. 65 — точка а) включи резистор сопротивлением 10... 15 Ом, например, это может быть кусочек стержня простого карандаша длиной 30...50 мм.. Подай на вход усилители сигнал от звукоснимателя или радиотрансляционной сети и, вслушиваясь внимательно в звучание головки, замкни накоротко несколько раз этот резистор. С резистором в эмиттерной цепи громкость несколько уменьшается, а качество работы усилителя улучшается. Особенно это ощутимо при прослушивании музыки.
Включив в цепь эмиттера, резистор, ты тем самым создал между эмиттерной и базовой цепями транзисторов выходного каскада отрицательную обратную связь, которая снизила усиление, но зато улучшила частотную характеристику усилителя — он стал равномернее усиливать более широкую полосу колебании звукового диапазона. Отрицательную обратную связь широко используют в промышленных и любительских приемниках и усилителях НЧ.
Подобный резистор, но сопротивлением 50...100 Ом включи в цепь эмиттера транзистора V2 фазоинверсного каскада, сравни работу усилителя с этим резистором и без него и сделай соответствующий вывод.
Регулятор громкости
Можно ли дополнить усилитель регулятором громкости? Разумеется, можно, например, по схеме, показанной на рис. 67. Напряжение низкой частоты звукоснимателя В или другого источника сигнала поступает на переменный резистор Rгр, включенный потенциометром, а с его движка — на вход усилителя.
Переменный резистор Rгр и есть регулятор громкости: при перемещении движка вверх (по схеме) на вход усилителя подается все большее напряжение сигнала — громкость увеличивается.
Бестрансформаторный усилитель НЧ
Если, однако, в двухтактном усилителе .мощности применить транзисторы разной структуры, то есть р-n-р и n-р-n, то отпадет надобность в фазоинверс-ном устройстве на трансформаторе.
Для опытов с таким усилителем потребуются низкочастотные маломощные rep-маниевые р-n-р транзисторы МП39 — МП42 и n-р-n транзисторы серий МП35 — МП38 или кремниевые р-n-р транзисторы серий МП 114 — МП И 6 и n-р-n транзисторы МП111 — МП113. Оба транзистора в двухтактном усилителе мощности должны быть или германиевыми или кремниевыми и иметь близкие коэффициенты h2i3 и обратные токи коллекторов IКо.
Вспомним: n-р-n транзисторы работают точно там же, как р-n-р транзисторы, только для них полярность включения источника питания должна быть обратной. Транзистор n-р-n открываете я, когда на его базу относительно эмиттера подается положительное напряжение. Разница в обозначении на схемах транзисторов обеих структур заключается лишь в том, что стрелка эмиттера n-р-n транзистора обращена не к базе, как в обозначении р-n-р транзистора, а от базы.
Для питания первого опытного усилителя используй две батареи 3336Л. Нагрузкой усилителя может служить динамическая головка мощностью 0,5... 1 Вт, например типа 1ГД-18.
Транзисторы, батареи и головку соедини по схеме, показанной на рис. 68. На вход усилителя- подай от радиотрансляционной сети низкочастотный сигнал напряжением 3...4 В, используя для этого делитель напряжения, схема которого есть на том же рисунке. Если транзисторы, исправны, то при таком входном сигнале головка должна звучать громко. По мере уменьшения вход-нога сигнала головка станет работать все тише, а при совсем слабом входном сигнале появятся заметные на слух, искажения.
Исключи из усилителя один из транзисторов, отпаяв, например, его выводы базы и эмитгврагот точек а и б, и снов» подай на вход усилителя такой же сигнал. Как теперь звучит головка? Значительно тише и с сильными искажениями. Проведи такой же опыт с другим транзистором — результат будет тот же.
Дело в том что, когда в каскаде работает один транзистор, через головку протекает однополугтериодный ток входного сигнала, вызывающий сильные искажения звука. Что же касается незначительных искажений, вносимых каскадом с двумя транзисторами при слабом входном сигнале, то они легко устраняются подачей напряжения смещения на базы обоих транзисторов.
Как работает такой усилитель?
Динамическая головка, включенная (через замкнутые контакты S1.2 выключателя S1) между эмиттерами транзисторов и средней точкой последовательно соединенных батарей (GB1 и GB2), делит усилитель на две симметричные цепи. На схеме они обозначены римскими цифрами I и II.
Цепь I питает батарея GB1, цепь II — батарея GB2. При этом на коллектор р-n-р транзистора VI относительно его эмиттера подается отрицательное напряжение батареи GB1, а на коллектор n-р-n транзистора V2 — положительное напряжение батареи GB2. Головка включена в эмиттерные цепи обоих транзисторос и является их общей нагрузкой. Транзисторы, следовательно, включены по схеме с общим коллектором.
Когда на вход усилителя подается низкочастотный сигнал, на базах транзисторов (точка а) действует одинаковое по амплитуде и частоте переменное напряжение.
Транзисторы же работают поочередно, на два такта при отрицательной полуволне напряжение открывается транзистор VI и в цепи I появляется импульс его коллекторного тока, а при положительной полуволне открывается транзистор V2 и в цепи II появляется импульс коллекторного тока этого транзистора.
Суммарный ток коллекторов, представляющий собой усиливаемые колебания низкой частоты, течет через головку В и преобразуется ею в звуковые колебания. Практически получается то же, что и в усилителе с трансформаторами, но благодаря применению транзисторов разной структуры отпадает надобность в специальном фазоинверсном устройстве.
Транзисторный усилитель с питанием от одной батареи
Чтобы такой же усилитель работал от одной батареи, его можно собрать по схеме, показанной на рис. 69. По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делитель напряжения питающей их батареи GB1.
При этом на коллекторе транзистора VI относительно его эмиттера, то есть средней точки между транзисторами (точка б), создается отрицательное напряжение, равное половине напряжения батареи, а на коллекторе транзистора V2 — положительное напряжение, также равное половине напряжения батареи.
Динамическая головка В по переменному току включена в эмиттерные цепи транзисторов: для транзистора VI — через конденсатор СЗ, для транзистора V2 — через конденсатор С2. Таким образом, к в этом случае транзисторы включены по схеме с общим коллектором и работают на одну общую нагрузку — динамическую головку.
Схема другого варианта усилителя с одной батареей в цепи питания и одним конденсатором в цепи динамической головки изображена на рис. 70. И в этом случае транзисторы включены по схеме с общим коллектором, а головка является их общей нагрузкой по переменному току. Проверь оба эти усилителя в действии, подавая на их входы таком же сигнал, как во время опытов с его первым вариантом. Эффект должен быть тот же.
Испытывая усилитель, собранным по схеме на рис. 70, переключи верхний вывод динамической головки на положительным проводник батареи питания, поменяв при этом и полярность включения электролитического конденсатора С2. Усилитель будет работать так же, так как ив этом случае головка по переменному току останется включенной в общую цепь эмиттеров обоих транзисторов.
А если емкость этого конденсатора будет сравнительно небольшой, например 10 мкФ? Такой конденсатор станет оказывать значительное сопротивление колебаниям наиболее низких частот звукового диапазона, в результате они будут сильно ослаблены. С увеличением емкости конденсатора полоса низкочастотных колебаний, воспроизводимая голов кой, расширится. Проверь это опытом.
Улучшеная схема простого транзисторного УНЧ
Теперь, поэкспериментировав с простейшим двухтактным 6ecтрансфopматорным усилителем мощности, попробуй собрать и наладить усилитель НЧ, принципиальная схема которого показана на рис. 71. Транзисторы VI и V2 (МП39 — МП42) работают в каскадах предварительного усиления наряжения НЧ, а транзисторы V3 (МП39 — МП42 или МП114 — МП116) и V4 (МП35-МП38 или МП111 — МП113) — в двухтактном выходном каскадe усиления мощности.
Чтобы выходной каскад возможно меньше искажал сигнал, его транзисторы работают с небольшими, чуть открывающими их напряжениями cмeщения.
Смещения на их базы подаются с делителя напряжения, образуемото резисторами R4 и R5 и транзистором V2 второго каскада усилителя. Резисторы R4 и R5 являются одновременно и нагрузкой транзистора V2. С них усиленный сигнал подается непосредственно на базы транзисторов V3 и V4 для усиления по мощности.
С работой первых двух каскадов ты уже знаком по ранее проведенным практикумам.
Прежде чем подать на вход усилителя низкочастотный сигнал (напряжением до 0,15...0,2 В), подбором резистора R5 установи ток покоя транзисторов V3 и V4 в пределах 2...4 мА, а подбором резистора R3 — напряжение на средней точке этих транзисторов, равное половине напряжения батареи питания.
Повтори эту операцию еще раз, чтобы откорректировать режхм работы транзисторов выходного каскада, а затем резистором R1 установи рекомендуемый ток покоя транзистора V1 первого каскада. Учти: для измерения напряжений непосредственно на электродах транзисторов пригоден вольтметр постоянного тока с относительным входным сопротивлением не менее 5 кОм/В. Вольтметр с меньшим входным сопротивлением будет давать значительные погрешности измерений.
И еще очень важное обстоятельство: заменять резистор R5 можно только при выключенном питгжии усилителя. Если этот участок цепи при включенном питании окажется оборванным, транзисторы VЗ и V4 из-за больших коллекторных токов немедленно перегреются и выйдут из строя.
Если усилитель предполагаешь использовать для воспроизведения грамзаписи, в эмиттерную цепь транзистора VI обязательно включи резистор сопротивлением 100...150 Ом (на рис. 71 показан штриховыми линиями). Это повысит входное сопротивление усилителя. Или, как в усилителе на трансформаторах, включи этот транзистор по схеме с общим коллектором. На вход усилителя можно, конечно, включить и регулятор громкости.
Все транзисторы усилителя могут быть кремниевыми. Транзисторы V1, V2 и V3, например, могут быть n-р-n транзисторами КТ315, a V4 — p-n-p транзистором КТ361. В этом случае надо изменить на обратную полярность включение источника питания и всех электролитических конденсаторов, а сопротивление резистора R5 увеличить до 500...600 Ом.
Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.