Транзистор – усилитель. Часть 6: добавляем второй каскад

6.1-й вариант двухкаскадного УНЧ
Идея проста: чтобы получить бо́льшее усиление сигнала, надо последовательно соединить ДВА усилителя. Сигнал подаётся с выхода 1-го (он и есть 1-ый каскад) на вход 2-го (он и есть 2-ой каскад). Более никаких принципиальных нововведений нет. На входе установлен переменный резистор R1, который регулирует усиление 1-го каскада, т.е. является регулятором громкости. Его сопротивление меняется, следовательно меняется Uвх, поступающее на базу VT1, соответственно меняется уровень входного сигнала. R1 одновременно служит нагрузкой для схемы источника сигнала. С1 – конденсатор связи – электролитический, его полярность соответствует полярности Iб. R2* стандартно определяет Iк для VT1, нагрузкой которого является R3.

2-ой каскад начинается с конденсатора связи С2, куда поступает усиленный сигнал. Полярность его обратная С1, поскольку положительный потенциал коллектора VT1 значительно выше, чем положительный потенциал базы VT2. Далее сигнал идёт на базу VT2, в результате чего он дополнительно усиливается и преобразуется головным телефоном BF1 в звук. Понятно, что R4* определяет  IК для VT2, нагрузкой которого и служит телефон BF1.

Напоминание. Резисторы R2 и R4 обеспечивают положительное смещение на базах транзисторов (по отношению к эмиттеру). В процессе наладки усилителя НЧ, сопротивления данных резисторов необходимо подобрать под конкретные транзисторы в связи с разбросом значения коэффициента усиления h21э для того, чтобы установить токи коллекторов в пределах 0,5¸0,8 мА.

Роль конденсаторов: ещё раз PRO…

Конденсатор С1 выполняет две функции: пропускает на базу VT1 переменное напряжение входного сигнала и препятствует замыканию базы на эмиттер через источник входного сигнала по постоянному току. Допустим, источник имеет малое внутреннее сопротивление. Без С1 база окажется замкнутой на эмиттер, транзистор закроется. Открываться он будет только при положительных полуволнах входного сигнала, а отрицательные полуволны «срежет». Транзистор будет искажать усиливаемый сигнал.

Конденсатор С2 связывает 1-й и 2-й каскады по переменному току (входной сигнал). Он должен хорошо пропускать переменную составляющую и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи VT1. Если вместе с переменной составляющей он будет пропускать постоянную составляющую, нарушится режим работы VT2 – транзистора выходного каскада, звук станет сильно искажённым или вообще пропадёт.
Конденсаторы, которые выполняют такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными.

Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу усиливаемых звуковых частот (20-20000 Гц), поэтому их ёмкость должна быть не менее 5 мкФ. Использование конденсаторов столь больших ёмкостей объясняется низким входным сопротивлением транзисторов. Конденсаторы обладают ёмкостным сопротивлением, величина которого обратно пропорциональна частоте переменного тока: больше ёмкость – меньше сопротивление. Если ёмкостное сопротивление такого конденсатора окажется больше входного сопротивления транзистора, то на нём будет падение напряжения больше, чем на входном сопротивлении транзистора. Это приведёт к уменьшению усиления. Ёмкостное сопротивление конденсаторов связи должно быть в 3-5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому на входе и между каскадами ставят конденсаторы в десятки мкФ. Для этого используют малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности.

Далее можно во втором каскаде VT2 заменить на КТ815, на выход включить динамик 1-3 Вт, 4-8 Ом. Конечно, потребуется снова подобрать резистор R4*.
Далее можно попробовать (эксперимента ради) собрать такой же усилитель на P-N-P транзисторах, например, КТ361 и КТ814, не забыв при этом изменить полярность источника питания и электролитических конденсаторов на противоположную.

6.2-ой вариант двухкаскадного УНЧ

Эта схема, практически, идентична предыдущей. Конденсатор С3 «срезает» высокие частоты в громкоговорителе ВА1, который, кстати, должен быть достаточно высокоомный, например, ДЭМ-4м (или подобный) с сопротивлением звуковой катушки около 60 Ом. Ток покоя VT2 при этом следует увеличить до 4-6 мА, уменьшив R4. В качестве VT2 можно пробовать более мощные транзисторы.

6.3-й вариант двухкаскадного УНЧ

В этом варианте УНЧ использованы два транзистора разной проводимости. Но самое главное отличие – база VT2 соединена с коллектором VT1 не через разделительный конденсатор, а непосредственно или гальванически. При такой связи (её и называют непосредственной), расширяется диапазон усиливаемых частот, а режим VT2 определяется режимом VT1, который устанавливается R2*. Рекомендации прежние.

Простенький по-быстренькому собранный макет усилителя на германиевых транзисторах МН37А (VT1) и МП41А (VT2):

6.4-й вариант двухкаскадного УНЧ
В усилителе использованы однотипные транзисторы. Здесь также связь между каскадами непосредственная. Схема охвачена так называемой отрицательной обратной связью (сокращённо – ООС): через резистор R3 напряжение смещения со второго каскада поступает на базу VT1. ООС ослабляет усиление, но улучшает качество работы УНЧ.

Конденсатор С2, включенный параллельно R4 (в таком случае часто говорят – шунтирующий), уменьшает ОС по переменному току. Подбирая R3*, устанавливаем режимы работы обоих транзисторов одновременно. При этом контролировать надо только ток коллектора VT2 в пределах 0,5¸0,8 мА.
В этом УНЧ также можно попробовать транзисторы КТ361 и КТ814.

Информация для общего развития. В приведённых вариантах 1-й каскад называют предварительным усилителем, 2-й – усилителем мощности (УМ). Усилители мощности, в которых один транзистор усиливает как положительную, так и отрицательную полуволны входного сигнала (класс усиления «А»), называются ОДНОТАКТНЫМИ, по-американски «Single Ended» или, сокращённо, «SE».

Замечание. В схемах УНЧ, приведённых ранее (и далее) нет индуктивных элементов – трансформаторов. Такие УНЧ называют «бестрансформаторными». Я рассматриваю только их, нисколько не преуменьшая и не преувеличивая достоинства и/или недостатки трансформаторных УНЧ. Конечно же, «бестрансформаторный» УНЧ тоже имеет буржуазное название – «Output Transformer Less» или, сокращённо, «OTL».

На фото бестрансформаторный УНЧ радиоприёмника «Океан-205» (экспонат РАДИОмузея):

Разумеется, схема его гораздо сложнее приведённых, но главное - он БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ.

Повторю: Iк представляет собой НЕ ПЕРЕМЕННЫЙ, а ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ток, поэтому напряжение на нагрузке Uн также является пульсирующим.

Нижняя часть (под синусоидой) представляет собой ПОСТОЯННУЮ составляющую, т.е. ток, протекающий через нагрузку (и через транзистор, конечно!) независимо от того, есть сигнал, или нет. И чем больше должна быть мощность в нагрузке, тем больше постоянная составляющая. Отсюда – нагрев транзистора оконечного каскада однотактного УНЧ класса «А». как бороться с нагревом? Ответ прост: рассеять это тепло в окружающем пространстве, внеся тем самым малую толику в глобальное потепление. Сделать это легче всего, применив теплоотвод или радиатор.
На фото мощный Ge-транзистор П210Б на теплоотводе:

Для общего развития цитата с сайта

Усилитель класса «А» (однотактный усилитель) –это усилитель, у которого один усилительный элемент (лампа или транзистор) усиливает обе полуволны сигнала (положительную и отрицательную). Таким образом, каждый последующий усилительный каскад построен на базе только одной лампы или транзистора. Использование только одного усилительного элемента для обеих полуволн сигнала устраняет необходимость точной состыковки положительной и отрицательной волн от двух разных элементов, как происходит в усилителях класса «АВ», таким образом, усилители класса «А» не обладают таким видом искажения сигнала как «центральная отсечка», свойственного некоторым усилителям класса «АВ».
Усилители класса «А», в силу специфики своей конструкции, имеют меньший КПД по энергопотреблению и достаточно сильно греются даже в отсутствие сигнала. Вдобавок ко всему, усилители класса «А» в два раза менее мощные по сравнению с аналогичными усилителями класса «АВ», что немного затрудняет их работу с акустическими системами, обладающими низкой чувствительностью. Хотя всё это мелочи по сравнению с волшебным звучанием, которое создает однотактный усилитель.
Конец цитаты.

Существуют УНЧ класса «В». В них смещение на базу не подаётся, поэтому ток коллектора при отсутствии сигнала достаточно мал. Но усиливается при этом только верхняя ( положительная для N-P-N транзистора) полуволна сигнала, а нижняя полностью срезается (транзистор запирается), что автоматически приводит к значительным искажениям выходного сигнала.

6.5. К вопросу о температурной стабилизации
Всё прекрасно, но, на са́мом деле, не та́к хорошо, как хотелось бы.
В са́мом начале повествования (ещё в первой части!) была упомянута температурная зависимость сопротивления (или проводимости) полупроводников от температуры. Добавление донорных и/или акцепторных примесей, создание «слоёных пирогов» из полупроводников N- и P-типа ни в коем случае НЕ ОТМЕНЯЕТ эту зависимость.
С одной стороны, температура окружающей среды не есть величина постоянная. Следовательно, при разной температуре транзистор также будет работать по-разному, не зависимо от того, какие токи и напряжения были установлены в процессе настройки и подстройки.
С другой стороны, если в перспективе мы хотим собирать качественные и достаточно мощные УНЧ, то и токи в выходных каскадах будут циркулировать не малые. На это обстоятельство также намёки были. Так вот, никому пока не удалось отменить известный из начальной школьной физики закон Джоуля-Ленца, который гласит, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике при протекании по нему электрического тока, прямо пропорционально КВАДРАТУ ЭТОГО ТОКА, сопротивлению и времени:

Значит, выходные транзисторы будут нагреваться, и одними только теплоотводами проблему не решить.
Что вообще происходит при изменении температуры транзистора, в частности, при его нагревании?
Оказывается, при повышении температуры транзистора, режим его работы нарушается. Главная причина – неуправляемый обратный ток коллектора Iкб0 и изменение статического h21э коэффициента передачи тока при изменении температуры.
В принципе Iкб0 – небольшой. У Ge-транзисторов малой мощности при 5 В на коллекторном PN-переходе при температуре 20°С он составляет около 30 мкА, а у Si-транзисторов – менее 1 мкА. Но он значительно меняется с повышением температуры. У Ge-транзисторов с ростом температуры на каждые 10°С Iкб0 возрастает в 2 раза, а у Si-транзисторов – в 2,5 раза. Если, например, при 10°С Iкб0 Ge-транзистора составляет около 10 мкА, то при 60°С он вырастет, примерно, до 160 мкА.
Но ток Iкб0 характеризует только свойства коллекторного PN-перехода. Если транзистор используется в усилителе, то напряжение источника питания оказывается приложено к двум PN-переходам – коллекторному и эмиттерному. При этом обратный ток коллектора течёт и через эмиттерный переход и, как бы, усиливает сам себя! В результате значение неуправляемого, изменяющегося под воздействием температуры, тока увеличивается в несколько раз. А чем больше его доля в коллекторном токе, тем нестабильнее режим работы транзистора в различных температурных условиях. Увеличение коэффициента передачи тока h21э с температурой усиливает этот эффект.
Что же при этом происходит в каскаде, например, на транзисторе VT1 (первый или второй вариант УНЧ)? С повышением температуры общий ток коллекторной цепи увеличивается, вызывая всё бо́льшее падение напряжения на нагрузочном резисторе R3. Напряжение между коллектором и эмиттером, соответственно, уменьшается, в результате чего сигнал искажается. При дальнейшем повышении температуры напряжение на коллекторе может уменьшиться до такой степени, что транзистор вообще перестанет усиливать входной сигнал!
Уменьшение влияния температуры на ток коллектора возможно
1) путём применения транзисторов с очень малым Iкб0 или
2) применением специальных мер, термостабилизирующих работу транзистора.

Вот один из способов термостабилизации работы Ge-транзистора структуры P-N-P:

Здесь RБ* подключен не к минусовому проводу питания, а к коллектору VT. Что это даёт? С повышением температуры возрастающий Iк увеличивает падение напряжения на Rн и уменьшает напряжение на коллекторе. Но база соединена с коллектором через RБ*, значит отрицательное напряжение смещения на ней также уменьшается, а это ведёт к уменьшению Iк. Возникает обратная связь между входом и выходом: увеличивающийся Iк уменьшает напряжение на базе, что автоматически уменьшает Iк. Происходит стабилизация заданного режима транзистора.
Но во время работы транзистора между базой и коллектором возникает отрицательная обратная связь по переменному току, что снижает общее усиление каскада. Получается, что стабильность работы транзистора достигается за счёт проигрыша в усилении. Таким образом, приходится идти на эти потери, чтобы добиться стабильной работы транзистора при изменении температуры.

Есть другой способ стабилизации с меньшими потерями в усилении, но за счёт усложнения схемы каскада:

Режим покоя транзистора по постоянному току и напряжению остаётся тот же: Iк=0,8-1 мА, отрицательное смещение на базе относительно эмиттера равно 0,1 В (1,5 – 1,4=0,1 В). Но режим устанавливается с помощью двух дополнительных резисторов RБ2 и Rэ. Резисторы RБ1 и RБ2 образуют делитель, с помощью которого на базе поддерживается устойчивое напряжение. Эмиттерный резистор Rэ является элементом термостабилизации, которая осуществляется следующим образом. С ростом температуры возрастает Iк, следовательно возрастает падение напряжения на Rэ. При этом разность напряжений между базой и эмиттером уменьшается, что, опять же, автоматически уменьшает коллекторный ток. Снова получается обратная связь, только между эмиттером и базой, и режим работы транзистора стабилизируется. Конденсатор Сэ шунтирует Rэ по переменному току. Он создаёт «параллельный путь», по которому идёт переменная составляющая Iк, пульсирующего с частотой усиливаемого сигнала. Отрицательной обратной связи по переменному току не возникает. Ёмкость Сэ должна быть такой, чтобы не оказывать заметного сопротивления самым низким частотам усиливаемого сигнала (условно - 20 Гц). Такому требованию удовлетворяет электролитический конденсатор ёмкостью 10-20 мкФ.
Усилитель с такой системой стабилизации режима транзистора практически не чувствителен к колебаниям температуры и, что не менее важно, к замене транзистора.

©SEkorp 29_август_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук