Аудиоусилитель класса B

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Четыре батареи по 6 вольт.
• Двойной операционный усилитель, рекомендуется модель TL082 (каталог Radio Shack № 276-1715)
• Один силовой транзистор NPN в корпусе TO-220 (каталог Radio Shack № 276-2020 или аналог)
• Один силовой транзистор PNP в корпусе TO-220 (каталог Radio Shack № 276-2027 или аналог)
• Один переключающий диод 1N914 (каталог Radio Shack № 276-1620).
• Один конденсатор, электролитический 47 мкФ, 35 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack № 272-1015 или аналог)
• Два конденсатора, 0,22 мкФ, неполяризованные (каталог Radio Shack № 272-1070)
• Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715).

Обязательно используйте операционный усилитель с высокой скоростью нарастания напряжения . . По этой причине не используйте LM741 или LM1458.

Чем ближе подходят два транзистора, тем лучше. Если возможно, попробуйте получить транзисторы TIP41 и TIP42, которые близко соответствуют силовым транзисторам NPN и PNP с номинальной мощностью рассеяния 65 Вт каждый. Если вы не можете получить транзистор TIP41 NPN, TIP3055 (доступный в Radio Shack) является хорошей заменой. Не используйте очень большие (например, корпус TO-3) силовые транзисторы, так как операционный усилитель может иметь проблемы с подачей тока на их базы, достаточного для нормальной работы.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 4:«Биполярные переходные транзисторы»

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы проиллюстрировать, как построить двухтактный усилитель класса B с использованием дополнительных биполярных транзисторов.
• Чтобы проиллюстрировать эффекты «кроссоверных искажений» в схеме двухтактного усилителя.
• Чтобы проиллюстрировать, как использовать отрицательную обратную связь через операционный усилитель для исправления нелинейностей схемы.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Этот проект представляет собой аудиоусилитель, подходящий для усиления выходного сигнала небольшого радио, магнитофона, проигрывателя компакт-дисков или любого другого источника аудиосигналов. Для работы в стереофоническом режиме необходимо построить два идентичных усилителя:один для левого канала, а другой - для правого. Чтобы получить входной сигнал для усиления этого усилителя, просто подключите его к выходу радио или другого аудиоустройства следующим образом:

Эта схема усилителя также хорошо работает при усилении « линейного ”Аудиосигналы от высококачественных модульных стереокомпонентов. Он обеспечивает удивительное количество звуковой мощности при воспроизведении через большой динамик и, возможно, работает без радиаторов на транзисторах (хотя вам следует немного поэкспериментировать с ним, прежде чем отказаться от радиаторов, поскольку рассеиваемая мощность зависит от типа динамика. б / у).

Цель любой схемы усилителя - максимально точно воспроизвести форму входной волны. Конечно, идеальное воспроизведение невозможно, и любые различия между выходными и входными формами волн известны как искажение . . В аудиоусилителе искажение может привести к наложению неприятных тонов на истинный звук. Существует множество различных конфигураций схем усилителя звука, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Эта конкретная схема называется «класс B», двухтактная цепь.

Большая часть аудио « мощность ”Усилители используют конфигурацию класса B, где один транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение половины цикла формы сигнала (он подталкивает ), а второй транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение второй половины цикла (он тянет ). В этой схеме ни один из транзисторов не остается « включенным ». »На весь цикл, давая каждому время« отдохнуть ”И остыть во время цикла осциллограммы. Это делает схему усилителя энергоэффективной, но приводит к особому типу нелинейности, известному как « кроссоверные искажения . . »

Здесь показана форма синусоидальной волны, эквивалентная постоянному звуковому тону постоянной громкости:

В схеме двухтактного усилителя два транзистора по очереди усиливают чередующиеся полупериоды сигнала следующим образом:

Если « передача ”Между двумя транзисторами не синхронизирован точно, однако форма выходного сигнала усилителя может выглядеть примерно так, вместо чистой синусоидальной волны:

Здесь искажение возникает из-за того, что существует задержка между выключением одного транзистора и включением другого. Этот тип искажения, при котором форма волны « сглаживается ”В точке кроссовера между положительным и отрицательным полупериодами, называется искажением кроссовера . . Один из распространенных методов уменьшения кроссоверных искажений - это смещение транзисторов так, чтобы их точки включения / выключения фактически перекрывались, так что оба транзисторы находятся в состоянии проводимости на короткое время в течение периода кроссовера:

Эта форма усиления технически известна как класс AB . а не класса B, потому что каждый транзистор « включен ”Более 50% времени в течение полного цикла сигнала. Однако недостатком этого является повышенное энергопотребление схемы усилителя, поскольку в моменты времени, когда оба транзистора являются проводящими, через транзисторы, которые не , проходит ток. проходит через нагрузку, но просто «закорачивается» от одной шины питания к другой (от -V до + V).

Это не только пустая трата энергии, но и рассеивает больше тепловой энергии в транзисторах. При повышении температуры транзисторов их характеристики изменяются (V _be прямое падение напряжения, β, сопротивление переходов и т. д.), что затрудняет правильное смещение.

В этом эксперименте транзисторы работают в режиме чистого класса B. То есть они никогда не проводят одновременно. Это экономит энергию и снижает тепловыделение, но допускает кроссоверные искажения. Решение, принятое в этой схеме, - использовать операционный усилитель с отрицательной обратной связью для быстрого прохождения транзисторов через « мертвый Зона, создающая кроссоверные искажения, и уменьшает степень « сглаживания ”Формы волны во время кроссовера.

Первый (крайний левый) операционный усилитель, показанный на принципиальной схеме, представляет собой не что иное, как буфер. Буфер помогает снизить нагрузку на сеть входного конденсатора / резистора, которая была помещена в схему, чтобы отфильтровать любое напряжение смещения постоянного тока из входного сигнала, предотвращая усиление любого напряжения постоянного тока схемой и отправку на динамик. где это может привести к повреждению.

Без буферного операционного усилителя схема фильтрации конденсатор / резистор снижает низкочастотные (« басы ») Отклика усилителя и подчеркивает высокие частоты (« высокие ”).

Второй операционный усилитель работает как инвертирующий усилитель, усиление которого регулируется потенциометром 10 кОм. Это не что иное, как регулировка громкости усилителя. Обычно в инвертирующих схемах операционного усилителя резистор (ы) обратной связи подключается непосредственно от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей входной клемме следующим образом:

Однако, если бы мы использовали полученный выходной сигнал для управления базовыми выводами пары двухтактных транзисторов, мы бы испытали значительные перекрестные искажения, потому что были бы « мертвые ”Зоны в работе транзисторов при изменении базового напряжения с + 0,7 вольт до -0,7 вольт:

Если вы уже построили схему усилителя в ее окончательном виде, вы можете упростить ее до этой формы и оценить разницу в качестве звука. Если вы еще не приступили к построению схемы, приведенная выше схематическая диаграмма будет хорошей отправной точкой. Он усилит звуковой сигнал, но будет ужасно звучать!

Причина кроссовера заключается в том, что когда выходной сигнал операционного усилителя находится в диапазоне от +0,7 до -0,7 вольт, ни один из транзисторов не будет проводить, а выходное напряжение на динамик будет равно 0 вольт для всего диапазона 1,4 вольт базы. размах напряжения. Таким образом, существует « зона ”В диапазоне входного сигнала, при котором выходное напряжение динамика не изменится. Вот где в схему обычно вводят сложные методы смещения, чтобы уменьшить этот 1,4-вольтовый « зазор . ”В ответе на входной сигнал транзистора. Обычно делают что-то вроде этого:

Два последовательно соединенных диода упадут примерно на 1,4 В, что эквивалентно объединенному V _be . прямое падение напряжения на двух транзисторах, что приводит к сценарию, когда каждый транзистор находится на грани включения, когда входной сигнал равен нулю, что устраняет « мертвый Сигнальная зона, существовавшая раньше.

К сожалению, это решение не идеально:поскольку транзисторы нагреваются от передачи энергии к нагрузке, их V _будет прямое падение напряжения уменьшится с 0,7 вольт до чего-то меньшего, например, 0,6 или 0,5 вольт. Диоды, которые не подвергаются такому же нагреву, потому что они не проводят значительного тока, не испытают такого же изменения прямого падения напряжения.

Таким образом, диоды будут продолжать обеспечивать то же напряжение смещения 1,4 В, даже если транзисторам требуется меньшее напряжение смещения из-за нагрева. В результате схема перейдет в режим работы класса AB, где оба транзисторы будут в состоянии проводимости часть времени. Это, конечно, приведет к большему рассеиванию тепла через транзисторы, что усугубит проблему прямого изменения падения напряжения.

Распространенным решением этой проблемы является добавление « обратной связи для компенсации температуры. ”Резисторы в эмиттерных выводах схемы двухтактного транзистора:

Это решение не предотвращает одновременное включение двух транзисторов, а просто снижает серьезность проблемы и предотвращает тепловой пробой. К сожалению, это также приводит к появлению сопротивления в цепи тока нагрузки, ограничивая выходной ток усилителя. Решение, которое я выбрал в этом эксперименте, основано на принципе отрицательной обратной связи операционного усилителя для преодоления ограничений, присущих выходной схеме двухтактного транзистора. Я использую один диод, чтобы обеспечить напряжение смещения 0,7 В для двухтактной пары. Этого недостаточно для устранения « мертвых ”Сигнальной зоны, но уменьшает ее как минимум на 50%:

Поскольку падение напряжения на одном диоде всегда будет меньше, чем суммарное падение напряжения на переходах база-эмиттер двух транзисторов, транзисторы никогда не могут включиться одновременно, тем самым предотвращая работу класса AB. Затем, чтобы помочь избавиться от остающегося перекрестного искажения, сигнал обратной связи операционного усилителя берется с выходной клеммы усилителя (клеммы эмиттера транзисторов) следующим образом:

Функция операционного усилителя состоит в том, чтобы выводить любой сигнал напряжения, который он должен иметь, чтобы поддерживать одинаковое напряжение на двух входных клеммах (дифференциал 0 вольт). Подключив провод обратной связи к выводам эмиттера двухтактных транзисторов, операционный усилитель может обнаруживать любые « мертвые »Зона, где ни один из транзисторов не проводит ток, и вывести соответствующий сигнал напряжения на базы транзисторов, чтобы быстро привести их в состояние проводимости снова, чтобы« поддерживать ”С формой входного сигнала.

Для этого требуется операционный усилитель с высокой скоростью нарастания напряжения . (способность производить быстро нарастающее или быстро падающее выходное напряжение), поэтому TL082 Для этой схемы был указан операционный усилитель. Более медленные операционные усилители, такие как LM741 или LM1458 может не справиться с высоким значением dv / dt (скорость изменения напряжения во времени, также известная как de / dt ) необходимо для работы с низким уровнем искажений.

В эту схему добавляется лишь пара конденсаторов, чтобы привести ее в окончательную форму:конденсатор емкостью 47 мкФ, подключенный параллельно диоду, помогает поддерживать постоянное напряжение смещения 0,7 В, несмотря на большие колебания напряжения на выходе операционного усилителя, в то время как Конденсатор 0,22 мкФ, подключенный между базой и эмиттером NPN-транзистора, помогает уменьшить искажения кроссовера при низких настройках громкости:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист усилителей BJT класса B