Как сделать усилитель звука на транзисторе кт940а
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 04.10.2024
Этот усилитель, по идее является самым простым усилителем звуковой частоты. Силовым компонентом является довольно мощный транзистор Дарлингтона. Составные транзисторы обладают большим усилением - именно эта фишка и является основой работы такого усилителя.
Выходная мощность, как и для любого усилителя, зависит от напряжения питания. Наш вариант начинает работать, когда напряжение питания ниже 1 Вольт - этого достаточно для открывания составного транзистора.
Работает схема при входном сигнале выше 0,5 Вольт - звук можно подавать напрямую от порта ПК, при этом никаких дополнительных предусилителей не нужно.
Максимальная выходная мощность такого усилителя доходит до 1 ватт, заметьте, что сам усилитель работает в чистом классе А!
Составной транзистор был взят от старой материнской платы, хотя подойдут любые составные транзисторы, независимо от проводимости, в нашем случае использован прямой транзистор, в случае обратных, нужно будет поменять полярность напряжения питания.
Транзистор с успехом можно заменить на наш - КТ829 или же на более мощные - КТ827, 825 и другие.
Из-за режима работы усилителя, транзистор будет всегда открыт, следовательно тепловыделение на нем будет довольно большим, поэтому транзистор крепиться на теплоотвод.
Сопротивление ограничительного резистора подбирается в районе от 6 до 56 Ом, мощность желательно 2-5 ватт, на нем тоже будет рассеивается часть начальной мощности. КПД усилителя составляет 20-25%.
На счет качества звучания - класс А делает свое дело. Этот усилитель на слух звучит лучше недавно собранного усилителя Хьюстона, бархатный звук, никаких искажений.
Важно! усилитель работает на высокоомную нагрузку - в моем случае 16Ом, с низкоомными головками результат был не самым лучшим.
Данная статья является продолжением работы на тему использования усилителей работающих в А классе для высококачественного звуко-усиления.
Представляю на Ваше рассмотрение, хорошо отработанную схему усилителя на кремниевых транзисторах.
Неоспоримым преимуществом кремния - является способность работать при гораздо более высоких температурах (по сравнению с германием). При хорошем тепловом контакте транзистора с радиатором, можно считать допустимой температуру радиатора 90…95 град.
Понятно, что при столь высокой разнице температур радиатора и окружающей среды, теплообмен происходит очень эффективно.
Поэтому при одинаковых площадях радиаторов выходных транзисторов, на кремнии можно получить примерно в 2 раза больше мощности по сравнению с германием.
Большой ассортимент кремниевых средне и высокочастотных транзисторов большой мощности, позволяет построить высококачественный усилитель А класса при совсем простой схеме.
Данная схема обеспечивает выходную мощность 20 ватт на нагрузке 4 ом. Диапазон рабочих частот усилителя 20…25000 Гц.
В качестве транзистора VT1 здесь можно использовать КТ208Д, КТ209Д, КТ361Г, Е, КТ3107Б, Г, И, К. В качестве транзистора VT2 можно использовать транзисторы КТ815, КТ801, П701, транзистор VT3 КТ814, VT4 - КТ818БМ, ГМ, транзистор VT5 - КТ819БМ, ГМ.
Схема может работать без подбора транзисторов по коэффициенту усиления, однако поскольку она содержит всего 2 каскада усиления, желательно иметь коэффициент усиления транзистора VT1 - не менее 150, транзисторов VT2, VT5 - не менее 50, транзистора VT4 - не менее 80.
Оценить коэффициент усиления транзистора не сложно. Достаточно включить испытуемый транзистор по вот такой схеме (для мощных транзисторов).
Резистор R1 обеспечивает ток в базу примерно 1 ма. Измерительный миллиамперметр измеряет ток коллектора (я использовал стрелочный тестер с пределом измерений 300 ма). Отношение тока коллектора к базовому току - будет коэффициентом усиления транзистора.
Для транзисторов средней мощности, надо уменьшить базовый ток в 10 раз (R1 36k), а для транзистора малой мощности, базовый ток уменьшаем в 100 раз (R1 360k). В качестве источника питания, я использовал 3 щелочные (алкалиновые) батарейки размера АА, которые просто спаял между собой хорошо разогретым паяльником, с использованием не толстого провода (паять надо быстро, чтобы не перегреть батарейку).
При использовании нагрузки 8 ом, напряжение питания нужно увеличить до 39…40 вольт, резистор R10 до 0,25 Ом.
Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения питания на коллекторе VT5.
Усилитель потребляет значительную мощность, примерно 100 ватт на каждый канал. Поэтому источник питания должен быть серьезным.
Силовой трансформатор для блока питания, нужно применять мощностью не менее 250 ватт, либо использовать два однотипных трансформатора (на каждый канал) с такой же общей мощностью.
Схема источника питания показана на рисунке ниже.
Вторичная обмотка силового трансформатора должна иметь выходное напряжение ХХ 26 - 27 вольт. Такая схема должна быть на каждый канал усилителя, причем при нагрузке 4 ом, возможно лучше сразу поставить конденсаторы по 22000 мкФ.
Диодный мост с номинальным током не менее 10 А либо 4 диода на 10 А. Большая емкость конденсаторов объясняется значительным током потребления, в том числе и в режиме покоя усилителя, когда пульсации особенно заметны.
Применять электронные фильтры или стабилизаторы я не стал, поскольку они иногда являются причиной самовозбуждения усилителя и источником помех и наводок.
Детали для усилителя:
Резисторы могут быть любой мощности не менее 0.125 ватт за исключением R9 5 ватт, R10 2 ватт. Очень важен номинал резистора R10. От этого зависит правильный режим работы усилителя.
Конденсатор С1 лучше поставить пленочный, С4 пленочный или слюдяной.
Выходные транзисторы КТ818, КТ819 обязательно с буквой "М" в конце (в металлическом корпусе), БМ, ГМ. Радиаторы под них я использовал ребристые размером 120*170, толщиной 35 мм. Если радиаторы будут меньше, то необходим принудительный обдув.
На КТ815 небольшой радиатор-пластинка 2-3 кв. см. На П701 радиатор не нужен.
На резисторе R9 рассеивается значительная мощность. При наличии осциллографа и генератора можно попробовать ее уменьшить. Подаем сигнал на вход,на выход подключаем эквивалент нагрузки и осциллограф. Резистором R4 добиваемся симметричного ограничения максимально возможной амплитуды сигнала. Далее увеличивая резистор R9 добиваемся начала ограничения сигнала сверху. Выпаиваем и измеряем номинал. После этого устанавливаем резистор на 25…30% меньше.
При желании поэкспериментировать можно собрать совсем упрощенную схему.
Транзисторы здесь должны иметь больший К ус. Первый не менее 200, второй не менее 100.
Резистор R7 мощностью не менее 50 ватт. При отсутствии такого можно использовать электрический чайник и утюг по 2000 ватт на220в, соединенные параллельно, либо 2 ТЭН на 2000 ватт. - получается сопротивление около 10 ом. Кстати это можно использовать и как эквивалент нагрузки.
Данная схема позволяет получить 4…5 ватт (потреблять будет все равно около 90 ватт.) На коллекторе VT2 нужно выставить 12 вольт.
Продолжение экспериментов с усилителем JLH.
Тест отечественных транзисторов, которые есть почти у каждого радиолюбителя.
В этом обзоре ещё больше занудства.
Часть 1. УМЗЧ JLH 1969. Транзисторы 2SC5200 vs 2N3055 в выходном каскаде.
Транзисторы, которые были установлены на первом этапе экспериментов:
VT1 — 2N5401
VT2 — TIP41C
VT3, VT4 — 2SС5200 (2N3055)
По причине того, что приходится сидеть дома и есть какое-то количество свободного времени, из закромов были извлечены запасы отечественных транзисторов:
— пара кт864 (отбраковка с низким h21э )
— кт819
— кт808 (из усилителя Орбита-002, когда был выкинут аналог Квад-405; без особых причин, просто так захотелось)
— кт838 (высоковольтные; интересно попробовать, а вдруг… )
— кт829 (составные, т.е. мимо)
— кт805
— кт8101 (в далёком приближении аналог 2sc5200)
Сначала была запаяна пара КТ819ВМ (из одной партии 1984 года выпуска).
Сразу же была получена генерация на выходе.
Целый день (20.11.2020) был потрачен, чтобы победить эту генерацию: всё безрезультатно.
Примечание: в попытках убрать генерация транзистор VT1 был заменён на КТ502В.
На следующее утро, освободившись из объятий музы, снова добрался до паяльника.
Включил JLH от 12 В аккумулятора (обычный аккумулятор 7 А*ч от компьютерного бесперебойника.)
И произошло чудо: генерация исчезла!
Далее мне представлялось два пути продолжения замеров:
— от аккумулятора 12 В
— от классического БП (трансформатор, мост, кучка электролитов)
Пока аккумулятор заряжался (на момент волшебного облегчения включения он был почти разряжен), час времени был потрачен на поиск подходящего трансформатора. Им оказался ТН36 на 30 Вт.
Поигрался с соединением обмоток: удалось получить около 11,6 В при токе 1,5 А.
Конденсатор после моста 10000 мкФ. Оказалось мало: пульсации по питанию были неприемлемы.
Начал перебирать в уме, какие БП водятся в доме:
— зверинец разных 12 В 2 А
— сетевой БП от ноутбука asus 19 В 3,15 А (штеккер оказался стандартным ф5,5 мм )
В порядке эксперимента (чисто на авось) подключил БП от ноутбука к УМЗЧ JLH: на выходе нет никакой генерации, всё чисто.
Поэтому продолжил выполнение замеров именно с ним.
Для проведения замеров усилителя был установлен режим 2 А (напряжение питания 19 В ).
Нагрузка 4 Ом. Синусоида 1 кГц на входе УМЗЧ.
1. Транзисторы КТ819ВM.
Выходное напряжение ~4 В (4 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,75 %
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,37 %
Фото с места проведения замеров:
На двух радиаторах закреплены кт819 и кт864. Подключена, естественно, только одна пара.
Далее всё рутинно: проводники перепаиваются на следующую пару транзисторов, подстраивается ток на 2 А и 1/2 питающего напряжения (т.е. 9,5 В ) в точке соединения эмиттер VT3 — коллектор VT4 выходных транзисторов.
Обнаружилось, что подстроечный резистор R2 (подстройка 1/2 питающего напряжения) находится почти в крайнем положении (на максимальном значении 100 кОм).
Поэтому резистор R1 был заменён на 100 кОм.
2. Транзисторы КТ864А имели коэффициент передачи по току около 40, поэтому не получилось установить ток 2 А (только 1,2 А). Поэтому замеры с данной парой не проводились (по всей видимости это отбраковка).
3. Транзисторы КТ808АМ.
Выходное напряжение ~4 В (4 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,31 %
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,12 %
4. Транзисторы КТ838А.
Ситуация с ними была аналогична, как с КТ864А. Но поскольку очень хотелось увидеть хоть какие-то цифры,
был установлен ток 1,2 А.
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=2,61 %
Выходное напряжение ~1 В (0,25 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=1,27 %
5. Транзисторы КТ805Б.
Выходное напряжение ~4 В (4 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,46 %
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,11 %
Фото с места событий:
6. Транзисторы КТ8101А.
Выходное напряжение ~4 В (4 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,25 %
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,11 %
С последней парой (КТ8101А) были выполнены последующие замеры.
Шумовая полка УМЗЧ JLH (вход закорочен, питание 19 В от импульсного ноутбучного БП):
Total Power = минус 78,97 дБ
Далее перестройка режима на 12 В, ток 1,25 А.
Шумовая полка УМЗЧ JLH (вход закорочен, питание 12 В от импульсного сетевого БП):
Total Power = минус 78,7 дБ (среднее значение)
Шумовая полка УМЗЧ JLH (вход закорочен, питание 12 В от аккумулятора):
Total Power = минус 79,2 дБ (среднее значение)
Выходное напряжение ~2 В (1 Вт на нагрузке):
Коэффициент гармоник Кг=0,05 %
Пруф:
10. Выводы:
— сошли с дистанции: КТ864А (отбраковка) и КТ838А
— в порядке уменьшения Кг (т.е. в порядке улучшения)
КТ819ВМ
2N3055 (TUNGSRAM)
КТ805Б
КТ808АМ
КТ8101А
2SC5200
— по значению Total Power аккумулятор обошёл импульсные БП аж на целых 0,5 дБ (при уровне шумовой полки -120 дБ); имхо, смехотворная разница; поэтому для себя выбираю импульсный БП 19 В
— выбор (проверка на пригодность) импульсного БП — методом прямого перебора (включить усилитель с конкретным БП, посмотреть выход осциллографом и спектроанализатором)
Транзистор — это полупроводниковый прибор, который позволяет генерировать, создавать и усиливать электрические колебания. С помощью него можно усилить любой электрический сигнал. Разберем типовую. схему включения биполярного n-p-n транзистора.
Разбор схемы
Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.
Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).
В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.
Данная схема имеет один каскад усиления.
Что такое каскад
Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.
Как питаемся схема
От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.
На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.
Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.
И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.
Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.
Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.
Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.
Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.
Фильтрация входного сигнала
Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.
По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.
Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.
Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.
Рабочая точка и смещение базы
Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.
Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.
Как определяется класс усилителя
Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.
Например, точка по центру это А класс.
А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.
Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.
Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.
Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.
Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.
Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.
А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.
Стабилизация работы схемы
Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.
При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.
Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.
Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.
Благодаря этому транзистор:
- не закрывается;
- не переходит в режим насыщения;
- не искажает сигнал;
- и не перегревается.
Это называется термостабилизация работы усилителя.
А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.
Выход усилителя
На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку.
Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.
Однако и тут есть много нюансов.
Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.
Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.
Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.
Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.
Как протекает ток по схеме
В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.
Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.
Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.
Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений.
В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.
От чего зависит мощность схемы
У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.
В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.
У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.
Как собрать схему
Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.
Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.
Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.
Как проверить работу схемы
Достаточно прикоснуться до входа УНЧ отверткой, и на выходе послышаться треск. Это переменная наводка, которая усилится схемой.
Читайте также: