Усилитель.

     Усилитель - это прибор, способный усиливать электрическую мощность. Принцип работы электронного усилителя основан на изменении его активного или реактивного сопротивления в газах, вакууме или полупроводниках под воздействием сигнала малой мощности. Проще говоря, усилители нужны для того, чтобы усиливать слабые сигналы. Усилителем называют как часть электронной схемы, ответственной за усиление сигнала, так и отдельное, полностью законченное устройство.

Первый усилитель, на радиолампе-триоде был создан более ста лет назад, и до сих пор ламповые усилители пользуются спросом у аудиофилов. С появлением транзисторов, появились транзисторные усилители, а затем и интегральные усилители - специальные микросхемы, выполняющие самые разные задачи по усилению самых разных сигналов.

Усилители бывают разных типов, например:

• Усилители постоянного тока (УТП), предназначены для усиления медленноменяющегося сигнала с частотой от 0 Гц. Применяются для усиления сигнала с разного рода датчиков.
• Усилители низкой частоты (УНЧ), или звуковой частоты (УЗЧ) предназначены для усиления сигналов частотой от 20 Гц до 20 КГц.
• Усилители высокой частоты (УВЧ), или радиочастоты (УРЧ)

И это далеко не полный список, есть еще различный селективные усилители, широкополосные и др.

На одном транзисторе.

     Мы рассмотрим работу транзисторного усилителя, так как на сегодня транзисторы практически полностью вытеснили лампы.

     Здесь элемент питания B1 создает ток I_б в цепи база-эмиттер, который ограничен резистором R_б. Этот ток очень мал, но достаточен для того, чтобы транзистор открылся и в цепи коллектор-эмиттер появился коллекторный ток I_к, который значительно больше I_б. В данной схеме, в качестве нагрузки используется резистор R_к, который является не только нагрузкой, но еще и ограничивает ток коллектора. Падение напряжения на этом резисторе, когда транзистор открыт, практически равно напряжение батареи GB1. Данная схема вполне работоспособна как усилитель постоянного тока, но совершенно не годится для усиления переменного тока. Заменим элемент питания B1 генератором переменного тока и посмотрим как будет работать схема по переменному току.

     Генератор будет создавать напряжение на переходе база-эмиттер U_бэ, и ток I_б в цепи база-эмиттер. Зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер для конкретного транзистора определяется его входной характеристикой:

     Из графика видно, что до некоторого напряжения U_бэ=U_отк тока I_б в цепи база-эмиттер нет, транзистор закрыт и начинает открываться только тогда, когда напряжение U_бэ превысит некоторое значение. Для кремниевых транзисторов это обычно около 0,6 В, для германиевых может достигать 0,1 В. Это значит что для слабых сигналов такая схема вообще не подходит! Ну и конечно напряжение на базе не должно превышать некоторого максимального значения, иначе транзистор выйдет из строя.

Посмотрим теперь что у нас на выходе нашего усилителя, назовем его U_ни будем измерять его на нашей нагрузке, в роли которой выступает резистор R_к. Для этого, построим график, на котором красным цветом обозначим входное напряжение, а синим выходное:

     Очевидно, что данная схема работает, но усиливает она только положительную составляющую сигнала, отрицательную она просто "обрезает". Чтобы выходной сигнал имел нормальную форму, необходимо сделать так, чтобы транзистор, когда на его вход ничего не поступает, должен быть наполовину открыт, тогда положительная составляющая сигнала будет еще больше усиливаться, а отрицательная составляющая будет прикрывать транзистор. Чтобы приоткрыть транзистор, нужно подать на базу некоторое постоянное напряжение. Сделать это, проще всего, поставив резистор между базой и плюсом источника питания, ток проходящий через этот резистор будет держать транзистор в приоткрытом состоянии:

На графике видно, что теперь выходной сигнал имеет такую же форуму, что и входной:

     Напряжение, при котором транзистор приоткрыт в отсутствии сигнала, называется рабочей точкой и она задается резистором R_б, которое намного больше, чем сопротивление резистора R_к, и определяется выходной характеристикой транзистора:

     Эта характеристика показывает, как зависит ток коллектора, от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ, при различных значениях тока базы. На этой характеристике есть нагрузочная прямая, на которой можно выделить три участка:

• Участок 1-2 - область насыщения, здесь транзистор полностью открыт.
• Участок 3-4 - активная область.
• Участок 4-5 - область отсечки, здесь транзистор полностью закрыт.

Область насыщения и область отсечки характерны для работы транзистора в ключевом режиме (см. Транзистор). При работе транзистора в режиме усилителя, если важно сохранить форму сигнала, нельзя допускать чтобы нагрузочная прямая попадала в область насыщения или в область отсечки, а должна находится в активной области. Примерно на середине нагрузочной прямой выбирают рабочую точку 3 и с помощью резистора R_б устанавливают такой ток базы, чтобы ток коллектора соответствовал напряжению коллектор-эмиттер в этой точке. На практике это делается так, в цепь коллектора включается амперметр, и меняя сопротивление резистора базы R_б (проще всего это сделать подключив последовательно с ним дополнительный переменный резистор) устанавливается ток коллектора I_{к раб}, соответствующий рабочей точке.

     После того, как рабочая точку установлена, форма сигнала на выходе усилителя будет соответствовать входному сигналу, но проблема в том, что выходной сигнал находится в положительной области графика, а при отсутствии сигнала на входе, на выходе у нас все равно будет некоторое напряжение U₀. Чтобы этого избежать добавим в схему выходной конденсатор C_вых, а выходное напряжение будем измерять между выводом конденсатора и общим минусовым проводом. На практике очень удобно, когда входной и выходной сигнал имеют общий провод.

     Теперь выходной сигнал полностью соответствует входному, отличаясь от него только амплитудным значением. При этом, следует учесть, что измеряя сигнал относительно общего провода - выходной сигнал окажется инвертирован (перевернут). Именно поэтому такой усилитель еще называют инвертирующим усилителем:

     Вроде все работает, во всяком случае, пока мы используем в качестве источника сигнала лабораторный генератор, сопротивление которого достаточно велико, но что будет если сопротивление реального источника не будет столь высоко? Сопротивление источника сигнала и резистор базы R_б образуют делитель напряжения, и чем меньше будет сопротивление источника сигнала, тем больший ток через него будет течь, и тем больше это будет влиять на режим работы транзистора. Значит нам нужно сделать так, чтобы ток, ограниченный резистором R_б не смог утекать в источник сигнала. Так как конденсатор не пропускает постоянный ток, но хорошо пропускает переменный - поставим на входе усилителя входной конденсатор C_вх.

     Это вполне работающая схема, если взять транзистор типа КТ315, R_к = 2,7 кОм, R_б = 240 кОм (подобрать), входной конденсатор C_вх = 10 мкФ, а выходной C_вх = 470 мкФ, при питании от батареи типа "Крона" (9В) можно вполне использовать этот усилитель для воспроизведения сигнала с аудиоплеера не на наушники, а на небольшую динамическую головку.

И еще одна практическая схема, на более мощном транзисторе:

Обратите внимание, если рядом с номиналом на схеме есть звездочка (R_б)- значит этот номинал, для лучше работы схемы, нужно подобрать. Также обратите внимание, как на реальных съемах указывается номинал электролитического конденсатора, запись 10,0 означает емкость 10 мкФ.

Конечно, это очень простые схемы, и служат больше для ознакомления с работой транзистора, чем для практического применения, так как в угоду простоты, много чего в этих схемах попросту не учитывается.



Copyright © R9AL 2021 Все права защищены

---