Усилитель мощности низкой частоты от теории к практике

Эта статья посвящена принципам работы усилителей мощности низкой частоты. Здесь вы найдете основные теоретические сведения о принципах построения усилителей, а также подборку радиолюбительских схем и конструкций только лучших УНЧ.

Усилителем мощности принято называть усилительный каскад, используемый для передачи в нагрузку (динамик, колонка) заданной либо максимально возможного уровня мощности при наилучшем КПД и наименьших нелинейных искажениях сигнала.

Усилители мощности (УМ или УНЧ)используются в роли оконечного (выходного) либо предвыходного каскадов.

В радиолюбительской практике принято называть усилителями мощности (УМ) - только усилители оконечных каскадов радиоэлектронных схем, которые непосредственно работают с максимальными уровнями напряжений и токов. Основным назначением УМ является выделение в нагрузке заданной мощности. Основными параметрами УНЧ являются полезная мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент нелинейных искажений и полоса усиливаемых частот.

Усилители мощности обычно построены по однотактной или двухтактной схеме. Однотактными называют УНЧ работающие в линейном режиме усиления, им соответствует класс А. В этом режиме ток протекающий через усилительный элемент транзистор протекает в течение всего периода следования входного сигнала.

Усилители мощности основные теоретические сведения и определения

Основные термины и определения в звуковой технике:

Бел (Б) - логарифмическая единица которая при частоте 1000 Гц соответствует десятикратному изменению силы звука. 1/10 бела, называется децибелом (дБ), т.е одному дБ эквивалентно изменение силы звука в 1,12 раза.

Частота звуковых колебаний воспринимается на слух человеком как высота тона. Самый низкий акустический предел, восприятия ухом человека, 20 Гц, а самый высокий - 20 кГц.

Тембр - окраска звука, определяется количеством, интенсивностью и частотой обертонов.

Уровень звукового давления - (Сила звука)отношение данного звукового давления p к нулевому уровню p0, выраженное в дБ. Вычисляется по формуле:

N=20lg(p/p0)

Болевой порог - сила звука, оказывающее болевое ощущение на коже человека. (Около 120 дБ)

В радиолюбительском деле принято делить усилители мощности на стандартные и высокого качества (Hi-Fi класса). Максимальная выходная мощность всех усилителей мощности вычисляется по следующей формуле:

Pвых=U2/Rн

Т.е. для вычисления замеряем напряжение на выходе УНЧ (только обязательно под нагрузкой). Сопротивление нагрузки - сопротивление динамика обычно 4-8 Ом)

Классификация усилителей мощности

По типу усилительного элемента (УЭ):

на полевых (униполярных) транзисторах
на биполярных транзисторах
на IGBT транзисторных модулях
электронных вакуумных лампах

По классу усиления УЭ

класс А
класс В
и АВ

Классы усилителей - Не все усилители звуковой одинаковы и имеется четкое различие между тем, как работают их выходные каскады. Основными рабочими характеристики идеального УНЧ являются: усиление сигнала, линейность, мощность и эффективность, но идеальных УНЧ еще не придумали, поэтому существует определенный компромисс между этими различными условиями.

По способу подключения нагрузки к выходу усилительного каскада

трансформаторные (с трансформаторным выходом)
бестрансформаторные (с непосредственной связью в нагрузку)

По схеме включения усилительного элемента:

по схеме с общим эмиттером ОЭ или ОИ общим истоком
с общей базой -ОБ
с общим коллектором ОК или общим стоком ОС

По количеству усилительных компонентов, работающих за один период усиления входного сигнала:

однотактные (один УЭ работает в течение периода)
двухтактные (два УЭ работают поочередно в течение одного периода).
Усилители мощности с трансформаторным выходом

Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

В однотактных УМ используется лишь один УЭ - транзистор(биполярный, полевой) , который работает в активном режиме и осуществляет усиление как положительной, так и отрицательной полуволны сигнала на входе. Такой режим работы получил название однотактный (класс усиления А).

Двухтактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

В двухтактных УМ входной сигнал усиливается в течении двух тактов. В первом полуволна одной полярности усиливается первым УЭ (транзистором), а во втором полуволна другой полярности вторым УЭ.

Плюсы и минусы трансформаторных усилителей мощности

Плюсы

Наличие гальванической развязки между выходом усилительного каскада и нагрузкой
Разделение нагрузки и выхода усилительного каскада по постоянной составляющей Согласование сопротивления нагрузки с сопротивлением выходным каскада благодаря наличию коэффициента трансформации с целью передачи на выход с нагрузкой максимума мощности.
Возможность получения широкого диапазона значений выходного напряжения при заданном напряжении питания схемы
Появляется возможность работать на несколько гальванически развязанных нагрузок
Можно получить два противофазных сигнала.

Минусы:

Большие габариты и вес УМ из-за трансформатора
Увеличение нелинейных искажений сигнала на выходе из-за нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора
Возрастание линейных частотных искажений из-за реактивностей катушек индуктивности
Невозможность минимизации в интегральных микросхемах.

Поэтому более широкое распространение получили другие типы УМ.

Бестрансформаторные усилители мощности с непосредственной связью

При использование биполярных транзисторов обычно включаются по схеме с ОК либо по схеме ОЭ, при этом класс усиления задается в режимах В либо АВ.

УМ на биполярных транзисторах разного типа проводимости с однополярным питанием класса B:

Как видем из схемы выше оба транзистора отличаются друг от друга разным типом проводимости, но при этом они с очень близкими параметрами. Такая пара транзисторов в электронике называется комплементарной парой.

В классе усиления типа В смещение отсутствует, т.к базы транзисторов соединены вместе.

В подобных схемах применяется класс В, поэтому при работе подобных УНЧ присутствуют достаточно большие нелинейные искажения ступенчатого типа.

Для снижение уровня нелинейных искажений биполярные транзисторы каскада переводят в режим АВ, с помощью задания рабочей точки транзистора фиксированным током или напряжением. Кроме того можно использовать дополнительные элементы для термокомпенсации.

Усилитель мощности с двухполярным питанием на биполярных транзисторах

В этой схеме также применены комплементарные транзисторы, только используется источник двухполярного питания. В классе В нет смещения, поэтому базы обох транзисторов также соединены вместе.

Работа схемы аналогична предыдущей лишь с тем небольшим отличием, что каждая полуволна входного сигнала усиливается только своим транзистором от собственного источника питания.

Двухполярное питание позволяет отказаться от применения по выходу разделительной емкости и благодаря этому снижаются линейные частотные искажения.

Усилители мощности на микросхемах

Подборка радиолюбительских конструкций и схем на различных микросборках УНЧ.