Кто то может подумать, что название слишком пафосное, мол есть схемы с много более лучшими параметрами, есть которые с меньшим числом элементов, да и вообще много чего есть, почему именно эта?
Ответить могу следующее:
1. Схема выполнена в полумостовом исполнении с возможностью регулировки тока покоя, с необходимостью подбора компонентов для регулировки смещения нуля, имеет глубокую ООС и в ней легко прослеживается прохождение сигнала от каскада к каскаду.
2. Эту схему, в усечённом виде для облегчения работы студентов, применяют в некоторых учебных заведениях, как образец для выполнения выпускной работы по практическим навыкам сборки, настройки и регулировки БРЭА.
Вот собственно и мне в этой и последующих статьях вместе с видео, хотелось бы подробно рассмотреть работу схемы, назначение её элементов, как её настроить снять параметры по усилению. Посмотреть как влияет изменение питающего напряжения на работу УМЗЧ. Ну и рассмотреть какие в такой схемотехнике есть недостатки и ограничения. Название "Падаван" придумал сам, думаю всем понятна отсылка к ученикам джедаев из звёздных воин :)
Таким образом на примере одной схемы, можно научить подключать генератор, осциллограф к исследуемому усилителю, ознакомится с классической схемотехникой транзисторных усилителей и получить заметные навыки в метрологии. Был бы у меня в мастерской спектроанализатор и измеритель АЧХ, вообще цены б не было такой работе, в педагогическом смысле.
Прошу читателей в комментариях написать - кто что думает по поводу схемы и такого её амплуа, так сказать - летающая парта для электронщика :)
Ну и вообще интересен ли кому то такой формат описания, либо всё итак уже в сети разжевано и не стоит тратить время.
Описание схемы электрической принципиальной УМЗЧ.
Итак приступим к описанию работы схемы, приведённой ниже. Как обычно описание начнём с организации цепей питания каскадов, после чего рассмотрим путь прохождения сигнала от входа к выходу...
Организация питания УМЗЧ
Итак, согласно схеме, питание +12V поступает на положительную обкладку конденсатора C5, который сглаживает пульсации этого напряжения при работе УМЗЧ, вызванные изменение тока потребления, а так же возможную пульсацию 50 Гц от промышленной сети электропитания. Минус источника питания подключен к общему проводу, и первым делом к отрицательной обкладке C5.
С конденсатора С5 питание поступает на коллектор транзистора VT3 выходного каскада и на эмиттер транзистора VT2 предвыходного каскада.
Параллельно с этим питание, через RC фильтр нижних частот R9C4, поступает на входной усилительный каскад выполненный на транзисторе VT1 по схеме с общим эмиттером (ОЭ).
Цепь R9C4 обеспечивает дополнительную фильтрацию питающего напряжения для входного каскада, устраняя просачивание выходного сигнала через цепи питания во входной каскад. С этой же целью выполнено расщепление верхнего резистора делителя, обеспечивающего смещение на базе транзистора VT1, на два резистора - R1 и R3, а из их средней точки, на общий провод посажен ещё один фильтрующий конденсатор C1, который образует НЧ фильтр R3C1 с большой постоянной времени, который практически полностью гасит выходной сигнал УМЗЧ проникающий на вход по цепи питания, и пульсации самого источника питания.
Прохождение звукового сигнала, для чего нужен и как работает разделительный конденсатор.
Итак, входной сигнал поступает на "вход" и общий провод. На пути следования входного сигнала стоит разделительный электролитический конденсатор C2. Положительная обкладка конденсатора подключена к базе транзистора VT1.
почему C2 называется "разделительным", зачем он нужен и почему такая полярность включения? Эти вопросы мы рассмотрим по подробней.
Допустим наш усилитель усиливает сигнал от смартфона, на выходе которого амплитуда полезного сигнала составляет 10мВ. постоянная составляющая равна нулю, что видно из графика. Как известно все источники сигнала обладают каким то выходным сопротивлением, которое подключено между общим проводом и выходом. Так вот, при подключении к нашей схеме, это сопротивление 1кОм, если не будет разделительного конденсатора, окажется подключенным параллельно резистору R2 нижнего плеча делителя напряжения задающего рабочую точку транзистора входного каскада, из-за чего напряжение на его базе опустится близко к нулевому уровню с первоначальных 8-ми вольт, и транзистор окажется в режиме отсечки, т.е. заперт.
Разделительный конденсатор C2 не позволяет постоянному току протекать через себя, таким образом разделяя как бы переменную и постоянную (уровень 0В) составляющие.
Давайте подробней рассмотрим как конденсатор отделяет "мух от котлет"
Начнём мы с момента когда нет входного сигнала. В этом случае минусовая обкладка конденсатора имеет потенциал 0В, относительно общего провода.А положительная имеет потенциал 8В, заданный делителем напряжения (R3+R1)R2. Получается что напряжение на конденсаторе составляет 8В.
Теперь представим что входное напряжение достигло амплитудного значения в 10мВ, что равносильно тому что последовательно с конденсатором включили батарейку на 10мВ. И теперь суммарное напряжение сигнала и конденсатора составляет 8,01В (рис. а).
Когда полярность сигнала меняется, напряжение источника вычитается из напряжения на конденсаторе, и на базе транзистора VT1 напряжение составляет 7,99В (рис. б)
Получается что благодаря конденсатору C2 переменная составляющая, как бы отделилась от постоянной на уровне 0в, и "оседлала" постоянную составляющую, а именно напряжение смещения на базе VT1 величиной 8В. Наглядно это видно на графиках ниже:
Следует отметить важный момент. Всё это работает когда постоянная времени заряда разделительного конденсатора, много больше периода колебаний входного сигнала. В этом случае зарядом/разрядом самого конденсатора за время полупериода, можно пренебречь. Но в общем надо понимать, что в области нижних частот, разделительные конденсаторы начинают заметно препятствовать прохождению сигнала, что ведёт к завалу АЧХ всего устройства в области НЧ, а по простому - "срезает басы".
В схеме есть ещё один разделительный конденсатор, это C6. Его задача не пустить постоянную составляющую выходного каскада на громкоговоритель, для полумостовой схемы с однополярным питанием это половина от напряжения питания. Принцип работы его аналогичен, а вот в 100 раз большая ёмкость необходима из за того что выходное сопротивление выходного каскада очень мало, и постоянная времени с выходной ёмкостью, определяется главным образом величиной этой ёмкости. Чем выше ёмкость тем меньше влияние в области НЧ.
После разделительного конденсатора сигнал поступает на предварительный усилитель собранный на транзисторе VT1, включенный по схеме с общим эмиттером. Со стороны базы, рабочая точка задаётся делителем напряжения (R3+R1)R2, а вот со стороны эмиттера, рабочая точка задаётся выходным напряжением выходного каскада, образуя глубокую отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению. При этом по постоянному напряжению глубина обратной связи очень большая что обеспечивает стабильность выходного смещения. При этом сильно снижая коэффициент усиления (Ку) по постоянному току.
Для переменной составляющей, глубина обратной связи значительно уменьшена, за счёт подавления переменной составляющей напряжения ООС, через дифференцирующую цепочку R5C3.
Таким образом общий Ку усилителя охваченного общей ООС, по переменному току, определяется соотношением сопротивлений резисторов R6 и R5.
После предварительного усиления, инвертированный сигнал с коллектора VT1, поступает на базу транзистора VT2 предвыходного каскада, задача которого обеспечить амплитуду сигнала достаточную для "раскачки" транзисторов выходного каскада.
При положительном полупериоде входного сигнала, этот транзистор открывается, на его коллекторе напряжение растёт и становится больше половины питающего, что приводит к открытию выходного транзистора VT3 включенного по схеме эмиттерного повторителя. В результате напряжение на выходе так же растет.
При отрицательной полуволне входного напряжения, транзистор VT2 закрывается, тем самым напряжение на его коллекторе падает ниже половины питающего, что приводит к открытию выходного транзистора VT4, образующего нижнее плечо полумоста, через резистор R8 в цепи его базы.
Диоды VD1, VD2 и подстроечный резистор R7, обеспечивают напряжение смещения между базами транзисторов выходного каскада, для снижения искажений типа "ступенька".
Для этого резистором R7 задаётся такое напряжение между базами выходных транзисторов, при котором оба они немного приоткрыты и через них протекает постоянный ток небольшой величины.
На этом описание работы схемы считаю стоит закончить. Используемые элементы и конструктивные особенности рассмотрим в следующей статье.
А вот про настройку и регулировку реального усилителя, полагаю стоит поговорить в формате видео, показать осциллограммы, как подключать приборы и как посчитать коэффициент усиления.
Добавлено 11.02.2025г
Выложено видео с осциллограммами и общим исследованием работы усилителя.
Добавлено 25.02.2025г.
Продолжение изучения схемы усилителя
Кто что думает по поводу этой схемы, прошу писать в комментариях, обсудим!