Не так давно, было опубликовано видео где наш учебный усилитель "падаван" был подключен к ИБП, генератору и осциллографу. Там мы увидели ряд осциллограмм поясняющих работу схемы. Но как это часто бывает, раскрыв одни вопросы, мы породили грядку новых.
Начало изучения схемы УМЗЧ в статье:
В этой статье мы попытаемся "всполоть" эту грядку и так сказать - собрать урожай:)
1. Коэффициент усиления по напряжению входного каскада
И начнём мы пожалуй с вот этого занимательного факта о первом каскаде усилителя на транзисторе VT1:
Мы видим, что осциллограмма 1, снятая с базы транзистора VT1, имеет амплитуду сигнала в 10мВ, что и понятно т.к. это вход а на вход от генератора мы подавали сигнал именно такой амплитуды.
А вот на коллекторе, с выхода первого каскада усилителя, амплитуда сигнала заметно ниже.... и это на первый взгляд очень странно, ведь первый (входной) каскад построен по схеме с общим эмиттером, которая как известно усиливает и по току и по напряжению и по мощности. Давайте разберёмся.
Итак по классики науки схемотехники, если бы мы взяли вот такой каскад без подключения его выхода к следующему, то его коэффициент усиления по переменному току должен был примерно быть равен 12:
Как так получается сейчас объясню....
Как известно, ток эмиттера Iэ равен сумме токов базы Iб и тока коллектора Iк.
В свою очередь ток коллектора в h21 раза меньше тока базы, и когда h21 составляет сотни (для КТ3102А h21э 100…250) , то токи коллектора и эмиттера практически равны.
Соответственно изменение напряжения на резисторе R5 на 1 кОм практически равное изменению напряжения на базе, приводит к изменению тока через него а стало быть и тока эмиттера и такому же изменению тока коллектора. Но вот в цепи коллектора стоит резистор R4 номиналом 12 кОм, и это изменение тока, вызовет изменение падения напряжения на нём в 12 раз большей величины.
Таким образом такой каскад в определённых пределах имеет коэффициент усиления по переменному току равный отношению сопротивлений резисторов R4:R5
Так почему у нас происходит не усиление, а ослабление сигнала по напряжению? Всё просто - R4 зашунтирован открытым переходом база-эмиттер транзистора VT2. А как известно открытый переход обладает очень малым динамическим сопротивлением, результирующие сопротивление в цепи коллектора VT1 имеет величину всего в сотню Ом, что согласно выше описанному соотношению приводит к уменьшению сигнала.
2. Не симметричное искажение нижней полуволны выходного сигнала.
Теперь давайте рассмотрим осциллограмму выходного напряжения из ранее опубликованного видео, где отрицательная полуволна выходного сигнала, резко ограничивается на уровне 1,7В, и далее не изменяется, хотя положительная полуволна при этом ,достигает 4В и более, пусть и с искажениями:
Причина такой асимметрии выходного напряжения, кроется в не симметричном предвыходном каскаде на транзисторе VT2:
Дело тут вот в чём - транзистор выходного каскада VT3 отвечающий за формирования положительной полуволны, открывается транзистором VT2 предвыходного каскада, а когда начинается отрицательный полупериод, он надёжно заперт за сёт того что VT2 закрывается и на его коллекторе напряжение уменьшается, так как оно тянется в низ резистором R8, величиной 1,8кОм.
Отрицательная же волна формируется транзистором VT4, который открывается током базы Iбvt4, формируемым резистором R8. Получается что ток базы верхнего плеча Iбvt3 ограничен током коллектора транзистора VT2, а это 100....200мА, в то время как ток базы транзистора нижнего плеча ограничен резистором R8, и для заданной величены его сопротивления не может превышать:
Iбvt4=5,5В/1,8кОм = 3мА
Поскольку h21 транзисторов составляет 50...250, то ток коллектора, при идеальных условиях и h21=100, будет составлять всего 300мА, что на нагрузке в 4Ом даёт мощность не более 0,5Вт.
Для эксперимента ниже приведены осциллограммы с сопротивлением R8 - 1.8 кОм, 640 Ом, и 270 Ом:
Из них хорошо видно, что срез отрицательной полуволны при меньшем значении сопротивления R8, происходит при заметно большем напряжении. Что обусловлено большим током базы транзистора VT4.
Стоит сразу отметить, что без изменения схемы смещения напряжения на базах выходных транзисторов, увеличение тока через диоды VD1 и VD2, ведёт к значительному увеличению тока покоя транзисторов и их нагреву. К тому же это приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада на VT2/
Одна из подписчиц, предложила способ улучшения сигнала на отрицательной полуволне - подключить R8 к корпусу через динамик:
На самом деле интересное решения, которое позволяет при формировании отрицательной полуволны выходного напряжения, организовать "вольтдобавку" для питания базы VT4, за счёт того C6 положительной обкладкой подключается к корпусу, а нижний вывод R8 к отрицательной обкладке C6, в результате база VT4 открывается не за счёт потенциала корпуса, а на 4...5В ниже ноля, т.е. -4...5В.
И вот результат такого включения:
Амплитуда не искажённого сигнала составила 2,5В, очень даже не плохо, учитывая что не понадобилось добавлять никаких деталей в схему.
3. Искажения выходного сигнала вызванные работой транзисторов с большими сигналами, и зависимостью h21 от напряжения коллектор-эмиттер транзистора.
Теперь давайте рассмотрим вот это отклонение от синусоиды:
Вызвано это отклонение тем, что коэффициент усиления h21 транзисторов, сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. И вот это напряжение у выходных транзисторов, в области перехода через ноль, составляет примерно 6В, но по мере роста выходного напряжения за время полупериода, разность между выходным напряжением и напряжением питания уменьшается, и достигает минимального значения в области пиков выходного напряжения. И вот в этой области h21 транзисторов минимален, сто сказывается на мгновенном значении коэффициента усиления всего УНЧ, и соответственно нарушению пропорциональности выходного напряжения относительно входного.
4. Самовозбуждение и наводки.
На осциллограммах в некоторых режимах, на выходе усилителя, было очень хорошо видно наличия паразитных, отсутствующих во входном сигнале колебаний высокой частоты. Обычно это колебания вызванные переходом усилителя в режим самовозбуждения - когда он фактически становится генератором:
Борьба с самовозбуждением это одна из самых сложных задач. В оригинальной схеме нет вообще никаких цепей предотвращающих самовозбуждение. Более того в ней даже отсутствуют элементы для фильтрации ВЧ помех по питанию. Электролиты на частотах в 100 кГц, с этой задачей плохо справляются. Но что интересно - схема воспринимает сигнал по питанию проникший во входной каскад, как отрицательную ОС, но сегодня итак статья перевалила формат размеров для Дзен, может быть в другой раз на этом остановимся.
По поводу самовозбуждения, есть ряд схемотехнических решений, которые значительно увеличивая количество радиоэлементов, положительно сказываются на характеристиках УМЗЧ в плане самовозбуждения, вот они на схеме:
На сегодня это всё что хотелось рассказать, но есть один вопрос, который хотелось бы обсудить в комментариях, а именно вот что :
Кто как считает, что это за выбросы в начале ограничения в области отрицательной полуволны? Давайте обсудим....