Статья предназначена для начинающих радиолюбителей. Для опытных будет неинтересна.
Как нарисовать карту напряжений по принципиальной схеме, пользуясь только законом Ома(В некоторых случаях не помешает и знание законов Кирхгофа)?
Закон Ома очень прост:
I = U/R , где I -ток в Амперах,
R - сопротивление в Ом,
U -напряжение в Вольтах.
(Или ток в mA, сопротивление в кОм, напряжение в В)
При прохождении тока через резистор, в нем падает напряжение:
U = I * R
По напряжению и току можно определить сопротивление резистора:
R = U/I
Так же надо знать, как рассчитывается мощность.
P = U * I =I * I * R = U * U/R
Сначала познакомимся с распространенными схемами стабилизаторов тока. Стабилизаторы тока широко применяются в схемах усилителей, стабилизаторов напряжения.
Величина стабильного тока вычисляется по формуле:
I = Ur1/R1
Где Ur1 - напряжение на резисторе R1, в вольтах.
R1 - сопротивление резистора R1 в кОм.
Ток получается в mA.
Для вычисления напряжения на резисторе R1 с опорного напряжения, формируемого 2-мя диодами (1 -диод - примерно 0,8 В, 2 диода - 0,8 * 2 = 1,6 В) отнять напряжение база эмиттер транзистора. Обычно в активном режиме около 0,65 В. (Кремниевый транзистор начинает открываться пр 0,4 В, при больших токах напряжение база эмиттер может достигать 1,2 В. Поэтому вычисления приближенные.)
Ur1 = 1.6 - Uбэ = 1,6 - 0,65 = 0,95 В.
Ir1 = Ur1/R1 = 0,95/0.3кОм = 3,2 mA.
Аналогично для второй схемы.
Вместо цепочки диодов может быть стабилитрон или светодиод. Стабилитроны склонны шуметь на высоких частотах, поэтому при применении стабилитрона между базой транзистора и стабилитроном ставят резистор, а базу соединяют керамическим конденсатором с нижним выводом резистора R1.
Здесь представлена другая схема стабилизатора тока. Здесь напряжение на резисторе R1 равна напряжению база эмиттер транзистора VT2 - примерно 0,65 В.
Значение стабильного тока
I =0.65/R1 = 0.65/ 0,3кОм = 2,2 mA.
Подбором сопротивления резистора R1(или R3) выставляется ток стабилизатора тока.
Естественно, ток через резисторы R2(или R4) в цепи базы регулирующего транзистора могут иметь гораздо большее сопротивление. Поскольку коэффициент усиления регулирующего транзистора VT1(или VT3) обычно не менее нескольких десятков, то ток через резисторы R2(или R4) может быть раз 10 меньше тока стабилизации. В данной схеме их сопротивление может быть 100 кОм.
Далее рассмотрим стабилизаторы опорного напряжения - схему термостабилизации выходного каскада.
Известно, что напряжение база эмиттер транзистора с увеличением температуры уменьшается. Примерно 2 mV на градус. Для компенсации в современных схемах применяют транзистор. Делитель в цепи базы транзистора термостабилизации формирует умножитель этого напряжения в 2 раза для схемы Шиклаи, 4 раза для 2-йки Дарлингтона, 6 раз для тройки дарлингтона.
На рисунке грубый расчет сопротивлений цепи термостабилизации. Для 2-й ки Дарлингтона величина сопротивления нижнего резистора примерно в 3 раза меньше величины сопротивления верхнего резистора.
R = (10U)/(4 * I) , где U - напряжение стабилизации. Для двойки Дарлингтона
U = 0,65 * 4 = 2,6 B.
I - ток в mA - рабочий ток усилителя напряжения. При несимметричной схеме вычисляется ток стабилизатора тока.
Напряжение в вольтах, ток в mA, поэтому сопротивление получается в кОм.
R - сопротивление в кОм.
В практической схеме сопротивление нижнего резистора получается несколько больше (~ 10%. При низком коэффициенте усиления транзистора может быть значительно больше. ) расчетной величины, поскольку ест дополнительное падение напряжения на верхнем резисторе от тока базы транзистора.
Для 3-й ки Дарлингтона величина сопротивления нижнего резистора примерно в 5 раз меньше величины сопротивления верхнего резистора.
R = (10U)/(6 * I) , где U - напряжение стабилизации. Для тройки Дарлингтона
U = 0,65 * 6 = 3,9 B.
I - ток в mA
R -сопротивление в кОм.
В практической схеме сопротивление нижнего резистора получается несколько больше (~ 10%) расчетной величины. При низком коэффициенте усиления транзистора сопротивление нижнего резистора может быть значительно больше расчетного.
Для схемы Шиклаи величина сопротивления нижнего резистора равна величине сопротивления верхнего резистора.
R = (10U)/(2 * I) , где U - напряжение стабилизации.
U = 0,65 * 2 = 1,3 B.
I - ток в mA
R -сопротивление в кОм.
В практической схеме сопротивление нижнего резистора получается несколько больше (~ 10%) расчетной величины. При низком коэффициенте усиления транзистора сопротивление этого резистора может быть значительно больше расчетной величины.
Для регулировки тока покоя нижний резистор составляют из 2-х последовательно соединенных резисторов - постоянного и подстроечного. Перед началом регулировки тока покоя сопротивление подстроечника ставят на максимум.
Транзистор термостабилизации не должен иметь высокий коэффициент усиления. Это может привести к самовозбуждению.
Настройка цепи термостабилизации.
Расчетные значения сопротивлений резисторов берутся таковыми, чтобы ток через резисторы составил десятую часть рабочего тока усилителя напряжения(УН). Поэтому в расчетной формуле присутствует коэффициент 10.
В процессе настройки, если ест недокомпенсация - ток покоя растет с повышением температуры - надо улучшить тепловой контакт транзистора - датчика температуры с теплоотводом или выходным транзистором, пропорционально увеличить сопротивления обоих резисторов в цепи базы, применить транзистор с большим коэффициентом усиления. Если же перекомпенсация - ток покоя уменьшается с повышением температуры- надо пропорционально уменьшить сопротивления обоих резисторов в цепи базы(вместо этого можно соединить эмиттер с коллектором транзистора еще одним резистором, сопротивление которого подбирается), применить транзистор с низким коэффициентом усиления. Обычно цепь термостабилизации настраивают так, чтобы была небольшая перекомпенсация - ток покоя слегка снижался с повышением температуры.
В начале настройки сопротивление резистора соединяющего базу с эмиттером брать побольше. Ток покоя уменьшается при увеличении сопротивления этого резистора.
Самое время составить карту напряжений простого УМЗЧ.
Начнем с выхода. Там должно быть напряжение 0 В. Ставим 0 В.
В цепи смещения применены 3 кремниевых диода. А на выходе 2-йка Дарлингтона. Естественно , выходные транзисторы заперты, поскольку на выходе 4 PN перехода, а в цепи смещения всего 3 диода.
Берем падение напряжения на диоде 0,8 В.
Итого напряжение на 3-х диодах
3 * 0,8 = 2,4 В.
Половина этого напряжения на базе VT7 +1,2 B.
Вторая половина на базе VT8 -1,2 В.
Возьмем падение напряжения на переходах база эмиттер транзисторов VT7, VT8 по 0,8 В.
Тогда напряжение на их эмиттерах
1,2 - 0,8 = 0,4 В.
Этого напряжения недостаточно для открытия выходных транзисторов. Выходные транзисторы заперты. Усилитель работает в режиме В. Тут термостабилизация не нужна. Диоды расположены на плате.
Продолжаем расчет.
Верхние 2 транзистора VT4, VT5 - это усилитель напряжения по схеме с общим эмиттером и эмиттерным повторителем на выходе.
На транзисторе VT6 собран стабилизатор тока. Вычислим величину стабильного тока. Падение напряжения на 2-х диодах
0,8 * 2 = 1,6 В.
Берем напряжение база эмиттер транзистора 0,65 В.
Тогда величина стабильного тока
I = (1,6 - 0,65)/ 0.033 = 28,8 mA.
(Тут сопротивление переведено в кОм).
25 В- 1,6 В = 23,4 В.
25 в - (1,6 В - 0,65 В) = 24,05 В.
Эти напряжения отрицательные.
Берем напряжение база эмиттер транзистора VT4 0,6 B, поскольку он мало нагружен. Тогда напряжение на его базе 25 - 0,6 = 24,4 В.
Напряжение на базе транзистора VT5:
1,2 + 0,65 = 1,85 В.
Вычислим ток стабилизатора тока на транзисторе VT3.
I = (1,6 - 0,65)/0,3 = 0,95/0,3 = 3,2mA.
Если дифкаскад работает правильно, то ток через каждый транзистор дифкаскада составляет 1,6 mA - половину тока стабилизатора тока.
Средний коэффициент усиления транзистора КТ3102Б = 350.
Вычислим ток базы этого транзистора.
Iб =Iк/В = 1,6/350=0,0046 mA (4,6 мкА)
Падение напряжения на резисторе R10(через этот резистор течет ток базы транзистора VT2):
U = Iб * R10 = 0,0046 * 24 = 0,11 B.
Поскольку ток течет в направлении к минусу на базе транзистора VT2 - 0,11 B.
Вот почему сопротивление резистора R10 должно быть равно сопротивлению резистора R2.
Вычислим коэффициент усиления УМЗЧ. Он зависит от величины сопротивлений в цепи обратной связи - R10 и R7.
K = (R10 + R7)/R7 = (24 + 1)/1 = 25.
Вычислим мощность, рассеиваемую на транзисторе VT5:
Ток через транзистор равен току стабилизатора тока на транзисторе VT6.
Uэк =25 - 1,2 = 23,8 В - напряжение эмиттер коллектор транзистора.
P = Uэк * Iст = 23,8 * 28,8 = 685 mBт. Желательно транзистор оснастить небольшим теплоотводом. Поскольку усилитель напряжения работает в режиме А, мощность выделяемая на транзисторах УН постоянна - не зависит от выходной мощности.
Проанализируем схему еще одного усилителя. На этот раз с однополярным питанием.
Напряжение на выходе усилителя должно быть равно половине напряжения питания 20 В.
Для смещения 4-х PN переходов применено 4 диода. Значит выходной каскад работает с током покоя - в режиме АВ.
Для простоты не учитываем падение напряжения на эмиттерных резисторах выходных транзисторов R11, R12. (Хотя при токе покоя 50 mA падение напряжения на каждом по 135 mV).
Напряжение на базе транзистора VT5
20 + 0,8 = 20,8 В.
Напряжение на базе транзистора VT6
20 - 0,8 = 19,2 В.
Напряжение на базе транзистора VT3
20,8 + 0,8 = 21,6 В.
Напряжение на базе транзистора VT4
19,2 - 0,8 = 18,4 В.
Ток коллектора транзистора VT2:
(40 - 21,6)/(R8 + R9) = 18,4/4,4кОм = 4,2 mA.
Резисторы R8, R9, конденсатор C4 - это цепь вольтодобавки.
Когда транзистор VT6 открыт - потенциал средней точки низкий, конденсатор С4 заряжается, а когда открыт транзистор VT5 - потенциал средней точки высокий, конденсатор С4 отдает энергию базе транзистора VT3.
Средний ток в цепи вольтодобавки в рабочем режиме рассчитывать не умею.
Может подскажете литературу.
Напряжение на базе транзистора VT2 = 0,65 В.
Вычислим ток коллектора транзистора VT1, не учитывая ток базы транзистора VT2.
Iк = 0,65/R4 = 0,65 mA.
Вычислим падение напряжения на резисторе R6.
Ur6 = Iк * R6 = 0,65 * 2,2 = 1,43 B.
Напряжение на эмиттере транзистора VT1:
Uэ = 20 В - Ur6 = 20 - 1,43 = 18,57 В.
Напряжение на базе транзистора VT1:
Uб = Uэ - 0,6 = 17,97 В.
Тут подбором сопротивления резистора R5 на выходе выставляется половина напряжения питания.
Наличие резисторов R11, R12 с довольно большим значением сопротивления позволяет усилителю работать без выносных элементов термостабилизации.
В самом деле - при температурном коэффициенте 2 mV/градус - на 2 транзистора 1 - го плеча это 4 mV/градус. Допустим, температура транзистора повысилась на 80 градусов(было 20 стало 100). Снижение суммы напряжений эмиттер база:
80 * 4 = 320 mV.
Вычислим, насколько повысится ток покоя:
320/2,7 = 118 mA
Напряжение в mV, сопротивление в Ом, поэтому ток в mA.
Если в холодном состоянии ток был 50 mA, то после нагрева до 100 градусов:
50 + 118 = 168 mA. Вполне терпимо для такого сравнительно маломощного усилителя.
Усилитель имеет 2 петли обратной связи - через R6 и через R7. Петлей обратной связи охвачен выходной конденсатор, тем самым компенсируется его нелинейность.
По переменному току резисторы R6, R7 соединены параллельно, поэтому их общее сопротивление R общ = 1,1 кОм.
Коэффициент усиления усилителя:
Ку = (R3 + Rобщ)/R3 =(0,1 + 1,1)/0,1 = 12
Значения сопротивлений в кОм.
Недостаток этого усилителя - большие значения сопротивлений в цепях эмиттеров выходных транзисторов, которые улучшают термостабилизацию, но приводят к повышению коэффициента нелинейных искажений. Для улучшения параметров можно вместо этих резисторов и диодов поставить резисторы по 0,2 Ом. Тогда придется ввести вместо цепочки диодов цепь термостабилизации на транзисторе.
Возможные улучшения этого усилителя:
Уменьшены значения эмиттерных резисторов. Введена цепь термостабилизации.
Вместо цепи вольтодобавки введен стабилизатор тока. На выходе применена тройка Дарлингтона.
Усилитель напряжения выполнен по каскодной схеме. При питании от стабилизированного источника напряжением 40В усилитель имеет выходную мощность 21 Вт на нагрузке 4 Ом. Коэффициент гармоник составляет сотые доли процента.
Последние схемы - только моделирование . На железе не проверены. При сборке, возможно, придется уточнить коррекцию.
Анализ по постоянному току схемы УМЗЧ с несимметричным выходным каскадом. Пример - первый Шушурин - 1978 - го года.
При составлении карты напряжений берется за основу то, что кремниевый PN переход при набольших токах в открытом состоянии имеет падение напряжения 0,6 - 0,7 В. (При очень малых токах это напряжение может быть около 0,45 В. При больших - доходить до 1,2 В. Германиевый PN переход начинает открываться примерно при 0,2 В и с ростом тока падение напряжения на германиевом PN переходе растет быстрее). Т.е. прямо смещенный PN переход является стабилизатором напряжения. Исходя из этого прикинем напряжение на входе выходного повторителя на транзисторах Q7 - Q12 - между базами Q7 и Q8. Очевидно , это напряжение равно сумме напряжений эмиттер-база транзисторов , включенных по схеме с общим коллектором - Q7, Q8, Q9, Q11. Еще в эту цепочку входит падение напряжения на резисторах R27, R23. При токе покоя 50 mA падение напряжения на резисторе R27 равно примерно 25 mV.
Чтобы узнать, какое падение напряжения на резисторе R23, надо вычислить протекающий через него ток. Без учета тока базы транзистора Q7, ток через резистор R23 равен току через резистор R24 плюс ток базы транзистора Q10. Падение напряжения на резисторе R24 равно сумме напряжений 2 - х PN переходов транзисторов Q10, Q12 плюс падение напряжения на резисторе R26. Итого, примерно
0,65*2 + 0,025 = 1,325 В.
Ток через резистор R24 1,325 mA.
Если не учитывать ток базы транзистора Q10, ток через резистор R23 такой же. Падение напряжения на резисторе R23 0,132 В.
Здесь для стабилизации режима выходного повторителя применены 4 диода. Число диодов равно числу PN переходов, для которых требуется стабилизация.
Эти диоды можно заменить схемой термостабилизации на транзисторе, рассчитанной для двойки дарлингтона.
При моделировании введены цепи коррекции R32, C10, R33, C9, C7, R21. Изменены номиналы конденсаторов C3, C5. Для правильного симметрирования входного дифкаскада изменен номинал резистора R7. Дело в том, что при хорошо подобранных транзисторах дифкаскада токи через транзисторы дифкаскада должны быть одинаковы. Этого можно добиться подбором резистора R7 - изменением величины тока стабилизатора тока или подбором сопротивления резистора R4.
Карта напряжений.
Карта токов.
Карта мощностей.
Для повторения на сегодня Шушурин 1978 - го года не очень подходящая схема. У него сравнительно высокий уровень гармоник. Из относительно простых схем, более подходящая схема - Шушурин с симметричным выходом. Либо ОМ 2.5 - с исправленными косяками, ОМ 2,7.
Знание таких простых приемов - по существу используется только элементарный закон Ома - позволяет находить ошибки в схемах.
Возьмем популярный усилитель ОМ 2.5
Для стабилизатора тока дифкаскада на транзисторе VT3 используется опорное напряжение стабилизатора тока усилителя напряжения на транзисторах VT6, VT10. Опорное напряжение на базе транзистора VT3 равно 2-м напряжениям база эмиттер кремниевого транзистора
Uоп = 0,65 * 2 = 1,3 В. (Относительно шины - 48В)
Напряжение на резисторе R8 равно 1,3 - 0,65 =0,65 В
Вычисли величину тока стабилизатора тока:
I = U/R = 0,65/0,1 кОм = 6,5 mA.
Теперь посмотрим на величину сопротивления резистора R6 = 15 кОм.
Вычислим, какой ток пропускает этот резистор. Берем напряжение на коллекторе транзистора VT3 равным напряжению на его базе -
Uк = 1,3 В (Относительно шина -48 В)
Падением напряжения на резисторах R4, R10 пока пренебрегаем. На эмиттерах транзисторов дифкаскада напряжение - 0,65 В относительно общего провода. Итого, падение напряжения на резисторе R6:
U = 48 - 1,3 - 0,65 = 46,05 B
Ток на этом резисторе:
Ir6 = U/R6 = 46.05/15 = 3,07 mA. Т.е ток через этот резистор ниже тока стабилизатора тока. Это означает , что стабилизатор тока вообще не работает. Транзистор VT3 полностью открыт, ни на что не влияет, а стабилизация тока дифкаскада осуществляется только резистором R6. Как сделать так , чтобы стабилизатор тока работал? Увеличить сопротивление резистора R8 до 220 Ом. Тогда ток стабилизации будет:
Iст = 0,65/0,22 = 2,95 mA
Еще надо уменьшить сопротивление резистора R6 до 8,2 кОм. Схемотехнически это не на что не влияет, но этот резистор рассеивает на себе мощность, снижая мощность, рассеиваемую на транзисторе VT3.
На нем падает напряжение U = I * R = 2,95 * 8,2 = 24,2 B.
Мощность P = I * U = 2,95 * 24,2 = 71,4 mVt
Конечно, лучше для дифкаскада сделать свой раздельный стабилизатор тока, как это сделано в ОМ 2.7.
На форуме Паяльник многостраничное обсуждение, а на этот косяк указывали только пару раз. Мало того, многие форумчане этот косяк отважно защищают, разве что не ложат на всеобщее обозрение свой единственный последний аргумент...
И схема до сих пор не исправлена.
Этот косяк обсуждался на канале Берилл 73.
По этому усилителю вроде был еще вопрос согласования токового зеркала на транзисторах VT1, VT4. На том же канале Берилл 73.
Ниже картина модели усилителя ОМ 2.5 на микрокапе.
Для дифкаскада применен отдельный стабилизатор тока. Ток этого стабилизатора тока уменьшен - около 2 mA. Изменены номиналы резисторов в цепи эмиттеров токового зеркала Q1, Q4. Для правильной работы дифкаскада , транзисторы дифкаскада должны быть подобраны в пару, коллекторные токи транзисторов дифкаскада должны быть одинаковые. Токи коллекторов транзисторов дифкаскада можно измерить через падение напряжения на резисторах R4, R7. 0 на выходе усилителя грамотнее выставлять не "перекосом" дифкаскада, а изменением токов коллекторов транзисторов дифкаскада. Это делается изменением тока стабилизатора тока на транзисторе Q3 подбором сопротивления резистора R5. Такой метод хорошо работает только при тщательном подборе транзисторов дифкаскада.
Успехов в творчестве!
Быть добру!