Усилительный каскад на транзисторах. Двухкаскадный усилитель с rc-связью между каскадами Каскадная схема на унч транзисторах

Усилитель НЧ — неотъемлемая часть любого совре­менного радиоприемника, телевизора, магнитофона и многих других радиотехнических устройств. Без усилите­лей НЧ невозможны были бы громкий прием программ радиовещательных станций, звуковое сопровождение те­левизионных передач, запись и воспроизведение звука.

Однокаскадный усилитель НЧ был и в твоем одно-транзисторном приемнике, но его усиления недостаточно для громкоговорящего радиоприема. Поэтому надо увеличить число каскадов усилителя.

Попробуй смонтировать простой двухкаскадный уси­литель и провести с ним ряд экспериментов. Такой уси­литель можно, например, соединить с детекторным при­емником — получится приемник 0-V-2. А с рефлексным приемником 1-V-1 он образует приемник 1-V-3, обеспе­чивающий уверенный прием не только местных, но и мощных отдаленных радиостанций.

Для усилителя потребуются маломощные низкочастот­ные транзисторы МП39…МП42 со статическим коэффици­ентом передачи тока не менее 30.

Принципиальная схема первого варианта такого уси­лителя НЧ изображена на рис. 52. Первый его каскад образуют транзистор V 1, резисторы R 1, R 2, конденса­тор С1. Он должен напомнить тебе однокаскадный уси­литель НЧ, знакомый по шестому практикуму (см. рис. 29). Только нагрузкой транзистора (вместо телефо­нов) стал резистор R 2. Второй же каскад усилителя на транзисторе V 2 аналогичен первому, но его нагрузкой служат телефоны В1. Электролитический конденсатор С2 (такой же, как С1) является элементом межкаскад­ной связи.

Принципиально второй каскад усилителя работает так же, как и первый. Разница только в том, что первый кас­кад усиливает входной низкочастотный сигнал, а второй — сигнал, уже усиленный первым каскадом. В результате повышается чувствительность усилителя, и звук будет громче.

Однокаскадный усилитель ты смонтировал еще на пятом практикуме. Теперь добавь к нему второй каскад. Получится двухкаскадный усилитель НЧ. В коллекторную; цепь транзистора VI первого каскада, ставшего теперь 1 каскадом предварительного усиления низкочастотного сигнала, включи нагрузочный резистор R 2 сопротивлени­ем 4,7…5,6 кОм, а телефоны — в коллекторную цепь транзистора второго каскада. Чтобы установить такой же ток покоя транзистора первого каскада (1…1.2 мА), со­противление базового резистора R 1 надо уменьшить. Ток покоя коллектора второго транзистора в пределах 4,..6 мА, соответствующий режиму работы выходного каскада, установи подбором резистора R 3.

Не ошибись в полярности включения электролитиче­ского конденсатора С2: отрицательной обкладкой он должен быть соединен с коллектором первого транзи­стора, а положительной — с базой второго транзистора.

Подключи ко входу усилителя абонентский громкого­воритель и, как во время опытов с однокаскадным уси­лителем, используй его в качестве электродинамического микрофона. Теперь, когда усилитель стал двухкаскадным, телефоны звучат значительно громче.

Схема другого варианта двухкаскадного усилителя НЧ показана на рис. 53. Здесь транзистор VI включен по схеме с общим коллектором (эмиттерный повтори­тель), а его нагрузкой служит эмиттерный р- n переход транзистора V 2, включенного по схеме с общим эмитте­ром. Оба транзистора, токи которых взаимосвязаны, об­разуют как бы единый усилительный каскад. Режим ра­боты выходного транзистора V 2 определяется током эмиттера входного транзистора, который подбирается резистором R 1.

Преимущества усилителя этого варианта — простота и меньшее число деталей, Такой усилитель, кроме того, имеет значительно большее, чем усилитель пер­вого варианта, входное сопротивление, что позволяет подключать к нему пьезоэлектрический звукосниматель и таким образом воспроизводить грамзапись. В це­лом же он работает так же, как и усилитель перво­го варианта.

Может случиться, что в этом варианте усилителя коллекторный ток транзистора V 2 окажется большим (более 8…10 мА) и не будет уменьшаться с увеличением сопротивления резистора R 1. Так бывает, если обрат­ный ток коллектора Iко первого транзистора больше та­кого же параметра второго транзистора, в таком случае надо попробовать поменять транзисторы местами или зашунтировать эмиттерный переход второго транзистора резистором сопротивлением 100…200 Ом (на рис. 53 он показан штриховыми линиями).

Теперь, продолжая опыты, соедини его с однотран-зисторным рефлексным приемником (собранным ранее по схеме на рис. 50), чтобы превратить их в единый при­емник 1-У-З. Делай это так. в коллекторную цепь тран­зистора V 1 приемника 1-V-1 вместо телефонов и блоки­рующего конденсатора включи нагрузочный резистор» сопротивлением 2,7…3,3 кОм (на рис. 54 — R 4) и к точке соединения нагрузок этого транзистора {высокочастного дросселя L 3 и резистора R 4) Подключи усилитель НЧ. Теперь входной электролитический конденсатор С1 двух-каскадного усилителя будет конденсатором €4, транзи­стор VI первого каскада — транзистором V 4, а транзи­стор V 2 второго каскада — транзистором V 5 объединен­ного приемника 1-К-3. Изменится, разумеется, нумера­ций и некоторых других деталей. Начерти самостоятель­но схему такого приемника, соединив, конечно, минусо­вые и плюсовые проводники рефлексного приемника и двухкаскадного усилителя НЧ, так как их источник пита­ния общий.

Какая теперь должна быть полярность входного электролитического конденсатора С4 подключаемого усилителя? Такая же, как полярность аналогичного ему межкаскадного конденсатора усилителя первого варианта (см. С2 на рис, 52). Значит, соединяя усилитель с приемником, не забудь изме­нить полярность включения этого конденсатора.

Чтобы установить коллек­торный ток транзистора VI в пределах t…t,2 мА, вклю­чи в его базовую цепь рези­стор (R 1 на рис. 50 и 54) большего сопротивления — 220…470 кОм,

Подключи к приемнику наружную антенну и заземле­ние, включи питание и настрои его на волну местной ра­диовещательной станции» Телефоны должны звучать очень громко. Отключи заземление и подстрой входной контур на ту же станцию. Телефоны стали звучать сла-бее, но все же громко, Замени наружную антенну от­резком проводе длиной К..1,5 м и снова подстрой вход­ной контур. Приемник продолжает работать.

А теперь отключи и эпу aftfetmy щ поворачивая прием­ник в горизонтальной плоскости и одновременно под­страивая входной контур конденсатором переменном емкости, добейся приема сигналов той же станции. У те­бя получился приемник с магнитной антенной, образован­ной ферритовым стержнем с находящейся на нем ка­тушкой входного контура.

Можно ли на выход такого приемника включить ди­намическую головку прямого излучения? Можно, но только через понижающий трансформатор низкой часто­ты, с помощью которого можно согласовать относитель­но большое сопротивление выходной.цепи усилителя с малым сопротивлением звуковой катушки динамической головки. Роль такого трансформатора, называемого со­гласующим, а чаще — выходным, без каких-либо переде­лок может выполнять трансформатор абонентского гром­коговорителя. Включи его в коллекторную цепь выход­ного транзистора вместо телефонов (на рис» 55 — т|»Нг сформатор Т Л). Громкоговоритель будет звучать гром­че, если к приемнику подключить наружную антенну и сделать заземление.

Выходные каскады транзисторных усилителен НЧ чв-cto делают двухтактными, что значительно., повышает их выходную мощность. Усилителю с таким каскадом будет посвящен специальный практикум. А на следующем практикуме речь пойдет об усилителе колебаний высокой частоты.

Литература:
Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. - М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.

Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными . Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала - от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 - 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому - то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).

Простые, двухкаскадные усилители

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 - ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной плате , после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 - ом уроке ), добейтесь наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 - 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов - по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О - 3 или К52 - 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 - 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе"радиолюбительские технологии" .

Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.

Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.

Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на рисунке 2.7. Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 - нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ - конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 - выключатель питания. В усилителе на (рис. 2.7, а) работают транзисторы структуры р - n - р, в усилителе на (рис. 2.7, б) - структуры n - p - n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта - положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.

Рисунок 2.7 - Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p - n - p (a) и на транзисторах структуры n - p - n (б).

В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 - 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э - Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м.

Для питания усилителя используется батарею 3336Л (в народе называют - квадратная батарея) или сетевой блок питания. Предварительно усилитель соберите на макетной плате, после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую - либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника.

Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 - 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем монтируются детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включается в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 - 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, он единственно правильный. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов - нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 - 6 мА.

Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 2.8). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p - n - р, а во втором - структуры n - p - n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р - n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 - МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 - 750 Ом, а если кремниевый (МП111 - МП116, КТ315, КТ3102) - около 3 кОм.

К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или "Крона", или, наоборот, от источника напряжением 1,5 - 3 В - от одного - двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя - головка громкоговорителя - должна звучать громче, при более низком - тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.

Рисунок 2.8 - Усилитель на транзисторах разной структуры.

Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате - дело несложное.

При расчете усилительных каскадов на полупроводниковых элементах нужно знать много теории. Но если требуется сделать простейший УНЧ, то достаточно подобрать транзисторы по току и коэффициенту усиления. Это основное, нужно еще определиться с тем, в каком режиме должен работать усилитель. Это зависит от того, где планируется его использовать. Ведь усиливать можно не только звук, но и ток - импульс для управления каким-либо устройством.

Виды усилителей

Когда реализуются конструкции усилительных каскадов на транзисторах, нужно решить несколько важных вопросов. Сразу определитесь с тем, в каком из режимов будет работать устройство:

1. А - линейный усилитель, на выходе присутствует ток в любой момент времени работы.
2. В - ток проходит только в течение первого полупериода.
3. С - при высоком КПД нелинейные искажения становятся сильнее.
4. D и F - режимы работы усилителей в режиме «ключа» (переключателя).

Распространенные схемы транзисторных усилительных каскадов:

1. С фиксированным током в цепи базы.
2. С фиксацией напряжения в базе.
3. Стабилизация коллекторной цепи.
4. Стабилизация эмиттерной цепи.
5. УНЧ дифференциального типа.
6. Двухтактные усилители НЧ.

Чтобы понять принцип работы всех этих схем, нужно хотя бы вкратце рассмотреть их особенности.

Фиксация тока в цепи базы

Это самая простая схема усилительного каскада, которая может использоваться в практике. За счет этого ее широко используют начинающие радиолюбители - повторить конструкцию не составит труда. Цепи базы и коллектора транзистора запитаны от одного источника, что является преимуществом конструкции.

Но у нее имеются и недостатки - это сильная зависимость нелинейных и линейных параметров УНЧ от:

1. Питающего напряжения.
2. Степени разброса параметров полупроводникового элемента.
3. Температуры - при расчете усилительного каскада обязательно нужно учитывать этот параметр.

Недостатков довольно много, они не позволяют применять такие устройства в современной технике.

Стабилизация напряжения базы

В режиме А могут работать усилительные каскады на биполярных транзисторах. А вот если осуществить фиксацию напряжения на базе, то можно использовать даже полевики. Только это будет фиксация напряжения не базы, а затвора (названия выводов у таких транзисторов другие). В схему вместо биполярного элемента устанавливается полевой, ничего переделывать не придется. Нужно только подобрать сопротивления резисторов.

Стабильностью такие каскады не отличаются, основные его параметры при работе нарушаются, причем очень сильно. Ввиду крайне плохих параметров такая схема не используется, вместо нее лучше на практике применить конструкции со стабилизацией цепей коллектора или эмиттера.

Стабилизация коллекторной цепи

При использовании схем усилительных каскадов на биполярных транзисторах со стабилизацией коллекторной цепи получается сохранить на его выходе около половины от значения напряжения питания. Причем происходит это в относительно большом диапазоне питающих напряжений. Делается это за счет того, что имеется отрицательная обратная связь.

Такие каскады получили широкое распространение в усилителях высоких частот - УРЧ, УПЧ, буферных устройствах, синтезаторах. Такие схемы применяются в передатчиках (включая мобильные телефоны). Сфера применения таких схем очень большая. Конечно, в мобильных схема реализуется не на транзисторе, а на составном элементе - один маленький кристалл кремния заменяет огромную схему.

Эмиттерная стабилизация

Эти схемы можно часто встретить, так как у них имеются явные преимущества - высокая стабильность характеристик (если сравнивать со всеми теми, о которых было рассказано выше). Причина - очень большая глубина обратной связи по току (постоянному).

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, выполненные со стабилизацией эмиттерной цепи, используются в радиоприемниках, передатчиках, микросхемах для повышения параметров устройств.

Дифференциальные усилительные устройства

Дифференциальный усилительный каскад используется довольно часто, у таких устройств очень высокая степень устойчивости к помехам. Для питания таких устройств можно применять низковольтные источники - это позволяет уменьшить габариты. Дифусилитель получается, если соединить эмиттеры двух полупроводниковых элементов на одном сопротивлении. «Классическая» схема дифференциального усилителя представлена на рисунке ниже.

Такие каскады очень часто применяются в интегральных микросхемах, операционных усилителях, УПЧ, приемниках ЧМ-сигналов, радиотрактах мобильных телефонов, смесителях частот.

Двухтактные усилители

Двухтактные усилители могут работать в практически любом режиме, но чаще всего используется В. Причина - эти каскады устанавливаются исключительно на выходах устройств, а там нужно повышать экономичность, чтобы обеспечить высокий уровень КПД. Реализовать схему двухтактного усилителя можно как на полупроводниковых транзисторах с одинаковым типом проводимости, так и с разным. «Классическая» схема двухтактного представлена на рисунке ниже.

Независимо от того, в каком режиме работы усилительный каскад находится, получается существенно уменьшить количество четных гармоник во входном сигнале. Именно это является главной причиной широкого распространения такой схемы. Двухтактные усилители часто используются в КМОП-элементах и прочих цифровых элементах.

Схема с общей базой

Такая схема включения транзистора встречается относительно часто, она является четырехполюсником - два входа и столько же выходов. Причем один вход является одновременно и выходом, соединяется с выводом «база» транзистора. К ней подключается один вывод от источника сигнала и нагрузка (например, динамик).

Чтобы запитать каскад с общей базой, можно применить:

1. Схему фиксации тока базы.
2. Стабилизацию напряжения базы.
3. Коллекторную стабилизацию.
4. Эмиттерную стабилизацию.

Особенность схем с общей базой - очень низкое значение входного сопротивления. Оно равно сопротивлению эмиттерного перехода полупроводникового элемента.

Схема с общим коллектором

Конструкции такого типа тоже используются довольно часто, это четырехполюсник, у которого два входа и столько же выводов. Очень много сходств со схемой усилительного каскада с общей базой. Только в этом случае коллектор является общей точкой подключения источника сигнала и нагрузки. Среди преимуществ такой схемы можно выделить ее высокое сопротивление по входу. Благодаря этому она часто применяется в усилителях низких частот.

Для того чтобы запитать транзистор, необходимо использовать стабилизацию по току. Для этого идеально подходит эмиттерная и коллекторная стабилизация. Нужно учесть, что такая схема не может инвертировать входящий сигнал, не усиливает напряжение, именно по этой причине ее называют «эмиттерным повторителем». Такие схемы имеют очень большую стабильность параметров, глубина ОС по постоянному току (обратной связи) почти 100%.

Общий эмиттер

Усилительные каскады с общим эмиттером имеют очень большой коэффициент усиления. Именно с использованием таких схемных решений строятся высокочастотные усилители, используемые в современной технике - системах GSM, GPS, в беспроводных сетях Wi-Fi. У четырехполюсника (каскада) имеется два входа и столько же выходов. Причем эмиттер соединен одновременно с одним выводом нагрузки и источника сигнала. Для питания каскадов с общим эмиттером желательно использовать двухполярные источники. Но если это сделать невозможно, допускается использование однополярных источников, только добиться высокой мощности вряд ли получится.

Однокаскадный усилитель ЗЧ (рис. 1).

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора. Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик - он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена. Тем не менее его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда Х1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В - четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда Х3, Х4. Делитель R1 R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усилителя.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллектора транзистора. Соответственно увеличится падение напряжения на резисторе R3. В итоге уменьшится ток эмиттера, а значит, и ток коллектора - он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада - головной телефон сопротивлением 60...100 Ом.

Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1, например, пинцетом - в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки переменного тока. Ток коллектора транзистора составляет около 3 мА.

Двухкаскадный усилитель ЗЧ на транзисторах разной структуры (рис. 2).

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации - резистор R4, "работающий" аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции.

Усилитель более "чувствительный" по сравнению с однокаскадным - коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 - в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов, например, от микрофона. И конечно, он позволит значительно усилить сигнал ЗЧ, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Двухкаскадный усилитель ЗЧ на транзисторах одинаковой структуры (рис. 3).

Здесь также использована непосредственная связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций. Допустим, что ток коллектора транзистора VT1 уменьшился. Падение напряжения на этом транзисторе увеличится, что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, включенном в цепи эмиттера транзистора VT2. Благодаря связи транзисторов через резистор R2, увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его тока коллектора. В итоге первоначальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.

Чувствительность усилителя весьма высока - коэффициент усиления достигает 100. Усиление в сильной степени зависит от емкости конденсатора С2 - если его отключить, усиление снизится. Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.

Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, с электретным микрофоном и другими источниками слабого сигнала. Ток, потребляемый усилителем, - около 2 мА.

Двухтактный усилитель мощности ЗЧ (рис. 4).

Он выполнен на транзисторах разной структуры и обладает усилением по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может быть 0,1 В.

Усилитель двухкаскадный: первый собран на транзисторе VT1, второй - на VT2 и VT3 разной структуры. Первый каскад усиливает сигнал ЗЧ по напряжению, причем обе полуволны одинаково. Второй - усиливает сигнал по току, но каскад на транзисторе VT2 "работает" при положительных полуволнах, а на транзисторе VT3 - при отрицательных.

Режим по постоянному току выбран таким, что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада равно примерно половине напряжения источника питания. Это достигается включением резистора R2 обратной связи. Ток коллектора входного транзистора, протекая через диод VD1, приводит к падению на нем напряжения, которое является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров), - оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.

Нагрузка (несколько параллельно включенных головных телефонов либо динамическая головка) подключена к усилителю через оксидный конденсатор С2. Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8...10 Ом), емкость этого конденсатора должна быть минимум вдвое больше.

Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада - резистора R4. Его верхний по схеме вывод соединен не с плюсом питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.

Это так называемая цепь вольтодобавки, при которой в базовую цепь выходных транзисторов поступает небольшое напряжение ЗЧ положительной обратной связи, выравнивающее условия работы транзисторов.

Двухуровневый индикатор напряжения (рис. 5).

Такое устройство можно использовать, например, для индикации "истощения" батареи питания либо индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора позволит продемонстрировать принцип его работы.

В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 погашены. При перемещении движка резистора вверх, напряжение на нем увеличивается. Когда оно достигнет напряжения открывания транзистора VT1, вспыхнет светодиод HL1.

Если продолжать перемещать движок, наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VT2. Вспыхнет и светодиод HL2. Иными словами, малое напряжение на входе индикатора вызывает свечение только светодиода HL1, а большее - обоих светодиодов.

Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, заметим, что вначале гаснет светодиод HL2, а затем - HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6: при увеличении их сопротивлений яркость падает.

Чтобы подключить индикатор к реальному устройству, нужно отсоединить верхний по схеме вывод переменного резистора от плюсового провода источника питания и подать контролируемое напряжение на крайние выводы этого резистора. Перемещением его движка подбирают порог "срабатывания" индикатора.

При контроле только напряжения источника питания допустимо установить на месте HL2 светодиод зеленого свечения (АЛ307Г).

Трехуровневый индикатор напряжения (рис. 6).

Он выдает световые сигналы по принципу меньше нормы - норма - больше нормы. Для этого в индикаторе использованы два светодиода красного свечения и один - зеленого.

При некотором напряжении на движке переменного резистора R1 ("напряжение в норме") оба транзистора закрыты и "работает" только зеленый светодиод HL3. Перемещение движка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения ("больше нормы") на нем. Открывается транзистор VT1. Светодиод HL3 гаснет, а HL1 зажигается. Если движок перемещать вниз и уменьшать таким образом напряжение на нем ("меньше нормы"), транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется. Будет наблюдаться такая картина: вначале погаснет светодиод HL1, затем зажжется и вскоре погаснет HL3 и в заключение вспыхнет HL2.

Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от погасания одного светодиода к зажиганию другого: еще не погас полностью, например, HL1, а уже зажигается HL3.

Триггер Шмитта (рис. 7).

Как известно, это устройство используется обычно для преобразования медленно изменяющегося напряжения в сигнал прямоугольной формы.

Когда движок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении, транзистор VT1 закрыт. Напряжение на его коллекторе высокое. В результате транзистор VT2 оказывается открытым, а значит, светодиод HL1 зажжен. На резисторе R3 образуется падение напряжения.

Медленно перемещая движок переменного резистора вверх по схеме, удастся достичь момента, когда произойдет скачкообразное открывание транзистора VT1 и закрывание VT2. Это случится при превышении напряжения на базе VT1 падения напряжения на резисторе R3. Светодиод погаснет.

Если после этого перемещать движок вниз, триггер возвратится в первоначальное положение - вспыхнет светодиод. Это произойдет при напряжении на движке меньшем, чем напряжение выключения светодиода.

Ждущий мультивибратор (рис. 8).

Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала. При этом мультивибратор формирует импульс "своей" длительности независимо от длительности входного. Убедимся в этом, проведя эксперимент с макетом предлагаемого устройства.

В исходном состоянии транзистор VT2 открыт, светодиод HL1 светится. Достаточно теперь кратковременно замкнуть гнезда Х1 и Х2, чтобы импульс тока через конденсатор С1 открыл транзистор VT1. Напряжение на его коллекторе снизится, и конденсатор С2 окажется подключенным к базе транзистора VT2 в такой полярности, что тот закроется. Светодиод погаснет.

Конденсатор начнет разряжаться, ток разрядки потечет через резистор R5, удерживая транзистор VT2 в закрытом состоянии. Как только конденсатор разрядится, транзистор VT2 вновь откроется и мультивибратор перейдет снова в режим "ожидания".

Длительность формируемого мультивибратором импульса (продолжительность нахождения в неустойчивом состоянии) не зависит от длительности запускающего, а определяется сопротивлением резистора R5 и емкостью конденсатора С2. Если подключить параллельно С2 конденсатор такой же емкости, светодиод вдвое дольше будет оставаться в погашенном состоянии.

Бывает, что вам нужно проследить за током, потребляемым нагрузкой, и в случае его превышения - вовремя отключить источник питания, чтобы не вышли из строя нагрузка или источник. Для выполнения подобной задачи служат сигнализаторы, извещающие о превышении нормы потребляемого тока. Особую роль выполняют такие устройства при коротком замыкании в цепи нагрузки.

Каков принцип работы сигнализатора? Понять его позволит предлагаемый макет устройства, выполненный на двух транзисторах. Если резистор R1 отключен от гнезд Х1, Х2, нагрузкой для источника питания (его подключают к гнездам Х3, Х4) будет цепь из резистора R2 и светодиода HL1 - он горит, информируя о наличии напряжения на гнездах Х1 и Х2. При этом ток протекает через датчик сигнализатора - резистор R6. Но падение напряжения на нем невелико, поэтому транзистор VT1 закрыт. Соответственно закрыт и транзистор VT2, светодиод HL2 погашен. Стоит подключить к гнездам Х1, Х2 дополнительную нагрузку в виде резистора R1 и увеличить таким образом общий ток, как падение напряжения на резисторе R6 увеличится. При соответствующем положении движка переменного резистора R7, которым устанавливают порог срабатывания сигнализатора, транзисторы VT1 и VT2 откроются. Вспыхнет светодиод HL2 и просигнализирует о критической ситуации. Светодиод HL1 продолжает светиться, сообщая о наличии напряжения на нагрузке.

А что будет при коротком замыкании в цепи нагрузки? Для этого достаточно замкнуть (на короткое время) гнезда Х1 и Х2. Снова вспыхнет светодиод HL2, а HL1 погаснет.

Движок переменного резистора можно установить в такое положение, при котором сигнализатор не будет реагировать на подключение резистора R1 сопротивлением 1 кОм, но "сработает", когда на месте дополнительной нагрузки окажется резистор, скажем, сопротивлением 300 Ом (он входит в состав набора).

Приставка "Цветной звук"

Одна из популярных радиолюбительских конструкций - светодинамическая установка (СДУ). Ее еще называют "цветомузыкальной приставкой". При подключении такой приставки к источнику звука, на ее экране появляются самые причудливые цветовые всполохи.

Очередная конструкция набора - простейшее устройство, позволяющее познакомиться с принципом получения "цветного звука".

На входе приставки стоят два частотных фильтра - С1 R4 и R3C2. Первый из них пропускает высшие частоты, а второй - низшие. Выделенные фильтрами сигналы поступают на усилительные каскады, нагрузками которых являются светодиоды. Причем в канале высших частот стоит светодиод HL1 зеленого цвета свечения, а в канале низших частот - красного (HL2).
Источником сигнала звуковой частоты может стать, например, радиоприемник или магнитофон. К динамической головке одного из них нужно подключить два провода в изоляции и соединить их с входными гнездами Х1 и Х2 приставки. Прослушивая воспроизводимую мелодию, вы будете наблюдать вспышки светодиодов. Кроме того, нетрудно различать "реакцию" светодиодов на звуки той или иной тональности. Скажем, при звуках барабана будет вспыхивать светодиод красного цвета свечения, а звуки скрипки вызовут вспышки светодиода зеленого цвета. Яркость светодиодов устанавливают регулятором громкости источника звукового сигнала.

Индикатор температуры

Всем известен обычный ртутный термометр, столбик которого поднимается при повышении температуры тела. В данном случае датчиком является ртуть, расширяющаяся с нагревом.

Существует немало электронных компонентов, также чувствительных к температуре. Они порой становятся датчиками в приборах, предназначенных для измерения температуры, скажем, окружающей среды, или индикации превышения ее заданной нормы.

В качестве такого термочувствительного элемента в предлагаемом макете использован кремниевый диод VD1. Он включен в эмиттерную цепь транзистора VT1. Начальный ток через диод задают (переменным резистором R1) такой, чтобы светодиод HL1 едва светился.

Если теперь прикоснуться к диоду пальцем или каким-либо нагретым предметом, его сопротивление уменьшится, а значит, уменьшится и падение напряжения на нем. В итоге увеличится коллекторный ток транзистора VT1 и падение напряжения на резисторе R3. Транзистор VT2 начнет закрываться, a VT3, наоборот, открываться. Яркость светодиода будет возрастать. После охлаждения диода яркость светодиода достигнет первоначального значения.

Аналогичные результаты удастся получить, если нагревать транзистор VT1. А вот нагрев транзистора VT2, а тем более VT3 на яркости светодиода практически не скажется - слишком мало изменение тока через них.

Эти эксперименты показывают, что параметры полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) зависят от температуры окружающей среды.

Список радиоэлементов