Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2010 № 04

(Продолжение следует)

В прошлом номере журнала мы рассказали об усилителе мощности звуковой частоты (УМЗЧ), рассчитанном на вполне конкретные параметры: напряжение питания, сопротивление громкоговорителя или телефонов, выходную мощность. А как быть, если эти параметры вас не устраивают и вам хотелось бы построить УМЗЧ с другой выходной мощностью (возможно, гораздо большей) и другим напряжением питания? Искать описание другой конструкции? Мы предлагаем другой путь — рассчитайте УМЗЧ сами, в соответствии с вашими требованиями! А что касается схем усилителей, то они довольно стандартны, и лишь иногда требуется незначительная коррекция, описание которой несложно найти, посмотрев материалы других разработок.

Стандартным, в частности, стало построение выходного каскада на комплементарной паре транзисторов с разной проводимостью: p-n-p и n-p-n . Упрощенная схема каскада с однополярным питанием (+Uп относительно общего провода) дана на рисунке 1.

По сути, он является двухтактным эмиттерным повторителем, и его выходное напряжение (точка В ) в точности повторяет входное (точка А ). Но при однополярном питании входное напряжение не может быть отрицательным, иначе работоспособность каскада нарушится — транзистор VT1 будет полностью заперт, a VT2 открыт. Поэтому на вход должна быть подана «подставка» — постоянная составляющая напряжения, равная половине напряжения питания, а на нее уже наложен звуковой сигнал (осциллограмма на схеме слева).

Форма напряжения в точке В такая же, но на громкоговоритель нужно подать только звуковой сигнал, поэтому нужен разделительный конденсатор С1 большой емкости.

Он заряжается до половины напряжения питания и снимает «подставку», не препятствуя прохождению колебаний звуковой частоты. Осциллограмма напряжения на громкоговорителе (в точке С ) отображает колебания звуковых частот, положительные и отрицательные относительно общего провода.

Теперь мы можем связать напряжение питания Uп, сопротивление нагрузки (громкоговорителя) Rни выходную мощность Рнпростыми формулами. Как видим, амплитуда колебаний в точке С (осциллограмма справа) не может превзойти Uп/2. Тогда максимальная амплитуда тока через громкоговоритель, по закону Ома, равна Uп/2Rн. Мощность переменного тока равна половине произведения амплитуд тока и напряжения, поэтому Рн = Uп∙2/4Rн.

Таким образом, максимальная (пиковая) мощность УМЗЧ полностью определена напряжением питания и сопротивлением громкоговорителя. Поясним примером УМЗЧ автомобильного приемника или магнитолы. Напряжение питания 12 В, сопротивление нагрузки 4 Ома. Амплитуда напряжения ЗЧ составит 6 В, амплитуда тока — 1,5 А. Максимальная выходная мощность — 4,5 Вт.

Для тех, кто слабо знаком с измерениями на переменном токе, поясним, что различают эффективные и амплитудные значения переменных напряжения и тока. Пользуясь эффективными значениями, мощность определяют так же, как и на постоянном токе, простым перемножением напряжения и тока. Но эффективное значение составляет лишь 0,707 от амплитудного. Например, напряжение сети 220 В — это эффективное значение. А амплитуда сетевого напряжения в вашей розетке превосходит 300 В. Но мощность, выделяемая переменным током, быстро изменяется от нуля при переходе переменного напряжения через нуль до максимума на пиках. Потому-то приходится вводить коэффициент 1/2 при расчете мощности через амплитудные значения.

Вы можете использовать приведенные данные и для самодельного домашнего усилителя с 12-вольтовым питанием. Когда-то такие усилители с единственным динамиком вполне устраивали владельцев и «Москвичей» и «Жигулей». Времена меняются, требования растут, теперь и домоседы и автомобилисты хотят все больших мощностей, хотя, на взгляд автора, вряд ли это чем-нибудь оправдано.

В домашних усилителях повышают напряжение питания, и выходная мощность растет пропорционально его квадрату, то есть весьма быстро. Так при 24 В получается уже 18 Вт, а при 36 В — 40 Вт.

В автомобиле с его стандартным 12-вольтовым аккумулятором напряжение питания усилителя повысить трудно и дорого — нужен специальный преобразователь. Стали искать другие возможности, в частности, разработали громкоговорители с сопротивлением 2 Ом. Это позволило повысить мощность УМЗЧ до 9 Вт, но КПД упал, поскольку возросли потери в соединительных проводах. Нашли другой, более изящный, путь повышения выходной мощности вчетверо при тех же напряжении питания и сопротивлении нагрузки.

Речь идет о мостовом УМЗЧ, представляющем собой, по сути, два одинаковых усилителя, питаемые сигналом в противофазе и присоединенные к двум выводам громкоговорителя (рис. 2).

Когда один усилитель отрабатывает положительную полуволну ЗЧ и напряжение в точках А и В приближается к напряжению питания, другой усилитель отрабатывает отрицательную и напряжение в точках С и D приближается к нулю. В результате амплитуда напряжения на громкоговорителе возрастает вдвое, до 12 В, а выходная мощность вчетверо — до 18 Вт.

И еще одно достоинство: поскольку постоянная составляющая напряжений в точках В и С одинакова (половина напряжения питания), разделительный конденсатор большой емкости оказывается не нужен. По мостовой схеме построены УМЗЧ большинства современных автомагнитол.

Следующий этап проектирования вашего собственного усилителя — выбор транзисторов для оконечного каскада по их предельно допустимым параметрам. Коллекторное напряжение должно быть не меньше напряжения питания, а допустимый ток — не меньше амплитуды тока в нагрузке.

А мощность, рассеиваемая выходными транзисторами, должна быть, по крайней мере, не меньше, чем выходная мощность усилителя. Ранее выпускали довольно много германиевых транзисторов средней и большой мощности, и среди них удавалось выбрать подходящие. Теперь они сняты с производства, и приходится использовать кремниевые. Они менее подходят для УМЗЧ, поскольку у них выше порог открывания (0,5 В вместо 0,15 В) и потому труднее устранить искажения типа «ступенька».

Кроме того, они более высокочастотные, что для УМЗЧ с полосой не более 20 кГц бесполезно, а иногда даже вредно — может возникнуть самовозбуждение на высоких и сверхвысоких частотах, которое не то что устранить, даже заметить бывает трудно.