Усилитель на транзисторах. Теория и практика.

В наш век бурного развития электроники, когда технологии достигли достаточно больших высот, многие пренебрегают самыми элементарными познаниями. Подумайте, смогли бы вы сейчас собрать простой усилитель низкой частоты на транзисторах? Предлагаю читателям запастись попкорном или чашкой вкусного чая и ознакомиться с результатами моих исследований в этом вопросе:)

На самом деле, в моей задаче усилитель был промежуточным звеном, конечная цель — прибор, позволяющий определить наличие электрического поля. Проще говоря, искатель скрытой проводки. Одеваешь наушники, проносишь его рядом с любым работающим прибором и слышишь фон. Если это 50Гц, то соответственно гудение, если импульсный блок питания, то писк. Допустим, если компьютер не заземлен, то когда проносишь прибор рядом, то такой свист и пердеж слышен, что становится не по себе. После заземления корпуса, практически полная тишина. Так что рекомендую заземляться.

Суть устройства проста, мотается катушка из обыкновенной медной проволоки, лучше на ферритовом стержне, чем больше витков, тем больше сигнал. Такой своеобразный датчик. Когда подносишь датчик к источнику переменного электрического поля, в катушке наводится ЭДС, остается слушать этот сигнал в наушниках. Но как всегда, все не так просто.

Проблема в том, что амплитуда сигнала выдаваемого датчиком очень мала. На практике, даже на пределе осциллографа 10мВ сигнал неразличим. Раскачать такой сигнал TDA подобными УМЗЧ у меня не получилось, на фоне помех полезный сигнал смешивается в кашу. Благо был старинный образец прибора. Содрать схему оказалось не сложно, а вот повторить ее нереально, ибо используемые транзисторы уже давным давно сняты с производства. Поэтому я решил сделать простой усилитель.

Казалось бы принцип работы каскада с отрицательной обратной связью, вполне понятен, да и опыт сборки усилителей, думаю у каждого имеется. Но, оказалось что повторить чужой усилитель и сделать свой, это совершенно разные вещи. Кстати вот он этот каскад.

Главной проблемой оказалось, то что эти два резистора сразу влияют на несколько параметров и метод тупого подбора положительного результата не принес. Но, каково было мое удивление, когда я начал поиски литературы. Найти хоть сколько вменяемую литературу по этому вопросу, мне так и не удалось, везде одни и те же, слизанные друг у друга общие слова. Про тупые советы с форумов промолчу. Странно, 21 век, никто не знает, как рассчитать хоть приблизительно усилитель на транзисторах. Короче, мировой заговор :).

Начнем с общеизвестных истин, когда входное напряжение ниже ~0,7В, транзистор закрывается, из-за этого возникают искажения. Чтобы избежать этого применяют разные ухищрения, в зависимости от этого, усилители относятся к разным классам. Данный усилитель относится к классу «А». Характерно то, что даже при отсутствии сигнала, транзистор всегда приоткрыт. При этом выходной сигнал колеблется не относительно нуля, а относительно некого смещенного напряжения. Соответственно искажения, отсутствуют, расплата — низкий КПД.

Сначала нужно прикинуть, относительно какого напряжения будет колебаться выходной сигнал. Напряжение питания (Uпит) 3 аккумулятора по 1,2В, т.е. верхний предел 3,6В, нижний порог 0,7В. Таким образом, при отсутствии всякого сигнала на коллекторе(выходе) должно быть ((3,6-0,7)/2)+0,7=2.1В.

Отключаем все от входа и выхода и резисторами пытаемся выставить это напряжение на коллекторе.

Условно говоря, резистором R2 мы регулируем смещение в большом диапазоне, как бы грубо, а резистором R1 более точно. При этом нельзя забывать, что резистор R2 еще и задает ток покоя, тот самый который будет греть транзистор впустую. А резистор R1, кроме того задает отрицательную обратную связь.

В итоге, при помощи симулятора получилось что для R1=620кОм, R2=1,5кОм. Ток покоя почти 1мА. Далее все просто, через конденсаторы, подаем на вход сигнал амплитудой например 20мВ с генератора. В результате сигнал без искажений раскачался до амплитуды 800мВ.

Теперь немного про конденсаторы. В прошлый раз уже писал про них, на входе кондер нужен, чтобы постоянная составляющая от источника питания не шла через датчик. На выходе кондер развязывает каскады и убирает постоянную составляющую, если не прав поправьте 🙂

Выбор конденсаторов. Есть формулы, но предлагаю вам на практике провести такой эксперимент, берете наушники, в которых более менее нормально слышно бас. Последовательно им подсоедините конденсатор и послушайте какую нибудь нормальную музыку, где играет весь спектр частот и басы и перкуссия. Для примера сначала возьмите 1мкФ, а затем 0,01мкФ. Во втором случае бас будет слышно намного хуже, а верха будут играть более менее нормально.

Для своего случая с прибором, на практике было установлено, что 50Гц слишком громко слышно, поэтому на вход, опять же опытным путем, я поставил 22нФ, а на выход 1мкФ.

Думаете все? Подключил датчик, предусилитель и на выход подцепил наушники, но не тут то было. Мы усилили сигнал только по напряжению, если подключить нагрузку в виде наушников, то сигнал «просядет», на выходе ничего не увидишь. Как минимум нужно городить еще один каскад усиливающий по току. Я применил небольшую хитрость, в запасе были наушники ТА-56 это советский военный олдскул, у них общее сопротивление 100 Ом. Поэтому раскачать их проще. Здесь резистор, в обратной связи, пришлось подбирать уже когда собирал схему вживую.

В результате, схема собранная на железе вполне соответствовала симулятору. Кроме того наушники достаточно громко звучали, поэтому я решил поубавить амплитуду. Для этого ввел резистор R5. Соотношение R1/R5 задает коэффициент усиления каскада. Получилась такая вот схемка.

К сожалению фотки железа сделать не успел( прибор оторвали с руками 🙂 Но можно поверить на слово, все работает шикарно.