milan's pages

Egyszerû tranzisztoros erõsítõ készítése
Írta: Dr. Borivoje Jagodiæ
Az eredeti cikk a szerzõ oldalán található.

Egyszerû tranzisztoros végerõsítõ számítása

Ez az egyszerû írás egy (szó szerint) alap tranzisztoros végerõsítõ építésérõl és annak számításáról szól, mellyel mostanában széles körben találkozni, illetve sokan kértek egy olyan leírást, mellyel segíthetünk a fiataloknak és a kevesebb tapasztalattal rendelkezõ rajongóknak - a barkácsolni vágyóknak.

Egy ilyen áramkör konstrukciója nem "misztérium", még ha az olvasók nagy részének valószínûleg úgy tûnik. A bemutatáshoz kiválasztott erõsítõ típusa egy "tiszta" alap koncepció, mely napjainkban nagyon gyakran látható.

A következõ részekbõl épül fel: differenciál bemenõ fokozat, feszültségerõsítõ fokozat A-osztályban áramgenerátoros meghajtással, komplementer meghajtó párral valamint a kimenõ komplementer pár emitter-követõ konfigurációban. Még egyszer megjegyzem: a számítások elég egyszerûek, de csak kezdésnek... ez az elsõ lépéseknél kimondottan hasznos, mert a tervezett erõsítõ biztosan mûködni fog, ha az elõzetes számításokat elvégezzük és utána kezdjük el a gyakorlatban építeni.

Ez nem lesz egy "High-End" dizájn, de õszintén szólva, az ELSÕ LÉPÉSEK AZ AUDIO ELEKTRONIKÁBAN NEM A HIGH-END-DEL KEZDÕDNEK!!!... (biztosan sokan szeretnék elsõre elkészíteni a legjobb hangú erõsítõt... és hát így kezdõdnek a nagyobb csalódások, mert a High-End-hez bizony sok tudás és gyakorlat kell!)



Lehet, hogy némelyeknek nem lesz logikus, de nekem a legjobb út a kimenettõl a bemenet felé menni. Némely dolgokat célszerû már az elején feltételezni, vagy elõre elõírtnak tekinteni. Tehát mondjuk, készítünk egy olyan erõsítõt, mely AB osztályban dolgozik és 50 W RMS teljesítményt ad le 8 ohmos terhelésen. Elõször szükséges a feszültség csúcsértékének kiszámítása a kimeneten illetõleg a hangszórón, amit így számítunk:



s megkapjuk az áram csúcsértékét is:



Hogy kiszámoljuk a szükséges tápfeszültséget, még meg kell becsülni a további feszültségeséseket az R1, T2, T4, T5 és R5 alkatrészeken. Az R1, T2 és T4-en összességében kb. 2 V esik. A kollektor feszültség maximális negatív amplitúdójánál a T5 és R5-ön egyenként számolhatunk 1,5 V-al, mindez összességében kb. 3 V. Ugyanígy nem szabad elfeledkeznünk arról, hogy az erõsítõk nagy része stabilizálatlan tápfeszültséggel van táplálva, mely teljes terhelésnél még biztosan esik 2,5 V-al (még ha nagyon biztonságosra is van tervezve). Mindezen feszültségesések összessége adja a szükséges feszültséget a tápegység negatív oldalán (amikor nincs kivezérlés), ami összességében:



Ugyanekkora feszültség kell majd a pozitív oldalon is, ami azt jelenti, hogy a tápegység kimenetének +- 36V egyenfeszültséget kell szolgáltatnia terheletlenül.

Az eddig kiszámolt eredmények tükrében, kiválaszthatjuk a megfelelõ kimenõ tranzisztorokat. Tudván, hogy a kollektoráram csúcsértéke 3,5 A, olyan tranzisztort válasszunk, aminek a legnagyobb árama legalább kétszer akkora, tehát minden olyan megfelel, amelynek kollektor-emitter árama 7-10 A. A maximális kollektor-emitter feszültség a kimenõ tranzisztoron akkor van, amikor a komplementer tranzisztor teljes kivezérlésen van és ez a feszültség ekkor:



A biztonságos mûködés miatt ezt még emeljük meg 30%-al, és így megkapjuk, hogy a kiválasztandó tranzisztor Uce feszültsége legalább 90V legyen.

Még egy fontos paraméter van a kimenõ tranzisztor kiválasztásánál, ami a disszipáció. Ezt így számoljuk:



És ez az egy tranzisztorra értett disszipáció. Nem szabad elfelejteni, hogy az AB osztályú mûködés miatt a tranzisztoron nyugalmi áram is folyik, ami nem ritkán 100 mA is lehet. 36 V-os feszültséggel számolva a disszipáció nyugalmi áramnál 3,6 W, amit hozzá kell adni a 16,2 W-hoz. Így megkapjuk, hogy 20 W disszipációval számolhatunk tranzisztoronként. A mai nagy tranzisztor választék mellett nem okozhat problémát a megfelelõ tranzisztor-pár kiválasztása.

A T3 és T4 meghajtó tranzisztorok paramétereinek meghatározásához abból a feltételezésbõl kell kiindulnunk, miszerint a kimenõ tranzisztorok áramerõsítési tényezõje 30, ami elég reális, sõt szerény érték a mai kimenõ tranzisztoroknál. Ezt az értéket felhasználva ki tudjuk számolni a maximális kollektoráramot a meghajtó tranzisztorokon:



A biztonság kedvéért olyan tranzisztort használjunk, ami legalább a kétszeresét el tudja viselni, vagyis 250mA-t, de még jobb, ha még nagyobb áramút választunk, ami a modern meghajtó tranzisztoroknál nem lehet probléma.
A maximális kollektor-emitter feszültséget a meghajtó tranzisztoroknál ugyanolyanra választjuk, mint a kimenõ tranzisztoroknál, tehát kb. 90 V-ra. Mivel a gyakorlatban a feszültség ugyanakkora, mint a kimenõ tranzisztoroké, a disszipáció itt annyival kisebb lesz, mint amennyivel kevesebb áram folyik át rajtuk, vagyis a "ß" áramerõsítési tényezõvel arányos. Tehát:



A gyakorlatban a meghajtó tranzisztorok áramerõsítési tényezõje gyakran 50, s e segítséggel számolható a T3 és T4 bázisárama, ami:



Ez az adat segít a T5 kollektoráramának meghatározásához, aminek a lineáris, A osztályú feszültségerõsítõ fokozatban van feladata. Az osztály, amiben dolgozik, vezet minket arra, hogy olyan kollektor áramot biztosítsunk neki, hogy mindig a lineáris tartományban maradjon. Hogy ezt biztosítsuk, de számba véve a T3 és T4 bázisáramát is, 2-5x nagyobb áramot fogunk használni a bázisáramnál, mondjuk 10 mA-t. Ez a "tartalék" több szempont miatt is szükséges, fõként a külön tény miatt, hogy a meghajtó- és kimenõ tranzisztorok, együtt, mint rendszer, nem mutatnak konstans terhelést az elõzõ fokozat felé, mivel ezen tranzisztorok áramerõsítésük a rajtuk átfolyó áram függvényében változik, ami az erõsítõ mûködése folyamán ugyebár folyamatosan be is következik.

T5 a kollektoráramát egy állandó áramú forráson (áramgenerátor, CCS - constant current source) keresztül a T6-al "biztosítjuk", és mivel az áram e tranzisztor kollektor-emitter körén megy át, ezért át kell folynia az R2 emitter-ellenálláson, s ha azt vesszük, hogy rajta 1,5 V esik, akkor megkaphatjuk annak értékét.



Ahhoz, hogy T6 áramgenerátorként tudjon mûködni, a bázisát állandó, konstans feszültségen kell tartani, ami nem függ az Ub feszültségének változásától, illetve esésétõl. Ezt egy, a bázisára kötött Zener diódával érjük el. E Zener dióda feszültsége a T6 bázis-emitter feszültségnyivel kell nagyobbnak lennie az R2-n esõ feszültségnél, amit így számolhatunk:



Hogy a kapcsok között a konstans feszültséget mérjünk, a legtöbb kis teljesítményû Zeneren "átküldünk" 5 mA-t, vagy egy kicsit többet is. Ez az áram átmegy R4-en is, mely értékét a következõképpen számoljuk:



A feszültsége a két vége között 36 V - 2,1 V = 33,9 V lesz, ami 5 mA-es áram mellett 0,17 W-ot fog disszipálni, ezért ajánlott az ellenállás teljesítményét 1/2 W-ra választani.

A T5 kollektor árama az R5 emitter ellenálláson is átfolyik és az választjuk, hogy rajta 1,2V essen, ezért értékét így számoljuk:



Az R3 ellenállás végein akkora feszültség kell, amennyi ahhoz szükséges, hogy a kimenõ tranzisztorok éppen vezessenek. E feszültség nagyságához tudjuk, hogy a szilícium tranzisztoroknál a bázis 0,7 V-al magasabb (az NPN-nél) vagy alacsonyabb (a PNP-nél) potenciálon kell, hogy legyen, mint az emitter.
Mivel az emitterek a gyakorlatban össze vannak kötve, ezért a bázisuk között 2x0,7V azaz 1,4V szükséges, hogy vezessenek. A gyakorlatban elhanyagolhatjuk a feszültségesést az R1 emitter ellenállásokon, mert ezeken a feszültségesés a nyugalmi áramnál nagyon kicsi (10-20 mV), azok kicsi értéke miatt. Tehát tudjuk, hogy az R3-on 1,4 V feszültségesés kell, valamint felhasználva, hogy a meghajtó tranzisztorok nyugalmi árama kb. 4 mA és mindez átmegy R3-on, annak értékét a következõképpen számíthatjuk ki:



Az értékét a 330 Ohm-hoz legközelebbi értékhez kell kiválasztani az értéksorból, ami nem befolyásolja számottevõen a felhasználást, mivel emiatt egy kicsivel magasabb lesz a vezérlõ tranzisztorok nyugalmi árama, ami inkább csak használ, mintsem zavar.

És most foglalkozzunk egy kicsit a T7-bõl és T8-ból felépített bemeneti differenciál fokozattal. A torzítások legnagyobb része (de nem mind!) és a jelváltozási sebesség "slow rate" paraméter is - ennél a típusú erõsítõnél -, legfõképpen ettõl a fokozattól függ, ezért kifizetõdõ több figyelmet szentelni rá. A differenciálerõsítõs bemeneti fokozattal rendelkezõ erõsítõk - vagy "long tailed pair", ahogy az Interneten az angol nyelvû irodalmakban sokszor található - feszültség visszacsatolással dolgoznak, mely a bemeneti differenciálerõsítõ pár egyik "bemenetére" van kötve (a "bemeneteken" a differenciálerõsítõ pár tranzisztorainak bázisát értjük). Ez az áramkör a bemenõ jel és az erõsítõ hangszórókimenetérõl megfelelõen lecsökkentett, de valós kimenõ jel tényleges különbségét erõsíti, s a gyakorlatban az e két jel között jelenlévõ különbséget szeretné helyrehozni. Ez a különbség tulajdonképpen a keletkezett torzítás, azaz "hibák" összessége, mely a jelfeldolgozás-erõsítés során alakult ki. Az egész erõsítõ, azaz annak minden fokozata, hozzáad egy kis "zajt" az eredeti jelhez. Továbbá, a differenciál bemenõ fokozat hibaerõsítõ is, ezért fontos, hogy a saját részérõl minél kevesebb torzítást vigyen a folyamatba.

A minél jobb teljesítmény érdekében nem érdemes túl kicsi kollektor áramot beállítani a T7 és T8-on. Gyakran lehet látni kapcsolásokat, ahol nem található Re (emitter ellenállás), hanem az emitterek közvetlenül össze vannak kötve egymással, a kollektor áramok pedig 300-500 µA-ra vannak beállítva. Ennél jobb megoldás, ha megnöveljük a T7 és T8 áramát, mondjuk 1,2 mA-re és úgynevezett "emitter degenerációt" eszközlünk az Re beiktatásával, aminek értéke a gyakorlatban 20-100 ohm körül mozog (lehet, hogy találkoznak 330 ohmmal is, ami már túl sok).
Ezen ellenállások bemutatásának célja és számítása már túlmutatna ezen egyszerû bemutatón, ezért elég az, ha tudják, hogy ezek beépítése az emitter körbe jelentõsen linearizálja e fokozat mûködését és csökkenti a torzítást, így sokkal kevésbé jelentkeznek a T7 és T8 karakterisztikája közötti esetleges különbségek.

Felhasználva, hogy T7 és T8 kollektor árama 1,2 mA, számolhatjuk R9 értékét:



Az R8 ellenállás értékének kiszámolásához abból indulunk ki, hogy rajta a T7 kollektor árama folyik, amit már megállapítottunk, hogy nagysága 1,2mA. Ez az R8-on ugyanakkora feszültségesést kell, hogy létrehozzon, mint amekkora az R5 és a T5 bázis-emitter feszültsége összesen, amit így számolhatunk:



A minõségi (fejlettebb) konstrukcióknál R9 helyett leggyakrabban valamilyen áramgenerátort találunk (hasonló, mint a T6, Dz, R2 és R4-bõl felépített áramkör) és az R8 helyett úgynevezett "áramtükörrel" találkozunk, de ezek már bonyolultabb fejlesztések, melyek összetettségük és bonyolultságuk miatt ebbõl a "tananyagból" ki is maradnak.

A T7 és T8 bázisárama nagyon kicsi, de nem is szabad, hogy az R6 és R10 ellenállásokon egyáltalán számottevõ feszültségesést okozzanak. Ez a két ellenállás egyforma értékû kell, hogy legyen, s mi 22kohm értéket adunk mindkettõnek (R6=R10=22k). Az R6 és R7 aránya határozza meg az egész erõsítõnk feszültség-erõsítését, amit mi 20 körülire választunk, ezért R7 értékét számolhatjuk is:



Az 1,15kohm helyett szabadon választhatunk a szabvány sorból - ami 1,1kohm vagy 1,2kohm lehet -, a gyakorlatban nem okoz számottevõ különbséget. R11-nek ugyanilyen értéket kell adnunk, hogy minél kevésbé zavarja a differenciálerõsítõ-pár egyensúlyát. A Cin bemenõ kondenzátor védi a bemenetet az elõerõsítõ kimenetén esetlegesen megjelenõ egyenfeszültségtõl, ami az erõsítõnk mûködését megzavarhatja, eltolhatja az egyenáramú munkapont beállításokat. Itt minél jobb minõségû kondenzátort kell választani (ajánlott, hogy NE ELEKTROLIT kondenzátor legyen), értéke pedig ne legyen kisebb 470nF-nál, hogy ne gyengüljenek az alacsonyabb fekvenciájú jelek.

A C1 és C1a kondenzátoroknak kettõs feladata van. Egyenáramú szempontból nagy ellenállást jelentenek (szakadás) így gyakorlatilag az R7 alsó felét elszigetelik, mintha az sehova sem lenne kötve, és így az erõsítõ egyenáramú szempontból egyszeres erõsítéssel rendelkezik. Az audio jel váltakozó természete miatt ez relatíve kicsi ellenállást jelent, ami lassan nõ az erõsítõ által erõsített frekvencia csökkenésével. Mivel az R7-el sorban vannak, melynek értéke az R6-al egyetemben meghatározza az erõsítõ erõsítését, ezért C1-nek elég nagy értéket kell adni, hogy az egész erõsítõ erõsítése ne essen számottevõen azoknál az alacsony frekvenciáknál, amelyek még fontosak a minõségi reprodukcióhoz. Emiatt C1-nek legrosszabb esetben sem szabad kevesebbnek lennie 47µF-nál, de a gyakorlatban nincs értelme 470µF fölé menni. A C1a saját kapacitásával (általában 100nF) nem növeli számottevõen e két kondenzátor összes kapacitását, de hatékonyan söntöli az elektrolit kondenzátor lehetséges induktív komponensét, ami befolyásolja az erõsítést magas frekvenciákon.

Ha figyelmesen megnézzük a kapcsolást, látjuk, hogy a bemeneti jel testje, az R10 alsó fele és a C1 és C1a alsó fele egy pontra vannak összekötve, és innen mennek a testre. Ugyanúgy az R4, Cz és a többi elektrolit kondenzátor a pozitív és negatív tápellátásban szintén a testre vannak kötve, DE EZ A KÉT TEST A PANELON NEM UGYANAZ A RÉZFÓLIA!!! Az elsõ, az úgynevezett "jel test", és az külön vezetékkel csatlakozik a központi testpontra, ami általában két nagyobb kondenzátor összekötése a tápegységben. A "másik" test, ami az R4, Cz, stb alkatrészekrõl jön, szintén ugyanerre a pontra csatlakozik, de külön vezetékkel. Ezzel a módszerrel érhetjük el a legkisebb valószínûséget, hogy zúgás vagy brumm jelenjen meg az erõsítõ mûködése közben.

Vissza maradt még, hogy megnézzük a T9 tranzisztort és körét. Ez az áramkör a tranzisztoros végfokozatokra jellemzõ, és a külföldi irodalmakban "Vbe multiplier"-ként található meg. Tulajdonképpen "hõmérséklet szenzorként" mûködik a kimenõ tranzisztorok számára, és feladata, hogy kompenzálja a rajtuk átmenõ nyugalmi áramot, mert az sokat változna a hõmérséklet változása miatt, ha a T9-el felépített áramkör nem lenne. A bipoláris tranzisztorok ún. "pozitív hõmérsékleti tényezõvel" rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy a hõmérséklet növekedésével nõ a kollektor áramuk, a megemelkedett áram tovább növeli a hõmérsékletet, ami gyorsan az alkatrész tönkremeneteléhez (elégéséhez) vezethet. Hogy "érzékeljük" ezeket a hõmérsékletváltozásokat, a T9 tranzisztort úgy kell beszerelni, hogy jó termikus kontaktusban legyen a hûtõbordával, amire a kimenõ tranzisztorok vannak szerelve. E tranzisztor kollektora és bázisa a vezérlõ tranzisztorok bázisán található, amik között 2,8-2,9V kell, hogy legyen, hogy a kimenõ tranzisztorok megfelelõképpen "nyitva" legyenek, s elkezdjék "szívni" a nyugalmi áramot. Ahogy a hûtõborda hõmérséklete nõ, úgy T9 is melegszik, így annak a belsõ ellenállása csökkenni fog, ami csökkenti a feszültséget a kollektora és az emittere között (mert egyre jobban vezet), és mivel a kollektor és az emitter a vezérlõ tranzisztorok bázisára van kötve, a bázisok között csökkenõ feszültség a kimenõ tranzisztorok "záródását" okozza, azaz az áramuk csökken. Hogy a kollektor és az emitter közötti feszültséget kontrolláljuk a T9-en, be kell állítanunk a munkapontját, amire az Rv trimmer potméter és az R12 ellenállás szolgál. E két ellenállás soros kapcsolása a T3 és T4 bázisai között található, s tudjuk, hogy e két pont között nekünk 2,8-2,9V-ot kell biztosítani. A T9, Rv és R12-bõl felépített áramkörön keresztül megy a T5 összes árama, amit már az elõzõekben 10mA-nek állapítottunk meg. Az Rv és R12 soros kapcsolásán nem szabad, hogy a T5 áramának 1/20-ánál nagyobb áram folyjon át, ami 0,5mA-t jelent, melybõl számíthatjuk Rv és R12 közös ellenállását:



Hogy az Rv trimmer segítségével teljesen lezárjuk az áramot a kimenõ tranzisztorokon keresztül, a T9 bázisára 0,6-0,7V-al nagyobb feszültséget kell adnunk. A biztonság kedvéért használjunk 0,75 V-ot. Hogy ez a feszültség a T9 bázisán megjelenjen, az Rv trimmer csúszkája mindig azon a végponton legyen, amely vége a T5-re van kötve (azaz a rajzon az Rv alsó része). Így Rv-t normál ellenállásként látjuk, ami az R12-vel feszültség-osztót képez. Azt tudjuk, hogy összesen 5,7kOhm értékû, és rajta 0,75V van, a végein pedig 2,85V mérhetõ, ezért Rv értékét számolhatjuk is:



Ebbõl számítjuk R12 értékét, ami 5,7k-1,5k = 4,2kOhm. Ehhez a legközelebbi szabványos értéket használjuk, ami 4,3 kOhm. Amikor az Rv csúszkáját abba végállásba tekerjük, amelyik a T9 bázisára van kötve, gyakorlatilag T9 bázisát és emitterét rövidre zárjuk, ami megszakítja a vezetést, így a kollektor-emitter kör nagyon nagy ellenállásként jelentkezik. Emiatt T3 és T4 bázisai között a feszültség sokkal nagyobb lesz a kívánt 2,8-2,9 V-nál, mely azt eredményezi, hogy a kimenõ tranzisztorok hirtelen nagyon nagy áramot akarnak "szívni", és így pillanatokon belül eléghetnek. Hogy ez ne történjen meg, célszerû Rv értékének kisebb értéket választani, mondjuk 250 vagy 500 Ohmot, és vele sorba (a felsõ részénél, ami T9 bázisára van kötve) még egy ellenállást kötünk úgy, hogy azok közösen kiadják a kívánt 1,5kOhm-os értéket.

Az erõsítõ kimenetén még egy pár alkatrész található, amelyek szerepét itt most nem részletezzük. Rz és Cz alkatrészek ún. Zobel-hálót vagy Boucherot-cellát képeznek, és minden erõsítõ kimenetén megtalálhatók, mert hatásosan csökkentik az oszcilláció esélyét reaktív terhelések esetén. Az értékük leggyakrabban 10 Ohm és 100 nF, és megtalálhatók a legtöbb kapcsolásban, de nem azért, mert ez most valami divat, hanem mert ezek az értékek mutatkoztak a gyakorlatban a legjobbnak. Az L tekercs csökkenti, ill. megelõzi a kapacitív terheléseknél esetlegesen fellépõ gerjedést és értéke a gyakorlatban 2µH-tõl legfeljebb 6µH-ig terjed. Ez általában lakkozott, réz transzformátor-vezetékbõl készül, és optimális huzalvastagsága 1,2-1,5 mm. E tekercs Q faktorát minél jobban csökkenteni kell, hogy a különbözõ kapacitásoknál (hangszóró kábelek, panelok közötti vezetékek, stb.) se lépjen fel olyan rezonancia, ami esetleg saját oszcillációt (gerjedést) ébreszt. Ezért párhuzamosan vele mindig van egy ellenállás, mely nem kell, hogy több legyen néhány Ohmnál (1-5 Ohm).

Röviden így festenék egyszerû képet egy mai átlagos audió teljesítmény-erõsítõrõl. E leírás célja, hogy minél egyszerûbb legyen, és amennyire csak lehet, olyan szintû, hogy a fiatalok és a kevésbé gyakorlott barkácsolók is megértsék. Remélem, hogy elég alapot ad az elsõ lépésekhez a csináld magad audió-munkában.