Klasse B audioversterker

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Vier 6 volt batterijen
• Dubbele operationele versterker, model TL082 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1715)
• Eén NPN-vermogenstransistor in een TO-220-pakket - (Radio Shack-catalogus # 276-2020 of gelijkwaardig)
• Eén PNP-vermogenstransistor in een TO-220-pakket - (Radio Shack-catalogus # 276-2027 of gelijkwaardig)
• Eén 1N914 schakeldiode (Radio Shack-catalogus # 276-1620)
• Eén condensator, 47 µF elektrolytisch, 35 WVDC (Radio Shack-catalogus # 272-1015 of gelijkwaardig)
• Twee condensatoren, 0,22 µF, niet-gepolariseerd (Radio Shack-catalogus # 272-1070)
• Eén 10 kΩ potentiometer, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)

Zorg ervoor dat u een op-amp gebruikt met een hoge slew rate . Vermijd om deze reden de LM741 of LM1458.

Hoe dichter de twee transistoren bij elkaar passen, hoe beter. Probeer indien mogelijk TIP41- en TIP42-transistoren te verkrijgen, die nauw overeenkomen met NPN- en PNP-vermogenstransistoren met een dissipatiewaarde van elk 65 watt. Als u geen TIP41 NPN-transistor kunt krijgen, is de TIP3055 (verkrijgbaar bij Radio Shack) een goed alternatief. Gebruik geen erg grote vermogenstransistoren (d.w.z. TO-3-behuizing), omdat de op-amp moeite kan hebben om voldoende stroom naar hun basis te sturen voor een goede werking.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 4:"Bipolaire junctietransistoren"

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Om te illustreren hoe je een "push-pull" klasse B-versterker kunt bouwen met behulp van complementaire bipolaire transistors
• Om de effecten van "crossover-vervorming" in een push-pull-versterkercircuit te illustreren
• Om te illustreren hoe negatieve feedback via een op-amp kan worden gebruikt om niet-lineariteiten in circuits te corrigeren

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Dit project is een audioversterker die geschikt is voor het versterken van het uitgangssignaal van een kleine radio, cassettespeler, cd-speler of een andere bron van audiosignalen. Voor stereowerking moeten twee identieke versterkers worden gebouwd, één voor het linkerkanaal en één voor het rechterkanaal. Om een ​​ingangssignaal te verkrijgen dat deze versterker kan versterken, sluit u het gewoon op de uitgang van een radio of ander audioapparaat aan, zoals dit:

Dit versterkercircuit werkt ook goed bij het versterken van "line-level ” audiosignalen van hoogwaardige, modulaire stereocomponenten. Het levert een verrassende hoeveelheid geluidsvermogen wanneer het door een grote luidspreker wordt afgespeeld, en misschien werkt het zonder koellichamen op de transistors (hoewel je er een beetje mee moet experimenteren voordat je besluit geen koellichaam te gebruiken, omdat het vermogensverlies varieert afhankelijk van het type luidspreker gebruikt).

Het doel van elk versterkercircuit is om de ingangsgolfvorm zo nauwkeurig mogelijk te reproduceren. Perfecte reproductie is natuurlijk onmogelijk, en eventuele verschillen tussen de output en input golfvormen staan ​​bekend als vervorming . In een audioversterker kan vervorming ertoe leiden dat onaangename tonen worden gesuperponeerd op het echte geluid. Er zijn veel verschillende configuraties van audioversterkerschakelingen, elk met zijn eigen voor- en nadelen. Dit specifieke circuit wordt een "klasse B" genoemd, push-pull circuit.

De meeste audio "kracht ”-versterkers gebruiken een klasse B-configuratie, waarbij één transistor de belasting gedurende de helft van de golfvormcyclus van stroom voorziet (hij duwt ) en een tweede transistor levert stroom aan de belasting voor de andere helft van de cyclus (het trekt ). In dit schema blijft geen van beide transistoren “aan ” voor de hele cyclus, waarbij iedereen de tijd krijgt om te “rust ” en afkoelen tijdens de golfvormcyclus. Dit zorgt voor een energiezuinig versterkercircuit, maar leidt tot een duidelijk type niet-lineariteit dat bekend staat als "crossover-vervorming .”

Hier wordt een sinusgolfvorm weergegeven, gelijk aan een constante audiotoon met een constant volume:

In een push-pull-versterkercircuit versterken de twee transistoren om de beurt de afwisselende halve cycli van de golfvorm als volgt:

Als de “overdracht ” tussen de twee transistoren is niet precies gesynchroniseerd, hoewel de uitgangsgolfvorm van de versterker er ongeveer zo uit kan zien in plaats van een zuivere sinusgolf:

Hier is vervorming het gevolg van het feit dat er een vertraging is tussen het moment dat de ene transistor wordt uitgeschakeld en de andere transistor wordt ingeschakeld. Dit type vervorming, waarbij de golfvorm "afvlakt ” op het kruispunt tussen positieve en negatieve halve cycli, wordt crossover-vervorming genoemd . Een veelgebruikte methode om crossover-vervorming te verminderen, is om de transistors voor te spannen zodat hun in- en uitschakelpunten elkaar daadwerkelijk overlappen, zodat beide transistors zijn in een staat van geleiding voor een kort moment tijdens de crossover-periode:

Deze vorm van versterking is technisch bekend als klasse AB in plaats van klasse B omdat elke transistor “aan . is ” gedurende meer dan 50% van de tijd tijdens een volledige golfvormcyclus. Het nadeel hiervan is echter een verhoogd stroomverbruik van het versterkercircuit, omdat op de momenten dat beide transistoren geleiden, er stroom wordt geleid door de transistoren die niet zijn. gaat door de belasting, maar wordt slechts "kortgesloten" van de ene voedingsrail naar de andere (van -V naar +V).

Dit is niet alleen een verspilling van energie, maar het dissipeert meer warmte-energie in de transistors. Wanneer transistors in temperatuur stijgen, veranderen hun kenmerken (V_be voorwaartse spanningsval, β, junctieweerstanden, enz.), waardoor juiste voorspanning moeilijk wordt.

In dit experiment werken de transistors in pure klasse B-modus. Dat wil zeggen, ze voeren nooit tegelijkertijd uit. Dit bespaart energie en vermindert de warmteafvoer, maar leent zich voor crossover-vervorming. De oplossing die in dit circuit wordt genomen, is om een ​​op-amp met negatieve feedback te gebruiken om de transistors snel door de "dode ”-zone die crossover-vervorming produceert en de hoeveelheid “afvlakking . vermindert ” van de golfvorm tijdens crossover.

De eerste (meest linkse) op-amp die in het schematische diagram wordt getoond, is niets meer dan een buffer. Een buffer helpt de belasting van het ingangscondensator-/weerstandsnetwerk te verminderen, dat in het circuit is geplaatst om eventuele DC-biasspanning uit het ingangssignaal te filteren, waardoor wordt voorkomen dat DC-spanning door het circuit wordt versterkt en naar de luidspreker wordt gestuurd waar het schade kan veroorzaken.

Zonder de buffer-op-amp vermindert het filtercircuit van de condensator/weerstand de lage frequentie ("bas ”) respons van de versterker en accentueert de hoge frequentie (“treble ”).

De tweede op-amp functioneert als een inverterende versterker waarvan de versterking wordt geregeld door de 10 kΩ-potentiometer. Dit doet niets anders dan het voorzien van een volumeregeling voor de versterker. Gewoonlijk hebben inverterende op-amp-circuits hun feedbackweerstand (en) rechtstreeks aangesloten van de op-amp-uitgangsaansluiting op de inverterende ingangsaansluiting als volgt:

Als we het resulterende uitgangssignaal zouden gebruiken om de basisterminals van het push-pull-transistorpaar aan te sturen, zouden we echter aanzienlijke crossover-vervorming ervaren, omdat er een "dode ”-zone in de werking van de transistors toen de basisspanning van + 0,7 volt naar - 0,7 volt ging:

Als je het versterkercircuit al in zijn definitieve vorm hebt gebouwd, kun je het vereenvoudigen tot deze vorm en luisteren naar het verschil in geluidskwaliteit. Als u nog niet bent begonnen met het bouwen van de schakeling, is het bovenstaande schematische diagram een ​​goed startpunt. Het zal een audiosignaal versterken, maar het zal verschrikkelijk klinken!

De reden voor de crossover-vervorming is dat wanneer het op-amp-uitgangssignaal tussen + 0,7 volt en - 0,7 volt is, geen van beide transistoren zal geleiden en dat de uitgangsspanning naar de luidspreker 0 volt zal zijn voor de volledige overspanning van 1,4 volt van de basis spanning schommel. Er is dus een “zone ” in het ingangssignaalbereik waar geen verandering in de uitgangsspanning van de luidspreker zal optreden. Hier worden meestal ingewikkelde voorspanningstechnieken in het circuit geïntroduceerd om deze 1,4-volt "kloof te verkleinen ” in de respons van het ingangssignaal van de transistor. Meestal wordt zoiets als dit gedaan:

De twee in serie geschakelde diodes zullen ongeveer 1,4 volt dalen, wat overeenkomt met de gecombineerde V_be voorwaartse spanningsdalingen van de twee transistoren, wat resulteert in een scenario waarin elke transistor net op het punt staat in te schakelen wanneer het ingangssignaal nul volt is, waardoor de 1,4 volt "dood wordt geëlimineerd ” signaalzone die eerder bestond.

Helaas is deze oplossing echter niet perfect:naarmate de transistors opwarmen van het geleiden van stroom naar de belasting, wordt hun V_be voorwaartse spanningsdalingen zullen afnemen van 0,7 volt naar iets minder, zoals 0,6 volt of 0,5 volt. De diodes, die niet hetzelfde verwarmingseffect ondergaan omdat ze geen substantiële stroom geleiden, zullen niet dezelfde verandering in voorwaartse spanningsval ervaren.

De diodes zullen dus dezelfde 1,4 volt voorspanning blijven leveren, ook al hebben de transistoren minder voorspanning nodig als gevolg van verwarming. Het resultaat zal zijn dat de schakeling overgaat in klasse AB-werking, waarbij beide transistoren zullen een deel van de tijd in geleiding zijn. Dit zal natuurlijk resulteren in meer warmteafvoer via de transistoren, wat het probleem van voorwaartse spanningsdaling verergert.

Een veelvoorkomende oplossing voor dit probleem is het invoegen van temperatuurcompensatie “feedback ” weerstanden in de emitterbenen van het push-pull-transistorcircuit:

Deze oplossing verhindert niet het gelijktijdig inschakelen van de twee transistoren, maar vermindert alleen de ernst van het probleem en voorkomt thermische uitschakeling. Het heeft ook het ongelukkige effect van het invoegen van weerstand in het belastingstroompad, waardoor de uitgangsstroom van de versterker wordt beperkt. De oplossing waar ik in dit experiment voor heb gekozen, is er een die profiteert van het principe van op-amp negatieve feedback om de inherente beperkingen van het push-pull-transistoruitgangscircuit te overwinnen. Ik gebruik één diode om een ​​voorspanning van 0,7 volt te leveren voor het push-pull-paar. Dit is niet genoeg om de "dode . te elimineren ” signaalzone, maar het vermindert het met ten minste 50%:

Aangezien de spanningsval van een enkele diode altijd kleiner zal zijn dan de gecombineerde spanningsval van de basis-emitterovergangen van de twee transistoren, kunnen de transistoren nooit tegelijkertijd inschakelen, waardoor klasse AB-werking wordt voorkomen. Om vervolgens de resterende crossover-vervorming te helpen wegwerken, wordt het feedbacksignaal van de op-amp als volgt van de uitgangsaansluiting van de versterker (de emitteraansluitingen van de transistors) gehaald:

De functie van de op-amp is om elk spanningssignaal uit te voeren dat nodig is om de twee ingangsterminals op dezelfde spanning te houden (0 volt differentieel). Door de feedbackdraad aan te sluiten op de emitterterminals van de push-pull-transistors, kan de op-amp elke "dood detecteren "zone waar geen van beide transistoren geleidt, en voert een geschikt spanningssignaal uit naar de bases van de transistors om ze snel weer in geleiding te brengen om "bij te blijven ” met de golfvorm van het ingangssignaal.

Dit vereist een op-amp met een hoge slew rate (het vermogen om een ​​snel stijgende of snel dalende uitgangsspanning te produceren), daarom is de TL082 op-amp is gespecificeerd voor dit circuit. Langzamere op-amps zoals de LM741 of LM1458 kan de hoge dv/dt . mogelijk niet bijhouden (spanningsverandering in de tijd, ook bekend als de/dt ) nodig voor werking met weinig vervorming.

Er zijn slechts een paar condensatoren aan dit circuit toegevoegd om het in zijn uiteindelijke vorm te brengen:een condensator van 47 µF die parallel is geschakeld met de diode helpt om de 0,7 volt bias-spanning constant te houden ondanks grote spanningsschommelingen in de uitgang van de op-amp, terwijl een 0,22 µF condensator aangesloten tussen de basis en emitter van de NPN-transistor helpt crossover-vervorming te verminderen bij lage volume-instellingen:

GERELATEERD WERKBLAD:

• Klasse B BJT versterkers werkblad