Jednoduchý tranzistorový
  zosilňovač napájaný 12V


  Chcel by som Vám dnes predstaviť jednoduchý tranzistorový zosilňovač napájaný 12 voltami. Tento zosilňovač zostrojujú žiaci na praxi ako súbornú prácu. Je to vďačné zapojenie, keďže je na ňom možné demonštrovať fungovanie zosilňovačov v triede A aj AB. Okrem výpočtov súčiastok so žiakmi nastavujeme trimrami pracovný bod či kľudový prúd zosilňovača.
Túto tému už začal a veľmi dobre vysvetlil Ing. Martin Hudec v článku „Polovodičové spínače pre výkonovú elektroniku“ [1]. Schéma zapojenia zosilňovača je na obrázku 1. V podstate ide o dva zosilňovače. Prvý zosilňovač je tvorený tranzistorom T1 a ide o zosilňovač v triede A. Ten má za úlohu signál napäťovo zosilniť. Druhý zosilňovač je v triede AB a tvoria ho tranzistory T2 až T5. Ten má za úlohu signál (už napäťovo zosilnený) zosilniť prúdovo.
V prvom rade chcem upozorniť, že výpočty som dosť zjednodušil. Napríklad: zosilnenie tranzistora sa mení v závislosti od kolektorového prúdu. My budeme vychádzať z toho, že zosilnenie je konštantné. Ďalej budem ignorovať niektoré malé prúdy, ktoré nie sú pre výpočet podstatné.

  Pri stavbe zosilňovača z bipolárnych tranzistorov budeme vychádzať z týchto štyroch bodov:
 I.   Prechod Báza-Emitor sa správa ako dióda. Teda u kremíkových tranzistorov je na tomto prechode stratové napätie približne 0,7V. Veľkosť tohto napätia môže kolísať v rozmedzí od 0,6 do 1,2V v závislosti od prúdu IB a teploty tranzistora.
 II.   Zapojenie so „spoločným emitorom“ zosilňuje signál napäťovo aj prúdovo a otáča fázu (kladným napätím na báze tranzistora zopneme záporné napätie prechádzajúce kolektorom). Zapojenie so „spoločným kolektorom“ zosilňuje prúdovo, no je na ňom napäťová strata Ube (čo je okolo 0,6 až 1,2V).
 III.   Tranzistory NPN sa ovládajú kladným napätím Bázy (UBE). Naopak tranzistory PNP sa ovládajú záporným napätím.
 IV.   Prúdové zosilnenie: IC = IB x hFE. Existuje vzájomná závislosť bázového a kolektorového prúdu. Zosilnenie hFE určuje, koľko krát je IC väčší od IB. Tu je nutné poukázať na stav saturácie tranzistora. Tranzistor sa do saturácie dostane vtedy, ak platí IC < IB x hFE. Napríklad, keď otvoríme bázovým prúdom tranzistor pre IC=1A, ale záťaž na kolektore máme iba IC=0,5A. Vtedy sa tranzistor presýti a je najviac prechodný. Na druhej strane sa tranzistor zo saturácie dostáva pomalšie. Preto je saturácia tranzistora, v zapojení ako spínač, veľmi výhodná. Naopak, pri zosilnení analógového signálu sa tomuto javu chceme vyhnúť.

  Popis zapojenia: Zosilňovač je napájaný jednosmerným napätím 12V. Napätie sa privádza na svorkovnicu X3. Kondenzátor C4 má pomerne veľkú kapacitu a jeho úlohou je dodať okamžitý výkon do koncového stupňa. Kompenzuje sa ním odpor pripájacích vodičov či mäkkosť zdroja. Elektrolytický kondenzátor má však pri vyšších frekvenciách veľký vnútorný odpor. Preto sa v takýchto aplikáciách dopĺňa zapojenie ešte o jeden malý kondenzátor C5, ktorý „zvláda“ aj vysoké frekvencie.
Vstupný audiosignál sa privádza na svorkovnicu X1. Audiosignál je dobré priviesť na svorkovnicu cez rezistor, napríklad 1k. O tranzistore sme si povedali, že medzi bázou a emitorom je napäťová strata 0,7V (I.). Vstupný signál je na úrovni 0V. Preto musíme medzi vstupnú svorkovnicu X1 a tranzistor T1 vložiť väzobný kondenzátor C2. Ten sa z pohľadu „jednosmerného prúdu“ nabije na 0,7V a z pohľadu „striedavého prúdu“ tvorí akýsi most, ktorý prenáša audiosignál.
Na obrázku 2 je zjednodušená schéma zapojenia nášho vstupného zosilňovača (rozkmitový stupeň), ktorý pracuje v triede „A“. Trieda „A“ znamená, že pracovný bod tranzistora je v strede lineárnej časti prevodovej charakteristiky. Zjednodušene povedané: tranzistor je napoly otvorený. Z toho vyplýva, že napätie na výstupe bude polovičné (v našom prípade 6V) Uce=Urc=U/2=12V/2=6V. Zvolíme si kolektorový prúd. Veľkosť kolektorového prúdu značne závisí od požadovaného prúdu na výstupe. V celkovej schéme zosilňovača musíme byť schopní dodať požadovaný prúd pre budiace tranzistory T2 a T3. Zvolíme si preto prúd Ic = 18mA = 0,018A. Pre výpočet rezistora Rc je potrebné poznať napätie na tomto rezistore a prúd, ktorý ním tečie. Napätie Urc je 6V. Prúd „I“ je súčtom prúdov Ic a Ib. Prúd Ib je oproti Ic minimálne 100x menší, preto nemá zmysel sa ním v tomto výpočte zaoberať a budeme ho ignorovať. Kolektorový rezistor Rc = Urc / Ic = 6V / 0,018A = 333 Ohm. Aj keby prúd bázy ovplyvnil výsledok na 332 Ohm, pri rezistore v rade E12 tak či tak použijeme rezistor o veľkosti 330 Ohm. Pre výpočet rezistora Rb je potrebné poznať napätie na rezistore Urb a prúd, ktorý ním tečie Ib. Môžeme si všimnúť, že súčet napätí Urb a Ube má veľkosť napätia Uce. Vieme, že napätie Ube je bežne 0,7V (I.). Urb = Uce - Ube = 6V - 0,7V = 5,3V Prúd Ib vypočítame zo vzťahu na výpočet prúdového zosilnenia (IV.) IC = IB x hFE. Zosilnenie BC182 je v rozsahu od 120 do 500, my budeme počítať zosilnenie 400. Ib = Ic / hFE = 0,018A / 400 = 0,000045A; Nakoniec z prúdu Ib a napätia Urb vypočítame odpor rezistora Rb = Urb / Ib = 5,3V / 0,000045 = 117 777 Ohm, čo je 120k v rade E12.

  V celkovom zapojení bol namiesto rezistora Rc použitý zdroj konštantného prúdu 18mA tvorený CLD diódou D4. Rezistor Rb je rozdelený medzi rezistor R3 a trimer R1, ktorým je možné presne nastaviť pracovný bod tranzistora T1 tak, aby na výstupe bolo polovičné napätie 6V. Spätná väzba na bázu tranzistora T1 sa neprivádza z kolektora tranzistora T1, ale až z výstupu celkového zosilňovača. Tým sa zaručuje menšie skreslenie.
Druhá časť nášho zosilňovača je stupeň v triede „AB“. Trieda AB je charakteristická tým, že pracovný bod je na začiatku lineárnej časti prevodovej charakteristiky. Teda koncové tranzistory sú málo pootvorené. Základom takého zapojenia je vykompenzovanie napäťovej straty medzi prechodmi tranzistorov v prechodoch báza-emitor. Ako sme spomínali (I.), prechod báza-emitor môžeme chápať ako diódu. A tá je priechodná až nad 0,7V. Teda aj tranzistor sa otvára až pri bázovom napätí nad 0,7V. Ak by sme zobrali: čo „prechod báza-emitor“, to „jedná dióda“, tak na kompenzáciu štyroch tranzistorov T2 až T5 by bolo potrebné použiť štyri diódy. My použijeme tri diódy D1 až D3 a namiesto štvrtej diódy použijeme trimer R2, ktorým sa nastavuje kľudový prúd.
Pri koncových stupňoch už ani netreba veľa popisu. Tu treba vedieť, že ide o zapojenie so spoločným kolektorom (II.) (kolektor je pripojený na zdroj napätia). Teda platí, že signál je síce prúdovo zosilnený, ale na každom zosilňovači vzniká napäťová strata Ube. Kompenzáciu napäťovej straty pomocou diód D1 až D3 sme si už popísali.
Tranzistory T2 a T4 sú ovládané kladným napätím, preto sú použité tranzistory typu NPN. Naopak, tranzistory T3 a T5 sú ovládané záporným napätím, preto sú použité tranzistory typu PNP (III.). Tranzistory T2 a T3 tvoria budiaci stupeň a tranzistory T4 a T5 tvoria koncový stupeň. Tranzistory koncového stupňa sú priamo napojené na tranzistory budiaceho stupňa (kaskádové zapojenie). Tranzistory TIP31C majú minimálne zosilnenie 10 (10-50) a tranzistory BC338-40 majú minimálne zosilnenie 170 (až do 640). Ak by sme to vynásobili, tak kaskáda tranzistorov zosilňuje prúd minimálne 10 x 170 = 1700 krát. Takže našich 18mA z rozkmitového stupňa dokážu zosilniť až na Iout = 0,018A x 1700 = 30,7A, čo je naozaj predimenzované.
Zo zapojenia je zrejmé, že len na samotných koncových stupňoch bude strata 2V (aj na kladných, aj na záporných). Celkový rozkmit výstupu zosilňovača môže byť teda 12V-2V-2V=8V, čo činí 4V na polovlnu. Pri reproduktore s impedanciou 4 Ohm je maximálny prúd Iout = Uout / Rz = 4V / 4Ohm = 1A. Pri zosilnení koncových stupňov hFE=10 je budiaci stupeň (pri výstupnom prúde Iout = 1A) zaťažený na 0,1A a ten zasa pri hFE=170 zaťažuje rozkmitový stupeň prúdom 0,00059A = 0,6mA.
Kondenzátor C3 je podobne ako C2 väzobný kondenzátor. Len oproti C2 sa kondenzátor C3 nabije až na 6V. Jeho úlohou je preniesť výkonový signál už do reproduktora. V starých literatúrach sa môžeme dočítať, že tieto kondenzátory (C2 a C3) slúžili aj na potlačenie spodných frekvencií. Kondenzátor C1 naopak potlačuje (utlmuje) vysoké frekvencie a tým udržuje tranzistor T1 (s vysokým zosilnením) stabilný.
Napätie Ube na koncových stupňoch je závislé od teploty. Keď sa tranzistor zohreje, napätie Ube klesá a pri rovnakom budiacom napätí sa tranzistor viac otvorí (napätie na diódach je Uf = 0,7V a napätie na tranzistoroch klesne z Ube = 0,7V na UBE = 0,65V). To spôsobí nekonečnú špirálu zohrievania sa tranzistora a zvyšovania kľudového prúdu. Tepelnú závislosť majú všetky polovodičové súčiastky, aj diódy. Preto je nutné osadiť diódy D1 až D3 v blízkosti tranzistorov, alebo ich priamo oprieť o chladič. Tak sa zapojenie samo chráni pred prehriatím.

  Oživenie: Po skonštruovaní je nutné trimer R2 nastaviť na minimum (vývody 1-2 v skrate). Zosilňovač pripojíme k zdroju. Následne pripojíme voltmeter na emitory koncových stupňov T4, T5 a trimrom R1 nastavíme v tomto bode 6V. Potom budeme pomaly pridávať trimrom R2, až kým na zdroji nebude odber 50mA. Následne pri vypnutom napájacom zdroji pripojíme reproduktor a zdroj signálu (ako bolo spomínané, najlepšie cez 1K rezistor) a opätovne zapneme napájací zdroj.
Koncové tranzistory je možné zameniť za BD911 a BD912. Napájacie napätie je tiež možné navýšiť a tak zvýšiť výstupný výkon. Treba mať na pamäti, že koncové tranzistory TIP31C a TIP32C znesú iba 3A a budiace tranzistory BC338 a BC327 znesú iba 0,8A.

  Záver: Myslím, že je to pre žiakov veľmi vďačné zapojenie. Nielen na pochopenie princípu a fungovania výkonových zosilňovačov, ale aj na nastavenie pracovného bodu a kľudového prúdu. Na túto súbornú prácu vyrábame plošne spoje fotocestou, no tento zosilňovač je možné zostrojiť aj prekereslením fixou, alebo ho zostrojiť na vyškrabanom plošnom spoji.

Súčiastky:
  R1 - trimer 100k viacotáčkový
  R2 - trimer 100R viacotáčkový
  R3 - 100k
  R4,R5 - 220R
  C1 - 220pF ras. 2,5mm
  C2 - 470nF ras. 5mm
  C3,C4 - 1000uF/25V
  C5 - 100nF ras. 5mm
  D1-D3 - 1N4148
  D4 - Dióda CLD 18mA OSCRDT118
  T1 - BC182
  T2 - BC338-40
  T3 - BC328-40
  T4 - TIP31C
  T5 - TIP32C
  X1-X3 - DG300-5.0-02 sktutkovacia svorkovnica ras. 5mm


[1] AR 8-10/2022