MATERIALI
- Quattro 6 volt batterie
- Doppio amplificatore operazionale, modello TL082 raccomandato (Radio Shack catalogo # 276-1715)
- Uno NPN transistor di potenza in un pacchetto TO-220—(Radio Shack catalogo # 276-2020 o equivalente)
- Uno PNP transistor di potenza in un pacchetto TO-220—(Radio Shack catalogo # 276-2027 o equivalente)
- Uno 1N914 di commutazione del diodo (Radio Shack catalogo # 276-1620)
- Un condensatore, 47 µF elettrolitico, 35 WVDC (Radio Shack catalogo # 272-1015 o equivalente)
- Due condensatori, 0.,22 µF, non polarizzato (Radio Shack catalog # 272-1070)
- Un potenziometro da 10 kΩ, conico lineare (Radio Shack catalog # 271-1715)
Assicurarsi di utilizzare un op-amp con un alto tasso di risposta. Evitare il LM741 o LM1458 per questo motivo.
Più vicini sono i due transistor, meglio è. Se possibile, cercare di ottenere transistor TIP41 e TIP42, che sono strettamente abbinati transistor di potenza NPN e PNP con valutazioni di dissipazione di 65 watt ciascuno. Se non è possibile ottenere un transistor NPN TIP41, il TIP3055 (disponibile da Radio Shack) è un buon sostituto. Non usare molto grande (es., TO-3 case) transistor di potenza, come l’op-amp può avere difficoltà a guidare abbastanza corrente alle loro basi per un buon funzionamento.,>Per illustrare come costruire un “push-pull” classe B amplificatore usando complementare transistor bipolari
SCHEMA
FIGURA
ISTRUZIONI
Questo progetto è un amplificatore audio adatto per amplificare il segnale in uscita da una piccola radio, registratore, lettore CD, o qualsiasi altra fonte di segnali audio., Per il funzionamento stereo, devono essere costruiti due amplificatori identici, uno per il canale sinistro e l’altro per il canale destro. Per ottenere un segnale di ingresso per questo amplificatore da amplificare, basta collegarlo all’uscita di una radio o di un altro dispositivo audio come questo:
Questo circuito amplificatore funziona bene anche nell’amplificazione di segnali audio “a livello di linea” da componenti stereo modulari di alta qualità., Fornisce una sorprendente quantità di potenza sonora quando viene riprodotta attraverso un altoparlante di grandi dimensioni, e magari funziona senza dissipatori sui transistor (anche se dovresti sperimentarlo un po ‘ prima di decidere di rinunciare ai dissipatori di calore, poiché la dissipazione di potenza varia a seconda del tipo di altoparlante utilizzato).
L’obiettivo di qualsiasi circuito amplificatore è quello di riprodurre la forma d’onda di ingresso nel modo più accurato possibile. Una riproduzione perfetta è impossibile, ovviamente, e qualsiasi differenza tra le forme d’onda di uscita e di ingresso è nota come distorsione., In un amplificatore audio, la distorsione può causare toni sgradevoli da sovrapporre al suono vero. Ci sono molte diverse configurazioni di circuiti amplificatore audio, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi. Questo particolare circuito è chiamato” classe B”, circuito push-pull.
La maggior parte degli amplificatori audio “power” utilizza una configurazione di classe B, dove un transistor fornisce potenza al carico durante la metà del ciclo della forma d’onda (spinge) e un secondo transistor fornisce potenza al carico per l’altra metà del ciclo (tira)., In questo schema, nessuno dei due transistor rimane ” acceso “per l’intero ciclo, dando a ciascuno un tempo per” riposare” e raffreddarsi durante il ciclo della forma d’onda. Questo rende per un circuito amplificatore ad alta efficienza energetica, ma porta ad un tipo distinto di non linearità noto come “distorsione di crossover.,tono audio di volume costante:
In un push-pull circuito amplificatore, i due transistor, a turno, amplificando alternativo a metà ciclo della forma d’onda simile a questo:
Se la “mano” tra i due transistor non è perfettamente sincronizzato, però, l’amplificatore di uscita forma d’onda può guardare qualcosa come questo, invece di un onda sinusoidale pura:
Qui, la distorsione è dovuta al fatto che c’è un ritardo tra il momento in un transistor è spento e l’altro transistor si accende., Questo tipo di distorsione, in cui la forma d’onda “si appiattisce” nel punto di crossover tra semicicli positivi e negativi, è chiamata distorsione di crossover., Un metodo comune per la mitigazione distorsione di crossover è a polarizzazione del transistor in modo che la loro accensione/spegnimento punti in realtà si sovrappongono, in modo che entrambi i transistor sono in uno stato di conduzione per un breve momento durante il periodo crossover:
Questa forma di amplificazione è tecnicamente noto come classe AB, piuttosto che di classe B, perché ogni transistor è “on” per oltre il 50% di una forma d’onda completa il ciclo., Lo svantaggio di fare questo, però, è l’aumento del consumo di energia del circuito amplificatore, perché durante i momenti di tempo in cui entrambi i transistor stanno conducendo, c’è corrente condotta attraverso i transistor che non stanno attraversando il carico, ma è semplicemente essere “corto” da una guida di alimentazione all’altra (da-V a +V).
Non solo questo è uno spreco di energia, ma dissipa più energia termica nei transistor. Quando i transistor aumentano di temperatura, le loro caratteristiche cambiano (caduta di tensione diretta Vbe, β, resistenze di giunzione,ecc.,), rendendo difficile la corretta polarizzazione.
In questo esperimento, i transistor operano in modalità pura classe B. Cioè, non stanno mai conducendo allo stesso tempo. Ciò consente di risparmiare energia e diminuisce la dissipazione del calore, ma si presta a distorsioni di crossover. La soluzione presa in questo circuito è quella di utilizzare un op-amp con feedback negativo per guidare rapidamente i transistor attraverso la zona “morta” producendo distorsione di crossover e ridurre la quantità di “appiattimento” della forma d’onda durante il crossover.
Il primo op-amp (più a sinistra) mostrato nel diagramma schematico non è altro che un buffer., Un buffer aiuta a ridurre il carico della rete di condensatori/resistori di ingresso, che è stata posizionata nel circuito per filtrare qualsiasi tensione di polarizzazione DC dal segnale di ingresso, impedendo che qualsiasi tensione DC venga amplificata dal circuito e inviata all’altoparlante dove potrebbe causare danni.
Senza l’amplificatore operazionale buffer, il circuito di filtraggio condensatore/resistore riduce la risposta a bassa frequenza (“basso”) dell’amplificatore e accentua l’alta frequenza (“alti”).
Il secondo op-amp funziona come un amplificatore invertente il cui guadagno è controllato dal potenziometro da 10 kΩ., Questo non fa altro che fornire un controllo del volume per l’amplificatore. Di solito, invertendo op-amp circuiti di avere il loro feedback resistenza(s) collegato direttamente dall’op-amp terminale di uscita per l’ingresso invertente terminale come questo:
Se dovessimo utilizzare il segnale di uscita per pilotare la base di terminali push-pull transistor coppia, però, ci sarebbe una significativa distorsione di crossover, perché non ci sarebbe un “morto” zona dei transistori’ operazione come la tensione di base è andato da + 0,7 volt a 0.,7 volt:
Se hai già costruito il circuito amplificatore nella sua forma finale, puoi semplificarlo in questa forma e ascoltare la differenza nella qualità del suono. Se non avete ancora iniziato la costruzione del circuito, il diagramma schematico mostrato sopra sarebbe un buon punto di partenza. Amplificherà un segnale audio, ma suonerà orribile!
Il motivo della distorsione del crossover è che quando il segnale di uscita dell’op-amp è compreso tra + 0,7 volt e – 0.,7 volt, né transistor sarà conduzione, e la tensione di uscita per l’altoparlante sarà 0 volt per l’intero 1.4 volt arco di swing tensione di base. Pertanto, c’è una “zona” nell’intervallo del segnale di ingresso in cui non si verificherà alcun cambiamento nella tensione di uscita dell’altoparlante. Qui è dove intricate tecniche di polarizzazione sono di solito introdotti al circuito per ridurre questo 1.4-volt “gap” in transistor risposta del segnale di ingresso. Di solito, qualcosa di simile è fatto:
I due diodi collegati in serie scenderanno di circa 1.,4 volt, equivalenti alle cadute combinate di tensione diretta Vbe dei due transistor, risultando in uno scenario in cui ogni transistor è sul punto di accendersi quando il segnale di ingresso è zero volt, eliminando la zona del segnale “morto” da 1,4 volt che esisteva prima.
Sfortunatamente, però, questa soluzione non è perfetta: poiché i transistor si riscaldano dalla potenza di conduzione al carico, le loro cadute di tensione diretta Vbe diminuiranno da 0,7 volt a qualcosa di meno, come 0,6 volt o 0,5 volt., I diodi, che non sono soggetti allo stesso effetto di riscaldamento perché non conducono alcuna corrente sostanziale, non subiranno lo stesso cambiamento nella caduta di tensione diretta.
Quindi, i diodi continueranno a fornire la stessa tensione di polarizzazione da 1,4 volt anche se i transistor richiedono meno tensione di polarizzazione a causa del riscaldamento. Il risultato sarà che il circuito si sposta in un’operazione di classe AB, dove entrambi i transistor saranno in uno stato di conduzione parte del tempo., Questo, naturalmente, si tradurrà in una maggiore dissipazione del calore attraverso i transistor, esacerbando il problema del cambiamento di caduta di tensione diretta.
Una soluzione comune a questo problema è l’inserimento della temperatura di compensazione “feedback” resistenze nel emettitore gambe del push-pull transistor circuito:
Questa soluzione non impedisce simultanea accensione dei due transistor, ma semplicemente riduce la gravità del problema e impedisce l’instabilità termica., Ha anche lo sfortunato effetto di inserire resistenza nel percorso della corrente di carico, limitando la corrente di uscita dell’amplificatore. La soluzione per cui ho optato in questo esperimento è quella che sfrutta il principio del feedback negativo op-amp per superare i limiti intrinseci del circuito di uscita a transistor push-pull. Uso un diodo per fornire una tensione di polarizzazione di 0,7 volt per la coppia push-pull., Questo non è sufficiente per eliminare il “morto” segnale orario, ma si riduce di almeno il 50%:
Dal momento che la caduta di tensione di un singolo diodo sarà sempre inferiore al combinato cadute di tensione dei due transistor di base-emettitore di giunzioni, i transistor possono non accendere contemporaneamente, evitando in classe AB operazione., A quel punto, per aiutare a sbarazzarsi del residuo di distorsione di crossover, il segnale di feedback del op-amp è tratto dal terminale di uscita dell’amplificatore transistor terminali) come questa:
L’op-amp ha la funzione di uscita di qualsiasi segnale di tensione è al fine di mantenere i suoi due terminali di ingresso alla stessa tensione (0 volt differenziale)., Collegando il filo di feedback ai terminali dell’emettitore dei transistor push-pull, l’op-amp ha la capacità di rilevare qualsiasi zona “morta” in cui nessuno dei due transistor sta conducendo e di emettere un segnale di tensione appropriato alle basi dei transistor per guidarli rapidamente in conduzione per “tenere il passo” con la forma d’onda del segnale di ingresso.
Ciò richiede un op-amp con un alto tasso di risposta (la capacità di produrre una tensione di uscita in rapida ascesa o in rapida caduta), motivo per cui l’op-amp TL082 è stato specificato per questo circuito., Gli amplificatori operazionali più lenti come LM741 o LM1458 potrebbero non essere in grado di tenere il passo con l’elevato dv/dt (voltage rate-of-change over time, noto anche come de/dt) necessario per il funzionamento a bassa distorsione.
Solo un paio di condensatori vengono aggiunti a questo circuito per portarla nella sua forma finale: 47 µF condensatore collegato in parallelo ad un diodo che aiuta a mantenere l’0,7 volt di tensione di polarizzazione costante nonostante la grande tensione oscilla in op-amp di uscita, mentre una 0.22 µF condensatore collegato tra la base e l’emettitore del transistor NPN, aiuta a ridurre la distorsione di crossover a basso volume: