TEILE UND MATERIALIEN
- Vier 6 volt batterien
- Dual operational amplifier, modell TL082 empfohlen (Radio Shack katalog # 276-1715)
- Ein NPN power transistor in eine ZU-220 paket—(Radio Shack katalog # 276-2020 oder gleichwertig)
- Ein PNP power transistor in eine ZU-220 paket—(Radio Shack katalog # 276-2027 oder gleichwertig)
- Eine 1N914 Schaltdiode (Radio Shack katalog # 276-1620)
- Ein kondensator, 47 µF elektrolyt, 35 WVDC (Radio Shack katalog # 272-1015 oder gleichwertig)
- Zwei kondensatoren, 0.,22 µF, nicht polarisiert (Radio Shack catalog # 272-1070)
- Ein 10 kΩ Potentiometer, Linear taper (Radio Shack catalog # 271-1715)
Achten Sie darauf, einen OP-Amp mit hoher Anschlagsrate zu verwenden. Vermeiden Sie die LM741 oder LM1458 aus diesem Grund.
Je näher die beiden Transistoren zusammenpassen, desto besser. Versuchen Sie nach Möglichkeit, TIP41-und TIP42-Transistoren zu erhalten, die eng aufeinander abgestimmte NPN-und PNP-Leistungstransistoren mit einer Verlustleistung von jeweils 65 Watt sind. Wenn Sie keinen TIP41 NPN-Transistor erhalten können, ist der TIP3055 (erhältlich bei Radio Shack) ein guter Ersatz. Verwenden Sie nicht sehr groß (d.h., TO – 3-Fall) Leistungstransistoren, da der Operationsverstärker möglicherweise Probleme hat, genügend Strom für einen guten Betrieb zu ihren Basen zu leiten.,>Um zu veranschaulichen, wie man einen „Push-pull“ Class B Verstärker mit komplementären Bipolartransistoren
SCHALTPLAN
ILLUSTRATION
ANLEITUNG
Dieses Projekt ist ein Audioverstärker, der zur Verstärkung des Ausgangssignals von einem kleinen Radio, Tonbandgerät, CD-Player oder einer anderen Quelle von Audiosignalen geeignet ist., Für den Stereobetrieb müssen zwei identische Verstärker gebaut werden, einer für den linken Kanal und der andere für den rechten Kanal. Um ein Eingangssignal für die Verstärkung dieses Verstärkers zu erhalten, schließen Sie es einfach an den Ausgang eines Radios oder eines anderen Audiogeräts wie folgt an:
Diese Verstärkerschaltung verstärkt auch „Line-level“-Audiosignale von hochwertigen, modularen Stereokomponenten., Es bietet eine überraschende Menge an Schallleistung, wenn es über einen großen Lautsprecher gespielt wird,und läuft möglicherweise ohne Kühlkörper auf den Transistoren (obwohl Sie ein wenig damit experimentieren sollten, bevor Sie sich entscheiden, auf Kühlkörper zu verzichten, da die Verlustleistung je nach Art des verwendeten Lautsprechers variiert).
Ziel jeder Verstärkerschaltung ist es, die Eingangswellenform möglichst genau wiederzugeben. Eine perfekte Wiedergabe ist natürlich nicht möglich, und Unterschiede zwischen den Ausgangs-und Eingangswellenformen werden als Verzerrung bezeichnet., Bei einem Audioverstärker kann eine Verzerrung dazu führen, dass unangenehme Töne dem wahren Klang überlagert werden. Es gibt viele verschiedene Konfigurationen von Audioverstärkerschaltungen mit jeweils eigenen Vor-und Nachteilen. Diese spezielle Schaltung wird als Push-Pull-Schaltung der „Klasse B“ bezeichnet.
Die meisten Audio-Leistungsverstärker verwenden eine Klasse-B-Konfiguration, bei der ein Transistor die Last während der einen Hälfte des Wellenformzyklus mit Strom versorgt (er drückt) und ein zweiter Transistor die Last für die andere Hälfte des Zyklus mit Strom versorgt (er zieht)., In diesem Schema bleibt der Transistor für den gesamten Zyklus „on“ und gibt jedem eine Zeit zum „Ausruhen“ und Abkühlen während des Wellenformzyklus. Dies sorgt für eine energieeffiziente Verstärkerschaltung, führt jedoch zu einer deutlichen Art von Nichtlinearität, die als „Crossover-Verzerrung“ bezeichnet wird.,audioton konstanter Lautstärke:
In einer Push-Pull-Verstärkerschaltung verstärken die beiden Transistoren abwechselnd die alternativen Halbzyklen der Wellenform wie folgt:
Wenn die „Übergabe“ zwischen den beiden Transistoren nicht genau synchronisiert ist, kann die Ausgangswellenform des Verstärkers jedoch ungefähr so aussehen dies anstelle einer reinen Sinuswelle:
Hier ergibt sich eine Verzerrung dadurch, dass zwischen dem Ausschalten eines Transistors und dem Einschalten des anderen Transistors eine Verzögerung auftritt., Diese Art von Verzerrung, bei der die Wellenform am Übergangspunkt zwischen positiven und negativen Halbzyklen „abflacht“, wird als Kreuzungsverzerrung bezeichnet., Eine gängige Methode zur Abschwächung von Crossover-Verzerrungen besteht darin, die Transistoren so zu verzerren, dass sich ihre Einschalt-/Ausschaltpunkte tatsächlich überlappen, so dass sich beide Transistoren während der Übergangsperiode für einen kurzen Moment in einem Leitungszustand befinden:
Diese Form der Verstärkung ist technisch als Klasse AB und nicht als Klasse B bekannt, da jeder Transistor während eines vollständigen Wellenformzyklus mehr als 50% der Zeit „on“ ist., Der Nachteil dabei ist jedoch ein erhöhter Stromverbrauch der Verstärkerschaltung, da in den Momenten, in denen beide Transistoren leiten, Strom durch die Transistoren geleitet wird, der nicht durch die Last fließt, sondern lediglich von einer Stromversorgungsschiene zur anderen „kurzgeschlossen“ wird (von-V bis +V).
Dies ist nicht nur eine Energieverschwendung, sondern leitet auch mehr Wärmeenergie in die Transistoren ab. Wenn Transistoren an Temperatur zunehmen, ändern sich ihre Eigenschaften (Vbe-Vorwärtsspannungsabfall, β, Verbindungswiderstände usw.,), was die richtige Vorspannung erschwert.
In diesem Experiment arbeiten die Transistoren im reinen Klasse-B-Modus. Das heißt, sie dirigieren nie gleichzeitig. Dies spart Energie und verringert die Wärmeableitung, eignet sich jedoch für Crossover-Verzerrungen. Die in dieser Schaltung verwendete Lösung besteht darin, einen Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung zu verwenden, um die Transistoren schnell durch die „tote“ Zone zu treiben, wodurch eine Crossover-Verzerrung erzeugt wird, und die „Abflachung“ der Wellenform während der Frequenzweiche zu reduzieren.
Der erste (ganz links) Operationsverstärker im Schaltplan ist nichts anderes als ein Puffer., Ein Puffer hilft, die Belastung des Eingangskondensator – /Widerstandsnetzwerks zu reduzieren, das in der Schaltung platziert wurde, um eine DC-Vorspannung aus dem Eingangssignal herauszufiltern, wodurch verhindert wird, dass eine Gleichspannung durch die Schaltung verstärkt und an den Lautsprecher gesendet wird, wo dies zu Schäden führen kann.
Ohne die puffer op-amp, die kondensator/widerstand filterung schaltung reduziert die low-frequenz („bass“) antwort der verstärker und akzentuiert die high-frequenz („höhen“).
Der zweite Operationsverstärker fungiert als invertierender Verstärker, dessen Verstärkung über das Potentiometer 10 kΩ gesteuert wird., Dies ist nichts anderes als die Bereitstellung eines Lautstärkereglers für den Verstärker. Normalerweise haben invertierende Op-Amp-Schaltungen ihre Rückkopplungswiderstände direkt von der Op-Amp-Ausgangsklemme an die invertierende Eingangsklemme angeschlossen:
Wenn wir das resultierende Ausgangssignal verwenden würden, um die Basisklemmen des Push-Pull-Transistorpaares anzutreiben, würden wir jedoch eine signifikante Crossover-Verzerrung erfahren, da es im Betrieb der Transistoren eine „tote“ Zone geben würde, da die Basisspannung von + 0,7 Volt auf – 0 ging.,7 volt:
Wenn Sie die Verstärkerschaltung bereits in ihrer endgültigen Form aufgebaut haben, können Sie sie auf diese Form vereinfachen und den Unterschied in der Klangqualität hören. Wenn Sie noch nicht mit dem Bau der Schaltung begonnen haben, ist die oben gezeigte schematische Darstellung ein guter Ausgangspunkt. Es wird ein Audiosignal verstärken, aber es wird schrecklich klingen!
Der grund für die crossover verzerrung ist, dass, wenn die op-amp ausgang signal ist zwischen + 0,7 volt und-0.,7 volt, weder transistor wird durchführung, und die ausgangsspannung an den lautsprecher wird 0 volt für die gesamte 1,4 volt spanne von basis spannung schaukel. Somit befindet sich im Eingangssignalbereich eine „Zone“, in der keine Änderung der Lautsprecherausgangsspannung auftritt. Hier werden normalerweise komplizierte Vorspannungstechniken in die Schaltung eingeführt, um diese 1,4-Volt – „Lücke“ in der Transistoreingangssignalantwort zu reduzieren. Normalerweise wird so etwas gemacht:
Die beiden in Reihe geschalteten Dioden fallen ungefähr 1.,4 volt, was den kombinierten Vbe-Vorwärtsspannungsabfällen der beiden Transistoren entspricht, was zu einem Szenario führt, in dem jeder Transistor kurz davor steht, sich einzuschalten, wenn das Eingangssignal null Volt beträgt, wodurch die zuvor vorhandene „tote“ Signalzone von 1,4 Volt eliminiert wird.
Leider ist diese Lösung jedoch nicht perfekt: Wenn sich die Transistoren von der Leiterleistung auf die Last erwärmen, sinkt ihre Vbe-Vorwärtsspannung von 0,7 Volt auf etwas weniger, z. B. 0,6 Volt oder 0,5 Volt., Die Dioden, die nicht dem gleichen Heizeffekt unterliegen, weil sie keinen wesentlichen Strom leiten, erfahren nicht die gleiche Änderung des Durchlassspannungsabfalls.
Somit liefern die Dioden weiterhin die gleiche 1,4-Volt-Vorspannung, obwohl die Transistoren aufgrund der Erwärmung weniger Vorspannung benötigen. Das Ergebnis wird sein, dass die Schaltung in den Betrieb der Klasse AB driftet, wobei sich beide Transistoren einen Teil der Zeit in einem Leitungszustand befinden., Dies führt natürlich zu einer stärkeren Wärmeableitung durch die Transistoren, was das Problem der Änderung des Vorwärtsspannungsabfalls verschärft.
Eine gängige Lösung für dieses Problem ist das Einfügen von Temperaturkompensationswiderständen in die Emitterbeine der Push-Pull-Transistorschaltung:
Diese Lösung verhindert nicht das gleichzeitige Einschalten der beiden Transistoren, sondern reduziert lediglich die Schwere des Problems und verhindert ein thermisches Auslaufen., Es hat auch den unglücklichen Effekt, einen Widerstand in den Laststrompfad einzufügen und den Ausgangsstrom des Verstärkers zu begrenzen. Die Lösung, für die ich mich in diesem Experiment entschieden habe, ist eine, die das Prinzip der negativen Rückkopplung von Operationsverstärkern nutzt, um die inhärenten Einschränkungen der Push-Pull-Transistor-Ausgangsschaltung zu überwinden. Ich benutze eine Diode, um eine 0,7-Volt-Vorspannung für das Push-Pull-Paar bereitzustellen., Dies reicht nicht aus, um die „tote“ Signalzone zu eliminieren, reduziert sie jedoch um mindestens 50%:
Da der Spannungsabfall einer einzelnen Diode immer geringer ist als der kombinierte Spannungsabfall der Basis-Emitter-Verbindungen der beiden Transistoren, können sich die Transistoren niemals gleichzeitig einschalten, wodurch ein Betrieb der Klasse AB verhindert wird., Um die verbleibende Crossover-Verzerrung zu beseitigen, wird das Rückkopplungssignal des Operationsverstärkers wie folgt vom Ausgangsklemmen des Verstärkers (den Emitterklemmen der Transistoren) entnommen:
Die Funktion des Operationsverstärkers besteht darin, das Spannungssignal auszugeben, das er hat, um seine beiden Eingangsklemmen auf der gleichen Spannung zu halten (0 Volt Differential)., Durch Anschließen der Rückkopplungsleitung an die Emitterklemmen der Push-Pull-Transistoren hat der Operationsverstärker die Fähigkeit, jede „tote“ Zone zu erfassen, in der kein Transistor leitend ist, und ein geeignetes Spannungssignal an die Basen der Transistoren auszugeben, um sie schnell wieder in die Leitung zu treiben, um mit der Eingangssignalwellenform „Schritt zu halten“.
Dies erfordert einen Operationsverstärker mit hoher Anstiegsrate (die Fähigkeit, eine schnell steigende oder schnell fallende Ausgangsspannung zu erzeugen), weshalb der Operationsverstärker TL082 für diese Schaltung spezifiziert wurde., Langsamere Operationsverstärker wie der LM741 oder LM1458 können möglicherweise nicht mit der hohen dv/dt (Voltage Rate-of-change over time, auch bekannt als de/dt) Schritt halten, die für den Betrieb mit geringer Verzerrung erforderlich ist.
Dieser Schaltung werden nur ein paar Kondensatoren hinzugefügt, um sie in ihre endgültige Form zu bringen: Ein parallel zur Diode geschalteter 47 µF-Kondensator trägt dazu bei, die 0,7-Volt-Vorspannung trotz großer Spannungsschwankungen im Ausgang des Operationsverstärkers konstant zu halten, während ein 0,22 µF-Kondensator, der zwischen der Basis und dem Emitter des NPN-Transistors angeschlossen ist, dazu beiträgt, Crossover-Verzerrungen bei niedrigen Lautstärkeeinstellungen zu reduzieren: