А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

• Название: Семь шагов в электронику
• Автор: А. Черномырдин
• Издательство: "Наука и Техника"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-94387-853-4

Впервые на российском рынке появилась радиолюбительская книга с видеокурсом. Разработки автора книги и его статьи широко известны читателям самых популярных журналов для радиолюбителей. А эта практическая книга им написана для тех, кто вступил на сложный и интересный путь от «чайника» до «профи» — ведь двигаться на этом пути очень трудно! В легкой и доступной форме в книге разбираются устройство и принципы работы семи различных конструкций. Устройства помещены в порядке возрастания сложности, осваиваются шаг за шагом.

Изюминка книги и в том, что конструкции каждого Шага созданы автором в нескольких вариантах на различной элементной базе — или на транзисторах, или на микросхемах, или на микроконтроллерах, — чтобы можно было наглядно увидеть и сходство, и различия между схемными решениями. Там, где какие-то схемотехнические варианты нереализуемы (например, усилитель на микроконтроллере), их, естественно, в книге нет. Интересны и реальные конструкции в ретро-варианте: на лампах, реле, тиратронах — такими они были во времена наших отцов и дедов.

Все рассмотренные конструкции автор разработал, изготовил, проверил и заставил работать — подтверждением тому многочисленные ролики, содержащиеся на приложенном к книге диске. Книга будет интересна всем читателям, желающим расширить свои знания и практические навыки в радиоэлектронике.

Книга сопровождается диском, на котором записан видеокурс, видеоролики с демонстрацией работающих конструкций, имеется разводка печатных плат всех конструкций в электронном виде. Для всех конструкций на микроконтроллерах на диске приводятся программы с исходниками. Диск содержит большое количество справочной информации для радиолюбителей.

---

Понятно, что чем меньше вносимые усилителем искажения, тем лучшими, по большому счету, будут соответствующие коэффициенты. Нужно только не забывать, что вы, уважаемый радиолюбитель, делаете усилитель не для того, чтобы наслаждаться низким коэффициентом гармоник, а чтобы слушать музыку.

 Примечание.

Запросто может случиться, что усилитель с худшими цифровыми показателями звучит приятнее для вашего слуха. Совет в этом случае один — махните рукой на цифры! Если вы думаете, что все мужчины мира женаты на 90-60-90, это одно из самых глубоких ваших заблуждений!

Итак, по необходимости краткий экскурс в область, касающуюся усилителей низкой частоты, закончен. Поскольку в качестве примеров мы с вами рассматривали транзисторы, первый вариант усилителей у нас и будет… на транзисторах.

Усилитель низкой частоты на транзисторах

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя — делать однотактный усилитель класса А на транзисторах мы не будем. Причина проста — как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом — вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика — и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами — трансформатором или конденсатором, — и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Первый усилитель. Принципиальная схема. Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема первого варианта транзисторного УНЧ

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы — простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы — она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него — на резистор R5. Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор С4 на АС. Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него — на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

 Примечание.

Обратите внимание — последовательно с резистором R3 включен конденсатор С2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал — с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 160/(RxC).

где F — частота среза, кГц; R — сопротивление резистора RC-цепочки, ом; С — емкость конденсатора RC-цепочки, мкФ.

Для нашего примера она будет около 3 Гц, т. е. гораздо ниже нижнего порога человеческого слуха.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 45x32,5 мм. Разводку печатной платы можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Разводка печатной платы устройства (45x32,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Внешний вид усилителя

Элементная база. При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1. Остальные транзисторы — любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт, конденсаторы — электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя. Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя. Та маленькая алюминиевая штучка, которую вы видели в ролике, пригодна для демонстрации работы усилителя, но совершенно не подходит для его нормальной эксплуатации. С таким игрушечным радиатором выходные транзисторы сгорят через пару минут громкой музыки. Полный тепловой расчет радиаторов достаточно сложен, поэтому приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

Р = (UхU)/(8хR), Вт,

где U — напряжение питания усилителя, В; R — сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

Ррас = 0,25хР, Вт.

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20xPpac, см2.

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

 Примечание.

При изготовлении радиатора не забывайте, что алюминиевая пластина имеет две стороны, а не одну, и радиатор площадью 100 см2 будет иметь размеры вовсе не 10x10 см, а 10x5 см!

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2x3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте в виду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить — радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно — посчитайте сами!

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 3» — > «Первый УНЧ на транзисторах». Хочется сразу предупредить радиолюбителя — звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно!

Качество звучания. Если вы, уважаемый радиолюбитель, внимательно просмотрели (точнее, прослушали) ролик, то обратили внимание, что звук усилителя не совсем чистый — это заметно даже с тем микрофоном, который использовался при записи.

Причина этой «нечистоты» — «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 — на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.