Amplificator audio cu un tranzistor bipolar

Amplificator audio cu un tranzistor bipolar - abstract articol

Bine te-am găsit !

Schema de amplificator audio cu un tranzistor bipolar pe care ţi-o voi prezenta astăzi este una din cele mai simple aplicaţii ale tranzistoarelor bipolare (şi nu numai). Pe lângă aceasta, este vorba de o schemă foarte simplă, care necesită foarte puţine componente electronice şi pe care sunt sigur că şi tu o vei putea pune în funcţiune după ce vei parcurge până la capăt acest articol. Aşadar, astăzi vom vorbi despre:

  • Amplificator audio cu un tranzistor bipolar – principii de funcţionare;
  • Dimensionarea schemei;
  • Ameliorarea stabilităţii punctelor statice de funcţionare.
Amplificator audio cu un tranzistor bipolar – principii de funcţionare.

În figura 1 este prezentată schema de bază a unui amplificator audio care are la baza un tranzistor bipolar folosit în conexiune de tip emitor comun. Aşa cum spuneam şi aici, asta înseamnă că semnalul de intrare (UIN) este aplicat între bază şi emitor iar semnalul de ieşire este oferit între colector şi masă (GND). Se mai observă că intrarea şi ieşirea din amplificator se realizează prin câte un condensator (C1 şi C2) care au rolul de a permite doar trecerea semnalelor formate din tensiuni alternative (aşa cum sunt şi semnalele audio pe care dorim să le amplificăm). Totul pare simplu până aici. Şi totuşi de ce schema include şi alte componente ?

Figura-2.-Schema-amplificator-cu-un-tranzistor-bipolar-in-conexiune-emitor-comun-

Figura 1. Schemă amplificator audio cu un tranzistor bipolar (în conexiune emitor comun).

S-o luăm cu începutul. Dacă ne uităm cu atenţie în figura 1, vom observa prezenţa a două divizoare de tensiune:

  • primul este realizat cu R1 şi R2. Acesta are rolul de a oferi tranzistorului T1 tensiunea minimă de comandă astfel încât acesta să fie menţinut mereu activ (în zona activă);
  • al doilea este realizat cu R3, colectorul şi emitorul lui T1 şi R4. Acesta are rolul de a crea semnalul de ieşire.

Hai să discutăm puţin despre primul divizor de tensiune. Spuneam în articolul trecut că o conexiune de tip emitor comun poate prelucra (amplifica) corect doar semnale de intrare care au valori foarte apropiate de tensiunea de deschidere a joncţiunii B-E. Pentru tensiuni mai mici decât această valoare, tranzistorul nu poate fi comandat şi deci nu poate lucra. Pentru a rezolva aceasta problemă, cea mai simplă soluţie este să adăugăm un circuit care să îi aplice mereu pe baza tranzistorului acea tensiune minimă de comandă de care acesta are nevoie pentru a lucra. În mod curent acest circuit poartă numele de circuit de polarizare iar tensiunea oferită de acesta se numeşte tensiune de polarizare. În cazul schemei din figura 1, circuitul de polarizare este reprezentat de primul divizor rezistiv (cel realizat cu R1 şi R2).

Dintr-un alt punct de vedere, putem spune că tensiunea de polarizare are rolul de a menţine tranzistorul într-o stare semi-deschisă, adică rezistenţa dintre colectorul şi emitorul acestuia (pe care în continuare o vom prescurta RCE) este undeva între 0 şi infinit. Ţinând cont de faptul că semnalul de intrare şi tensiunea de polarizare sunt aplicate în acelaşi punct (pe baza tranzistorului) asta înseamnă că:

  • atunci când semnalul de intrare este mai mare de 0V, acesta va spori efectul tensiunii de polarizare: tranzistorul se va deschide şi mai mult;
  • atunci când semnalul de intrare este mai mic de 0V, acesta va atenua efectul tensiunii de polarizare: tranzistorul se va deschide mai puţin.

Hai să vorbim acum şi de cel de-al doilea divizor (cel realizat cu R3, RCE şi R4). Rezistenţele R3 şi R4 sunt fixe, însă valoarea rezistenţei RCE este controlată de semnalul aplicat pe baza lui T1 (adică de tensiunea de polarizare şi de semnalul de intrare UIN). Asta înseamnă că:

  • dacă UIN = 0, valoarea lui RCE va fi dictată doar de către circuitul de polarizare realizat cu R1 şi R2;
  • dacă UIN > 0V, rezistenţa RCE scade;
  • dacă UIN < 0V, rezistenţa RCE creşte.

Avem aşadar nişte rezistenţe legate în serie (R3, RCE şi R4). Fără semnal de intrare, valoarea tuturor rezistenţelor este constantă şi aşa vor fi şi tensiunile care apar pe ele. Când însă semnalul de intrare UIN variază, se modifică rezistenţa RCE şi implicit tensiunile care apar pe R3, RCE şi R4.

Ca să vizualizezi mai clar aceste lucruri hai să aruncăm o privire peste figura 2 unde am făcut o analogie cu un sistem de arcuri legate în serie.

Figura 2. Analogie pentru intelegerea functionarii unui divizor de tensiune cu tranzistor

Figura 2. Analogie pentru înţelegerea funcţionării unui divizor de tensiune cu tranzistor.

În figura 2 UIN reprezintă semnalul care controlează deformaţia arcului RCE. Deformaţiile arcurilor R3, RCE şi R4 corespund tensiunilor electrice care apar pe rezistenţele cu aceleaşi nume din figura 1. Atunci când UIN=0V, sistemul de arcuri se află într-o stare de echilibru în care nu se mişcă nimic. Când însă UIN începe să crească sau să scadă, se observă că unele arcuri se întind iar altele se comprimă. În acest mod se observă că deformația UCOL se măreşte sau se micşorează în funcţie de cum dictează semnalul UIN. Ei bine, la fel se întâmplă şi în figura 1 cu tensiunea de pe colectorul lui T1: creşte şi scade în funcţie de cum dictează semnalul de intrare.

Este uşor de înţeles acum care este funcţia rezistenţei R3 – permite tensiunii de pe colectorul tranzistorului T1 să varieze în funcţie de valoarea curentului care curge prin acesta. Dacă R3 ar fi egală cu 0Ω, colectorul tranzistorului T1 ar fi legat direct la borna (+) a sursei de alimentare, caz în care schema noastră ar duce la apariţia unui scurtcircuit.

Am analizat toate componentele schemei de amplificator audio cu un tranzistor cu excepţia rezistenţei R4. Rolul acesteia este acela de a reduce amplificarea schemei. Te-ai putea întreba: “este vorba de un amplificator, de ce am dori să-i reducem amplificarea ?” Primul motiv ar fi faptul că valoarea amplificării trebuie controlată – altfel rişti să ajungi în situația în care bagi 1 miliard de volţi într-un echipament care poate lucra normal doar cu semnale de câteva sute de milivolţi. Al doilea motiv ţine de faptul că distorsiunile unui amplificator cresc odată cu amplificarea acestuia. În altă ordine de idei, asta înseamnă că pentru a reduce distorsiunile unui amplificator una din cele mai bune metode este să-i reduci amplificarea.

Există şi un al treilea motiv care este legat de fenomenul de derivă termică. Dacă ne amintim că tensiunea de deschidere a joncţiunii PN este influenţată de temperatura acesteia, este uşor de înţeles că de exemplu la 50ºC tranzistorul T1 va avea nevoie de o tensiune de polarizare diferită faţă de atunci când se află la o temperatură ambiantă. În aceste cazuri tensiunea de polarizare poate comanda blocarea sau deschiderea totală a tranzistorului, cazuri în care amplificatorul nostru (dacă va mai funcţiona în vreun fel) va avea distorsiuni foarte mari.

M-am întins cam mult dar vreau să-ţi spun câteva cuvinte şi despre cum reuşeşte rezistenţa R4 să reducă efectele derivei termice. Ştiu că ai ceva de derulat până la ea dar hai totuşi să ne întoarcem şi să aruncăm o privire peste figura 1. Am spus mai sus că tensiunea de polarizare menţine tranzistorul semi-deschis, ceea ce înseamnă că pe rezistenţa R3 apare o tensiune proporţională cu curentul care trece prin tranzistor. Tensiunea de polarizare este aplicată între bază şi masă (GND) ceea ce înseamnă că o parte din ea se distribuie pe joncţiunea B-E a tranzistorului T1 iar celalaltă parte pe rezistenţa R4. Dacă intensitatea curentului prin R4 încearcă să crească, acest lucru va fi însoţit şi de creşterea tensiunii pe R4. Ţinând cont că tensiunea de polarizare este constantă, creşterea tensiunii de pe R4 poate apare doar dacă se reduce tensiunea de pe joncţiunea B-E. Dacă intensitatea curentului prin R4 încearcă să scadă, lucrurile se petrec, bineînţeles, în sens invers. Cu alte cuvinte, într-o anumită măsură, cele două tensiuni se compenseaza reciproc.

Dimensionarea schemei.

Prin dimensionarea schemei înţeleg modul în care trebuie alese componentele astfel încât schema să funcţioneze conform nevoilor tale. Ca să treci mai uşor peste această etapă am publicat aici un calculator on-line special făcut pentru această schemă de amplificator audio cu un tranzistor. În continuare prezint doar cele mai importante noţiuni referitoare la dimensionarea acestei scheme.

a) În general este de dorit ca polarizarea schemei să fie făcută astfel încât, fără semnal de intrare, tensiunea de pe colectorul lui T1 să fi egală cu jumatate din valoarea tensiunii de alimentare (V+). În caz contrar, semialternanţele semnalului de ieşire vor avea valori maxime diferite, adică ori semialternanţa pozitivă va fi mai mică decât cea negativă, ori invers. Nerespectarea acestei condiţii duce la distorsiuni semnificative atunci când semnalul de ieşire atinge valori mari.

b) Tensiunea de alimentare a montajului trebuie să fie de cel puţin 3 ori mai mare decât tensiunea RMS (medie) a semnalului dorit la ieşire. Această condiție se datorează în principal:

  • faptului că din tensiunea de alimentare V+ amplificatorul trebuie să creeze ambele semialternanțe (pozitivă și negativă) ale semnalului de ieșire. Deci din acest punct de vedere, tensiunea de alimentare a montajului ar trebui să fie cel puțin dublă față de tensiunea maximă a semnalului de ieșire;
  • faptului că la ieșire tu măsori valoarea RMS (medie) a semnalului de ieșire, ceea ce înseamnă că acesta are valori de vârf mai mari decât valoarea RMS (medie). Pentru a putea prelucra corect și aceste vârfuri, trebuie să oferi amplificatorului o tensiune de alimentare ceva mai mare decât dublul valorii semnalului de ieșire.

c) Valoarea impedanţei de ieşire este aproximativ egală cu valoarea rezistenţei R3, ceea ce înseamna că de îndată ce ai aflat ce impedanţă de ieşire îţi trebuie ai aflat şi valoarea lui R3.

d) În continuare este timpul să aflam valoarea lui R4. Aceasta se calculează pe baza amplificării pe care doreşti să o aibe schema. Aceasta este dată de raportul între R3 şi R4, adică:

\mathrm{Amplificare\, \, schema}=\frac{R_3}{R_4}

Pentru a evita problemele create de fenomenul de derivă termică îţi recomand să nu optezi pentru amplificări mai mari de 10-15. Pentru amplificări mai mari poţi conecta două sau mai multe astfel de scheme sau poţi opta pentru soluţia pe care o voi discuta în partea finală a acestui articol.

e) Am ajuns şi în zona circuitului de intrare. În această zonă ne interesează impedanţa de intrare care este dictată în principal de valoarea aleasă pentru R2. În ceea ce priveşte R1, valoarea acesteia trebuie calculată în aşa fel încât să determine pe colectorul tranzistorului T1 o tensiune egală cu jumatate din tensiunea de alimentare a montajului (V+). Procedura detaliată de calcul a lui R1 este deja prezentată aici.

d) Valorile condensatorilor C1 şi C2 trebuie alese astfel încât reactanţa acestora să fie neglijabilă în întreaga bandă de frecvenţă pentru care întenţionezi să foloseşti montajul tău de amplificator audio cu un tranzistor. Pentru amplificatoare de semnal mic, valoarea lui C1 se alege de regulă între 0,1 şi 4,7uF iar valoarea lui C2 între 1 şi 100uF. Pentru a afla mai exact ce valori trebuie să alegi foloseşte calculatorul sau formulele de aici.

f) În ceea ce priveşte tranzistorul T1 singurele condiţii esenţiale sunt ca acesta să suporte tensiunile şi curenţii maximi care apar în montaj, adică:

\mathit{I_C>\frac{V_+}{R_3}};\: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \mathit{U_{CE}>V_+}

Parametrii IC şi UCE (sau VCE) îi poţi găsi aproape întotdeauna pe net, în website-uri de datasheet-uri (ca de exemplu acesta). În cazul în care vrei să foloseşti schema aceasta doar pentru amplificatoare audio de semnal mic (de ex. amplificator de microfon, de căşti etc.) poţi folosi fără probleme tranzistoare bipolare NPN de semnal mic obişnuite, cum ar fi: 2N2222, BC337, BC546, BC547, BC548 etc.

Ameliorarea stabilităţii punctelor statice de funcţionare.

Noţiunea de punct/puncte statice de funcţionare se referă la tensiunile electrice care apar într-o schemă electrică atunci când înspre sau dinspre aceasta nu circulă nici un fel de semnale electrice. Cu alte cuvinte, această noţiune se referă la tensiunile electrice care apar într-un montaj electronic atunci când acesta nu este conectat nicăieri (în afară de sursa de alimentare 🙂 ).

Am vorbit puţin mai sus despre faptul că fenomenul de deriva termică ne forţează să nu folosim amplificări mai mari de 10-15. Dacă totuşi dorim să folosim schema de amplificare audio cu un tranzistor la amplificări mai mari şi în condiţiile unor distorsiuni reduse, va trebui să optăm pentru completările prezentate în figura 3.

Figura-3.-Ameliorarea-stabilitatii-punctelor-statice-de-functionare-prin-decuplarea-rezistentei-de-emitor

Figura 3. Ameliorarea stabilităţii punctelor statice de funcţionare prin decuplarea rezistenţei de emitor.

Observăm că singurele modificări faţă de prima variantă de amplificator audio cu un tranzistor (cea din figura 1) sunt adăugarea condensatorului C3 şi a rezistenţei R5. După cum bine ştim, un condensator conduce curentul electric doar când acesta este variabil (sau alternativ). Asta înseamnă că C3 va conecta rezistenţa R5 în paralel cu R4 doar atunci când în amplificatorul nostru intra semnale formate din tensiuni electrice alternative (adică semnale audio). Astfel:

  • dacă UIN=0, în schemă vom avea doar tensiuni electrice constante, caz în care grupul C3, R5 nu influenţează cu nimic funcţionarea schemei (de fapt, este ca şi cum nici nu ar fi acolo);
  • dacă UIN este reprezentat de o tensiune alternativă (de exemplu de un semnal audio), condensatorul C3 va conecta rezistenţa R5 în paralel cu rezistenţa R4. În acest caz amplificarea schemei nu va mai fi dată de raportul R3/R4 ci de:

\mathrm{Amplificare\, \, schema}=\frac{R_3}{\frac{R_4\cdot R_5}{R_4+R_5}}

În această situaţie:

  • rolul principal al lui R4 este acela de a stabiliza punctele statice de funcţionare;
  • amplificarea schemei este dictată în special de către R5, care de regulă are o valoare mult mai mică decât R4;
  • condensatorul C3 se numeşte condensator de decuplare a rezistenţei de emitor pentru că rolul lui este acela de a cupla/decupla principala rezistenţă care determină amplificarea montajului (adică R5). Valoarea lui C3 este egală cu cea a lui C2 şi se calculează folosind calculatorul de aici.

În realitate în schemele de amplificator audio cu un tranzistor cea mai folosită variantă este cea din figura 3. Pentru că sunt sigur că şi tu o vei prefera (cel puţin pentru că te lasă să foloseşti amplificări mai mari de 10-15) hai să-ţi explic cum trebuie să procedezi. În primul rând trebuie să foloseşti calculatorul on-line de aici pentru a dimensiona o variantă a schemei care are o amplificare de cel mult 2-5. În acest mod te asiguri că efectele fenomenului de derivă termică sunt minime. Apoi, te poţi folosi de relaţia de mai jos pentru a determina rezistenţa R5 de care ai nevoie pentru a obţine amplificarea dorită.

\mathrm{R_5=\frac{R_3\cdot R_4}{Amplificare \, \, schema\cdot R_4-R_3}}

Important de menţionat este că poţi înlocui rezistenţa R5 cu o rezistenţă reglabilă (cu un reostat) astfel încât montajul tău de amplificator audio cu un tranzistor să aibe amplificare reglabilă 😉 .

Acum ai toate detaliile şi resursele de calcul necesare pentru a construi primul tău amplificator audio cu un tranzistor bipolar. Te invit să construieşti unul şi apoi să-mi spui şi mie ce ţi-a ieşit 😉 !

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian

16 thoughts on “Amplificator audio cu un tranzistor bipolar

  1. Salut Ciprian
    De ce nu ai mai lasat activ calaculatoru on-line ?
    In trecut am folosit functile lui si mo ajutat.
    Apreciez efortu tau pentru ca ai facut saitu asta este foarte bine explicat .
    Multumesc.

  2. Salut Ciprian! Ai putea sa-mi explici o chestie pe care eu nu prea am inteles-o. Impedanta de intrare ce rol are si cum o aleg? Impedanta de iesire inteleg ca are legatura cu impedanta difuzorului, corect?

    • Impedanta reprezinta opozitia (sub toate formele posibile – rezistenta, reactanta etc.) pe care o manifesta un circuit la trecerea unui curent electric prin el.

      Intr-o intelegere simplificata:
      – impedanta de intrare a unui amplificator, este rezistenta pe care o vede sursa de semnal a acestuia;
      – impedanta de iesire a unui amplificator, reprezinta rezistenta minima a sarcinii pe care o poti lega la iesirea lui.

      Atunci cand legi o iesire la o intrare, impedanta de iesire (a sursei de semnal) trebuie sa fie egala sau mai mica decat impedanta de intrare (a montajului care primeste semnalul respectiv).

    • In articol este un link catre un calculator on-line cu care poti afla ce valori trebuie sa folosești in funcție de ce performante vrei.

  3. As dori si eu valoarea componentelor amplificatorului cu un tranzistor.
    Am avut o schema cu trei piese,un cond.un tranzistor si o rezistenta,din revista Tehnium dar nu o mai am.

  4. Nu ar fi trebuit să mai fie o dioda după R1 pentru a fi siguri ca nu ne trezim cu V+ pe intrare?
    După R1 eu zic ca tot ajunge tensiune pe baza tranzistorului, sau ma înșel?

    • Pai R1 are rolul de a aduce o parte din tensiunea V1 in scopul polarizarii tranzistorului. Totusi am impresia ca nu am inteles complet ce ai vrut sa zici asa ca te rog sa reformulezi.

  5. Eu am citiva tranzistori KT872a si vreau sa stiu daca pot sa-i folosesc intr-o astfel de schema si ce valori ar trebui sa aiba componentele din schema.(Sunt cam nou.)

  6. Foarte bun acest material, consider ca trebuia spus ceva si despre semnalul de intrare, daca este preamplificat sau nu,sau daca etajul de amplificare prezentat este unul intermediar sau final.

    • Acest amplificator, dimensionat corespunzator, poate fi folosit si ca amplificator de semnal mic (deci ca si preamplificator), ca amplificator intermediar sau chiar ca amplificator de putere. Destinatia schemei nu este data de ea insasi ci de preferintele si nevoile celui care o construieste.

Leave a Comment