Amplificator audio cu un tranzistor bipolar

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 (U_IN) 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 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 R_2. 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 R_CE) 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, R_CE şi R₄). Rezistenţele R₃ şi R₄ sunt fixe, însă valoarea rezistenţei R_CE este controlată de semnalul aplicat pe baza lui T₁ (adică de tensiunea de polarizare şi de semnalul de intrare U_IN). Asta înseamnă că:

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

Avem aşadar nişte rezistenţe legate în serie (R₃, R_CE 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 U_IN variază, se modifică rezistenţa R_CE şi implicit tensiunile care apar pe R₃, R_CE 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 înţelegerea funcţionării unui divizor de tensiune cu tranzistor.

În figura 2 U_IN reprezintă semnalul care controlează deformaţia arcului R_CE. Deformaţiile arcurilor R₃, R_CE şi R₄ corespund tensiunilor electrice care apar pe rezistenţele cu aceleaşi nume din figura 1. Atunci când U_IN=0V, sistemul de arcuri se află într-o stare de echilibru în care nu se mişcă nimic. Când însă U_IN începe să crească sau să scadă, se observă că unele arcuri se întind iar altele se comprimă. În acest mod se observă că deformația U_COL se măreşte sau se micşorează în funcţie de cum dictează semnalul U_IN. 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:

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:

Parametrii I_C şi U_CE (sau V_CE) 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 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 U_IN=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 U_IN 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:

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.

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