Audioverstärker der Klasse B

TEILE UND MATERIALIEN

• Vier 6-Volt-Batterien
• Doppelter Operationsverstärker, Modell TL082 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-1715)
• Ein NPN-Leistungstransistor in einem TO-220-Gehäuse – (Radio Shack-Katalog Nr. 276-2020 oder gleichwertig)
• Ein PNP-Leistungstransistor in einem TO-220-Gehäuse – (Radio Shack-Katalog Nr. 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 Katalog # 272-1070)
• Ein 10 kΩ Potentiometer, linear verjüngt (Radio Shack Katalog # 271-1715)

Verwenden Sie unbedingt einen Operationsverstärker mit einer hohen Slew-Rate . Vermeiden Sie aus diesem Grund den LM741 oder LM1458.

Je enger die beiden Transistoren aufeinander abgestimmt sind, desto besser. Versuchen Sie nach Möglichkeit, TIP41- und TIP42-Transistoren zu erwerben, bei denen es sich um eng aufeinander abgestimmte NPN- und PNP-Leistungstransistoren mit einer Verlustleistung von jeweils 65 Watt handelt. Wenn Sie keinen TIP41-NPN-Transistor bekommen können, ist der TIP3055 (erhältlich bei Radio Shack) ein guter Ersatz. Verwenden Sie keine sehr großen Leistungstransistoren (d. h. im TO-3-Gehäuse), da der Operationsverstärker möglicherweise Schwierigkeiten hat, genug Strom für einen guten Betrieb an seine Basen zu leiten.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 4:„Bipolar-Junction-Transistoren“

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

LERNZIELE

• Um zu veranschaulichen, wie man einen „Push-Pull“-Verstärker der Klasse B mit komplementären Bipolartransistoren baut
• Um die Auswirkungen der „Crossover-Verzerrung“ in einer Gegentaktverstärkerschaltung zu veranschaulichen
• Um zu veranschaulichen, wie negative Rückkopplung über einen Operationsverstärker verwendet wird, um Nichtlinearitäten in Schaltungen zu korrigieren

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Dieses Projekt ist ein Audioverstärker, der zum Verstärken des Ausgangssignals eines kleinen Radios, Kassettenspielers, CD-Players oder einer anderen Audiosignalquelle 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 diesen Verstärker zu erhalten, verbinden Sie ihn einfach mit dem Ausgang eines Radios oder eines anderen Audiogeräts wie folgt:

Diese Verstärkerschaltung funktioniert auch gut beim Verstärken von "Line-Pegel ” Audiosignale von hochwertigen, modularen Stereokomponenten. Es bietet überraschend viel Schallleistung, wenn es über einen großen Lautsprecher gespielt wird und möglicherweise ohne Kühlkörper an den Transistoren betrieben wird (obwohl Sie ein wenig damit experimentieren sollten, bevor Sie auf Kühlkörper verzichten, da die Verlustleistung je nach Lautsprechertyp variiert verwendet).

Das Ziel jeder Verstärkerschaltung ist es, die Eingangswellenform so genau wie möglich zu reproduzieren. Eine perfekte Wiedergabe ist natürlich unmöglich, und alle Unterschiede zwischen den Ausgangs- und Eingangswellenformen werden als Verzerrung bezeichnet . In einem Audioverstärker können Verzerrungen dazu führen, dass dem wahren Klang unangenehme Töne überlagert werden. Es gibt viele verschiedene Konfigurationen von Audioverstärkerschaltungen, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Diese spezielle Schaltung wird als "Klasse B" bezeichnet, Push-Pull Schaltung.

Die meisten Audio-„Power ” Verstärker verwenden eine Klasse-B-Konfiguration, bei der ein Transistor die Last während der Hälfte des Wellenformzyklus mit Strom versorgt (er drückt ) und ein zweiter Transistor versorgt die Last für die andere Hälfte des Zyklus mit Strom (er zieht ). In diesem Schema bleibt keiner der Transistoren „an . “ für den gesamten Zyklus, wobei jedem eine Zeit zum „Ruhen . gegeben wird “ und während des Wellenformzyklus abkühlen. Dies führt zu einer energieeffizienten Verstärkerschaltung, führt jedoch zu einer bestimmten Art von Nichtlinearität, die als "Übergangsverzerrung . bekannt ist .”

Hier ist eine Sinuswellenform dargestellt, die einem konstanten Audioton mit konstanter Lautstärke entspricht:

In einer Gegentaktverstärkerschaltung verstärken die beiden Transistoren abwechselnd die abwechselnden Halbzyklen der Wellenform wie folgt:

Wenn die „Übergabe ” zwischen den beiden Transistoren nicht genau synchronisiert ist, kann die Ausgangswellenform des Verstärkers anstelle einer reinen Sinuswelle etwa so aussehen:

Die Verzerrung resultiert hier aus der Tatsache, dass zwischen dem Ausschalten eines Transistors und dem Einschalten des anderen Transistors eine Verzögerung auftritt. Diese Art von Verzerrung, bei der die Wellenform „flacht ” am Übergangspunkt zwischen positiven und negativen Halbwellen, wird als Übergangsverzerrung bezeichnet . Eine gängige Methode zum Abschwächen von Crossover-Verzerrungen besteht darin, die Transistoren so vorzuspannen, dass sich ihre Ein-/Ausschaltpunkte tatsächlich überlappen, sodass beide Transistoren sind während der Übergangszeit für einen kurzen Moment im leitenden Zustand:

Diese Form der Verstärkung wird technisch als Klasse AB bezeichnet statt Klasse B, da jeder Transistor „an . ist ” für mehr als 50 % der Zeit während eines vollständigen Wellenformzyklus. Der Nachteil dabei ist jedoch die erhöhte Leistungsaufnahme der Verstärkerschaltung, da in den Momenten, in denen beide Transistoren leiten, Strom durch die Transistoren geleitet wird, die nicht sind durch die Last geht, sondern lediglich von einer Stromversorgungsschiene zur anderen "kurzgeschlossen" wird (von -V zu +V).

Dies ist nicht nur eine Energieverschwendung, sondern führt auch mehr Wärmeenergie in den Transistoren ab. Wenn die Temperatur von Transistoren steigt, ändern sich ihre Eigenschaften (V_be Durchlassspannungsabfall, β, Übergangswiderstände usw.), was eine ordnungsgemäße 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 gewählte Lösung besteht darin, einen Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung zu verwenden, um die Transistoren schnell durch die „toten . zu treiben ” Zone, die Crossover-Verzerrung erzeugt und das Ausmaß der „Abflachung . reduziert ” der Wellenform während des Crossovers.

Der erste (ganz links) im Schaltplan gezeigte Operationsverstärker ist nichts anderes als ein Puffer. Ein Puffer hilft, die Belastung des Eingangskondensator-/Widerstandsnetzwerks zu reduzieren, das in der Schaltung platziert wurde, um jegliche DC-Vorspannung aus dem Eingangssignal herauszufiltern und zu verhindern, dass DC-Spannung durch die Schaltung verstärkt und an den Lautsprecher gesendet wird wo es Schaden anrichten könnte.

Ohne den Puffer-Operationsverstärker reduziert die Kondensator-/Widerstands-Filterschaltung die Niederfrequenz („Bass “) des Verstärkers und akzentuiert die hohen Frequenzen („Höhen “).

Der zweite Operationsverstärker fungiert als invertierender Verstärker, dessen Verstärkung durch das 10 kΩ-Potentiometer gesteuert wird. Dies bewirkt nichts anderes, als einen Lautstärkeregler für den Verstärker bereitzustellen. Normalerweise sind die Rückkopplungswiderstände von invertierenden Operationsverstärkerschaltungen wie folgt direkt vom Operationsverstärker-Ausgangsanschluss an den invertierenden Eingangsanschluss angeschlossen:

Wenn wir das resultierende Ausgangssignal jedoch verwenden würden, um die Basisanschlüsse des Gegentakttransistorpaares zu treiben, würden wir eine erhebliche Übergangsverzerrung erfahren, da es zu einem „toten ” Zone im Betrieb der Transistoren, als die Basisspannung von + 0,7 Volt auf - 0,7 Volt ging:

Wenn Sie die Verstärkerschaltung bereits in ihrer endgültigen Form aufgebaut haben, können Sie sie auf diese Form vereinfachen und sich den Unterschied in der Klangqualität anhören. Wenn Sie noch nicht mit dem Bau der Schaltung begonnen haben, wäre das oben gezeigte schematische Diagramm ein guter Ausgangspunkt. Es wird ein Audiosignal verstärken, aber es wird schrecklich klingen!

Der Grund für die Crossover-Verzerrung ist, dass, wenn das Operationsverstärker-Ausgangssignal zwischen + 0,7 Volt und - 0,7 Volt liegt, keiner der Transistoren leitet und die Ausgangsspannung zum Lautsprecher 0 Volt für die gesamte 1,4-Volt-Spanne der Basis beträgt Spannungsschwankung. Somit gibt es eine „Zone ” im Eingangssignalbereich, in dem keine Änderung der Lautsprecherausgangsspannung auftritt. Hier werden normalerweise komplizierte Vorspannungstechniken in die Schaltung eingeführt, um diese 1,4-Volt-„Lücke . zu verringern ” in der Transistoreingangssignalantwort. Normalerweise wird so etwas gemacht:

Die beiden in Reihe geschalteten Dioden fallen um ungefähr 1,4 Volt ab, was der kombinierten V_be . entspricht Durchlassspannungsabfälle der beiden Transistoren, was zu einem Szenario führt, in dem jeder Transistor kurz vor dem Einschalten steht, wenn das Eingangssignal null Volt beträgt, wodurch die 1,4 Volt „tot . eliminiert werden ” Signalzone, die vorher existierte.

Leider ist diese Lösung jedoch nicht perfekt:Da sich die Transistoren erwärmen, indem sie Strom zur Last leiten, werden ihre V_be Durchlassspannungsabfälle nehmen von 0,7 Volt auf etwas weniger ab, beispielsweise 0,6 Volt oder 0,5 Volt. Die Dioden, die nicht dem gleichen Erwärmungseffekt unterliegen, weil sie keinen wesentlichen Strom leiten, erfahren nicht die gleiche Änderung des Durchlassspannungsabfalls.

Somit liefern die Dioden weiterhin dieselbe 1,4-Volt-Vorspannung, obwohl die Transistoren aufgrund der Erwärmung weniger Vorspannung benötigen. Das Ergebnis wird sein, dass die Schaltung in den Klasse-AB-Betrieb abdriftet, wobei beide Transistoren sind zeitweise in einem leitenden Zustand. Dies führt natürlich zu einer stärkeren Wärmeableitung durch die Transistoren, was das Problem der Änderung des Spannungsabfalls in Vorwärtsrichtung verschärft.

Eine übliche Lösung für dieses Problem ist die Einfügung der Temperaturkompensation „Feedback ” Widerstände in den Emitterschenkeln der Gegentakttransistorschaltung:

Diese Lösung verhindert nicht das gleichzeitige Einschalten der beiden Transistoren, sondern reduziert lediglich die Schwere des Problems und verhindert ein thermisches Durchgehen. Es hat auch den unglücklichen Effekt, dass ein Widerstand in den Laststrompfad eingefügt wird, wodurch der Ausgangsstrom des Verstärkers begrenzt wird. Die Lösung, für die ich mich in diesem Experiment entschieden habe, ist eine, die das Prinzip der Gegenkopplung des Operationsverstärkers nutzt, um die inhärenten Einschränkungen der Ausgangsschaltung des Gegentakttransistors zu überwinden. Ich verwende eine Diode, um eine Vorspannung von 0,7 Volt für das Gegentaktpaar bereitzustellen. Dies reicht nicht aus, um die „Toten . zu eliminieren ” Signalzone, aber es reduziert sie um mindestens 50%:

Da der Spannungsabfall einer einzelnen Diode immer geringer ist als der kombinierte Spannungsabfall der Basis-Emitter-Übergänge der beiden Transistoren, können 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 als nächstes vom Ausgangsanschluss des Verstärkers (den Emitteranschlüssen der Transistoren) wie folgt abgenommen:

Die Funktion des Operationsverstärkers besteht darin, das erforderliche Spannungssignal auszugeben, um seine beiden Eingangsanschlüsse auf der gleichen Spannung (0 Volt Differenz) zu halten. Durch Anschließen des Rückkopplungsdrahts an die Emitteranschlüsse der Gegentakttransistoren kann der Operationsverstärker alle „toten . erkennen “ Zone, in der keiner der Transistoren leitet, und geben ein geeignetes Spannungssignal an die Basen der Transistoren aus, um sie schnell wieder in den leitenden Zustand zu bringen, um „durchhalten ” mit der Wellenform des Eingangssignals.

Dies erfordert einen Operationsverstärker mit einer hohen Slew-Rate (die Fähigkeit, eine schnell ansteigende oder schnell fallende Ausgangsspannung zu erzeugen), weshalb der TL082 Operationsverstärker wurde für diese Schaltung angegeben. Langsamere Operationsverstärker wie der LM741 oder LM1458 kann möglicherweise nicht mit dem hohen dv/dt mithalten (Spannungsänderungsgeschwindigkeit über die Zeit, auch bekannt als de/dt ) für einen verzerrungsarmen Betrieb erforderlich.

Nur wenige Kondensatoren werden dieser Schaltung hinzugefügt, um sie in ihre endgültige Form zu bringen:Ein parallel zur Diode geschalteter 47-µF-Kondensator hilft, die 0,7-Volt-Vorspannung trotz großer Spannungsschwankungen am Ausgang des Operationsverstärkers konstant zu halten, während a 0,22 µF Kondensator, der zwischen Basis und Emitter des NPN-Transistors geschaltet ist, hilft, die Frequenzweiche bei niedrigen Lautstärkeeinstellungen zu reduzieren:

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt BJT-Verstärker der Klasse B