УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЛАНЗАР.
СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

ТРАНЗИСТОР КАК ЭЛЕМЕНТ

      На открытие Америки я не притендую, поэтому сообщу вкратце - есть такие элементы в электронике, называются транзисторами. Видов их довольно много: биполярные, полевые, двух эммитерные, двух базовые и т.д. Это все технологические особенности транзисторов, но все види делятся на ДВА основных лагеря: одни работают с плюсовым напряжением, другие - с минусовым. Поскольку в нашей схеме кроме биполярных транзисторов других пока нет, то другие Вы уж сами посмотрите как работают, я же вещать буду только именно о биполярниках - хочется пораньше закончить эту исповедь...
      Итак, биполярные транзисторы бывают обратными и прямыми. Обратные хорошо дружат с плюсовым напряжением, прямые же рождены минусами командовать. Поскольку работа и тех и других идентична и отличается только полярностью подключения, то рассмотрим принципы работы обратных транзисторов.
      Транзистор в дескретном исполнении, т.е. он один в своем собственном корпусе (не в составе микросхемы и микросборки) имеет всего три вывода. В былые времена их так и называли - триоды. Из этого следует, что для работы его как транзистора может быть всего ТРИ варианта включения :
С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ
С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Рисунок 1. Схемы включения транзисторов.

      На рисунке 1 показаны все три варианта включения транзисторов и есть смысл рассмотреть чем собственно эти варианты отличаются друг от друга и как транзистор вообще работает.
      Начнем, пожалуй с того, что разберемся что есть что...

НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК и МОЩНОСТЬ

      А вот улыбаться не надо - эти понятия так часто путают, что иногда просто диву даешься...
      Напряжение есть величина ЭДС между двумя точками. Измеряется сей параметр в вольтах и с точки зрения безопасности весьма безобиден - кроме проблескиваний красивых пятен в глазах при контакте с любым напряжением Вам ничего не угрожает.
      Ток есть работа, которую совершает напряжение протекая через ту или иную цепь. Ток измеряется в амперах. Показатель того, сколько работы может выполнить тот или иной источник есть произведение напряжения на ток и именуется эта величина мощностью.
      Для большей понятливости пара примеров:
      В телевизоре на кинескоп подается 25... 30 кВ (т.е. 25...30 тысяч вольт), но поскольку ток там микроамперный мы имеем возможность слушать захватывающие истории о том как кого долбануло из уст участников событий, а не из уст свидетелей. Другими словами не хватка тока не позволяет нанести какие либо существенные повреждения организму, хотя нервные окончания раздражаются при прохождении даже микротоков довольно сильно.
      С другой стороны напряжение выше 42 В в сухом помещении уже считается опасным если ток имеет возможность достигать десятка-дугого миллиампер. Именно ток проходя через организм раздолбая вызывает необратимые разрушения тканей, резкое сокращение мышц, приводящих к механическим повреждениям тканей и именно величина прошедшего тока определяет кучу химических реакций в организме которые происходят как в банке для опытов по гидролизу. Именно благодаря этим реакциям у человека попавшего под действие тока во рту появляется вкус кислости. Так что настоятельно рекомендую соблюдать осторожность и осмотрительность.

      Ну вроде разобрались, кто есть кто и кого надо бояться, вернемся к транзисторам. Начнем пожалуй, со схемы с общим эмиттером (ОЭ), как самой популярной и не прихотливой.
      На рисунке 1 это вариант с подписью ОБЩ ЭМ. Чем отличается база от коллектора я расказывать не буду - есть для этого учебники, а вот как это работает - тайну приоткрою.
      Для работы этой схемы требуется два истоничка - один питание (GB2), второй - тот самый, напряжение которого является входным и которое надо усиливать. В даннном случае у нас получаются усилители постоянного напряжения. Как видно из схемы GB1 состоит из "одного" элемента, а GB2 из нескольких и это не случайно - величина напряжения GB2 должна быть много больше чем GB1, дабы имелся достаточный запас на усиление.
      Допустим, что в первоначальный момент времени величина GB1 равна нулю. Поскольку биполярный транзистор реагирует только на протекающий через его базу ток, то он будет полностью закрыт, т.е. находиться в режиме отсечки.
      Но стоит начать увеличивать напряжение на источнике GB1 как через переход база-эмиттер потечет ток и транзистор начнет открываться. Величина его открытия определяется протекающим током через базу и параметра самого транзистора h21 - коф усиления. Допустим что напряжением на источнике GB1 увеличивается линейно, т.е. равномерно. В этом варианте на коллекторе транзистора напряжение начнет уменьшаться, ведь он начнет открываться вызывая протекание тока через себя. Спустя какое то время величина источника GB1 достигент величины когда транзистор будет открыт полностью и таким образом на его коллекторе (ну и на выходе конечно) получится величина напряжения максимально приближонная к нулю. Но это не ноль - открытый транзистор имеет какое то сопротивление, следовательно оно вызовет падение напряжения. Транзистор в таком состоянии называют "вошел в насыщение".
      Теперь будем уменьшать величину источника GB1, будет уменьшаться ток, протекающий через базу и транизистор начнет закрываться, падение напряжения на нем начнет увеличиваться и на выходе этого устройства напряжение тоже начнет увеличиваться.
      Таким образом видно, что сигнал на выходе усилителя меняет фазу на противоположную - напряжение на базе увеличивается, на выходе - уменьшается, на базе уменьшается, на выходе - увеличивается, т.е. сигнал после такого усилителя проинвертирован. Отличительной чертой такого включения является ее умение усиливать и напряжение, и ток, т.е. этот вариант позволяет усилить входное напряжение до уровня источника GB2, а так же усилить ток, поскольку протекающий через его базу ток много меньше чем тот, который сосздается открытым транзистором VT1 и резистором R1.
      В середине рисунка 1 имеет честь присутствовать схема с общим коллектором (ОК). Такое включение тоже довольно популярно, поскольку это вариант очень хорошо усиливает ток, а вот напряжение он не усиливает, за что его и прозвали эмиттерным повторителем. По сути этот усилитель работает следующим образом - увеличивающееся напряжение на источнике GB3 вызывает протекаение тока через переход база-эмиттер и если напряжение GB3 равно нулю, то и на выходе устройства напряжение равно нулю. Если же ток через базу начинает течь, то транзистор начинает приоткрываться прямопропорционально протекающему через базу току и на выходе устройства появляется напряжение почти такое же как на базе (реально оно меньше примерно на 0,4...0,9 В и эта величина зависит от типа транзистора и материала из которого он сделан). Таким образом величина усиливаемого напряжения почти не меняется, не меняется и фаза, т.е. увеличение входного напряжения вызывает увеличение выходного, а уменьшение - уменьшение выходного. А вот ток который можно снять с эмттера много больше чем тот, который требуется для открытия последнего.
      Ну и на конец последний, редко используемый, но тем не менее тоже весьма достойный вариант включения транзистора - общая база (ОБ). Этот вариант требует дополнительного источника GB5, используемого для загона транзистора в рабочую область, а входной сигнал источника GB6 подается на эмиттер транзистора. Если величина GB6 уменьшается, то благодаря увеличивающимуся току от источника GB5 транзистор открывается сильнее, и на его коллекторе напряжение уменьшается. Если же напряжение на источнике GB6 увеличивается ток через базу становится меньше и тразистор VT3 закрывается, соответсвенно напряжение на его коллкторе увеличивается. Этот вариант ток практически не усиливает, а вот напряжение он усиливает намного лучше расмотренных выше.
      Ну вот собственно мы и разобрались как работает транзистор в режиме усилителя постоянного тока, пришла пора усложнять схему и использовать деталюшки для усиления тока переменного, поскольку мы все таки разбираемся с усилителем мощности а не со стабилизаторами напряжения...

КАК ИМЕЯ ПОСТОЯНЫЙ ТОК УСИЛИТЬ ПЕРЕМЕННЫЙ

      Ну коль с работой транзисторов разобрались давайтека вылепим нечто, похожее на усилитель, хотя бы однокаскадный. Для этого сваяем схемку, показанную на рисунке 2.

Рисунок 2.

      Как видно из схемы это не что иное как транзистор включенный по схеме с ОЭ, но схемка эта имеет несколько "лишних" деталюшек, на них и остановим свое внимание:
      Поскольку нам требуется усиливать переменное напряжение, а в наличии только постоянное, то не надо иметь семь пядей во лбу, дабы понять, что выше напряжения питания мы ни как не прыгнем, а переменное напряжение следует уложить по амплитудному значению обоих полуволн именно в величину источника питания, давая поправку, что транзистор нельзя полностью закрывать и полностью открывать, поскольку это приведет к ОЧЕНЬ большим искажениям сигнала. Следовательно условный ноль для синусоиды нашего переменного напряжения должен проходит через величину, равную половине величины источника питания, т.е. надо получить на выходе услителя среднюю точку. Для этого в схему и введен резистор R1 - именно он приоткрывает транзистор VT1 именно так, что на его коллекторе образуется примерно половина напряжения питания и режимы в которых находятся вывода транзистора именуются режимами по постоянному току.
      Поскольку у нас на базе VT1 появилось некоторое постоянное напряжение, а источник сигнали имеет переменное напряжение и соеденять прямо в лоб эти сигналы ни как нельзя, то вводим в схему конденсатор С1, который в народе именуют разделительным, проходным и т.д. В первоначальный момент времени он зарядится имеющимся на базе VT1 напряжением, что на момент зарядки повлечет полное закрытие VT1 и появление на выходе устройства напряжения, равное напряжению питания. Эта ситуация называется переходным процессом т появляется лишь при подаче напряжения питания и его снятии. Но как только С1 зарядится режимы по постоянному току войдут в норму и теперь при появлении переменного напряжения от истоника G конденсатор С1 будет перезаряжаться тем самым изменяя постоянное напряжение на базе транзистора (рис. 3), тот в свою очередь будет либо открываться, либо закрываться, причем напоминаю - сигнал буде на выходе в противофазе (рис. 4).

Рисунок 3.

Рисунок 4.

      Ну а поскольку на выходе требуется получить переменное напряжение, то используем тот же финт, что и на входе - поставим разделительный конденсатор С2, который отсечет постоянное напряжения почти не внося изменений в переменное.
      Таким образом используя лишь один источник постоянного напряжения мы получили усилитель переменного, причем коф усиления этого усилителя максимально-возможный, а термостабильность хуже не куда (при изменении температуры постоянное напряжение на коллекторе будет менятся, поскольку при увеличении температуры активное сопротивление полупроводника уменьшается).
      Исправить ситуацию позволяетв введение в эмиттерную цепь транзистора дополнительного резистора. Он несколько компенсирует величину изменения постоянного напряжения на коллекторе, а чтобы коф усиления изменился не сильно его шунтируют конденсатором, который иммитирует непосредственное соединение с землей эмиттера для переменного напряжения (рис. 5).

Рисунок 5. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером.

      Ну вроде как с однокаскадным усилителем на базе схемы с ОЭ разобрались, следующим будет схема с ОК, рисунок для нее будет под номером 6.

Рисунок 6. Однокаскадный усилитель с общим коллектором.

      Резистором R6 на базе VT3 создается напряжение необходимое для появления на его эмиттере примерно половины напряжения питания, т.е. транзистор вводится в полуоткрытое состояние. Конденсатор С6 отсекает постоянное напряжение, не давая попасть на выход генератора и пропускат переменное идущее с генератора. Точно так же отсекает постоянное напряжение конденсатор С7, не давая ему попасть на выход усилителя. Напоминаю - данная схема усиливает только ток, амплитуда же остается практически без изменений (рис. 7).

Рисунок 7.

      Как видно из рисунка постоянное напряжение на эмиттере несколько меньше чем на базе. Обусловленно это тем, что переход база-эмиттер имеет некоторое активное сопротивление и на нем как раз таки падает ровно столько, на сколько имеется разница в напряжениях между базой и эмиттером.
      Остался последний вариант - ОБ. Схема выглядит примерно так, как изображено на рисунке 8.

Рисунок 8. Однокаскадный усилитель с общей базой.

      Тут следует сразу оговорится, что входное сопротивление максимальное у схемы с ОК, минимальное же у схемы с ОБ. На базе VT4 создается так называемое опорное напряжение используя стабилитрон VD1 и имеено он вводит транзистор в рабочую зону. Переменный сигнал подается на эмиттер транзистора, а снимается с его коллектора. Максимальное усиление по напряжению имеет именно эта схема, напряжения приведены на рисунке 9. Обратите внимание - напряжение питания увеличено, поскольку амплитуда выходного напряжения уже достаточно высока.

Рисунок 9.

ПРОДОЛЖЕНИЕ:
МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ