Wzmacniacz mocy na tranzystorach BC107/BC177

[AZ12]

Tomek, co to jest ten bootstrap i czemu służy?

Ze względu na wzmocnienie wtórnika komplementarnego mniejszego od jedności jest konieczne stosowanie dodatniego wzmocnienia prądowego, które zwiększa amplitudę napięcia sterującego.

viewtopic.php?f=48&t=25778&hilit=bootstrap&start=15

[Tomek Janiszewski]

"Wzmacniacz mocy na tranzystorach BC107/BC177" ... lub bardzo podobnych.
[attachment=1]УМ Нева 303.png[/attachment

Слишком сомнительный ten sowiecki wynalazek. KT315 i KT361 to w pełnym tego słowa znaczeniu tranzystory komplementarne: po co w tej sytuacji jeszcze kombinować? Niechybnie uparli się zbudować wzmacniacz w którym końcowe tranzystory pracują w klasie C, a zniekształcenia skrośne zostaną wyeliminowane za sprawą lokalnego sprzężenia zwrotnego z wyjścia na emiter V3. Tyle że korzyść z powyższego jest problematyczna: trzeba było użyć aż 6 tranzystorów, tymczasem niezbędny jest i tak znaczny prąd spoczynkowy stopnia serującego dla połówki dodatniej, którym jest tranzystor V6 (prąd do głośnika w tej połówce dostarcza wtórnik z pojedynczym tranzystorem V4) Rolę końcowego tranzystora pnp pełni tutaj... dioda utworzona z tranzystora V5, czyli taki "tranzystor" o wzmoznieniu h21c=1. Kalka z układów UL1401-1405, gdzie jednak taka konfiguracja została wymuszona brakiem dobrych tranzystorów PNP. Największą jednak wadą takiej konfiguracji stopnia końcowego względem klasycznej są większe straty napięcia zasilającego dla połówki ujemnej. Do napięcia przewodzenia V5 w połączeniu diodowym (ok. 0.7V) dodaje się napięcie nasycenia V6, a jest ono niewiele mniejsze (należy je szacować na ok. 0,5V) z uwagi na pracę tego tranzystora przy dużm prądzie, równym prądowi obciążenia. Łączne straty wyniosą zatem ok. 1,2V. Sensowne byłoby uproszczenie tego schematu zachowując dwa pierwsze stopnie bez zmian. dołączając bootstrapowany rezystor R10 - 1k do kolektora V2 w miejsce R8. Tranzystorów V3 oraz V4 użyć w normalnym układzie przeciwsobnego wtórnika komplementarnego, a tranzystor T5 - w układzie stabilizacji ich prądu spoczynkowego (1-2mA) Tym samym zaoszczędzony został jeden tranzystor npn. Głośnik można zastosować krajowy o impedancji 40 omów (np. GD5/02 jaki był użyty w "Eltrze 50" to i autotransformator wyjściowy będzie zbędny. Wówczas na straty napięcia dla połówki ujemnej złoży się napięcie przewodzenia diody baza-emiter końcowego tranzystora pnp (też ok.0,7V) oraz napięcie nasycenia V2, a ono będzie znacznie niższe niż napięcie nasycenia V4 w poprzednim przykładzie, z uwagi na dużo mniejszy prąd. Łączne straty należy tutaj oszacować na 0.8V.

[Tomek Janiszewski]

Tomek, co to jest ten bootstrap i czemu służy?

Ze względu na wzmocnienie wtórnika komplementarnego mniejszego od jedności jest konieczne stosowanie dodatniego wzmocnienia prądowego, które zwiększa amplitudę napięcia sterującego.

Mówiąc precyzyjniej - nie chodzi tutaj o zwiększenie wzmocnienia stopnia sterującego (co mogłoby sugerować użycie pojęcia "dodatnie sprzężenie zwrotne) lecz o poprawienie wysterowalności stopnia końcowego. Z racji tego że jego wzmocnienia napięciowe jest mniejsze (choćby tylko minimalnie) od jedności stopień sterujący musi dostarczać napięcia o wartości międzyszczytowej niewiele tylko mniejszej od napięcia zasilania (ideałem byłaby zdolność dostarczenia napięcia równemu napięciu zasilania minus suma napięć nasycenia obu tranzystorów końcowych. Zwykły stopień oporowy nie jest do tego zdolny: o ile minimalne napięcie (dla ujemnej połówki sygnału) równe jest napięciu nasycenia tranzystora sterującego npn i nie przekracza zwykle 100mV, o tyle napięcie maksymalne mogłoby owszem sięgnąć napięcia zasilania... gdyby prąd tranzystora sterującego zmalał do zera a prąd bazy końcowego tranzystora npn wynosił także zero, mimo że prąd emutera akurat wtedy osiąga wartość szczytową. Zwłaszcza ten drugi warunek jest nierealny, stąd straty napięcia dla połówki dodatniej sygnału będą (we wzmacniaczu ze sterującym tranzystorem npn) bardzo znaczne.
Jest kilka sposobów na ich uniknięcie. Najbardziej prymitywnym z nich jest dołączenie rezystora obciążającego stopień sterujący do napięcia wyższego do napięcia zasilającego stopień końcowy. Takie rozwiązanie zastosowano w magnetofonie ZK140TM: http://obrazki.elektroda.net/24_1267625510.jpg
Zamiast angażowania dodatkowego źródła zasilania (co przy zasilaniu z baterii byłoby nei do przyjęcia) można jednak podwyższać napięcie zasilające stopień końcowy tylko wtedy gdy to konieczne, tj podczas wzmacniania dodatniej połówki sygnału. Wystarczy w tym celu dołączyć głośnik do plusa zasilania zamiast do masy (przy zastosowaniu tranzystora npn w stopniu sterującym) i podpiąć do wyjścia wzmacniacza rezystor obciążenia stopnia wstępnego. Gdy się chce zachować głośnik dołączony do masy - można rezystor obciążenia stopnia sterującego rozdzielić na dwie części, a ich punkt połączenia dołączyć przez kondensator elektrolityczny do emiterów stopnia końcowego. Uboczną korzyścią z zastosowania bootstrapu będzie pewne zwiększenie wzmocnienia, dzięki temu że prąd sygnału ze stopnia sterującego nie będzie "uciekał" przez rezystor (popłynie tamtędy tylko składowa stała) lecz w całości dostarczany do baz wtórnika końcowego.
Przykład zastosowania obustronnego układu bootstap, pozwalającego uzyskć wysterowanie stopnia końcowego niemal "rail-to rail" (z dokładnością do napięć nasycenia tranzystorów końcowych, podczas gdy większe od nich napięcia przewodzenia złącz baza-emiter oraz napięcie nasycenia tranzystorów w stopniu końcowym przestają grać rolę) można zobaczyć na przykładzie aplikacji prostego układu scalonego TAA435:
http://www.elektro-ersatzteile.eu/out/media/TAA435.pdf
Jeden bootstrap (dla połówki dodatniej) zrealizowano za pomocą kondensatora 100uF oraz rezystora 100 omów dołączonych do końcówki 4 układu scalonego, drugi (dla połówki ujemnej) - przez dełączenie końcówki 2 układu scalonego przez rezystor 270 omów do obciążenia 5 omów zamiast do masy.

[_idu]

Po co tak gmatwasz?
W pewnej genialnej (prostota i odpowiednia "łopatologia" w dawkowaniu wiedzy) książce "Sztuka elektorniki" (autori Horowitz OIDP) wytłumaczono prosto i elegancko bootstrap (w skrócie):

Jeśli do obu końców opornika (przewodnika) przyłożysz to samo napięcie to nie płynie przez niego prąd. Jak nie płynie prąd to mamy analog nieskończenie wielkiej rezystancji.

Czyli jak do obydwu końców rezystora przyłożysz ten sam sygnał to dla tegoż sygnału ten opornik ma niekończenie wielka rezystancję mimo iż ma on np. 270 omów.... Prąd polaryzujący, zasilający owszem widzi rzeczywistą skończoną wartość rezystancji. Sygnał przerwę.

Tłumaczenie zwrotu - podciągnij się ciągnąc za sznurówki (własnych butów). Dosadne ale bardzo trafne tłumaczenie.

[Tomek Janiszewski]

Po co tak gmatwasz?
W pewnej genialnej (prostota i odpowiednia "łopatologia" w dawkowaniu wiedzy) książce "Sztuka elektorniki" (autori Horowitz OIDP) wytłumaczono prosto i elegancko bootstrap (w skrócie):

Jeśli do obu końców opornika (przewodnika) przyłożysz to samo napięcie to nie płynie przez niego prąd. Jak nie płynie prąd to mamy analog nieskończenie wielkiej rezystancji

Ale należało jeszcze wyjaśnić, do czego ta nieskończenie wielka rezystancja (dynamiczna) jest tutaj potrzebna. Do zwiększenia oporności wejściowej potrzebna jest w tranzystorowych stopiach wstępnych, np. do adaptera piezoelektrycznego lub regulatora barwy dźwięku, tutaj zaś - przede wszystkim do nastarczenia dostatecznie dużego prądu sterującego stopnień mocy w dodatniej połówce. Niedasie tego zrobić za pomocą samego tylko rezystora, bowiem zmniejszając jego nominał celem zwiększenia prądu spoczynkowego stopnia sterującego sprawimy zarazem że więcej prądu sygnału będzie uciekać do zasilania. Natomiast dzięki bootstrapowi można pogodzić duży prąd spoczynkowy z minimalną tylko utratą prądu sygnału.

[_idu]

Ale należało jeszcze wyjaśnić, do czego ta nieskończenie wielka rezystancja (dynamiczna) jest tutaj potrzebna.

Cele mogą być różne: zwiększenie impednacji wejściowej (polaryzacja tranzystora), zwiększenie wzmocnienia itd...

Wzmocnienie nachylenia to będzie iloczyn nachylenia [mA/V] - transkonduktancja i rezystancji obciążenia. Podstawowy elementarny wzór.
(np. w triodach obciążeniem jest rezystor anodowy, rezystancja wewnętrzna lampy o raz impedancja wejściowa następnego stopnia lub podłączonego odbiornika)

[gustaw353]

Pozwolę sobie wrócić do układu, który wcześniej przedstawiłem.
Takie rozwiązanie układowe zastosowano w fabrycznym odbiorniku НЕВА 303 (Niewa 303).
Zalety:
- zadawalająca sprawność, ponad 65%
- mały prąd spoczynkowy: 3,5 mA
- dość małe zniekształcenia nieliniowe
- stabilna praca w szerokim zakresie temp. ( -10 ... +50 °C)
- możliwość zastosowania tranzystorów z dużym rozrzutem parametrów

I jeszcze wersja zapewne pierwotna, prostsza opublikowana w Радио №7-1968г :

ekonomiczny wzmacniacz.png

[AZ12]

Pozostaje tylko pytanie, czy układ zadziała poprawnie z tranzystorami krzemowymi, które mają większe napięcie UBE niż germanowe.

[fugasi]

Przy okazji: szukam schematu podobnego wzmacniacza o znikomej mocy, charakteryzującego się maksymalną oszczędnością i wykorzystaniem baterii 9 V. Innymi słowy: ma grać jak najdłużej i pod koniec jeszcze przy najbardziej rozładowanej baterii jak się tylko da.
Podejrzewam, że odpowiedni byłby wzmacniacz z jakiegoś radia przenośnego, ale z którego konkretnie?

[Tomek Janiszewski]

Przy okazji: szukam schematu podobnego wzmacniacza o znikomej mocy, charakteryzującego się maksymalną oszczędnością i wykorzystaniem baterii 9 V. Innymi słowy: ma grać jak najdłużej i pod koniec jeszcze przy najbardziej rozładowanej baterii jak się tylko da.
Podejrzewam, że odpowiedni byłby wzmacniacz z jakiegoś radia przenośnego, ale z którego konkretnie?

Dziecięca Zwiezdoćka była wyposażona we wzmacniacz jak najbardziej typowy, z czterema tranzystorami komplementarnymi (2szt. pnp i 2 szt. npn). Aby spełnił warunki o jakich piszesz - należałoby przede wszystkim dobrać prądy spoczynkowe tranzystorów stosownie do obciążenia oraz bet użytych tranzystorów końcowych. Przykładowo: nie ma sensu prąd 10mA w stopniu sterującym, jeśli prąd bazy tranzystorów końcowych wynosi przy owej znikomej mocy wyjściowej tylko kilkadziesiąt uA. Gdy ma być mało wrażliwy na zmiany napięcia zasilającego - należałoby jeszcze zastosować bardziej złożony układ stabilizacji prądu spoczynkowego stopnia mocy, z dodatkowym piątym tranzystorem oraz rezystorem wyrównawczym tak dobranym aby prądy spoczynkowe przy krańcowych przewidywanych wartościach napięcia zasilającego były jednakowe. Aby na wyjściu panowała pełna symetria napięcia w całym przedziale napięć zasilania - należy zastosować jednakowe wartości rezystorów polaryzujących bazę stopnia wstępnego, a od strony ujemnego bieguna napięcia zasilającego (przy tranzystorze npn w stopniu wstępnym) włączyć diodę Zenera, lub łańcuszek zwykłych diod krzemowych (minimum 2). Po prawdzie jednak to nie widziałem wzmacniacza na elementach dyskretnych zbudowanego fabrycznie, który miałby obydwa powyższe ulepszenia.

[fugasi]

No dobrze, w takim razie obniżając wyśrubowane oczekiwania - które bateryjne radia tzn. ich wzmacniacze spełniały najlepiej przynajmniej pierwsze założenie, czyli minimalny prąd spoczynkowy i możliwie niewielkie dojenie baterii przy wzmacnianiu sygnału?

[Tomek Janiszewski]

Ale podałbyś może przynajmniej jakieś szkicowe założenia, poza zasilaniem z baterii 9V? Co ma być obciążeniem: głośnik (o jakiej impedancji? 15 omów? 40 omów?) czy może słuchawka np. telefoniczna W-66 o impedancji 250 omów? W pierwszym przypadku, jeżeli tylko rodzaj elementów aktywnych nie gra roli - dobrze spełni oczekiwania układ scalony, najlepiej UL1482/TBA820. Zachowuje on zdolność do pracy jeszcze przy 3V, a prąd spoczynkowy wynosi ok. 4mA. Prosty wzmacniacz na tranzystorach będzie legitymował się zbliżonymi osiągami, jest co prawda szansa na nieco mniejszy prąd spoczynkowy, ale na pewno przy gorszym wykorzystaniu napięcia w stopniu końcowym, zwłaszcza gdy się użyje krzemowej a nie germanowej pary komplementarnej (popularnych acetek względnie sowieckich petów lub gietów).
Gdy jednak chodzi o pracę na obciążenie wysokoimpedancyjne, takie jak słuchawka (oczywiście nie mam tu na myśli chińskiego walkmanowskiego badziewia 16 omów). wtedy budowa wzmacniacza tranzystorowego nabiera także sensu ekonomicznego, nie tylko prestiżowego. i w takim wypadku nieskomplikowana struktura z dwoma tranzystorami pnp i dwoma npn sprzężonymi bezpośrednio, jak w Zwiezdoćce jest jak najbardziej na miejscu. Tylko prąd stopnia sterującego należy ustawić na nie więcej jak 200uA (przy becie krzemowych tranzystorów końcowych na poziomie 150 dałoby to prąd wyjściowy 30mA, podczas gdy słuchawka 250 omów jest w stanie ze wzmacniacza zasilanego z baterii 9V tylko 18mA prądu szczytowego), zaś prąd spoczynkowy stopnia mocy, podobnie jak i prąd stopnia wstępnego - na jakieś 100uA. Wystarczy tych informacji, czy mam jeszcze szukać nie wiadomo gdzie programu do rysowania schematów?

[fugasi]

Obciążeniem ma byc głośnik. Mam w zapasach różne, oprócz typowych także wysokoomowe 25, 40Ω.
Ta słuchawka to chyba nie zapewni takiego natężenia dźwięku żeby można bylo słuchać nie przykładając ucha?

Schematu nie trzeba ale przy okazji podpowiem że na szybko fajnie się rysuje rysikiem na ekranie smartphona w programie typu Freenote, Sketchbook, czy Autodesk SketchBook.

[Tomek Janiszewski]

Obciążeniem ma byc głośnik. Mam w zapasach różne, oprócz typowych także wysokoomowe 25, 40Ω.

Tak jak już odpisałem na wstępie Autorowi tematu: z takimiłośniki przy zasilaniu z 9V to można i z tytułowymi BC107/BC177 próbować.Gdy użyjesz tranzystorów z grupy "B" które przy IC=180mA oraz UBC=0V będą miały betę 240 lub więcej - wystarczy już 1mA prądu w stopniu sterującym, a w przypadku głośnika 40 omów nawet połowa tego. Jako że to właśnie stopień sterujący będzie głównym konsumentem prądu w spoczynku - zysk na ekonomii zasilania względem UL1482 (o niewydarzonych wynalazkach w rodzaju LM386 juź nie mówiąc) będzie i tutaj bezdyskusyjny. Za podstawę możesz przyjąć schemat jaki już wypróbowałeś:
http://darrenyates.com.au/electronics/archives/25
Tylko skoryguj prąd tranzystora Q2 zwiększając obciążający go rezystor np. do 4.3k (stosownie do impedancji głośnika oraz bety tranzystorów końcowych, zwłaszcza Q4, zmień rezystory w wejściowym dzielniku napięcia na 2 X 100k, podeprzyj dolny rezystor tego dzielnika od strony masy źródłem napięcia odniesienia, np. z minimum dwiema diodami krzemowymi małej mocy w kierunku przewodzenia oraz dobierz rezystor USZ między emiterem Q1 a wyjściem wzmacniacza tak aby uzyskać na wyjściu podział napięcia zasilającego na pół (im więcej diod zastosujesz, tym większa będzie rezystancja w USZ, a tym samym większe wzmocnienie, zarazem jednak tym większe będzie minimalne napięcie zasilania; można uniknąć tego niewygodnego kompromisu i stosując na wejściu wzmacniacz różnicowy, najlepiej pracujący na lustro prądowe z jednoczesną eliminacją rezystora 22k co oznaczłoby dołożenie trzech kolejnych tranzystorów przy jednoczesnej eliminacji diod) i zrób coś z układem stabilizacji prądu spoczynkowego stopnia mocy, bo ten jest do bani. Najlepszy będzie tu tranzystor pnp (np. BC178) połączony kolektorem z bazą Q4 a emiterem z bazą Q3. Między kolektorem tranzystora a dzielnikiem napięcia polaryzującym jego bazę (oraz rezystorem obciążenia Q2 w układzie bootstrap) wtrąć jeszcze ów rezystor kompensujący wpływ zmian napięcia zasilania na prąd spoczynkowy stopnia mocy, wzorem R11 zastosowanego w układzie hybrydowym GML026:
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic965377.html
po czym wywal zbędne już w tej sytuacji rezystory emiterowe 1 om, które pogarszałyby tylko sprawność. Czujesz się na siłach zrobić to wszystko?

Ta słuchawka to chyba nie zapewni takiego natężenia dźwięku żeby można bylo słuchać nie przykładając ucha?

Coś tam pewnie usłyszysz, ale z niższymi tonami będzie słabo.

Schematu nie trzeba ale przy okazji podpowiem że na szybko fajnie się rysuje rysikiem na ekranie smartphona w programie typu Freenote, Sketchbook, czy Autodesk SketchBook.

Trzeba być masochistą aby posługiwać się smarkfonem do celów innych niż zapewnia zwykła komórka

[fugasi]

Czujesz się na siłach zrobić to wszystko?

Na papierze nie wygląda to wcale przerażająco. Najwyżej spalę jakiś tranzystor, to się skonsultuję.
Ale to dopiero jakl się do cna przeprowadzę, bo teraz to ja nawet neta porządnego nie mam, piszę ze smarkfona.