Операционные усилители: 10 схем на (почти) все случаи жизни

Звуковой диапазон обхватывает частоты от 20 Гц до 20 кГц. Человек с нормальным слухом может воспринимать эти колебания. В системах hi-and полоса воспроизводимых частот может быть расширена от 15 Гц до 40 кГц. Эти системы имеют сложные конструкторские решения. Простые схемы выдающие удовлетворительное качество звучания, можно собрать и собственными силами. Схема усилителя звука, который не сложно сделать своими руками не содержит дефицитных деталей и доступна для повторения. Такая схема может обеспечить полосу частот в пределах 50 Гц-15 кГц при коэффициенте нелинейных искажений не более 0,1% и выдать на низкоомную нагрузку выходную мощность 10-15 ватт. Собрать схему усилителя звука можно как на транзисторах, так и на интегральных микросхемах.

Стерео усилитель звука на TDA7262

Hi – Fi усилитель на два канала.

У этой микросхемы большой диапазон напряжения по питанию, а ток на выходе достигает 3,5 ампер. Также доступна функция ожидания и защита от кз и перегрева во время работы.

Предельные характеристики микросхемы

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.

Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Усилитель 50 Вт

Простая одноканальная схема на TDA1514.

Характеристики микросхемы

Назначение выводов

TDA8567q 4х25 Вт

Мостовой усилитель класса Hi – Fi на четыре канала.

Есть защита от короткого замыкания выходного каскада и термозащита с уменьшением выходной мощности при перегреве. А еще микросхема обладает защитой от колебаний напряжения и режимом отключения. Еще данная микросхема обладает режимом вкл/выкл входного сигнала(режим Mute), и защитой при подаче напряжения на схему от «щелчка».

Характеристики микросхемы

Назначение выводов

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Стереоусилитель 12 дБ

TDA8199 можно использовать и с электронными регулировками громкости, и с простыми потенциометрами подходящего для звука класса.

Характеристики

Предельные значения микросхемы

УНЧ TDA8198 12 дБ

Микросхема TDA8198 изготавливается в корпусе DIP14 и используется в высококлассной аппаратуре.

Уровень динамического сигнала равен 90 дБ.

Есть защита выходного каскада от кз, и статики.

Характеристики микросхемы

Предельные значения микросхемы

УНЧ TDA8196 12 дБ

Простая схема усилителя мощности на TDA8196. Схема для начинающего радиолюбителя. Не требует много деталей и простая в сборке. Миниатюрный мостовой усилитель мощности низкой частоты с электронным регулятором громкости.

Есть защита выходного каскада от кроткого замыкания, термозашита при перегрузках. Ну и конечно же защита от статики. Усилитель можно регулировать и как потенциометром, так и простым электронным регулятором громкости.

Характеристики TDA8196

Предельные значения микросхемы

Новые мощные УНЧ класса Hi-Fi NM2042 и NM2043

Ганичев Г. г. Москва

Эта статья продолжает ряд публикаций, посвященных усилителям мощности, предлагаемых радиолюбителям фирмой МАСТЕР КИТ. В статью включены две последние разработки – NM2042 (мощный усилитель низкой частоты 140 Вт) и NM2043 (мощный автомобильный мостовой Hi-Fi усилитель низкой частоты 4х77 Вт). Усилители спроектированы с учетом всех необходимых требований и выполнены на современной интегральной элементной базе. Предлагаемые УМ обладают высокими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний день является немаловажным фактором. Собрать устройства можно из наборов МАСТЕР КИТ NM2042 и NM2043.

Перед специалистами МАСТЕР КИТ была поставлена, и успешно решена задача по подготовке технической документации и выпуску линейки УНЧ для использования в Hi-Fi звуковой технике. Постепенно номенклатура этих устройств расширяется и дополняется новыми разработками. В этой статье будут рассмотрены две новые разработки — NM2042 и NM2043.

Все предложенные модели усилителей мощности обладают минимальным уровнем собственных шумов, минимальным уровнем нелинейных искажений и широкой полосой воспроизводимых частот. Различаются модели в основном по максимальной выходной мощности, напряжению питания (двуполярное или однополярное “автомобильное” (14.4 В)) числу каналов усиления и внешнему конструктивному исполнению.

Радиолюбители сами могут развести печатную плату, однако нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области.

NM2042. Мощный усилитель низкой частоты 140 Вт (TDA7293).

Предлагаемый усилитель НЧ обладает минимальным коэффициентом нелинейных искажений и уровнем собственных шумов. Устройство имеет небольшие габариты. Широкий диапазон питающих напряжений и сопротивлений нагрузки расширяет область применения этого УМ. Его можно использовать как на открытом воздухе для проведения различных мероприятий, так и в домашних условиях в составе Вашего музыкального аудиокомплекса. Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера.

УНЧ выполнен на интегральной микросхеме TDA7293. Эта ИМС представляет собой УНЧ класса АВ. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений и возможности отдавать ток в нагрузку до 10 А, микросхема обеспечивает одинаковую максимальную выходную мощность на нагрузках от 4 Ом до 8 Ом. Одной из основных особенностей этой микросхемы является применение полевых транзисторов в предварительных и выходных каскадах усиления и возможность параллельного включения нескольких ИМС для работы с низкоомной нагрузкой (< 4 Ом).

Управление режимом работы ИМС осуществляется при помощи переключателя SW1. Для включения УНЧ SW1 необходимо замкнуть. Переключатель SW2 предусмотрен для технологических целей. Для нормальной работы SW2 необходимо перемкнуть в положении 2-3.

Катушку L1 необходимо изготовить самостоятельно. L1 – бескаркасная, трехслойная, содержит по десять витков провода ПЭВ-1.0 в каждом слое. Намотку необходимо вести на оправке 12 мм. Ориентировочная индуктивность – 5 мкГн.

Напряжение питания подается на контакты Х3(+), Х6(-) и Х7(общий).

Источник сигнала подключается к Х1(+) и Х2(общий).

Нагрузка подключается к Х4(+) и Х5(общий).

Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы под винты 2.5 мм. Для удобства подключения питающего напряжения, источника сигнала и нагрузки на плате зарезервированы посадочные места под клеммные винтовые зажимы.

Конструктивно предусмотрен сдвоенный логический вход управляющих сигналов MUTE/ST-BY для «мягкого» включения УНЧ.

Микросхему усилителя необходимо установить на теплоотвод (в набор не входит) площадью не менее 600 см2. В качестве радиатора можно использовать металлический корпус или шасси устройства, в которое производится установка УНЧ. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС.

Общий вид усилителя представлен на рис.1, схема электрическая принципиальная на рис.2, схема расположения элементов на плате и подключение усилителя на рис.3, вид печатной платы со стороны проводников на рис.4. Перечень элементов приведен в табл.2.

Таблица 1. Технические характеристики.

Таблица 2. Перечень элементов.

Рис1. Общий вид усилителя NM2042.

Рис.2. Схема электрическая принципиальная усилителя NM2042.

Рис.3. Схема расположения элементов на плате и подключение усилителя NM2042.

Рис.4. Вид печатной платы со стороны печатных проводников усилителя NM2042.

NM2043. Мощный автомобильный мостовой Hi-Fi усилитель низкой частоты 4X77 Вт (TDA7560).

Основное назначение этого УНЧ – установка в Вашей автомагнитоле, вместо старого усилителя НЧ, для повышения ее выходной мощности или для проведения мероприятий на открытом воздухе с использованием аккумуляторной батареи 12 В в качестве основного источника питания аппаратуры. Благодаря использованию мостовой схемы включения усилитель развивает мощность до 80 Вт на нагрузке 2 Ом в каждом из четырех каналов. Особенностью усилителя является использование полевых транзисторов в выходных каскадах. Устройство обладает малыми габаритами, широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки.

УНЧ выполнен на интегральной микросхеме TDA7560 (DA1). Эта ИМС представляет собой УНЧ класса AВ и устанавливается в авто-аудиоустройствах для получения высококачественного мощного выходного музыкального сигнала. ИМС рассчитана на работу с нагрузкой 4…2 Ом, искажения сигнала удовлетворяют требованиям Hi-Fi. Микросхема имеет защиту от КЗ нагрузки и от перегрева. К особенностям микросхемы следует отнести использование полевых транзисторов в выходных каскадах. Микросхема содержит четыре идентичных мостовых усилителя мощность до 80 Вт на нагрузке 2 Ом.

Переключатели SW1 (ST-BY) и SW2 (MUTE) предназначены для управления режимами работы ИМС. Замыканием контактов в SW1 управляет режимом ST-BY (дежурный/рабочий), а SW2 режимом MUTE (пауза).

Особое внимание следует обратить на подключение микросхемы к источнику питания:

ИМС чрезвычайно чувствительна к напряжению питания – максимум 18 В.

Переполюсовка источника напряжения питания приводит к выходу ИМС из строя (Uобр = 6 В максимум).

Напряжение питания подключается к контактам Х9(+) и Х10(-).

Источники сигнала подключаются к Х1(+),Х2(-);Х3(+),Х4(-);Х5(+),Х6(-);Х7(+),Х8(-).

Усиленный сигнал снимается с контактов Х11, Х12; Х13, Х14; Х15, Х16; Х17, Х18.

Общий вид усилителя представлен на рис.5, схема электрическая принципиальная на рис.6, схема расположения элементов на плате и подключение усилителя на рис.7, вид печатной платы сверху на рис.8, вид печатной платы снизу на рис.9. Перечень элементов приведен в табл.3.

Таблица 3. Технические характеристики.

Таблица 4. Перечень элементов

Рис.5. Общий вид усилителя NM2043.

Рис.6. Схема электрическая принципиальная усилителя NM2043.

Рис.7. Схема расположения элементов на плате и подключение усилителя NM2043.

Рис.8. Вид печатной платы сверху усилителя NM2043.

Рис.9. Вид печатной платы снизу усилителя NM2043.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы сэкономить время и избавить Вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат МАСТЕР КИТ предлагает наборы NM2042 и NM2043. Каждый набор состоит из заводской печатной платы, всех необходимых компонентов и инструкции по сборке и эксплуатации.

Материал опубликован в журнале Радиолюбитель 2003`10.

NM2042

Моно усилитель НЧ, 140 Вт, класс АВ (TDA7293) — набор для пайки
1 790

NM2043

Набор для сборки усилителя НЧ 4 х 77Вт (TDA7560)
1 550

TDA7265 и два варианта включения

Есть два варианта включения микросхемы.

• Большой диапазон питания (+-25В);
• Схема с двуполярным питанием;
• Мощность 2х25 Вт
• Есть режим работы без звука и функция ожидания;
• Термозащита от перегрева во время работы усилителя;
• Присутствует защита от кз.

Мостовой вариант усилителя на TDA7265

Характеристики микросхемы

Предельные параметры микросхемы

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

• не закрывается;
• не переходит в режим насыщения;
• не искажает сигнал;
• и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Мост на TDA7240

Миниатюрный, но достаточно мощный усилитель мощности низкой частоты, выполненный по мостовой схеме.

Усилитель обладает:

• Защитой выходного каскада от кз;
• Термозащита при возникновении перегрузок;
• Надежная защита от скачков до 28 В.

Характеристики микросхемы

Назначение выводов

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Схема УНЧ на TDA7236

Микросхема в корпусе minidip (4+4).

Характеристики микросхемы

Предельные параметры

Класс работы усилителя

Как известно, в зависимости от степени непрерывности протекания тока на протяжении его периода через транзисторный усилительный каскад (усилитель) различают следующие классы его работы: «А», «B», «AB», «C», «D».

В классе работы ток «А» через каскад протекает на протяжении 100 % периода входного сигнала. Работу каскада в этом классе иллюстрирует следующий рисунок.

В классе работы усилительного каскада «AB» ток через него протекает более чем 50 %, но менее чем 100 % периода входного сигнала (см. рисунок ниже).

В классе работы каскада «В» ток через него протекает ровно 50 % периода входного сигнала, как это иллюстрирует рисунок.

И наконец в классе работы каскада «C» ток через него протекает менее чем 50 % периода входного сигнала.

Усилитель на TDA7052

Применяется в переносной звуковой аппаратуре

Усилитель собранный по такой схеме обладает рядом преимуществ:

• Не нужны внешние элементы;
• Минимальные помехи при включении и выключении;
• Достаточно высокая стабильность работы при усилении;
• Низкая потребляемая мощность;
• Отсутствует необходимость в дополнительном радиаторе
• Присутствует защита кз.

Характеристики микросхемы

Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей

Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.

При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД – менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.

Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток – полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.

Пара усилителей на микросхеме TDA7050

Напряжение питания всего от 1,6 В и эта схема отлично подходит для работы от аккумуляторов и батареек.

Схемы достаточно простые для сборки начинающим радиолюбителям. Ее можно собрать и на макетной плате.

Мостовой вариант усилителя микросхемы

Преимущества микросхемы:

• Малое количество внешних элементов необходимых для работы микросхемы;
• Небольшой ток потребления;
• Коэффициент усиления 26 дБ;
• Плавающий дифференциальный вход;
• Микросхема обладает режимами стерео и моста.

Характеристики микросхемы

Источник схем

С. Р. Баширов, А.С. Баширов Современные интегральные усилители