Penguat Audio Kelas B

BAGIAN DAN BAHAN

• Empat baterai 6 volt
• Penguat operasional ganda, model TL082 direkomendasikan (Katalog Radio Shack # 276-1715)
• Satu transistor daya NPN dalam paket TO-220—(Katalog Radio Shack #276-2020 atau yang setara)
• Satu transistor daya PNP dalam paket TO-220—(Katalog Radio Shack #276-2027 atau yang setara)
• Satu dioda pengalih 1N914 (Katalog Radio Shack #276-1620)
• Satu kapasitor, 47 F elektrolit, 35 WVDC (Katalog Radio Shack # 272-1015 atau setara)
• Dua kapasitor, 0,22 F, tidak terpolarisasi (Katalog Radio Shack # 272-1070)
• Satu potensiometer 10 kΩ, lancip linier (Katalog Radio Shack # 271-1715)

Pastikan untuk menggunakan op-amp yang memiliki laju perubahan tegangan tinggi . Hindari LM741 atau LM1458 karena alasan ini.

Semakin dekat kecocokan kedua transistor, semakin baik. Jika memungkinkan, cobalah untuk mendapatkan transistor TIP41 dan TIP42, yang sangat cocok dengan transistor daya NPN dan PNP dengan peringkat disipasi masing-masing 65 watt. Jika Anda tidak bisa mendapatkan transistor NPN TIP41, TIP3055 (tersedia dari Radio Shack) adalah pengganti yang baik. Jangan gunakan transistor daya yang sangat besar (yaitu casing TO-3), karena op-amp mungkin mengalami kesulitan untuk mengalirkan arus yang cukup ke basisnya untuk operasi yang baik.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 4:“Transistor Sambungan Bipolar”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 8:“Penguat Operasional”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mengilustrasikan bagaimana membangun penguat kelas B "push-pull" menggunakan transistor bipolar komplementer
• Untuk mengilustrasikan efek dari "distorsi crossover" dalam rangkaian penguat push-pull
• Untuk mengilustrasikan cara menggunakan umpan balik negatif melalui op-amp untuk memperbaiki ketidaklinieran rangkaian

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Proyek ini adalah penguat audio yang cocok untuk memperkuat sinyal keluaran dari radio kecil, pemutar kaset, pemutar CD, atau sumber sinyal audio lainnya. Untuk operasi stereo, dua amplifier identik harus dibuat, satu untuk saluran kiri dan lainnya untuk saluran kanan. Untuk mendapatkan sinyal input untuk penguat ini untuk diperkuat, cukup sambungkan ke output radio atau perangkat audio lainnya seperti ini:

Rangkaian amplifier ini juga bekerja dengan baik dalam memperkuat “line-level ” sinyal audio dari komponen stereo modular berkualitas tinggi. Ini memberikan jumlah daya suara yang mengejutkan ketika diputar melalui speaker besar, dan mungkin dijalankan tanpa heatsink pada transistor (meskipun Anda harus bereksperimen dengannya sedikit sebelum memutuskan untuk melepaskan heat sink, karena disipasi daya bervariasi sesuai dengan jenis speaker digunakan).

Tujuan dari setiap rangkaian penguat adalah untuk mereproduksi bentuk gelombang input seakurat mungkin. Reproduksi sempurna tidak mungkin, tentu saja, dan perbedaan antara bentuk gelombang keluaran dan masukan dikenal sebagai distorsi . Dalam penguat audio, distorsi dapat menyebabkan nada yang tidak menyenangkan ditumpangkan pada suara yang sebenarnya. Ada banyak konfigurasi yang berbeda dari rangkaian penguat audio, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Sirkuit khusus ini disebut “kelas B”, push-pull sirkuit.

Sebagian besar audio “kekuatan ” amplifier menggunakan konfigurasi kelas B, di mana satu transistor memberikan daya ke beban selama setengah dari siklus bentuk gelombang (itu mendorong ) dan transistor kedua memberikan daya ke beban untuk separuh siklus lainnya (menarik ). Dalam skema ini, tidak ada transistor yang tetap “on ” untuk seluruh siklus, memberi masing-masing waktu untuk “beristirahat ” dan dinginkan selama siklus bentuk gelombang. Hal ini membuat rangkaian penguat hemat daya, tetapi mengarah ke jenis nonlinier yang berbeda yang dikenal sebagai “distorsi crossover .”

Ditampilkan di sini adalah bentuk gelombang sinus, setara dengan nada audio konstan dengan volume konstan:

Dalam rangkaian penguat push-pull, kedua transistor bergiliran memperkuat setengah siklus alternatif dari bentuk gelombang seperti ini:

Jika “lepas tangan ” antara dua transistor tidak disinkronkan dengan tepat, meskipun, bentuk gelombang keluaran penguat mungkin terlihat seperti ini, bukan gelombang sinus murni:

Di sini, hasil distorsi dari fakta bahwa ada penundaan antara waktu satu transistor mati dan transistor lain menyala. Jenis distorsi ini, di mana bentuk gelombang “merata ” pada titik persilangan antara setengah siklus positif dan negatif, disebut distorsi silang . Salah satu metode umum untuk mengurangi distorsi crossover adalah dengan membiaskan transistor sehingga titik nyala/matinya benar-benar tumpang tindih, sehingga keduanya transistor berada dalam keadaan konduksi untuk sesaat selama periode crossover:

Bentuk amplifikasi ini secara teknis dikenal sebagai kelas AB daripada kelas B karena setiap transistor “on ” selama lebih dari 50% dari waktu selama siklus bentuk gelombang lengkap. Kerugian untuk melakukan hal ini, bagaimanapun, adalah peningkatan konsumsi daya dari rangkaian penguat, karena pada saat-saat waktu di mana kedua transistor sedang berjalan, ada arus yang dilakukan melalui transistor yang tidak melewati beban, tetapi hanya "korsleting" dari satu rel catu daya ke rel lainnya (dari -V ke +V).

Ini tidak hanya membuang-buang energi, tetapi juga membuang lebih banyak energi panas di transistor. Ketika transistor menaikkan suhu, karakteristiknya berubah (V_menjadi penurunan tegangan maju, , resistansi sambungan, dll.), membuat bias yang tepat menjadi sulit.

Dalam percobaan ini, transistor beroperasi dalam mode kelas B murni. Artinya, mereka tidak pernah melakukan pada waktu yang sama. Ini menghemat energi dan mengurangi pembuangan panas, tetapi cocok untuk distorsi crossover. Solusi yang diambil dalam rangkaian ini adalah dengan menggunakan op-amp dengan umpan balik negatif untuk menggerakkan transistor dengan cepat melalui "mati ” zona yang menghasilkan distorsi persilangan dan mengurangi jumlah “perataan ” dari bentuk gelombang selama crossover.

Op-amp pertama (paling kiri) yang ditunjukkan dalam diagram skematik tidak lebih dari buffer. Buffer membantu mengurangi beban jaringan kapasitor/resistor input, yang telah ditempatkan di sirkuit untuk menyaring tegangan bias DC apa pun dari sinyal input, mencegah tegangan DC apa pun diperkuat oleh sirkuit dan dikirim ke speaker tempat yang dapat menyebabkan kerusakan.

Tanpa op-amp buffer, rangkaian filter kapasitor/resistor mengurangi frekuensi rendah (“bass ”) respons penguat dan menonjolkan frekuensi tinggi (“treble ”).

Op-amp kedua berfungsi sebagai penguat pembalik yang penguatannya dikendalikan oleh potensiometer 10 kΩ. Ini tidak lebih dari menyediakan kontrol volume untuk amplifier. Biasanya, rangkaian op-amp pembalik memiliki resistor umpan balik yang terhubung langsung dari terminal output op-amp ke terminal input pembalik seperti ini:

Jika kita menggunakan sinyal output yang dihasilkan untuk menggerakkan terminal basis dari pasangan transistor push-pull, kita akan mengalami distorsi crossover yang signifikan, karena akan ada "mati ” zona dalam operasi transistor ketika tegangan basis berubah dari + 0,7 volt menjadi - 0,7 volt:

Jika Anda telah membuat rangkaian amplifier dalam bentuk akhirnya, Anda dapat menyederhanakannya menjadi bentuk ini dan mendengarkan perbedaan kualitas suara. Jika Anda belum memulai konstruksi sirkuit, diagram skematik yang ditunjukkan di atas akan menjadi titik awal yang baik. Ini akan memperkuat sinyal audio, tetapi akan terdengar mengerikan!

Alasan terjadinya distorsi crossover adalah ketika sinyal keluaran op-amp berada di antara + 0,7 volt dan - 0,7 volt, tidak ada transistor yang konduksi, dan tegangan keluaran ke speaker akan menjadi 0 volt untuk seluruh rentang basis 1,4 volt. ayunan tegangan. Jadi, ada “zona ” dalam rentang sinyal input di mana tidak akan terjadi perubahan tegangan output speaker. Di sinilah teknik biasing yang rumit biasanya diperkenalkan ke sirkuit untuk mengurangi “celah 1,4 volt ini. ” dalam respon sinyal masukan transistor. Biasanya, hal seperti ini dilakukan:

Dua dioda yang terhubung seri akan turun sekitar 1,4 volt, setara dengan kombinasi V_be tegangan maju turun dari dua transistor, menghasilkan skenario di mana setiap transistor hampir menyala ketika sinyal input nol volt, menghilangkan 1,4 volt “mati ” zona sinyal yang ada sebelumnya.

Sayangnya, solusi ini tidak sempurna:saat transistor memanas dari daya konduksi ke beban, V_be tegangan maju turun akan berkurang dari 0,7 volt menjadi kurang, seperti 0,6 volt atau 0,5 volt. Dioda, yang tidak mengalami efek pemanasan yang sama karena tidak menghantarkan arus substansial, tidak akan mengalami perubahan jatuh tegangan maju yang sama.

Dengan demikian, dioda akan terus memberikan tegangan bias 1,4 volt yang sama meskipun transistor membutuhkan tegangan bias yang lebih sedikit karena pemanasan. Hasilnya adalah rangkaian akan beralih ke operasi kelas AB, di mana keduanya transistor akan berada dalam keadaan konduksi sebagian waktu. Ini, tentu saja, akan menghasilkan lebih banyak pembuangan panas melalui transistor, memperburuk masalah perubahan jatuh tegangan maju.

Solusi umum untuk masalah ini adalah penyisipan kompensasi suhu “umpan balik ” resistor di kaki emitor dari rangkaian transistor push-pull:

Solusi ini tidak mencegah penyalaan kedua transistor secara bersamaan, tetapi hanya mengurangi tingkat keparahan masalah dan mencegah pelarian termal. Ini juga memiliki efek yang tidak menguntungkan dari memasukkan resistansi di jalur arus beban, membatasi arus keluaran penguat. Solusi yang saya pilih dalam percobaan ini adalah solusi yang memanfaatkan prinsip umpan balik negatif op-amp untuk mengatasi keterbatasan yang melekat pada rangkaian keluaran transistor push-pull. Saya menggunakan satu dioda untuk memberikan tegangan bias 0,7 volt untuk pasangan push-pull. Ini tidak cukup untuk menghilangkan “mati ” zona sinyal, tetapi menguranginya setidaknya 50%:

Karena penurunan tegangan dioda tunggal akan selalu lebih kecil dari penurunan tegangan gabungan dari sambungan basis-emitor dua transistor, transistor tidak pernah dapat menyala secara bersamaan, sehingga mencegah operasi kelas AB. Selanjutnya, untuk membantu menghilangkan distorsi crossover yang tersisa, sinyal umpan balik op-amp diambil dari terminal output penguat (terminal emitor transistor) seperti ini:

Fungsi op-amp adalah untuk mengeluarkan sinyal tegangan apa pun yang diperlukan untuk menjaga kedua terminal inputnya pada tegangan yang sama (diferensial 0 volt). Dengan menghubungkan kabel umpan balik ke terminal emitor dari transistor push-pull, op-amp memiliki kemampuan untuk merasakan setiap “mati ” zona di mana tidak ada transistor yang melakukan, dan mengeluarkan sinyal tegangan yang sesuai ke basis transistor untuk dengan cepat mengarahkannya ke konduksi lagi untuk “menjaga ” dengan bentuk gelombang sinyal input.

Ini membutuhkan op-amp dengan laju perubahan tegangan yang tinggi (kemampuan untuk menghasilkan tegangan output yang naik atau turun cepat), itulah sebabnya TL082 op-amp ditentukan untuk rangkaian ini. Op-amp yang lebih lambat seperti LM741 atau LM1458 mungkin tidak dapat mengikuti dv/dt yang tinggi (laju perubahan tegangan dari waktu ke waktu, juga dikenal sebagai de/dt ) diperlukan untuk operasi distorsi rendah.

Hanya beberapa kapasitor yang ditambahkan ke rangkaian ini untuk membawanya ke bentuk akhirnya:kapasitor 47 F yang dihubungkan secara paralel dengan dioda membantu menjaga tegangan bias 0,7 volt tetap konstan meskipun ada perubahan tegangan yang besar pada output op-amp, sementara a Kapasitor 0,22 F yang terhubung antara basis dan emitor transistor NPN membantu mengurangi distorsi crossover pada pengaturan volume rendah:

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Amplifier BJT Kelas B