Как сделать усилитель постоянного тока своими руками

Транзисторный усилитель

Транзистор действует как усилитель, повышая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к основанию соединения эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Это прямое смещение поддерживается независимо от полярности сигнала. На рисунке ниже показано, как выглядит транзистор при подключении в качестве усилителя.

Низкое сопротивление входной цепи позволяет любому небольшому изменению входного сигнала привести к значительному изменению выходного сигнала. Ток эмиттера, вызванный входным сигналом, вносит ток коллектора, который, когда протекает через нагрузочный резистор R L , приводит к значительному падению напряжения на нем. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

пример

Пусть произойдет изменение входного напряжения на 0,1 В, что дополнительно приведет к изменению тока эмиттера на 1 мА. Этот ток эмиттера, очевидно, вызовет изменение тока коллектора, которое также будет равно 1 мА.

Сопротивление нагрузки 5 кОм, помещенное в коллектор, будет создавать напряжение

5 кОм × 1 мА = 5 В

Следовательно, наблюдается, что изменение на 0,1 В на входе дает изменение на 5 В на выходе, что означает, что уровень напряжения сигнала усиливается.

Работа стабилизаторов тока

Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.

Особенности полевых структур

В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.

На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.

Принцип управления переходом

В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.

Производительность усилителя

Поскольку общий тип подключения к излучателю в основном принят, давайте сначала разберемся с несколькими важными терминами, относящимися к этому режиму подключения.

Входное сопротивление

Поскольку входная цепь смещена в прямом направлении, входное сопротивление будет низким. Входное сопротивление — это сопротивление, создаваемое переходом база-эмиттер потоку сигнала.

По определению это отношение небольшого изменения напряжения базы-эмиттера (ΔV BE ) к результирующему изменению тока базы (ΔI B ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Входное сопротивление, Ri= frac DeltaVBE DeltaIB

Где R i = входное сопротивление, V BE = напряжение базы-эмиттера, а I B = ток базы.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление транзисторного усилителя очень высокое. Ток коллектора изменяется очень слабо с изменением напряжения коллектор-эмиттер.

По определению это отношение изменения напряжения коллектора-эмиттера (ΔV CE ) к результирующему изменению тока коллектора (ΔI C ) при постоянном базовом токе.

Выходное сопротивление = Ro= frac DeltaVCE DeltaIC

Где R o = выходное сопротивление, V CE = напряжение коллектор-эмиттер, а I C = напряжение коллектор-эмиттер.

Эффективная нагрузка на коллектор

Нагрузка подключена к коллектору транзистора, и для одноступенчатого усилителя выходное напряжение берется с коллектора транзистора, а для многоступенчатого усилителя то же самое собирается с каскадных каскадов транзисторной цепи.

По определению это общая нагрузка, видимая током коллектора переменного тока. В случае одноступенчатых усилителей эффективная нагрузка коллектора представляет собой параллельную комбинацию R C и R o .

Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro

= fracRC timesRoRC+Ro=RAC

Следовательно, для одноступенчатого усилителя эффективная нагрузка равна нагрузке коллектора R C.

В многоступенчатом усилителе (то есть имеющем более одного каскада усиления) также учитывается входное сопротивление R i следующего каскада.

Эффективная нагрузка коллектора становится параллельной комбинацией R C , R o и R i, т. Е.

Эффективная нагрузка коллектора, RAC=RC//Ro//Ri

RC//Ri= fracRCRiRC+Ri

Поскольку входное сопротивление R i довольно мало, следовательно, эффективная нагрузка уменьшается.

Текущая прибыль

Коэффициент усиления по току, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по току

. По определению это отношение изменения тока коллектора (I C ) к изменению базового тока (I B ).

Текущая прибыль, beta= frac DeltaIC DeltaIB

Значение β колеблется от 20 до 500. Коэффициент усиления по току указывает, что входной ток становится β-кратным в токе коллектора.

Усиление напряжения

Коэффициент усиления по напряжению, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по напряжению

. По определению это отношение изменения выходного напряжения (ΔV CE ) к изменению входного напряжения (ΔV BE ).

Коэффициент усиления по напряжению, AV= frac DeltaVCE DeltaVBE

= fracИзменитьввыводтекущий разэффективныйнагрузкаИзменитьввходтекущий развводсопротивление

= frac DeltaIC timesRAC DeltaIB timesRi= frac DeltaIC DeltaIB times fracRACRi= beta times fracRACRi

Для одной ступени R AC = R C.

Тем не менее, для многоступенчатой,

RAC= fracRC timesRiRC+Ri

Где R i — входное сопротивление следующей ступени.

Мощная электронная нагрузка своими руками

Максимальное входное напряжение до 60В, можно и больше, все зависит от напряжения транзисторов.

Также электронная нагрузка имеет защиту от переполюсовки. Максимальная рассеиваемая мощность составляет порядка 1500-1600Вт

Такое устройство способно нагрузить практически любые источники питания, даже сварочные инверторы ему под силу, но тут важно не превысить максимальную мощность, а она тут, как уже было сказано выше, составляет 1600Вт. При этом стоит отметить, что все 1600Вт в данном случае пойдут на нагрев, так что это достаточно серьезный обогреватель

Думаю, вы согласны с тем, что вышеприведенные характеристики действительно внушительные для линейной нагрузки. Токовые нагрузки с похожими параметрами стоят не мало, естественно наша версия будет без особых наворотов.

Внимание! Стоит сразу отметить несколько моментов во избежание дополнительных вопросов. Во-первых, схемы получилась довольно большой и скорее всего некоторые мелкие детали не будут видны

Схему в хорошем качестве вы найдете в архиве проекта. Также ссылка на скачивание архива находится в описании под оригинальным видеороликом автора.

Во-вторых,

номиналы некоторых элементов схемы могут отличаться от тех что установлены на плате, но устройство будет работать в обоих случаях.

В-третьих,

в схеме были применены наиболее предпочтительные транзисторы TIP142 , это составные ключи, которыми просто управлять и драйвер при этом нагреваться почти не будет, но общая мощность нагрузки с указанными на схеме ключами будет меньше, чем в данном случае, так как транзисторы тут применены гораздо более мощные.

Чем меньше значение данного сопротивления, тем больше ток. Указанный резистор необходимо подбирать.Автор провел многочисленные эксперименты с получившимся устройством, чтобы выяснить какую мощность может рассеять транзистор в таком корпусе, максимальный ток коллектора, и как сильно будет нагружен управляющий драйвер при различных значениях тока на силовом транзисторе.

Испытания прошли успешно, ни один транзистор при этом не пострадал. Опытным путем стало ясно, что заявленные производителем 32А транзисторы держат. Корпус способен рассеять 150Вт, а при наличии вентилятора и все 200Вт.

Значение 200Вт с каждого транзистора, согласитесь, весьма неплохо. И того на каждый радиатор автор прикрутил, используя термопасту, 4 ключа. Таких радиаторов в данном случае 2 штуки.

Стоит отметить, что приведенная схема работает в линейном режиме, поэтому транзисторы в процессе открыты или закрыты частично, это зависит от выходного напряжения операционного усилителя.

Чем больше открыт силовой транзистор, тем больше ток в цепи и наоборот. Как уже было сказано выше, вся мощность выделяется в виде тепла на силовых транзисторах и датчиках тока, поэтому, если захотите повторить данный проект, в первую очередь позаботьтесь о хорошем охлаждении данных компонентов схемы. Автор использовал достаточно хорошие алюминиевые радиаторы в виде бруска.

Первый переменник используется для грубой регулировки, второй соответственно для более плавной. Плата управления нуждается в маломощном источнике питания. Например, ее можно запитать от батареек или аккумуляторов. Такое решение сделает нагрузку полностью автономной.

Силовые диоды, о которых упоминалось в начале статьи, установлены на входе нагрузки. На них выполнена защита от переполюсовки. Обратное напряжение и ток диода стоит подбирать с двойным запасом. В дальнейшем автор планирует изменить защиту на другую, скорее всего на полевых транзисторах.

Вот так родился на свет еще один монстр, придумать другое название этому зверю довольно трудно, конские радиаторы и силовые ключи, зверская мощность, что ещё нужно для полного счастья. На сегодня это все

Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видеоролик автора:

Защитные резисторы

Каждому радиолюбителю наверняка знаком запах горелого резистора. Это запах горящего лака, эпоксидной смолы и… денег. Между тем, дешёвый резистор может спасти ваш усилитель!

Автор при первом включении усилителя в цепях питания вместо предохранителей устанавливает низкоомные (47-100 Ом) резисторы, которые в несколько раз дешевле предохранителей. Это не раз спасало дорогие элементы усилителя от ошибок в монтаже, неправильно выставленного тока покоя (регулятор поставили на максимум вместо минимума), перепутанной полярности питания и так далее.

На фото показан усилитель, где монтажник перепутал транзисторы TIP3055 с TIP2955.

Транзисторы в итоге не пострадали. Все закончилось хорошо, но не для резисторов, и комнату проветривать пришлось.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C. Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.

Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:

Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337). Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.

Влияние напряжения питания устройства

Интуитивно понятно, что при следящем питании для получения большого размаха сигнала лучше всего устанавливать напряжение питания операционного усилителя, VCO — VEO, около его максимального допустимого рабочего напряжения. Но чтобы явно показать, как напряжение питания устройства влияет на параметры, рассмотрим следующие конфигурации. Обе имеют системные питания ± 60 В и обе требуют усиления 10. Однако в одном случае питание устройства составляет 30 В, а в другом — 10 В (см. Таблицы 2 и 3 соответственно). Проектируя эти две схемы для получения желаемого напряжения питания устройства выбираем R1 и R2 используя уравнение 9. Затем выбираем RF и RG, чтобы получить максимально возможное усиление от VCM к VOUT и выполнить условия уравнений 14 и 15. Для этого примера предположим, что в обоих случаях запас по входу для усилителя составляет 1 В для каждой шины. Тогда уравнение 17 даёт нам отношение RIN/RB, которое приведёт к усилению 10 от VIN к VOUT, и расчёт двух схем завершён. Чтобы определить шумовое усиление каждой из них, используем значения компонентов в уравнении 21. Результаты этого упражнения показывают, что при уменьшении на треть напряжения питания устройства, выходная ошибка возрастает почти в четыре раза.

Схемы подключения

Ниже приведем несколько простых схем включения lm358 которые могут вам пригодится. Все они являются ознакомительными, так что обязательно проверяйте все перед внедрением в производственной сфере.

Схема в мощном неинвертирующим усилителе.

Преобразователь напряжения — ток.

Схема с дифференциальным усилителем.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

OPA454

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями. Технические особенности OPA454: Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В) (предельно до 120 В) Большой максимальный выходной ток > ±50 мА Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С) Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM) Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин