Wynalezienie pierwszego działającego tranzystora w 1947 roku przez Williama Shockleya, było wydarzeniem, które otworzyło nowy rozdział w historii elektroniki. Dzięki tranzystorom działają m.in. odbiorniki radiowe, komputery, telefony, aparatura pomiarowa, samochody, a także wzmacniacze audio.

Jak działają tranzystory we wzmacniaczach audio?

Niniejszy artykuł dotyczy zasady działania stopnia końcowego we wzmacniaczach elektroakustycznych opartych na tranzystorach bipolarnych pracujących przeciwsobnie.

Tranzystory bipolarne jako wzmacniacze prądowe

Tranzystor bipolarny (BJT) jest jednym z najczęściej spotykanych elementów półprzewodnikowych w elektronice, a do jego głównych aplikacji należą układy przełączające i wzmacniające. Szczególnie z tego względu, że tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym sterowanym prądowo – poprzez regulację prądu wpływającego do bazy tranzystora BJT, możemy sterować prądem kolektora, który w zależności od współczynnika wzmocnienia prądowego może być kilkadziesiąt, kilkaset, a nawet kilkadziesiąt tysięcy razy większy od prądu bazy. Tę właściwość wykorzystano m.in. we wzmacniaczach elektroakustycznych. W takich urządzeniach tranzystory pojawiają się w każdym z bloków funkcyjnych – od przedwzmacniacza po stopień mocy.

Tranzystory bipolarne w stopniach mocy – topologia push-pull

Najpopularniejszą topologią tranzystorów w stopniu mocy, jest układ przeciwsobny (ang. push-pull), którego najważniejszymi elementami są dwa tranzystory o różnych typach przewodnictwa, ale zbliżonych parametrach (przede wszystkim ze względu na napięcie przewodzenia i współczynnik wzmocnienia prądowego) – jeśli więc stopień mocy jest zbudowany w oparciu o tranzystory bipolarne, to spotkamy tutaj tranzystor PNP i tranzystor NPN, które będą ze sobą połączone w układ wtórnika komplementarnego. Podstawowa budowa takiego stopnia mocy została przedstawiona na rys 1.1:

Rys. 1.1 – wzmacniacz z tranzystorami bipolarnymi w układzie push-pull

Rys. 1.2 – oscylogramy napięć na wejściu (górny oscylogram) i wyjściu (dolny oscylogram) wtórnika komplementarnego z rys. 1.1

W takiej konstrukcji emitery tranzystorów są ze sobą połączone emiterami. Tranzystor NPN przewodzi dodatnią część sygnału, a tranzystor PNP – dolną część sygnału. Generator E_G i rezystor R_G reprezentują źródło sygnału wejściowego dla wzmacniacza, a rezystor R_L – obciążenie wyjścia wzmacniacza. Zasilanie wzmacniacza jest symetryczne. Gdyby natomiast zastosować zasilanie niesymetryczne, wówczas szeregowo z obciążeniem wzmacniacza należałoby włączyć kondensator w celu zabezpieczenia przed wystąpieniem składowej stałej na wyjściu. Podstawowa konstrukcja wzmacniacza tranzystorowego push-pull ma jednak poważną wadę, o czym świadczy porównanie przebiegu sygnału wejściowego do przebiegu sygnału wyjściowego na rys. 1.2. Przebieg wyjściowy zawiera zniekształcenia przy przejściu sygnału przez ,,zero”. Są to tzw. zniekształcenia skrośne (ang. crossover distortion). Przyczyną powstawania tych zniekształceń, są ograniczenia wynikające ze struktury tranzystorów, które aby zostały wprowadzone w stan przewodzenia, pomiędzy złącze emiter-baza, musi zostać podane wystarczające napięcie (w przypadku większości tranzystorów BJT krzemowych, jest to wartość na poziomie ok. 0,5V – 0,7V).

Tranzystory bipolarne w układzie push-pull – jak pozbyć się zniekształceń skrośnych?

Zniekształcenia skrośne występujące w standardowej konstrukcja stopnia mocy w topologii push-pull, to jeden z elementów, które świadczą o słyszalnym pogorszeniu jakości sygnału audio. Na szczęście, ten problem można łatwo rozwiązać, stosując diody polaryzujące spadki napięcia na złączach tranzystorów oraz potencjometry do regulacji napięcia, za pomocą których możemy precyzyjnie ustawić punkty pracy tranzystorów, co przedstawia schemat na rysunku 2.1:

Rys. 2.1 – wzmacniacz z tranzystorami bipolarnymi w układzie push-pull wraz z diodami i potencjometrami do precyzyjnego ustawiania punktu pracy

Rys. 2.2 – oscylogramy napięć na wejściu (górny oscylogram) i wyjściu (dolny oscylogram) wtórnika komplementarnego z rys. 2.1

Zastosowanie tych kilku dodatkowych elementów oraz ich prawidłowe ustawienie sprawia, że zniekształcenia skrośne udaje się zredukować do minimum. Taki zabieg projektowy jest praktyczny nie tylko przy konstruowaniu wzmacniaczy audio, ale także przetwornic napięcia DC/AC.

Prawidłowy dobór tranzystorów i elementów pomocniczych w stopniach mocy wzmacniaczy audio, to jeden z kluczowych składników dobrego brzmienia – szczegóły w naszym artykule na blogu Botland!