Усилитель класса B на LM833 и TIP41/TIP42 — сколько ватт даст ±12 вольт на самом деле

Усилитель на LM833 и паре TIP41/TIP42 при питании ±12 В даёт по расчёту около 3 Вт на 8 Ом, при ±15 В — около 6 Вт. Мощность ограничена двумя вещами: размахом выхода ОУ под нагрузкой и током базы транзисторов, который ОУ способен отдать. Цифры в 15 Вт схема не даёт.

Операционный усилитель и пара комплементарных транзисторов — учебная схема, на которой хорошо видно, как устроен класс B. Выходной ток ограничен током короткого замыкания ОУ: по даташиту TI на LM833 15 мА мин., 29 мА тип. на вытекание.

Микросхемные усилители мощности скрывают, что происходит на выходе. Здесь всё на виду: ОУ усиливает напряжение, а два транзистора, работающие поочерёдно (по одному на каждую полуволну), тянут ток в динамик. Схему стоит собрать ради понимания, а не ради рекордов по мощности.

Ниже — схема по узлам, класс B и «ступенька», расчёт мощности с ограничениями, данные LM833 и TIP41/TIP42, радиатор и типовые ошибки.

Схема

Схема работает так. Узлы разобраны по порядку от входа к динамику.

• 
  Вход.C3 отсекает постоянную составляющую, R3 задаёт входное сопротивление около 1 МОм. Первая половина ОУ (IC1a) включена повторителем и развязывает источник сигнала от остальной схемы.
• 
  Громкость и усиление.R2 (22 кОм) включён между выходом повторителя и выходом усилителя, а движок подключён к инвертирующему входу IC1b. Усиление по модулю K = (1 − x) / x, где x — положение движка (от 0 у выхода повторителя до 1 у выхода усилителя).
• 
  Выходной каскад.IC1b управляет базами TIP41 (NPN) и TIP42 (PNP), включённых эмиттерными повторителями. Обратная связь снимается с нагрузки, поэтому она охватывает и транзисторы.
• 
  Смещение.Диод D1 даёт между базами около 0,6–0,7 В; через D1 и R1 в покое течёт ток (12 − 0,65) / 10 кОм ≈ 1,1 мА. Конденсатор C2 47 мкФ включён параллельно D1: для сигнала диод закорочен, и обе базы получают одинаковый сигнал.
• 
  C1.Конденсатор 0,22 мкФ соединяет выход ОУ с выходом усилителя. На высоких частотах он замыкает обратную связь мимо транзисторов и снижает риск самовозбуждения.

Пример (условный) для усиления: чтобы получить амплитуду 7 В при входном сигнале 0,3 В действующего значения (0,42 В амплитуды), нужно K = 7 / 0,42 ≈ 17, то есть x ≈ 0,056.

Класс B и «ступенька»

В классе B каждый транзистор работает только на своей полуволне. Для двух переходов база–эмиттер нужно около 1,2–1,6 В, а диод D1 даёт около 0,65 В: в покое оба транзистора закрыты.

В зоне около нуля оба закрыты, и возникает «ступенька» — переходные искажения. Глубокая обратная связь через IC1b уменьшает её: у LM833 усиление без обратной связи не менее 90 дБ, произведение «усиление — полоса» не менее 10 МГц.

Коэффициент гармоник 0,002 % из даташита LM833 относится к самому ОУ (3 В действующего, усиление 1, нагрузка 2 кОм), а не ко всему усилителю.

Сколько ватт на самом деле

Мощность на 8 Ом считают по формуле P = U² / (2 · R), где U — амплитуда на динамике. Верхняя граница — размах напряжения.

По даташиту LM833 при ±15 В на нагрузке 600 Ом (около 18 мА, как ток базы) выход даёт +10,7 / −11,9 В. До шины остаётся около 4,3 В.

К этому добавляется падение база–эмиттер около 0,8 В на токе порядка 1 А (по рисунку 10 даташита onsemi).

Пример (условный): принимая тот же запас при другом питании, получаем такие оценки.

Питание	Амплитуда на динамике	Мощность на 8 Ом	Пик тока нагрузки
±12 В	12 − 4,3 − 0,8 ≈ 6,9 В	≈ 3 Вт	≈ 0,86 А
±15 В	15 − 4,3 − 0,8 ≈ 9,9 В	≈ 6 Вт	≈ 1,24 А

Второе ограничение — ток базы. Транзисторы TIP41/TIP42 гарантируют коэффициент усиления не менее 30 при 0,3 А и не менее 15 при 3 А. По логарифмической интерполяции этих двух точек при 1 А получается около 21 (это оценка, не значение даташита).

Для пика 0,86 А (±12 В) ток базы при минимальном коэффициенте усиления 0,86 / 23 ≈ 37 мА — больше, чем даёт ОУ (15 мА мин., 29 мА тип.). По графику типового коэффициента (рисунок 8 даташита) при 1 А он около 80: ток базы около 11 мА, и схема работает.

Что известно о LM833 и TIP41/TIP42

Данные LM833 — из даташита TI. Условия: питание ±15 В, температура 25 °C, если не сказано иное.

Параметр LM833	Значение
Рекомендуемое питание	±5…±18 В (абсолютный максимум ±18 В, сумма 36 В)
Размах выхода, 600 Ом	+10,7 В / −11,9 В тип.
Размах выхода, 2 кОм	+13,2 В мин. / +13,8 В тип.; −13,2 В мин. / −13,7 В тип.
Ток короткого замыкания выхода	15 мА мин. / 29 мА тип. (вытекание); 20 мА мин. / 37 мА тип. (втекание)
Скорость нарастания (усиление 1)	5 В/мкс мин., 7 В/мкс тип.
Ток потребления на канал	2,05 мА тип., 2,5 мА макс.

Данные TIP41/TIP42 — из даташита onsemi (TIP41A/D, редакция 12, июнь 2024).

Параметр TIP41/TIP42	Значение
Напряжение коллектор–эмиттер	40, 60, 80 или 100 В (индексы без буквы, A, B, C); у «A» — 60 В
Ток коллектора	6 А постоянный, 10 А импульсный
Мощность рассеяния	65 Вт при температуре корпуса 25 °C; снижение 0,52 Вт/°C
Коэффициент усиления h21e	30 мин. при 0,3 А; 15 мин. при 3 А
Напряжение насыщения коллектор–эмиттер	1,5 В макс. (6 А, ток базы 0,6 А)
Тепловое сопротивление	кристалл–корпус 1,67 °C/Вт; кристалл–среда 57 °C/Вт (макс.)

Питание

Двухполярный источник, минимум ±12 В. Повышать можно, но помнить о двух ограничениях: ОУ допускает ±18 В, а ток транзисторов ограничен их пределом по даташиту.

Средний ток каждой шины считают по формуле I = U / (π · RL): при амплитуде 6,9 В на 8 Ом получается около 0,28 А, при 9,9 В — около 0,39 А. Блок «до 2 А» из перечня деталей даёт запас на пики.

Однополярное питание не подходит: в схеме нет разделительного конденсатора на выходе.

Радиатор

В классе B на выходном каскаде рассеивается заметная часть мощности. Максимум достигается при амплитуде около 2/π от напряжения питания и считается по формуле P = 2 · Vs² / (π² · RL) для двух транзисторов вместе.

Для ±12 В и 8 Ом: 2 · 144 / (9,87 · 8) ≈ 3,65 Вт, по 1,8 Вт на транзистор; для ±15 В — около 5,7 Вт, по 2,85 Вт. Без радиатора при воздухе 40 °C и RθJA = 57 °C/Вт кристалл на ±12 В нагреется до 40 + 57 · 1,8 ≈ 143 °C, а на ±15 В выйдет за предел 150 °C.

Тепловое сопротивление радиатора считают по формуле RθSA = (Tj − Tокр) / P − RθJC − RθCS. Пример (условный): Tj до 110 °C, воздух 40 °C, прокладка 0,5 °C/Вт.

На ±12 В: 70 / 1,8 − 1,67 − 0,5 ≈ 37 °C/Вт. На ±15 В: 70 / 2,85 − 1,67 − 0,5 ≈ 22 °C/Вт на транзистор.

Если радиатор общий, изолируйте транзисторы слюдяными прокладками: коллекторы (а с ними металлические фланцы корпусов) подключены к разным шинам питания, +V и −V.

Область безопасной работы показана на рисунке 5 даташита: режим с Vce до 24 В и токами около 1 А лежит внутри кривых для температуры корпуса 25 °C. С ростом температуры допустимая мощность падает (рисунок 1).

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Как учебная схема класса B и небольшой усилитель для компьютерных колонок или проверки. Для мощного звука сегодня лучше готовая микросхема (TDA2030A, LM1875 и т. п.) или модуль класса D.

Что в итоге

Подходит: разобраться, как работает двухтактный каскад, собрать усилитель на 3–6 Вт для лаборатории. Не подходит: как основной усилитель для Hi-Fi (переходные искажения) и как усилитель на 15 Вт от ±12 В.

Сравнение микросхемных усилителей и порядок выбора — в обзоре усилители НЧ на микросхемах. Для сравнения с микросхемным вариантом посмотрите усилитель на TDA2030A, а как читать мощность и искажения в паспорте — децибелы в паспорте усилителя.

Частые вопросы

Сколько ватт даёт усилитель на LM833 и TIP41/TIP42?

По расчёту около 3 Вт на 8 Ом при ±12 В и около 6 Вт при ±15 В. Это оценка: размах ОУ под нагрузкой 600 Ом и ток базы транзисторов.

По гарантированным минимумам h21e мощность может быть около 1,5 Вт.

Какое питание нужно этому усилителю?

Двухполярное, минимум ±12 В; предел LM833 — ±18 В (сумма 36 В). Средний ток каждой шины — около 0,3–0,4 А, пики — до 1,2 А.

Двухполярный блок из трансформатора с двумя вторичными обмотками собирается из деталей российских магазинов радиодеталей; берите на ток 2 А.

Нужен ли радиатор для TIP41 и TIP42?

Да: при ±12 В на каждом транзисторе рассеивается до 1,8 Вт, при ±15 В — до 2,85 Вт. Без радиатора кристалл при ±15 В выйдет за 150 °C.

Достаточно небольшого радиатора около 20–35 °C/Вт на транзистор; общий радиатор — через слюдяные прокладки.

Что такое «ступенька» и как её убрать?

Это переходные искажения класса B: в зоне около нуля оба транзистора закрыты. Их уменьшает смещение (диод D1) и обратная связь через IC1b.

Для заметного снижения нужен ток покоя выходных транзисторов — это уже класс AB.

Можно ли заменить TIP41 и TIP42 на другие транзисторы?

Можно взять другую комплементарную пару с коэффициентом усиления не ниже, чем у TIP41/TIP42, и допустимым током и мощностью. Проверяйте h21e при 1 А: от него зависит ток базы.

Отечественные комплементарные пары в российских магазинах подбирайте по справочнику, сверяя ток, мощность и h21e.

Калькуляторы для аудио

• Радиатор для транзистора и стабилизатораНужное тепловое сопротивление радиатора и нужен ли он вообще
• Децибелы: напряжение, мощность, дБм, дБu, дБВОтношения в дБ и обратно, абсолютные уровни дБм/дБu/дБВ
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные