Выбор и расчёт схемы умзч. Умзч класса ав без тепловых искажений Технические характеристики доработанного усилителя

Выходные каскады на базе " двоек "

В качестве источника сигнала будем использовать генератор переменного тока с перестраиваемым выходным сопротивлением (от 100 Ом до 10,1 кОм) с шагом 2 кОм (рис. 3). Таким образом, при испытаниях ВК при максимальном выходном сопротивлении генератора (10,1 кОм) мы в какой - то степени приблизим режим работы испытуемых ВК к схеме с разомкнутой ООС, а в другом (100 Ом) - к схеме с замкнутой ООС.

Основные типы составных биполярных транзисторов (БТ) показаны на рис. 4. Наиболее часто в ВК используется со ставной транзистор Дарлингтона (рис. 4 а) на базе двух транзисторов одной проводимости (" двойка " Дарлингтона), реже - составной транзистор Шиклаи (рис. 4б) из двух транзисторов разной проводимости с токовой отрицательной ОС, и еще реже - составной транзистор Брайстона (Bryston , рис. 4 в).
" Алмазный " транзистор - разновидность составного транзистора Шиклаи - показан на рис. 4 г. В отличие от транзистора Шиклаи, в этом транзисторе благодаря " токовому зеркалу " ток коллекторов обоих транзисторов VT 2 и VT 3 практически одинаков. Иногда транзистор Шиклаи используют с коэффициентом передачи больше 1 (рис. 4 д). В этом случае K П =1+ R 2/ R 1. Аналогичные схемы можно получить и на полевых транзисторах (ПТ).

1.1. Выходные каскады на базе " двоек ". " Двойка " - это двухтактный выходной каскад с транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, Шиклаи или их комбинации (квазикомлементарный каскад, Bryston и др.). Типовой двухтактный выходной каскад на " двойке " Дарлингтона показан на рис. 5. Если эмиттерные резисторы R3, R4 (рис. 10) входных транзисторов VT 1, VT 2 подключить к противоположным шинам питания, то эти транзисторы будут работать без отсечки тока, т. е. в режиме класса А.

Посмотрим, что даст спаривание выходных транзисторов для двойки " Дарлингт она (рис. 13).

На рис. 15 приведена схема ВК, использованная в одном из професс и ональных усилителей.

Менее популярна в ВК схема Шиклаи (рис. 18) . На первых порах развития схемотехники транзисторных УМЗЧ были популярны квазикомплементарные выходные каскады, когда верхнее плечо выполнялось по схеме Дарлингтона, а нижнее - по схеме Шиклаи. Однако в первоначальной версии входное сопротивление плеч ВК несимметрично, что приводит к дополнительным искажениям. Модифицированный вариант такого ВК с диодом Баксандалла, в качестве которого использован базо - эмиттерный переход транзистора VT 3, показан на рис. 20.

Кроме рассмотренных " двоек ", есть модификация ВК Bryston , в которой входные транзисторы эмиттерным током управляют транзисторами одной проводимости, а коллекторным током - транзисторами другой проводимости (рис. 22). Аналогичный каскад может быть реализован и на полевых транзисторах, например, Lateral MOSFET (рис. 24) .

Гибридный выходной каскад по схеме Шиклаи с полевыми транзисторами в качестве выходных показан на рис. 28 . Рассмотрим схему параллельного усилителя на полевых транзисторах (рис. 30).

В качестве эффективного способа повышения и стабилизации входного сопротивления " двойки " предлагается использовать на ее входе буфер, например, эмиттерный повторитель с генератором тока в цепи эмиттера (рис. 32).

Из рассмотренных " двоек " наихудшим по девиации фазы и полосе пропускания оказался ВК Шиклаи. Посмотрим, что может дать для такого каскада применение буфера. Если вместо одного буфера использовать два на транзисторах разной проводимости, включенных параллельно (рис. 35) , то можно ожидать дальнейшего улучшения пара метров и повышения входного сопротивления. Из всех рассмотренных двухкаскадных схем наилучшим образом по нелинейным искажениям показала себя схема Шиклаи с полевыми транзисторами. Посмотрим, что даст установка параллельного буфера на ее входе (рис. 37).

Параметры исследованных вы ходных каскадов сведены в табл. 1 .

Анализ таблицы позволяет сделать следующие выводы:
- любой ВК из " двоек " на БТ как нагрузка УН плохо подходит для работы в УМЗЧ высокой верности;
- характеристики ВК с ПТ на вы ходе мало зависят от сопротивления источника сигнала;
- буферный каскад на входе любой из " двоек " на БТ повышает входное сопротивление, снижает индуктивную составляющую выхода, расширяет полосу пропускания и делает параметры независимыми от выходного сопротивления источника сигнала;
- ВК Шиклаи с ПТ на выходе и параллельным буфером на входе (рис. 37) имеет самые высокие характеристики (минимальные искажения, максимальную полосу пропускания, нулевую девиацию фазы в звуковом диапазоне).

Выходные каскады на базе " троек "

В высококачественных УМЗЧ чаще используются трехкаскадные структуры: " тройки " Дарлингтона, Шиклаи с выходными транзисторами Дарлинг тона, Шиклаи с выходными транзис торами Bryston и другие комбинации. Одним из самых популярных вы ходных каскадов в настоящее вре мя является ВК на базе составно го транзис тора Дарлингтона из трех транзисторов (рис. 39). На рис. 41 показан ВК с разветвлением каскадов: входные повторители одновременно работают на два каскада, которые, в свою очередь, также работают на два каскада каждый, а третья ступень включена на общий выход. В результате, на выходе такого ВК работают счетверенные транзисторы.

Схема ВК, в которой в качестве выходных транзисторов использованы составные транзисторы Дарлингтона, изображена на рис. 43. Параметры ВК на рис.43 можно существенно улучшить, если включить на его входе хорошо зарекомендовавший себя с " двойками " параллельный буферный каскад (рис. 44).

Вариант ВК Шиклаи по схеме на рис. 4 г с применением составных транзисторов Bryston показан на рис. 46 . На рис. 48 показан вариан т ВК на транзисторах Шиклаи (рис.4 д) с коэффициентом передачи около 5, в котором входные транзисторы работают в классе А (цепи термоста билизации не показаны).

На рис. 51 показан ВК по структуре предыдущей схемы только с единичным коэффициентом передачи. Обзор будет неполным, если не остановиться на схеме выходного каскада с коррекцией нелинейности Хауксфорда (Hawksford), приведенной на рис. 53 . Транзисторы VT 5 и VT 6 - составные транзисторы Дарлингтона.

Заменим выходные транзисторы на полевые транзисторы типа Lateral (рис. 57

По вышению надежности усилите лей за счет исключения сквозных то ков, которые особенно опасны при кли пировании высокочастотных сиг налов, способствуют схемы антинасыщения выходных транзисторов. Варианты таких решений показаны на рис. 58. Через верхние диоды происходит сброс лишнего тока базы в коллектор транзистора при прибли жении к напряжению насы щен ия. На пряжение насыщения мощных транзисторов обычно находится в пределах 0,5...1,5 В, что примерно совпадает с падением напряжения на базо-эмиттерном переходе. В первом варианте (рис. 58 а) за счет дополнительного диода в цепи базы напряжение эмитте р - коллектор не доходит до напряжения насыщения пример но на 0,6 В (падение напряжения на диоде). Вторая схема (рис. 58б) требует подбора резисторов R 1 и R 2. Нижние диоды в схемах предназначены для быстрого выключения транзисторов при импульсных сигналах. Аналогичные решения применяются и в силовых ключах.

Часто для повышения качества в УМЗЧ делают раздельное питание, повышенное, на 10...15 В для входного каскада и усилителя на пряжения и пониженное для вы ходного каскада. В этом случае во избежание выхода из строя выходных транзисторов и снижения перегрузки предвыходных необходимо использовать защитные диоды. Рассмотрим этот вариант на примере модификации схемы на рис. 39. В случае повышения входного напряжения выше на пряжения питания выходных транзисторов открываются дополнительные диоды VD 1, VD 2 (рис. 59), и лишний ток базы транзисторов VT 1, VT 2 сбрасывается на шины питания оконечных транзисторов. При этом не допускается повышения входного на пряжения выше уровней питания для выходной ступени ВК и снижается ток коллектора транзисторов VT 1, VT 2.

Схемы смещения

Ранее, с целью упрощения, вместо схемы смещения в УМЗЧ использовался отдельный источник напряжения. Многие из рассмотренных схем, в частности, выходные каскады с параллельным повторителем на входе, не нуждаются в схемах смещения, что является их дополнительным достоинством. Теперь рассмотрим типовые схе мы смещения, которые представлены на рис. 60 , 61 .

Генераторы стабильного тока. В современных УМЗЧ широко используется ряд типовых схем: диф ференциальный каскад (ДК), отражатель тока (" токовое зеркало "), схема сдвига уровня, каскод (с последова тельным и параллельным питанием, последний также называют " лома ным каскодом "), генератор стабильного тока (ГСТ) и др. Их правильное применение позволяет значительно повысить технические характеристики УМЗЧ. Оценку параметров основных схем ГСТ (рис. 62 - 6 6) сделаем с помощью моделирования. Будем исходить из того, что ГСТ является нагрузкой УН и включенпараллельно ВК. Исследуем его свойства с помощью методики, аналогичной исследованиям ВК.

Отражатели тока

Рассмотренные схемы ГСТ - , это вариант динамической нагрузки для однотактного УН. В УМЗЧ с одним дифференциальным каскадом (ДК) для организации встречной динамической нагрузки в УН используют структуру " токового зеркала " или, как его еще называют, " отражателя тока " (ОТ). Эта структура УМЗЧ была характерна для усилителей Холтона, Хафлера и др. Основные схемы отражателей тока приведены на рис. 67 . Они могут быть как с единичным коэффициентом передачи (точнее, близким к 1), так и с большим или меньшим единицы (масштабные отражатели тока). В усилителе напряжения ток ОТ находится в пределах 3...20 мА: Поэтому испытаем все ОТ при токе, например, около 10 мА по схеме рис. 68.

Результаты испытаний приве дены в табл. 3 .

В качестве примера реального усилителя предлагается схема усилителя мощности S. BOCK , опубликованная в журнале Радиомир, 201 1 , № 1, с. 5 - 7; № 2, с. 5 - 7 Radiotechnika №№ 11, 12/06

Целью автора было построение усилителя мощности, пригодного как для озвучивания " пространства " во время прадничных мероприятий, так и для дискотек. Конечно, хотелось, чтобы он умещался в корпусе сравнительно небольших габаритов и легко транспортировался. Еще одно требование к нему - легкодоступность комплектующих. Стремясь достичь качества Hi - Fi , я выбрал комплементарно - симметричную схему выходного каскада. Максимальная выходная мощность усилителя была задана на уровне 300 Вт (на нагрузке 4 Ом). При таком мощности выходное напряжение составляет примерно 35 В. Следовательно для УМЗЧ необходимо двухполярное питающее напряжение в пределах 2x60 В. Схема усилителя приведена на рис. 1 . УМЗЧ имеет асимметричный вход. Входной каскад образуют два дифференциальных усилителя.

А. ПЕТРОВ, Радиомир, 201 1 , №№ 4 - 12

Транзисторный УМЗЧ с дифкаскадом (ДК) на входе традиционно строится по трех каскадной схеме: ДК входной усилитель напряжения; усилитель напряжения; выходной двух тактный усилитель тока. При этом наибольший вклад в спектр искажений вносит именно выходной каскад. Это, в первую очередь, искажения типа "ступенька", коммутационные искажения, усугубляемые наличием сопротивлений в эмиттерных (истоковых) цепях, а также тепловые искажения, которым до недавних пор не придавали должного внимания. Все эти искажения, будучи сдвинутыми по фазе в цепях отрицательной обратной связи, способствуют формированию широкого спектра гармоник (вплоть до 11 й). Это и обусловливает в ряде неудачных разработок характерное транзисторное звучание.

По всем каскадам на сегодняшний день накоплен огромный набор схемотехнических решений от простых несимметричных каскадов до сложных полностью симметричных. Тем не менее, поискирешений продолжаются. Искусство схемотехники в том и заключается, чтобы простыми решениями добиться хорошего результата. Одно из таких удачных решений опубликовано в . Авторы отмечают, что режим работы наиболее распространенных выходных каскадов с общим коллектором задается напряжением на эмиттерных переходах, которое сильно зависит как от тока коллектора, так и от температуры. Если в маломощных эмиттерных повторителях можно стабилизировать напряжение база эмиттер путем стабилизации тока коллектора , то в мощных выходных каскадах класса АВ это сделать практически невозможно.

Схемы термостабилизации с термочувствительным элементом(чаще всего транзистор) даже при установке последнего на корпусодного из выходных транзисторов инерционны и могут отслеживать только среднее изменение температуры кристалла, но не мгновенное, что приводит кдополнительной модуляции выходного сигнала. В ряде случаев схемы термостабилизации являются источником мягкого возбужденияили подвозбуждения, что тоже придает звучанию определенное окрашивание. Для принципиального решения этой проблемыавторы предложили выполнить выходной каскад по схеме с ОЭ (идея не нова, см. например ). В результате, в отличие от традиционного трех каскадного построения (каждый каскад со своей частотой среза и своим с пектром гармоник), получился всего двухкаскадный усилитель. Его упрощенная схема показана на рис.1.

Первый каскад выполнен по традиционной схеме ДК с нагрузкой в виде токового зеркала. Симметричный съем сигнала с ДК с помощью токового зеркала (встречная динамическая нагрузка) позволяет получить вдвое большее усиление с одновременным уменьшением шумов. Выходное сопротивление каскада при таком съеме сигнала достаточно высокое, что обусловливает его работу в режиме генератора тока. В этом случае ток вцепи нагрузки (базы транзистора VT8 и эмиттера транзистора VT7)мало зависит от входного сопротивления и определяется, в основном, внутренним сопротивлением источника тока. Эмиттерные токи транзисторов VT8, VT9 являются базовыми для транзисторов VT10, VT11. Генератор тока I2 и схема сдвига уровня на транзисторах VT5 VT7 задают и стабилизируют начальный ток транзисторов VT8 VT11 независимо от их температуры.

Рассмотрим подробнее работу схемы управления током выходных транзисторов. Переходы база эмиттер транзисторов VT5 VT8 образуют между выходом источника тока I2 и базой транзистора VT10 две параллельные цепи. Это не что иное, как сложный масштабный отражатель тока. Принцип работы простейшего отражателя тока основан на том, что конкретному значению тока коллектора (эмиттера) соответствует вполне определенное падение напряжения на его базо эмиттерном переходе и наоборот, т.е. если это напряжение приложить к базо эмиттерному переходу другого транзистора с такими же параметрами, то его ток коллектора будет равен току коллектора первого транзистора. Правая цепь (VT7, VT8) состоит из базо эмиттерных переходов с разными токами коллектора (эмиттера). Чтобы заработал принцип "отражателя тока" левая цепь должна быть зеркальной по отношению к правой,т.е. содержать идентичные элементы. Для того чтобы ток коллектора транзистора VT6 (он же ток генератора тока I2) соответствовал току коллектора транзистора VT8, падение напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT5, в свою очередь, должно быть равно падению напряжения на базо эмиттерном переходе транзистора VT7.

Для этого в реальной схеме (рис.2) транзистор VT5 заменен составным транзистором по схеме Шиклаи. На основании выше изложенного напрашивается выполнение следующих условий:

• статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT7, VT8, VT11 (VT12) должны быть равны;
• статические коэффициенты передачи тока транзисторов VT9 и VT10 также должны быть равны между собой, а еще лучше, если все 6 транзисторов (VT7 VT12) будут иметь одинаковые характеристики, что трудно выполнимо при ограниченном количестве транзисторов, имеющихся в наличии;
• в качестве транзисторов VT8, VT9 необходимо отобрать транзисторы с минимальным базо эмиттерным напряжением (с учетом разброса параметров), поскольку эти транзисторы работают при пониженном напряжении эмиттер коллектор;
• произведения статических коэффициентов передачи тока транзисторов VT11, VT13 и VT12, VT14 также должны быть близкими.

Таким образом, если мы хотим задать ток коллектора транзисторов VT13, VT14 равным 100 мА и имеем выходные транзисторы с h21э=25, то ток генератора тока на транзисторе VT6 должен составлять: Iк(VT6)/h21э=100/25=4 мА, что и определяет сопротивление резистора R11 около 150Ом (0,6 В/0,004 А=150 Ом).

Поскольку выходной каскад управляется выходным током ДК, общий эмиттерный ток смещения выбран достаточно большим около 6 мА (определяется резистором R6), он же определяет и максимально возможный выходной ток ДК. Отсюда можно рассчитать и максимальный выходной ток усилителя. Например, если произведение коэффициентов усиления по току выходных транзисторов равно 1000, то максимальный выходной ток усилителя будет близок к 6 А. Для заявленного максимального выходного тока 15 А коэффициент усиления выходного каскада по току должен быть соответственно не менее 2500, что вполне реально. Более того, с целью повышения нагрузочной способности ДК общий эмиттерный ток смещения можно увеличить до 10 мА, уменьшив сопротивление резистора R6 до 62 Ом.

В приведены следующие технические характеристики усилителя:

• Выходная мощность в полосе до 40 кГц на нагрузке 8 Ом- 40 Вт.
• Импульсная мощность на нагрузке 2 Ом- 200 Вт.
• Амплитудное значение неискаженного выходного тока- 15 А.
• Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц (1 Вт и 30 Вт, рис.3)- 0,01%
• Скорость нарастания выходного напряжения- 6 В/мкс
• Коэффициент демпфирования, не менее- 250

График зависимости коэффициента гармоник при выходной мощности 1 Вт (кривая а) и при выходной мощности 30 Вт (кривая b) на нагрузке 8 Ом показан на рис.3. В комментариях к схеме утверждается, что усилитель имеет высокую стабильность, в нем отсутствуют "переключательные искажения", а также гармоники высших порядков.

Прежде чем собрать опытный образец усилителя схема была смакетирована виртуально и исследована с помощью программы Multisim 2001. Поскольку в базе данных программы не оказалось указанных в схеме выходных транзисторов, они были заменены ближайшими аналогами отечественных транзисторов КТ818, КТ819. Исследования схемы (рис.4) дали результаты, несколько отличные от приведенных в . Нагрузочная способность усилителя оказалась ниже заявленной, а коэффициент гармоник более чем на порядок хуже. Недостаточным оказался и коэффициент запаса по фазе всего 25°. Наклон АЧХ в районе 0 дБ близок к 12 дБ/окт., что также говорит о недостаточной устойчивости усилителя.

В целях опытной проверки был собран макет усилителя иустановлен в гитарный комбик рок группы "Афазия". Для увеличения устойчивости усилителя емкость коррекции увеличена до 2,2 нФ. Натурные испытания усилителя в сравнении сдругими усилителями подтвердили его достоинства и усилитель получил высокую оценку музыкантов.

Технические параметры усилителя

• Полоса пропускания на уровне 3 дБ-15 Гц-190 кГц
• Коэффициент гармоникна частоте 1 кГц (25 Вт, 8 Ом)-0,366%
• Частота единичного усиления-3,5 МГц
• Запас по фазе- 25°

Строго говоря, приведенные рассуждения по поводу токового управления выходным каскадом справедливы для усилителя с разомкнутой ООС. При замкнутой ООС в соответствии с ее глубиной уменьшается не только выходное сопротивление усилителя в целом, но и всех его каскадов, т.е. они посути начинают работать как генераторы напряжения.

Поэтому с целью получения заявленных в технических характеристик усилитель был доработан до вида рис.5, а результат его исследования приведен на рис.6. Как видно из рисунка, в схему добавлено всего два транзистора, которые образуют двухтактный гибридный повторитель класса А. Введение буферного каскада с высокой нагрузочной способностью позволило более эффективно использовать усилительные свойства ДК по напряжению и существенно повысить нагрузочную способность усилителя в целом. Увеличение усиления с разорванной ООС благоприятно сказалось и на уменьшении коэффициента гармонических искажений.

Увеличение емкости коррекции с 1 нФ до 2,2 нФ хоть и сузило полосу пропускания сверху до 100 кГц, но зато увеличило запас по фазе на 30° и обеспечило наклон АЧХ в области единичного усиления 6 дБ/окт., что гарантирует хорошую устойчивость усилителя.

В качестве испытательного сигнала на вход усилителя подавался сигнал типа "меандр" частотой 1 кГц (калибровочный сигнал от осциллографа). Выходной сигнал усилителя неимел ни завала фронтов, ни выбросов на фронтах сигнала,т.е. полностью соответствовал входному.

Технические характеристики доработанного усилителя

• Полоса пропускания на уровне 3 дБ- 8 Гц-100 кГц
• Частота единичного усиления- 2,5 МГц Запас по фазе- 55°
• Коэффициент усиления- 30 дБ
• Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (25 Вт, 8 Ом)- 0,007%
• Коэффициент гармоник на частоте1 кГц (50 Вт, 4 Ом)- 0,017%
• Коэффициент гармоник при Ku=20 дБ- 0,01%

С целью натурных испытаний доработанного усилителя было изготовлено два образца в габаритах платы усилителя "Лорта 50У 202С" (он же "Амфитон 001") и установлено в указанный усилитель. Одновременно был доработан регулятор громкости в соответствии с .

В результате доработки хозяин усилителя полностью отказался от регулятора тембра, а натурные испытания показали его явное преимущество над прежним усилителем. Звучание инструментов стало более чистым и натуральным, сталичетче формироваться кажущиеся источники звука (КИЗ), онистали как бы более "осязаемыми". Заметно повысилась и неискаженная выходная мощность усилителя. Термостабильность усилителя превзошла все ожидания. После двухчасового испытания усилителя на выходной мощности, близкой к максимальной, боковые теплоотводы оказались практически холодными, в то время как с прежними усилителями дажев отсутствие сигнала усилитель, будучи оставленным вовключенном состоянии, достаточно сильно разогревался.

Конструкция и детали
Плата (с элементами на просвет) усилителя, предназначенного для установки в усилитель "Лорта", показана на рис.7. В плате предусмотрены места для установки диодного моста и резистора R43 из старой схемы, а также места для установки токо выравнивающих базовых и эмиттерных резисторов для спаренных выходных транзисторов. В нижней части платы зарезервированы места для установки элементов активного источника тока (АИТ) в виде отражателя тока, состоящего из токо задающего резистора сопротивлением 75 кОм с выхода УМ, двух транзисторов типа КТ3102Б и двух резисторов по 200 Ом для активного выключения нижнего плеча усилителя (в опытном образце не устанавливались). Конденсаторы С4, С6 типа К73 17. Емкость конденсатора С2 можно безболезненно увеличить до 1 нФ, при этомчастота среза входного фильтра НЧ будет 160 кГц.

Транзисторы VT13, VT14 снабжены небольшими алюминиевыми флажками толщиной 2 мм. Транзисторы VT8 и VT12для лучшей термостабилизации усилителя установлены пообе стороны общего флажка, причем транзистор VT8 черезслюдяную прокладку или эластичный тепло проводящий изолятор типа "Номакон Gs" ТУ РБ 14576608.003 96. Что касается параметров транзисторов, то они подробно оговорены выше. В качестве транзисторов VT1, VT5 можно использовать транзисторы КТ503Е, а вместо транзисторов VT2, VT3 транзисторы типа КТ3107 с любым буквенным индексом. Желательно, чтобы статические коэффициенты усиления тока транзисторов были попарно равны с разбросом не более 5%, а коэффициенты усиления транзисторов VT2, VT4 были несколько больше или равны коэффициентам усиления транзисторов VT1, VT5.

В качестве транзисторов VT3, VT6 можно использовать транзисторы типов КТ815Г, КТ6117А, КТ503Е, КТ605. Транзисторы VT8, VT12 можно заменить транзисторами типа КТ626В. При этом транзистор VT12 крепится на флажок, атранзистор VT8 на транзистор VT12. Под головку винта состороны транзистора VT8 следует подложить тексто литовую шайбу. В качестве транзистора VT10 из отечественных полевых транзисторов наилучшим образом подходит транзистор типа КП302А, 2П302А, КП307Б(В), 2П307Б(В). Желательно подобрать транзисторы с начальным током стока 7-12 мА и напряжением отсечки в пределах (0,8-1,2) В. Резистор R15 типа СП3 38б. Транзисторы VT15, VT16 можно заменить соответственно КТ837 и КТ805, а также КТ864 и КТ865 с более высокочастотными характеристиками. Плата разрабатывалась для установки спаренных выходных транзисторов (КТ805, КТ837). Для этой цели в плате предусмотрены места для установки как базовых (2,2-4,3 Ом), так и эмиттерных (0,2-0,4 Ом) токо выравнивающих резисторов. В случае установки одиночных выходных транзисторов вместо токо выравнивающих резисторов следует запаять перемычки или сразу распаять провода выходных транзисторов в соответствующие места платы. Вопытном образце оставлены "родные" выходные транзисторы, только их пришлось поменять местами.

В усилителе желательно увеличить емкости по питанию (в исходном усилителе в каждом плече по 2.2200 мкФ.50 В) Как минимум, желательно добавить в каждое плечо еще по 2200 мкФ, а еще лучше заменить конденсатором 10000мкФ. 50 В. На 50 В зарубежные конденсаторы относительно дешевы.

Налаживание
Прежде чем подключать выходные транзисторы, необходимо временно припаять на место базо эмиттерных переходов выходных транзисторов любые диоды средней мощности (например, КД105, КД106), подать питание на плату и, не подключая нагрузку, убедиться, что усилитель отрабатывает среднюю точку. Подайте на вход усилителя сигнал и убедитесь с помощью осциллографа, что на "холостом ходу" он усиливается без искажений и возбуждения. Это говорит оправильности монтажа и исправности всех элементов усилителя. Только после этого можно впаять выходные транзисторы и приступить к установкеих тока покоя.

Для установки тока покоя необходимо выставить движок резистора R15 в нижнее по схеме положение, снять предохранитель в одном из плеч усилителя и вместо него включить амперметр. Ток потребления выставляют под строечным резистором R15 в пределах 110-130 мА (с учетом тока ДК около 6 мА и тока буферного повторителя около 3-5 мА). Затем проверяют чувствительность усилителей и при необходимости корректируют резисторы ОС.

После этого можно приступать к различным исследованиям, если, конечно, позволяет оборудование лаборатории радиолюбителя. Для этой цели можно воспользоваться прямым входом усилителя, сняв с него заглушку перемычку на задней стенке усилителя.

Литература

1. Дайджест УМЗЧ//Радиохобби. 2000. №1. С.8 10.
2. Петров А. Сверхлинейный ЭП с высокой нагрузочной способностью//Радіоаматор. 2002. №4. С.16.3.
3. Дорофеев М. Режим В в усилителях мощности ЗЧ//Радио. 1991. №3. С.53 56.
4. Петров А. Доработка регулятора громкости усилителя "Лорта 50У 202С"//Радіоаматор. 2000. №3. С.10

Нет предела совершенствованию! После подключения к простому усилителю Василича приобретенных колонок DYNAUDIO Excite X12 возникло ощущение, что усилитель звуковой частоты немножко не дорабатывает на низких частотах. При прослушивании данных колонок в магазине они легко воспроизводили глубокий бас. В составе домашнего медиа центра этого не наблюдалось. После изучения данной темы в сети интернет я пришел к выводу для данных АС изготовить более качественный УМЗЧ. К улучшенному усилителю напряжения простого усилителя Василича (в УН введено токовое зеркало Уилсона) был добавлен улучшенный N-канальный выходной каскад Алексея Никитина (Q8-Q12). Схема нового усилителя мощности звуковой частоты приведена ниже.

В результате получился «Качественный усилитель Василича» с более низким выходным сопротивлением.

Основные технические характеристики усилителя мощности:
Номинальная выходная мощность (Вт) - 45 (при Rn = 4 Ом);
Полоса пропускаемых частот (кГц) - 0,01...100;
Коэффициент гармоник во всем диапазоне частот (%) - 0,001
(коэффициент гармоник собранного в железе аппарата без подбора элементов - не более 0,005);

Входное сопротивление (кОм) - 10;
Номинальное входное напряжение (В) - 3;
Выходное сопротивление (Ом) - не более 0,1;
Ток покоя выходного каскада (мА) - 200.

Ток покоя задается резистором R21. На плату был установлен многооборотный резистор номиналом 100 Ом. Рекомендую выставлять ток покоя не менее 75 мА. Уже при этом значении искажения оконечника Никитина в текущей реализации не превышают 0.1% и имеют короткий, быстро спадающий спектр гармоник. При токе покоя 200 мА в спектре остается почти одна вторая гармоника и искажения оконечника не превышают 0.02%.

Подбором резистора R5 добиваемся правильной балансировки плеч питания.

В качестве выходных транзисторов Q12/13 можно установить IRLZ24N, которые обладают почти в 2 раза меньшей входной емкостью. Это позволит добиться еще более прозрачного звучания на высоких частотах, но несколько ухудшит проработку баса на низкоомной АС. HUF76639P3, рекомендованные к применению в оригинальном усилителе Алексея Никитина, придавали усилителю более ватное звучание.

Для питания стереофонического усилителя используется блок питания, собранный по следующей схеме.

Тороидальный трансформатор, мощностью 120 Вт имеет две вторичные обмотки по 36 В. После выпрямительных диодов последовательно установлены электролитические конденсаторы, в месте соединения которых образуется средняя точка (для каждого канала своя) без гальванической связи с общим проводом . К этим точкам подключаются минусовые провода акустических систем левого (AS Rc) и правого (AS Rc) каналов. В свой УМЗЧ, исходя из наличия компонентов, я установил 12 фильтрующих конденсаторов (по 3 в каждом плече емкостью 6800 мкФ на 50В). Трансформаторов может быть два, каждый мощностью по 60 - 80 Вт. Электролитические конденсаторы могут быть зашунтированы бумажными.

Плата усилителя спроектирована с помощью программы Sprint-Layout. Виды со стороны деталей и дорожек приведены ниже.

Плата усилителя изготовлена по проверенной ЛУТ-технологии.

Фотографии собранного УМЗЧ:

Результат измерений собранного усилителя на нагрузку 4 Ом при выходной мощности 21 Вт:

В настоящее время для качественного воспроизведения музыки мною в составе мультимедийного центра используются: персональный компьютер, ЦАП с USB-входом, усилитель от Василича с оконечником Никитина и акустические колонки DYNAUDIO Excite X12. Теперь все компоненты звукового тракта примерно одного класса и на данный момент меня полностью устраивают.

Вложение : 991,62 KB (Скачиваний: 930)

Вложение : 192,60 KB (Скачиваний: 814)

Выбираем структурную схему усилителя мощности. Она представлена на рисунке 2. Входной каскад выполнен на транзисторе VT1 , включенный с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой первого каскада усиления. С него усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2 , являющимся промежуточным каскадом усиления. Выходной каскад собран на биполярных транзисторах VT7 …VT10 по схеме Дарлингтона. Таким образом, усилитель мощности является трёхкаскадным. Составим примерную схему будущего усилителя мощности:

Рисунок 2 - Ориентировочная схема УМЗЧ

Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток рассчитываются по выходной мощности PL = 5 Вт. и сопротивлению нагрузки RL = 4 Ом.

Выходной каскад

Традиционно работу и расчёт усилителя мощности начинают рассматривать с выходного каскада, так как от схемы выходного каскада существенно зависят многие параметры УМЗЧ такие как: энергетические показатели, нелинейные искажения, надёжность и т.д. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, включённых по схеме Дарлингтона. В этом каскаде нагрузка подключается к коллекторам выходных транзисторов. Выходной каскад УМЗЧ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Выходной каскад УМЗЧ

Необходимое напряжение питание EП усилителя мощности найдём, исходя из формулы мощности:

Из получившейся пропорции находим:

При найдём EП ;

Выберем напряжение питания немного больше, учитывая погрешности при расчете и потери мощности питания на входном и промежуточном каскадах. Примем

Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением.

Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50мВт. до 100Вт. И более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность.

Напряжение пробоя выходных транзисторов VT 8 и VT 10 должно быть:

Максимальная мощность рассеяния транзисторов VT 8 и VT 10 при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе равно:

Ток короткого замыкания выходных транзисторов равен:

Таким образом, при известных значениях параметров по справочным данным выбираем комплементарную пару выходных транзисторов: VT 8 - КТ 816В, VT 10 - КТ 817В.

По максимальному выходному току Imax и минимальному усилению по току B0 = 25, выбранного типа транзисторов VT 8 и VT 10, рассчитываем ток коллектора транзисторов VT 7 и VT 9:

Такому коллекторному току соответствует маломощный кремниевый транзистор КТ 3102Б - структуры n-p-n и маломощный кремниевый транзистор КТ 3107Б - структуры p-n-p .

В качестве транзистора VT 2 (транзистора промежуточного каскада) можно использовать практически любой маломощный низкочастотный транзистор. Следует только обратить внимание на предельное напряжение коллектор-эмиттер, которое не должно быть меньше, чем. Такому напряжению соответствует транзистор типа КТ 3107Б у которого максимальное напряжение коллектор-эмиттер равняется 45В.

Перейдём к рассмотрению и расчёту защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Из-за малого выходного сопротивления усилитель мощности легко может быть перегружен по току нагрузки и выведен из строя за счёт перегрева выходных транзисторов. Конструктивные меры повышения надёжности, такие как выбор транзисторов с большим запасом по мощности рассеяния, увеличение площади теплоотводящей поверхности, приводят к удорожанию конструкции и ухудшению её массогабаритных показателей. Поэтому целесообразно использовать схемотехнические способы повышения надёжности, вводя в усилитель мощности цепи защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий выхода.

Рассмотрим принцип действия защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Схема защиты состоит из транзисторов VT 5 и VT 6 и резисторов R 10…R 13. Схема защиты представлена на рисунке 4. Работает цепь защиты следующим образом.

При достаточно малом токе нагрузки транзистор VT 5 заперт, так как падение напряжения на резисторе R 11 недостаточно для его открывания, и цепь защиты практически не оказывает влияния на работу усилителя мощности. При увеличении тока нагрузки растёт падение напряжения на резисторе R 11 (для положительной полуволны; для отрицательной полуволны выходного напряжения будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R 12). При достижении напряжения падающего на резисторе R 11, порога UБЭ ПОР открывания транзистора VT 5 он отпирается, забирая на себя часть тока источника, тем самым стабилизируя максимальный ток нагрузки. Номиналы резисторов R11 и R12 рассчитаем по формуле:

Резисторы R 11 и R 13 имеют малое сопротивление (100…150 Ом) и служат для ограничения тока базы транзисторов VT 11 VT 13. Резисторы R 11 и R 13 практически не влияют на работу цепи защиты.

Рисунок 4 - Схема защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.

Далее перейдем к рассмотрению схемы температурной стабильности тока покоя выходного каскада УМЗЧ. Существует достаточно много различных схемотехнических приёмов обеспечения температурной стабильности тока покоя выходных транзисторов. Все они в конечном счете требуют создания теплового контакта элементов стабилизирующей цепи либо с корпусом транзисторов, либо с теплоотводящей поверхностью. Еще один пример построения выходного каскада усилителя мощности с температурной стабилизацией тока покоя выходных транзисторов приведен на рисунке 4. Преимущество данного способа заключается в том, что на теплоотводящую поверхность помещается только один термочувствительный элемент - транзистор VT 4. Условие, из которого выбирают номиналы резисторов R 6 и R 8:

В общем случае отношение должно быть численно на единицу меньше количества p-n переходов в контуре. Резистор R 8 выполняется переменным для обеспечения установки требуемого тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Выберем номиналы сопротивлений R 6 и R 8, учитывая, что их отношение должно быть примерно равняться трём, так в выходном каскаде стоят четыре транзистора (т.е. имеется четыре p-n перехода). Возьмём сопротивление R 6 равным 1000 Ом, тогда R 8 будет равным:

Для расчёта резистора R7, воспользуемся выражением:

рассчитаем R 7.

Предлагаемый автором усилитель отличается применением комбинированной обратной связи (по току и напряжению на нагрузке), что даёт возможность выбора выходного сопротивления для конкретной АС в широком интервале - от нуля до десятков ом. Высокая линейность во всей полосе звуковых частот позволяет использовать такой УМЗЧ для широкополосного усиления звуковых сигналов при мощности более 100 Вт. Описываемый усилитель имеет довольно высококачественные параметры, способствующие хорошему звучанию, и может быть рекомендован для построения высококачественных звуковоспроизводящих систем. Возможность регулировки выходного сопротивления усилителя в интервале от нуля до нескольких десятков ом позволяет улучшить качество звучания акустической системы . Это делает УМЗЧ идеальным для работы с сабвуфером, выполненным в закрытом корпусе (без фазоинвертора). Повышение выходного сопротивления позволяет поднять уровень нижних частот и уменьшить нижнюю граничную частоту сабвуфера. Иногда повышенное выходное сопротивление УМЗЧ способствует восприятию звучания системы УМЗЧ-АС, близкого к "мягкому ламповому звуку" .

Максимальная выходная мощность, Вт,

на нагрузке 4 Ом 150

на нагрузке 8 Ом 120

Коэффициент гармонических искажений при выходной мощности 60 Вт на частоте 1 кГц, %,

не более 0,005

Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 60 Гц/7 кГц, %, не более 0,005

Коэффициент интермодуляционных искажений на частотах 18/19 кГц, %, не более 0,005

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс, не менее 15

Выходное сопротивление, Ом 0...20

Коэффициент интермодуляционных искажений измерен двумя методами: по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1, а также на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.

Она построена по структуре, близкой к структуре УМЗЧ Лина . Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а такжеснижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока на транзисторах VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 повышает усиление драйверного каскада по току. Транзистор VT9 служит для термостабилизации тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры. Повышенное выходное сопротивление достигается с помощью комбинированной отрицательной обратной связи (ОOC) - по напряжению и по току . Сигнал ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подаётся на базу транзистора VT4. Сигнал ООС по току снимается с резистора - датчика тока R27 и подаётся на базу транзистора VT4 через резистор R21. Несколько необычное включение цепи R9C4 используется для устра­нения заметного постоянного напряжения на нагрузке из-за ООС по току. Экспериментальный образец усилителя был подвергнут испытаниям для оценки реальных характеристик. Для измерения искажений использовались звуковая карта EMU0404 и программа SpectraPLUS-SC . Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта + усилитель. На рис. 2 показана частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя.

По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц. Возникающие при измерениях гармоники учитывались в полосе до 90 кГц, что очень важно для правильного определения величины К, на высоких частотах. Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин - рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое вызвано снижением усиления каскада на транзисторе VT8 . Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах невелик. На рис. 3 показан спектр искажений на частоте 1 кГц.

Как видно, в нём присутствуют только первые три гармоники, остальные - ниже порога измерений. Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует "транзисторный звук". На рис. 4 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1.

Это - один из наиболее жёстких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность или плохие высокочастотные свойства усилителя. Как видно из рис. 4, амплитуда разностной частоты f 1 кГц очень мала, что говорит о высокой линейности усилителя. Число боковых частот, отличающихся от тестовых на величину 1 кГц, также невелико. Это говорит о том, что спектр искажений остаётся узким ("мягким") даже на высоких частотах. Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Результатыизмерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их . Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с представленными в на рис. 5 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 Ом от выходной мощности УМЗЧ с блоком питания, рассчитанным на мощность 80 Вт в нагрузке.

Выходное сопротивление (Rвых) усилителя при указанных номиналах элементов цепей ООС можно изменять не только выбором резистора R21, но и R27. Регулировочная зависимость от сопротивления R21 показана на рис. 6.

Для получения большего выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчёта комбинированной ООС на FTP-сервере редакции . Если повышения этого параметра не требуется, то резистор R21 следует исключить, а резистор R27 заменить проволочной перемычкой.Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате, показанной со стороны печатных проводников на рис. 7.

На этой стороне припаян резистор R12, предназначенный для поверхностного монтажа типоразмера 1208, но можно установить и резистор с аксиальными выводами. Серым цветом на рис. 7 показаны отрезки медного провода сечением 2,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления. На рис. 8 показано расположение корпусных элементов.

Конденсатор С12 припаян к выводам резистора R20. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности (отклонение не более ±1 %) либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Резисторы R24, R25, R27 - проволочные SQP-5 (SQP500JBR15,SQP-5W-R1 5-J) от YAGEO или китайского производства. Конденсаторы С2, СЗ, С12 - керамические с ТКЕ группы NPO, а С1, С7, С9, С10 - плёночные на напряжение не менее 63 В. Номиналы всех оксидных конденсаторов соответствуют применению усилителя совместно с сабвуфером.. Если же доступны малогабаритные плёночные конденсаторы, например, фирмы Epcos, то ёмкость конденсаторов С7 и С10 желательно увеличить до 1 мкФ. Оксидные конденсаторы С5, C6, C8, C11 - любые качественные (с малым эквивалентным последовательным сопротивлением). В позиции С4 можно использовать и полярный оксидный конденсатор, но при этом нужно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 °С - их свойства немного лучше.Комплементарные транзисторы 2N5551 и 2N5401 можно заменить на 2CS2240 и 2SA970, a 2SA1930 и 2SC5171 - на 2SA1358 и 2SC3421 либо (что несколько хуже) на 2SB649 и 2SD669. Транзистор VT9 - любой структуры п-р-п в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать пару транзисторов IRFP240/IRFP9240. Мощные транзисторы размещают на теплоотводах с эффективной площадью не менее 700 см2 на каждый. Их изолируют слюдяными прокладками или специальными теплопроводящими плёнками. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать теплопроводную пасту. Усилитель - достаточно высокочастотное устройство, поэтому для снижения возможных помех от средств мобильной связи рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые кольца. Напряжение питания усилителя ограничивается в основном допустимым напряжением его полупроводниковых приборов и конденсаторов и не должно превышать +/-55 В. При установке конденсаторов в цепи питания (С5-С8, С10, С11) на рабочее напряжение 80 В напряжение питания можно увеличить до +/-65 В. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется для работы с низкоомной нагрузкой (4 Ом).Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230...250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов. Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений. Схема блока питания усилителя приведена на рис. 9.

Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, проникающие из сети. Резисторы R1 и R2 служат для разрядки конденсаторов фильтра при выключении питания. В выпрямителе можно применить интегральный диодный мост либо отдельные диоды. Хорошие результаты даёт применение диодов Шоттки. Максимальное обратное напряжение диодов должно быть не менее 150-200 В, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов. Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 А (например, диодные мосты RS1003-RS1007 или КВРС4002- КВРС4010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 А, например, диодные мосты КВРС4002-КВРС4010, КВРС5002- КВРС5010 или диоды Шоттки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе. В этом случае рекомендуется увеличить суммарную ёмкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В. Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках, в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя, можно воспользоваться графиками на рис. 10.

Чёрными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стереоусилителю» штриховая - сабвуферу. Цветные линии - напряжение на каждой из вторичных обмоток. Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется в вводу минимальная мощность трансформатора, достаточная для нормальной работы усилителя: пикфактор звуковых сигналов составляет 12...16 д Б, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит, средняя выходная мощность и потребляемый от блока питания ток получаются в несколько раз меньше максимальной. Поэтому и средняя мощность» потребляемая от трансформатора, в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причём с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью, большей, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет. Усилитель не содержит узла защиты акустической системы, поэтому для защиты её от постоянного напряжения можно использовать любой из описан­ных в журнале конструкций или упоминаемых на этом сайте.

Радио №10 2016г стр. 8