Схема УМЗЧ JVC А-Х 50 показана на сайте радиочипи. Она характерна для зарубежных усилителей конца 1970-х, начала 1980х. Исключением является применение специализированной ИМС типа VC5022, обеспечивающей работу УМЗЧ в режиме «Super — А» (рис.4).
В предыдущей линейке этих усилителей вместо интегральной микросхемы использовался целый набор дискретных элементов, что заметно усложняло весь усилитель в целом. Обращает на себя внимание интегратор (IC361), выполненный на ОУ; в то время встречающийся сравнительно редко.
Основные характеристики полного усилителя
- Номинальная выходная мощность 65×2 Вт на нагрузке 8 Ом
- Полоса пропускания по уровню 3 дБ от 3 Гц до 200 кГц
- Суммарный коэффициент гармоник при номинальной выходной мощности: в полосе частот 20 Гц20 кГц, не более…0,007%
на частоте 1 кГц, не более 0.001% - Демпфирующий фактор 75
- Входная чувствительность 0,2 мВ (МС), 2,5 мВ (ММ), 150 мВ (line)
- Отношение сигнал/шум 68 дБ (МС), 87 дБ (ММ), 108 дБ (line)
- Выход на устройство магнитной записи… 150 мВ (line)
- Габариты 435x117x365 мм
- Масса 8,6 кг
- Год выпуска 1982
Методика проведения сравнительного прослушивания усилителя мощности низкой частоты. Она мало чем отличается от обычного прослушивания УМЗЧ. Один источник сигнала, один и тот же комплект акустики и даже один и тот же стабилизированный источник питания, используемый для всех, естественно, кроме JVC, по очереди прослушиваемых УМЗЧ. Мгновенное переключение испытуемых устройств, соответственно, отсутствовало, но в данном случае оно и не требовалось, так как разница в звучании усилителей легко и уверенно фиксировалась всеми присутствующими.
В качестве источника сигнала был использован аудиоинтерфейс профессионального уровня, обеспечивающий КНИ в режиме «external loop back» (lineout linein) на уровне 0,0005% (0,0006% при 16-битном разрешении сигнала, т.е. при воспроизведении стандартного CD формата). В качестве испытательного материала использовались CD диски, файлы формата.flac, в том числе и студийные оцифровки (так называемые, «мастеркопии»), выполненные с высоким разрешением (24 бит / 96 кГц), разных жанров музыки.
Надо отметить особо, что не все, что записано с высоким разрешением, звучит хорошо. И нельзя путать результат оцифровки сигнала, получаемого с помощью студийного аппарата магнитной записи звука, на котором воспроизводится оригинал студийной же фонограммы, с присутствующими в большом количестве (на разных сайтах, посвященных музыке) результатами творчества энтузиастов оцифровки дисков формата LP.
Результаты такого творчества звучат весьма скверно и в лучшем случае содержат очень достоверный образ конкретного проигрывателя LP дисков совместно с образом конкретного диска, использованных при оцифровке. Идеально фиксируются все вносимые такой связкой искажения, начиная от рокота самого проигрывателя, тресков, щелчков, вплоть до характерного поведения иглы при следовании по звуковой дорожке диска, что особенно заметного на участках, содержащих высокий уровень ВЧ составляющих.
Любые попытки «улучшения» полученного таким путем «неудовлетворительного результата», производимые путем программной обработки фонограммы, приводят исключительно к значительной деградации исходного звукового образа, и итоговый результат такого действия сравним разве что с фонограммами, побывавшими на компакт кассете и затем конвертированными в формат mp3. Тем не менее, весь этот хлам хранится и распространяется в форматах вплоть до 24 бит / 192 кГц. И пока не ясно, до каких пор все это безобразие будет продолжаться.
Усилитель Лайкова версия 5.1
После прочтения целой серии восторженных отзывов о «непревзойденном звучании» возникло желание проверить концепцию и провести сравнительные испытания с уже присутствующими «в хозяйстве» прототипами данной конструкции. Для испытаний был выбран усилитель версии 5.1 (рис.5) как самый малогабаритный. К тому же в процессе выбора уже наметился вариант его последующего практического применения.
Очень простой. Вся его сборка, с учетом времени необходимого для изготовления печатной платы, занимает часов десять. Фактически вроде бы имеем «конструкцию выходного дня». Затраты на приобретение деталей, требующихся для сборки собственно УМЗЧ, находятся в пределах 10 USD.
Стартует усилитель, собранный из исправных деталей и без ошибок монтажа, практически сразу. Но вот тут начинают всплывать «ржавые подводные мины», «предусмотрительно» заложенные в конструкцию самим разработчиком. Одна из самых первых намечается еще до начала сборки УМЗЧ: на авторской схеме присутствует список рекомендованных для использования в усилителе ОУ. Бросается в глаза уже то, что цоколевка одного из них не соответствует разводке печатной платы и даже самой схеме. Причем упоминание об этом факте у автора вообще отсутствует.
Вторая имеет следующий вид: автор даже не удосужился сам собрать и проверить то, что «изобразил на бумаге». Судя по номиналам резисторов R9 и R10 можно смело утверждать, что автором в лучшем случае был проверен и испытан только один канал, о чем, кстати, становится достоверно известно страниц эдак через двадцать тридцать разнообразных форумных сообщений. Ладно, проехали.
Меняем пару резисторов и… вместо «ключика в кармане» имеем в наличии абсолютно неработоспособный узел температурной компенсации. Красивые картинки, описывающие работу данного узла, приводимые автором в описании своей конструкции, взяты в лучшем случае с потолка, так как абсолютно не соответствуют его реально наблюдаемому поведению. Сам УМЗЧ в итоге уходит в саморазогрев и все… дальше в том же духе можно исписать страниц двадцать.
Следует особо отметить следующее: после установки тока покоя (ТП) уже относительно отлаженного усилителя по рекомендованной автором методике все вроде бы и выглядит неплохо. Однако при повторном включении, на полностью остывших радиаторах, УМЗЧ стартует с ТП равным 7 мА и на рабочий режим самостоятельно выйти вообще не в состоянии. ТП УМЗЧ через час работы достигает аж целых 25…40 мА.
Принудительная работа с большим уровнем выходного сигнала, правда, может прогреть усилитель до требуемого состояния (температура радиатора более 33 градусов), но это же «не серьезно». Вывод: автор по характерным допускаемым им ошибкам очень похож на Митрофанова, исходный лимит доверия к которому был полностью подорван благодаря его «феномену транзисторного звучания».
Тем не менее, звучит усилитель Лайкова очень неплохо (измеренный КНИ на 1 кГц составляет 0.004%), что и заставляет искать решение для устранения обнаруженных его недостатков. Довести усилитель до относительно работоспособного состояния в итоге удалось, заменив резисторы R9 и R10 источниками тока, выполненными на подобранной паре полевых транзисторов типа КПЗОЗЕ, начальный ток стока которых должен находиться в пределах 6,4…6,6 мА. Эти транзисторы оснащены небольшими трубчатыми радиаторами (рис.6) для устранения произвольного изменения ТП усилителя, вызванного их разогревом.
Применение источников тока кроме того, что позволило усилителю выходить на нормальный рабочий режим самостоятельно (примерно в течение минуты), заодно и заметно улучшило его звучание. Сцена стала четче, а ВЧ легче. КНИ усилителя упал почти в два раза. Судя по всему, в версии 7 усилителя наблюдается схожий результат.
Оптимальный ТП для построенного варианта усилителя составил около 180 мА. Отличия в конечной схеме относительно авторской, помимо примененных источников тока, следующие: цепь R4C4 и резистор R6 отсутствуют, СЗ неполярный, имеет емкость 47 мкФ, R13 10 Ом, в качестве VT3 вместо BD139 был применен «случайно обнаруженный в столе» КТ817В с h21э около 300. На са мом деле, в случае использования источников тока, в УМЗЧ уверенно работает любой транзистор указанного типа. R7 и R8 выбираются в
Вариант усилителя Лайкова
Правый канал: R14.1 и R15.1 подключается к С12/С13. Базы к выводу 7 DA1. R12 регулирует ток покоя в обоих каналах одновременно. При сильном разбалансе токов покоя ЛК и ПК можно увеличить ток покоя одного из каналов, подключив резистор 80…100 кОм между коллекторами VT4/VT5. R9/R10 подбирается диапазон регулировки тока покоя.
зависимости от напряжения источника питания, и при ±25 В их номинал равен 1 кОм. Выходная мощность усилителя при таком напряжении источника питания составляет 30 Вт на нагрузке 8 Ом. Остальная настройка УМЗЧ, кроме особо выделенных моментов, ничем не отличается как от общепринятой, так и авторской, описывать которые в пределах данной статьи не имеет смысла.
Для справки: данный УМЗЧ был повторен еще одним меломаном, который, следуя приведенным выше рекомендациям, справился с запуском и настройкой УМЗЧ в течение нескольких часов. Разводку платы усилителя мощности звуковой частоты Лайкова версии 5.1
Сравнительное прослушивание показало, что усилителю Лайкова с его «непревзойденным звучанием» до реально демонстрируемого звучания стандартного усилителя JVC АХ 50 очень далеко. Автор конструкции, тем не менее, пытается убеждать своих последователей в том, что его усилитель очень близок по звучанию именно к этому УМЗЧ. Возможно, применение топовых ОУ от Analog Devices и способно заметно улучшить характеристики его усилителя но, во-первых, не до такой же степени, а во-вторых, вместо нескольких пар таких ОУ в настоящее время дешевле будет приобрести уже готовый промышленный усилитель типа JVC A-X 50.
Вариант 6 (основной) и 5 (малогабаритный)
Приведено подробное описание для изучения принципа работы и изготовления. (С обновлениями на 09.12.2010). С появлением более совершенного 6 варианта усилителя, вариант 3 (сдвоенные выходные транзисторы), а так же вариант 4 (стабилизированное питание предоконечных каскадов) следует делать на его основе.
Этот усилитель мощности звуковой частоты создавался с соблюдением следующих условий:
1. Усилитель должен быть прост в изготовлении и настройке, и доступен для повторения.
2. УМ должен обладать как мягкостью, так и жёсткостью звука в зависимости от фонограммы.
3. Схема УМЗЧ должна быть полностью симметрична.
4. Все качественные параметры должны задаваться операционным усилителем, а выходные каскады их точно повторять.
5. Использование только комплементарных пар транзисторов для симметрии схем.
6. Возможность выбора режима работы оконечных каскадов (А, ЭА, АВ+ЭА). (В любом из этих режимов выходные транзисторы закрываются и открываются плавно).
7. Применение полевых транзисторов без изменения схемы (только подстройкой смещения).
8. Нечувствительность к просадкам питания (не требуется стабилизированный блок питания).
9. Экономичность и возможность задать различные тепловые режимы для возможности встроить УМЗЧ в уже имеющуюся аппаратуру.
10. Формирование режимов транзисторов только полезным сигналом относительно стабильного напряжения, для снижения искажений от задающих режимы по току цепей и просадок питания.
Принцип работы
Изначально этот УМЗЧ (рис.1) разрабатывался как макет для исследования нелинейных искажений в усилителях. Входные каскады вообще не должны были иметь искажений типа “ступенька”. Для этого наиболее подходят каскады как бы подключенные в параллель между + и – питания (VT1,VT2), за что и получили название “параллельные”. Для получения большого коэффициента усиления и большой скорости нарастания напряжения были созданы параллельные композитные каскады VT1-VT3 и VT2-VT4. Эмиттеры VT1(VT2) были подключены к потенциалу ниже отрицательного входного напряжения, чтобы получить возможность регулирования момента и характера закрывания VT5-VT6 (режим А, ЭА, АВ, В). Затем возникла идея подавать раздельные напряжения обратной связи ООС (на эмиттеры VT1-VT2 через R5-R6), чтобы в отрицательную полуволну понижать потенциал эмиттера VT1 (в положительную – VT2), препятствуя резкому закрыванию. Эмиттеры транзисторов оказались включены в делитель (он же и ООС) между опорным и выходным напряжениями, что позволяет выбирать характер и момент их закрывания и открывания в зависимости от уровня звукового сигнала, и таким образом формировать токи покоя в режиме ЭА.
Рис.1. Принцип действия усилителя на композитных параллельных каскадах.
Рис.2. Типы нелинейных искажений в усилителях мощности.
Результаты исследований сведены в осциллограмму выходных токов (рис.2), где (1) – ток в нагрузке, +I – ток VT5, -I – ток VT6. Режимы устанавливались умышленно для определения порога появления искажений. Точка 2 – искажения типа “ступенька” в режиме В, когда VT5 резко закрылся, а VT6 ещё не открылся. В т.2 возможны всплески сигнала с другой частотой, присутствующей в составе сигнала или при подаче на вход усилителя одновременно двух частот. Такой УМ имеет большой коэффициент гармоник, ВЧ в нём будут звучать резко, с шипящими призвуками, а синусоида будет иметь повышенную крутизну спада-подъёма. Медленно открывавшийся на малых сигналах транзистор, затем резко открывается, искажая сигнал. Правильная траектория – линия 3. Видно, что относительно линии 3 (полупериод) образовалась синусоида (период), что означает призвуки с удвоенной частотой (гулкий звук). При улучшении режима В участок 2 превращается в яркостную точку, а затем исчезает. Далее, при исследовании нелинейных искажений, стало ясно, что искажения формы сигнала и увеличение коэффициента гармоник (т.4) происходят даже в режиме А с большими токами покоя, если противоположное плечо закрывается непропорционально сигналу (слишком резко), ускоряя тем самым прирост тока в нагрузке. Звук у такого УМ будет звонкий, с металлическим эхом, как при ударе по резиновому мячу. По этой причине некоторые усилители с высокими параметрами и большими токами покоя звучали хуже, и обладали худшей естественностью звучания, чем более простые в схемотехническом отношении усилители. В режиме А, если жёстко стабилизировать ток покоя (в данном случае 250 мА, штриховая линия) в точке 5 происходит резкий излом, что моментально сказывается на линейности характеристики открывающегося в этот момент нижнего плеча. Реакция ООС на этот прирост и нелинейность характеристик транзисторов создаёт всплески (осц.4). В зависимости от сигнала (например, при подаче на вход двух не кратных частот одновременно) они хаотично возникают на синусоиде, создавая звенящие призвуки. Значит, важен не столько ток покоя транзисторов, сколько их плавное (как можно ближе к форме полезного сигнала) открывание и закрывание. Это полностью подтверждает правоту источника , и позволяет применить в данном УМ экономичный режим А (ЭА) (Iо, линия 7 и 8 на рис.2). Этот режим ещё называют Super A, или Non switching (без переключения) , но название ЭА ближе к истине. Дело в том, что ЭА производит динамическое снижение токов покоя без ухудшения параметров (с улучшением качества звучания!), что уменьшает нагрев выходных транзисторов за счёт уменьшения сквозных токов, повышает экономичность и КПД усилителя по сравнению с режимом А, (но нагрев несколько больше режима АВ).
Рис. 3
Принцип работы усилителя
Схема усилителя приведена на рис 3. Входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ и усиливается до 8В. С выхода ОУ через R8 сигнал поступает на базы VT3, VT4. Так как эмиттеры VT3 и VT4 подключены к стабилизированному источнику напряжения, а питание ОУ тоже стабилизировано, то усиление VT3,VT4 зависит только от уровня сигнала, и мало зависит от напряжения питания. Фактически VT3(VT4) является управляемым генератором тока для VT5(VT6), а значит, влияние Uпит на усиление VT5 тоже будет ослаблено. А ток VT10 в свою очередь зависит от тока коллектора VT5. Это означает, что в усилителе отсутствует модуляция полезного сигнала питающим напряжением даже без ООС, и качество звучания, особенно на НЧ, будет такое же, как в усилителях со стабилизированным источником питания. Просадки будут заметны только при выходном напряжении близком к напряжению питания. В сочетании с нулевым выходным сопротивлением усилителя это заставляет очень качественно звучать любые АС.
Транзисторы VT3 и VT5 (VT4 и VT6) составляют композитные каскады, в которые введён делитель, определяющий коэффициент усиления (он же одновременно и ООС). Такое удачное сочетание даёт возможность подать сигнал отрицательной обратной связи (ООС) непосредственно в цепь эмиттера VT3 (VT4) через R26(R27), сравнить его с опорным напряжением, и простым способом формировать работу выходных каскадов в режиме ЭА, получив высокую линейность при большой скорости нарастания и коэффициенте усиления. Одновременно напряжение ООС препятствует их резкому закрыванию. Даже при работе с отсечкой тока на максимальных уровнях сигнала (осц.6) выходные транзисторы заранее плавно открываются и не создают искажений на малых уровнях сигнала (область, наиболее благоприятная для возникновения гармоник). Форма минимального тока выходных транзисторов варианта 6 на максимальном сигнале соответствует осц.8, рис.2 с остаточным током 20 мА (снимок рис.4). Коэффициент усиления транзисторной части усилителя равен отношению R26/R17(R27/R18)+1. Коэффициент усиления всего усилителя равен отношению R5/R3+1. Чувствительность усилителя устанавливается подбором R3.
Рис.4. Форма тока VT10-VT11
Устройство термокомпенсации варианта 6
После проведенных исследований тепловых режимов УМЗЧ автор пришёл к следующим выводам:
1.Увеличение тока покоя выходных транзисторов в 2-3 раза может произойти даже при незначительном нагреве самого маломощного входного транзистора, поэтому желательно контролировать режимы как можно большего количества каскадов.
2. Желательно каждый выходной транзистор размещать на отдельном радиаторе без изолирующих прокладок. Следует отметить, что ток покоя усилителя может значительно изменяться при прогреве транзисторов (особенно VT3-VT4) и изменении напряжения питания, при этом локальные колебания тока покоя в пределах +/- 20 мА не влияют на параметры усилителя. Устройство термокомпенсации работает следующим образом. Транзистор VT7 закреплён на радиаторе VT10 (или VT11) через слюдяную прокладку. При нагреве радиатора ток VT7 увеличивается, и он шунтирует опорное напряжение (смещение) подаваемое на эмиттеры VT3-VT4. При этом полностью исключена связь между эмиттерами т.к. по переменному току VT7 включен в обратной полярности, а переменная составляющая по питанию сглаживается конденсаторами С13-С14.. Сюда же подаётся и сигнал ограничения тока выходных транзисторов (с VT8-VT9). Подбором резистора R25, в зависимости от размеров выходных радиаторов, выбираются тепловые режимы усилителя (графики рис.).
В режиме 1, сплошная линия (при величине R25 = 30 Oм) ток покоя будет стабильным до 65–70 градусов, а затем будет уменьшаться до 0.
В режиме 2 (R25 = 24 Ом) ток покоя уменьшается пропорционально температуре, т.е. устройство выдерживает заданную температуру.
В режиме 3 (R25 = 36 Ом) ток покоя не будет расти с увеличением температуры, но и не будет снижаться для уменьшения нагрева транзисторов (устройство выдерживает заданный ток).
При умышленной переустановке выходных транзисторов на радиаторы меньшей площади устройство термокомпенсации перестраивало и выдерживало заданные тепловые режимы. В сочетании со слабой чувствительностью к просадкам питания это позволяет встроить этот УМ в уже имеющуюся аппаратуру, где недостаточно мощности силового трансформатора (например «Вега 50У-122С»), или площади радиаторов (музыкальный центр). Конечно же, можно собрать УЗЧ на микросхемах, но (по мнению автора) они не обладают таким же качеством звука, как УМ на дискретных элементах.
Параметры усилителя полностью зависят от типа применяемого ОУ. Максимально возможная синусоидальная выходная мощность усилителя 6 варианта – 120 Вт, но на нагрузке 4 Ом и напряжении питания выше +/-35 В нужно ограничивать ток VT10, VT11 (R30, R31) или умощнять их, иначе рассеиваемая мощность на выходных транзисторах превысит предельно допустимую. При применении нагрузки только 4 Ом, напряжение питания не обязательно поднимать выше +/-35 В. Правда при этом понизится выходная мощность на нагрузке 8 Ом. По мнению автора, АС с сопротивлением 6-8 Ом обладают большей естественностью звучания, а АС 4 Ом – большей отдачей мощности и динамикой. АЧХ усилителя линейна от постоянного тока (без С1) до 200 кГц, с плавным уменьшением амплитуды от 200 кГц до 1 мГц (без С2, С5, С6). При подаче на вход усилителя сигнала частотой 1мГц с амплитудной модуляцией частотой 1кГц его принимал средневолновый приёмник. Постоянное напряжение подавалось на вход УМ (без С1) от 0 до 1 В с шагом 10мВ, при этом выходное напряжение абсолютно линейно возрастало от 0 до 30 В, т.е. усилитель вёл себя как прецизионный усилитель постоянного тока, что свидетельствует о его высокой линейности усиления и как следствие – низком коэффициенте гармоник и высокой верности звучания.
Усилитель был испытан прямоугольными импульсами частотой 2 кГц на активной нагрузке 6 Ом. При этом была получена скорость нарастания выходного напряжения 30 В/мкс и была ограничена только источником прямоугольных импульсов, искажений формы сигнала и выбросов не замечено. На базе этой схемы можно сконструировать УМ с выходным напряжением 80-100 В. (Усилитель способен выдавать выходное напряжение, близкое к напряжению питания). Номинальное выходное напряжение = Uпит.-5 В. Максимальное выходное напряжение усилителя = Uпит.-3 В. При уменьшении напряжения питания двуполярным регулируемым блоком питания амплитуда выходного сигнала не уменьшается до тех пор, пока питание не достигнет величины Uвых + 5 В, и при Uпит = Uвых+3В наступает плавное ограничение выходного сигнала. Выходное сопротивление усилителя = 0. Усилитель не чувствителен к фону блока питания с переменной составляющей. Диапазон питающих напряжений – от +/- 15 до +/-40 В. Измерения искажений производились с помощью двух генераторов Г3-118 и входящих в комплект режекторных фильтров. Уровень общих нелинейных искажений, при подаче на вход сигналов от 20 Гц до 20 кГц, был ниже, чем приведён в (рис.8). Он находился на уровне наводок самого осциллографа С1-65А, (0,2…0,3 мВ при выходном напряжении 32В), что предполагает коэффициент гармоник не более 0,002%. То же самое показали измерения с помощью спектр-анализатора компьютера. Но при этом главной целью было выполнение условия 2. При правильном выборе ОУ, подборе транзисторов по коэффициенту усиления и номиналов элементов для симметрии плеч, коэффициент гармоник составляет не более 0,0006% на 1 кГц, и 0,002% во всём диапазоне частот и мощностей. Усилитель испытывался и эксплуатировался при Iо = 120 мА с качественным радиатором.
Пятый вариант усилителя (малогабаритный). Применение в оконечных каскадах составных транзисторов позволяет упростить схему и настройку усилителя, что важно для начинающих и малоопытных радиолюбителей. Значительное уменьшение его габаритов позволяет конкурировать по габаритам с УМЗЧ в интегральном исполнении, обладая при этом более высокими параметрами. Линейность усиления на НЧ больше, чем у микросхем УМЗЧ, больше выходное напряжение при равном напряжении питания, нечувствительность к просадкам питающего напряжения, что особенно важно для малогабаритных блоков питания. Схема двухканального варианта приведена на рис. ниже. В этом случае ОУ и стабилизаторы напряжения VT1-VT2 являются общими.
Усилитель варианта 5 практически не требует налаживания. Всё сводится к проверке напряжений питания, отсутствия постоянного напряжения на выходе, и установке желаемого тока покоя при максимально нагретых выходных транзисторах. Дрейф тока покоя от температуры здесь меньше, чем в варианте 2 за счёт меньшего усиления по току, но за счёт большого усиления по напряжению составных транзисторов возможно чрезмерное усиление и ограничение сигнала, что вредно для АС, и может привести к выходу из строя транзисторов. Поэтому R19-R20 не следует делать меньше 0,075 Ом даже для мощных АС, а напряжение питания нежелательно увеличивать более +/-30 В. При желании можно добавить терморегулировку и защиту по току из варианта 6. Если возникают трудности с замером сопротивления 0,075 Ом, то можно выйти из положения двумя способами. 1). Соединить в параллель два резистора по 0,15 Ом или четыре по 0,3 Ом. 2). Замерить сопротивление константановой или нихромовой проволоки (например, разобрав проволочный резистор 0,51 Ом, 1%), выпрямить его, и точно разделить по длине на равные части, получив нужное сопротивление (необходимо прибавить длину подпайки). Концы отрезка желательно залудить на таблетке аспирина и протереть спиртом. Выпрямленный отрезок нихрома не будет иметь индуктивности, и может быть впаян в плату в виде перемычки или скобки. В места впайки желательно заклепать трубчатые заклёпки.
Коэффициент гармоник усилителя 5 варианта составляет не более 0,008% во всем диапазоне частот и мощностей. Качество звучания зависит от ОУ и очень близко к варианту 6. Диапазон рабочих напряжений – от +/-6 до +/-30 В, при этом понадобится только контроль тока покоя. В качестве примера на рисунках ниже приведена печатная плата двухканального варианта усилителя. В качестве выходных применены транзисторы TIP142T/TIP147T в корпусах ТО-220, с меньшими габаритами, чем TIP142/TIP147 в корпусах ТО-3Р. При встраивании в мультимедийные колонки, где есть вибрация, R13-R14 заменены одним постоянным 80…100к. В миниатюрном исполнении, на маленьких радиаторах, его следует подобрать такой величины, чтобы на холодных радиаторах ток покоя составлял 0…10 мА, и при сильном прогреве никогда не поднимался выше 40…60 мА. Всё зависит от размера радиатора. Конденсатор С1- малогабаритный керамический, С3 – неполярный электролитический.
Детали и конструкция
В усилителе лучше всего применить ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения не менее 50 В/мкс с низким уровнем гармоник и собственных шумов, с полевыми транзисторами на входе. Транзисторы VT3, VT4 следует подобрать с как можно большим коэффициентом усиления, малым уровнем шумов и слабой зависимостью тока коллектора от температуры. В качестве VT5-VT6 желательно применить транзисторы с высокой частотой усиления и малой ёмкостью коллектора. В усилителе вполне можно применить отечественные ОУ и транзисторы с целью переделки уже имеющегося усилителя из тех же деталей. При применении маломощных стабилитронов, R9-R10 следует увеличить до 4,3к. В зависимости от необходимого Uвых, необходимо изменить сопротивление R5, соблюдая условие: (R5/R3)+1=Uвых/Uвх. При применении других выходных транзисторов (полевых или при подключении в параллель) возможно придётся подобрать сопротивление R29-R30 по падению на них напряжения величиной 0,55 В в среднем положении движка R24 при отключенных VT10-VT11. Комплементарные пары (VT3 – VT4, VT5 – VT6 и т.д.) противоположных плеч не должны отличаться по усилению более, чем на 5%. Симметрично расположенные резисторы верхнего и нижнего плеча тоже подбираются с допуском не более 5%. Это необходимое условие для симметрии выходного сигнала и избежания нелинейных искажений. Резисторы R30-R31 состоят из двух включенных в параллель резисторов по 0,2 Ом 2Вт каждый, расположенных друг над другом. R30, R31 обязательно следует применять безындукционные. Нельзя применять проволочные витые резисторы. Катушка L1 наматывается на резисторе R35, содержит 2 слоя провода ПЭЛ 0,8 и пропитана лаком или клеем. L1, C9, R36 монтируются на выходной плате. Площадь поверхности радиаторов VT5 – VT6 – 30 см, VT1 -VT2 -1..2 см.
Малогабаритный вариант 6 усилителя можно смонтировать на плате размером 60х65 мм из фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм. Цепи балансировки ОУ на ней отсутствуют, так как с качественным ОУ при наличии С3-С4 балансировка 0 на выходе усилителя происходит автоматически. При необходимости изменить размер платы, её можно перенести по сетке. На плате сохранена последовательность общей земляной шины сильноточных и слаботочных цепей, и при необходимости можно её разделить, удалив перемычки Х1 и Х2, а также перерезав дорожку в нужных точках. Все дорожки облужены припоем. Токоведущие дорожки цепей питания, и нагрузки облужены толстым слоем припоя с прокладкой одной жилы медного провода. Для всех транзисторов, закреплённых на радиаторах, обязательно применение теплопроводной пасты, а для транзисторов термодатчиков прокладки обязательно должны быть из слюды. В качестве С1 применён малогабаритный керамический конденсатор, а в качестве С3-С4 лучше всего применить неполярный электролитический конденсатор 22…47 мкФ.
Плата усилителя варианта 6 (Вид со стороны компонентов, вид со стороны фольги)
Размер 60х65 мм. Шаг сетки 2,5 мм. Размер 60х65 мм
Плата двухканального усилителя. Вариант 5. Размер 55х60мм
Налаживание усилителя
После проверки правильности монтажа следует:
1. Установить R6 и R24 в среднее положение.
2. Закоротить на корпус вход усилителя.
3. Отпаять выходные транзисторы (VT11-VT12)
4. Включить питание.
5. Замерить напряжение питания и +/- 15 В.
6. Установить (R6) на выходе усилителя напряжение 0В. Если на выходе УМ устанавливается 0В, а на выходе ОУ присутствует постоянное напряжение, то следует подобрать транзисторы по парам.
7. Установить на R29-R30 напряжение 0,55 В с помощью R24. (В 5м варианте на R11-R12 = 1В).
8. Отключить питание, подключить выходные транзисторы, включив в разрыв цепи коллектора VT10 амперметр на 1 А.
9. Включить питание и R24 установить ток покоя коллектора VT10 в пределах 100 – 150 мА.
10. Замерить ток покоя VT11, он не должен отличаться от тока VT10 более, чем на 5%. Ток покоя выходных транзисторов может быть установлен в пределах от 40 до 200 мА, в зависимости от желаемого качества звучания, режима работы, тепловых режимов, размеров радиаторов. Установку тока покоя нужно производить при температуре выходных транзисторов 35-40 градусов.
11. Проконтролировать работу термокомпенсации, замерив токи покоя при максимальной температуре радиаторов выходных транзисторов.
Блок защиты АС
В аварийных ситуациях, при протекании постоянного тока через динамик, его катушка сгорает, поэтому обязательным условием для мощных усилителей является применение защиты АС. Блок защиты работает следующим образом.
Диапазон питающих напряжений: +/-20…+/-60V
Время срабатывания:
от постоянного напряжения +/- 1V: не более 0,5 сек.
от постоянного напряжения +/- 30V: не более 0,1 сек.
При включении питания начинает заряжаться конденсатор С3 (от источника питания через R7- R8). Через 1 сек. напряжение на нём достигнет величины, достаточной для открывания VT3, затем открывается VT4, и реле своими контактами подключает АС к усилителю. При нормальной работе УМ переменное напряжение с его выхода не успевает зарядить С1-С2, а при аварийной ситуации постоянное напряжение с выхода усилителя откроет VT1 или VT2 (в зависимости от полярности), напряжение на С3 уменьшится и реле отключит АС. При ложных срабатываниях защиты на большой громкости следует увеличить ёмкость С1-C2. Желательно использовать для каждого канала отдельный блок защиты АС и подавать питание непосредственно с усилителя. При таком подключении, при сгорании одного из предохранителей, блок защиты никогда не подключит АС к усилителю. Питание реле (U P1) нужно осуществлять от источника, имеющего меньшую ёмкость фильтра питания, чем у самого усилителя, для того, чтобы при выключении питания реле Р1 отключалось первым. Реле следует применять с как можно большей площадью контактов и усилием пружин, т.к. у миниатюрных реле (особенно у герконовых) бывают случаи пригорания контактов и невозможность отключения в аварийной ситуации.
Плата блока защиты АС. Вариант 2. 60х30мм. Шаг сетки 2,5мм
Усилитель эксплуатируется с февраля 2004 года, и показал исключительную естественность и качество звучания с АС “Корвет 150АС-001М”, Wharfedale – Pacific Evolution – 20 и “Вега 50АС-106, что и побудило предложить эту конструкцию вашему вниманию.
Для тестирования использовался CD “TRIANGLE electroacoustique laboratory”. triangle-fr.com.
В заключение хотелось бы выразить признательность участникам форума cxem.net особенно tsf54, 240151, Витёк, inol, pit55, genius XZ, spiridonoff за помощь и поддержку.
Вариант 1, вариант 2, вариант 3, вариант 4, вариант 5.
(с исправлениями на 15.02.2010)
Внимание! На текущий момент существуют более современные варианты данного усилителя: варианты 5 и 6 .
Приведено подробное описание для изучения принципа работы и изготовления.
Этот усилитель мощности звуковой частоты разрабатывался с соблюдением следующих условий:
1. Усилитель должен быть прост в изготовлении и настройке, и доступен для повторения.
2. УМ должен обладать как мягкостью, так и жёсткостью звука в зависимости от фонограммы.
3. Схема УМ должна быть полностью симметрична.
4. Все качественные параметры должны задаваться операционным усилителем, а выходные каскады их точно повторять.
5. Использование только комплементарных (p-n и n-p) пар транзисторов для симметрии схем.
6. Возможность выбора режима работы оконечных каскадов (А, ЭА, АВ,).
(В любом из этих режимов выходные транзисторы закрываются и открываются плавно).
7. Применение полевых транзисторов без изменения схемы (только подстройкой смещения).
8. Нечувствительность к просадкам питания (не требуется стабилизированный блок питания).
9. Экономичность и возможность задать различные тепловые режимы для возможности встроить УМ в уже имеющуюся аппаратуру.
10. Формирование режимов транзисторов только полезным сигналом относительно стабильного напряжения или тока для снижения искажений от нестабильности и просадок питания.
Принцип работы. Изначально этот УМЗЧ (рис.1) разрабатывался как макет для исследования нелинейных искажений в усилителях. Входные каскады вообще не должны были иметь искажений типа “ступенька”. Для этого наиболее подходят каскады как бы подключенные в параллель между + и – питания (VT1,VT2), за что и получили название “параллельные”. Эмиттер VT1(VT2) был подключен к потенциалу ниже отрицательного входного напряжения, чтобы получить возможность регулирования момента и характера закрывания VT5(VT6) (режим А, ЭА, АВ, В). Затем возникла идея подавать на эмиттеры VT1,VT2 напряжение обратной связи (ООС) через R5 (R6) в уже образовавшиеся параллельные (они же одновременно и композитные) каскады, которое понижает потенциал эмиттера VT1 (VT2), препятствуя резкому закрыванию и открыванию VT5 (VT6), и таким образом формировать токи покоя в режиме ЭА.
Результаты исследований сведены в осциллограмму выходных токов (рис.2), где (1) – ток в нагрузке, +I – ток VT5, -I – ток VT6. Режимы устанавливались умышленно для определения порога появления искажений. Точка 2 – искажения типа “ступенька” в режиме В, когда VT5 резко закрылся, а VT6 ещё не открылся. В т.2 возможны всплески сигнала с другой частотой, присутствующей в составе сигнала или при подаче на вход усилителя одновременно двух частот. Такой УМ имеет большой коэффициент гармоник, ВЧ в нём будут звучать резко, с шипящими призвуками, а синусоида будет иметь повышенную крутизну спада-подъёма. Медленно открывавшийся на малых сигналах транзистор, затем резко открывается, искажая сигнал. Правильная траектория – линия 3. Видно, что относительно линии 3 (полупериод) образовалась синусоида (период), что означает призвуки с удвоенной частотой (гулкий звук). При улучшении режима В участок 2 превращается в яркостную точку, а затем исчезает. Далее, при исследовании нелинейных искажений, стало ясно, что искажения формы сигнала и увеличение коэффициента гармоник (т.4) происходят даже в режиме А с большими токами покоя, если противоположное плечо закрывается непропорционально сигналу (слишком резко), ускоряя тем самым прирост тока в нагрузке. Звук у такого УМ будет звонкий, с металлическим эхом, как при ударе по резиновому мячу. По этой причине некоторые усилители с высокими параметрами и большими токами покоя звучали хуже, и обладали худшей естественностью звучания, чем более простые в схемотехническом отношении усилители. В режиме А, если жёстко стабилизировать ток покоя (в данном случае 250 мА, штриховая линия) в точке 5 происходит резкий излом, что моментально сказывается на линейности характеристики открывающегося в этот момент нижнего плеча (4). В точке 4 возможны изломы и всплески выходного сигнала. Значит, важен не столько ток покоя транзисторов, сколько их плавное (как можно ближе к форме полезного сигнала) открывание и закрывание. Это полностью подтверждает правоту источника , и позволяет применить в данном УМ экономичный режим А (ЭА) (Iо, линия 7 и 8 на рис.2). Этот режим ещё называют Super A, или Non switching (без переключения) , но название ЭА ближе к истине. Дело в том, что ЭА производит динамическое снижение токов покоя без ухудшения параметров (с улучшением качества звучания!), что уменьшает нагрев выходных транзисторов за счёт уменьшения сквозных токов, повышает экономичность и КПД усилителя.
Принцип работы усилителя (рис.3). Входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ и усиливается до 8В. С выхода ОУ через R8 сигнал поступает на базы VT3, VT4. Так как эмиттеры VT3 и VT4 подключены к стабилизированному источнику напряжения, а питание ОУ тоже стабилизировано, то ток коллектора VT3,VT4 зависит только от уровня сигнала, и мало зависит от напряжения питания. Фактически VT3(VT4) является управляемым генератором тока для VT5(VT6), а значит, влияние Uпит на ток коллектора VT5 тоже будет ослаблено. А ток VT11 в свою очередь зависит от тока коллектора VT5. Это означает, что в усилителе отсутствует модуляция полезного сигнала питающим напряжением даже без ООС, и качество звучания, особенно на НЧ, будет такое же, как в усилителях со стабилизированным источником питания. Просадки питания будут заметны только на максимальной мощности, при выходном напряжении близком к напряжению питания. Транзисторы VT3 и VT5 (VT4 и VT6) составляют композитные каскады, в которые введён делитель, определяющий коэффициент усиления. Такое удачное сочетание даёт возможность подать сигнал отрицательной обратной связи (ООС) непосредственно в цепь эмиттера VT3 (VT4) через R27(R28), и одновременно позволяет простым способом формировать работу выходных каскадов в режиме ЭА, получив высокую линейность при большой скорости нарастания и коэффициенте усиления. Напряжение ООС подаётся на эмиттер VT3(VT4), препятствуя его резкому закрыванию. Даже при работе с отсечкой тока на максимальных уровнях сигнала (осц.6) выходные транзисторы заранее плавно открываются и не создают искажений на малых уровнях сигнала (область, наиболее благоприятная для возникновения гармоник). Коэффициент усиления транзисторной части усилителя равен отношению R27/R17 (R28/R18)+1. Коэффициент усиления всего усилителя равен отношению R5/R3+1. Чувствительность усилителя устанавливается подбором R3.
Выбор режима работы усилителя. При разработке и испытаниях любого УМЗЧ, главная задача – достичь максимального качества при минимальном нагреве. Усилитель тестировался во всех режимах от А до В (рис.2, осц. 6, 7, 8). В этом УМ фактически отсутствует режим В. Отсечка тока верхнего плеча (линия 6) происходит при токе нижнего плеча более 2А, что мало сказывается на форме полезного сигнала, и фактически является режимом АВ, только с формированием спада-подъёма по принципу ЭА. Следует заметить, что форма токов покоя по осц.7 идеализирована и практически является режимом А. Неоправданно низкий КПД, нагрев мало отличался от режима А, при этом заметного улучшения звучания нет. И даже наоборот, (по мнению автора) звук слишком сглаживался, терялась проработка ВЧ на некоторых композициях. По экономичности наиболее идеальным является режим по осц.9, со спадающим до 0 на максимальном сигнале током покоя. Экспериментально была определена форма тока при максимальной экономичности (осц.8, 40 мА, без отсечки), и был сделан первый вариант усилителя. Затем, за счёт увеличения местной ООС, появилась возможность увеличить динамический прирост тока входных транзисторов, что снизило гармоники вдвое. Качество звучания повысилось. При этом оказалось, что когда режим ЭА выведет ток на прямой участок, уже нет разницы, есть отсечка тока, или нет (осц.6 и 8). Звучание практически не меняется. Так делались второй и следующие варианты. Конечно, любой желающий может выбрать любую из семейства характеристик тока покоя (рис.2) по своему усмотрению. Для увеличения остаточного тока (работа без отсечки) необходимо уменьшить R13-R14 до 360…340 Ом, увеличив постоянную составляющую с помощью R16. Чтобы при этом придать току покоя форму осц.7, нужно R11-R12 уменьшить до 5,6…5,1к. (Изменения следует вносить при отключенных выходных транзисторах).
Первый вариант усилителя . Его схема полностью идентична приведённой на рис.3, и отличается от последующих только номиналами R13-R14=360 Ом, R27-R28=4,3k. Ток покоя имеет форму осц.8.
Второй вариант усилителя (рис.3) отличается от первого изменением режимов работы VT3-VT4 и введения более глубокого режима ЭА (имеется ввиду более плавный подъём-спад тока покоя). Увеличен динамический прирост тока на R13-R14 и уменьшена его постоянная составляющая (R15-R16). Кроме повышения качества звука это повысило эффективность термокомпенсации. Более глубокий режим ЭА значительно снизил уровень звонких тембров (нечетные гармоники), и почти полностью исключил какую-либо тембровую окраску звука. В сочетании с нулевым выходным сопротивлением усилителя это заставляет очень качественно звучать любые АС. При правильном выборе ОУ, подборе транзисторов по коэффициенту усиления и номиналов элементов для симметрии плеч, коэффициент гармоник составляет не более 0,0006% на 1 кГц, и 0,002 на частоте 20кГц. То покоя имеет форму осц.6 (0…5 мА).
Третий вариант усилителя (рис.4). Пути дальнейшего улучшения параметров вытекают из особенностей элементной базы. Известно, что искажения ОУ растут с повышением частоты, выходного напряжения и тока. Достичь всех высоких параметров в одном ОУ затруднительно. Выходом из этой ситуации является применение буферного каскада из ОУ с высокой нагрузочной способностью, т.е. композитное включение двух ОУ. Сразу в 2-4 раза снижается выходное напряжение первого ОУ, почти во столько же коэффициент гармоник, и в два раза коэффициент усиления второго (буферного) ОУ. В качестве первого каскада лучше всего применить ОУ с полевыми транзисторами на входе, с очень низким Кг и первым полюсом выше звукового диапазона, а в качестве второго – ОУ с ТОС, обладающие очень высокой скоростью нарастания выходного напряжения и нагрузочной способностью. Высокочастотные ОУ с ТОС имеют очень низкие искажения в звуковом диапазоне. Известно также, что коэффициент усиления и линейность характеристики транзистора зависит от тока коллектора, т.е. чем меньше диапазон изменения тока, тем искажения ниже. Выход – применение спаренных транзисторов в выходных каскадах. На основании этого и был разработан третий вариант усилителя. При правильном подборе ОУ, коэффициентов усиления транзисторов и номиналов элементов для симметрии плеч, в нём реально достичь коэффициента гармоник не более 0,0005% на 1кГц, и не более 0,001 во всём диапазоне частот и мощностей.
Четвёртый вариант усилителя . Его отличие в применении стабилизированного питания для предоконечных каскадов, применении FF ОУ, и возможности собрать печатную плату на SMD компонентах (поверхностный монтаж), что значительно понижает его габариты. Следует подобрать SMD аналоги указанных на схеме транзисторов. Как отмечалось выше, качество звучания и уровень выходного напряжения этого усилителя не зависят от просадок и пульсаций напряжения питания. Применение стабилизированного питания предоконечных каскадов в данном случае даёт только независимость тока покоя выходных транзисторов от больших изменений сетевого напряжения, и может быть применено по желанию изготовителя. Нумерация компонентов оставлена по вариантам 1 и 2.
Пятый вариант усилителя . Применение в оконечных каскадах составных транзисторов позволило упростить схему и настройку усилителя, что важно для начинающих и малоопытных радиолюбителей. Значительное уменьшение его габаритов позволяет конкурировать по габаритам с УМЗЧ в интегральном исполнении, обладая более высокими параметрами. При этом линейность усиления на НЧ больше, чем у микросхем УМЗЧ, больше выходное напряжение при относительно низком напряжении питания, нечувствительность к просадкам питающего напряжения, что особенно важно для малогабаритных блоков питания. Схема двухканального варианта приведена на рисунке ниже. В этом случае ОУ и стабилизаторы напряжения VT1-VT2 являются общими.
Усилитель варианта 5 практически не требует налаживания. Всё сводится к проверке напряжений питания, отсутствия постоянного напряжения на выходе, и установке желаемого тока покоя при максимально нагретых выходных транзисторах. Дрейф тока покоя от температуры здесь меньше, чем в варианте 2 за счёт меньшего усиления по току, но за счёт большого усиления по напряжению составных транзисторов возможно чрезмерное усиление и ограничение сигнала, что не всегда полезно для АС. Поэтому R19-R20 не следует делать меньше 0,075 Ом даже для мощных АС. При желании можно добавить терморегулировку и защиту по току из варианта 2. Если возникают трудности с замером сопротивления 0,075 Ом, то можно выйти из положения двумя способами. 1) Соединить в параллель два резистора по 0,15 Ом или четыре по 0,3 Ом. 2) Замерить сопротивление константановой или нихромовой проволоки (например, разобрав проволочный резистор 0,51 Ом, 1%), выпрямить его, и точно разделить по длине на равные части, получив нужное сопротивление. Концы отрезка желательно залудить на таблетке аспирина и протереть спиртом. Выпрямленный отрезок нихрома не будет иметь индуктивности, и может быть впаян в плату в виде перемычки или скобки. Коэффициент гармоник усилителя 5 варианта не измерялся, но субъективно по звучанию составляет не более 0,008% во всем диапазоне частот и мощностей.
В качестве примера на рис.12-13 приведена печатная плата двухканального варианта усилителя. В качестве выходных применены транзисторы TIP142T/TIP147T в корпусах ТО-220, и имеющие меньшие габариты, чем TIP142/TIP147 в корпусах ТО-3Р. При встраивании в мультимедийные колонки, где есть вибрация, R13-R14 заменены одним постоянным 92…100к. В миниатюрном исполнении, на маленьких радиаторах, его следует подобрать такой величины, чтобы на холодных радиаторах ток покоя составлял 5…10мА, и при прогреве никогда не поднимался выше 40…60 мА. Такой режим можно классифицировать как АВ+ЭА. Конденсатор С1- малогабаритный керамический, С3 – неполярный электролитический.
Параметры усилителя полностью зависят от типа применяемого ОУ. Максимально возможная синусоидальная выходная мощность усилителя второго варианта – 120 Вт, но на нагрузке 4 Ом и напряжении питания выше +/-35В нужно ограничивать ток VT11, VT12 (R33, R34) или умощнять их, иначе рассеиваемая мощность на выходных транзисторах превысит предельно допустимую. При применении нагрузки только 4 Ом, напряжение питания не обязательно поднимать выше +/-35В. Правда при этом понизится выходная мощность на нагрузке 8 Ом. По мнению автора, АС с сопротивлением 6-8 Ом обладают большей естественностью звучания, а АС 4Ом – большей отдачей мощности и динамикой. АЧХ усилителя линейна от постоянного тока (без С1) до 200 кГц (без С2, С6), с плавным уменьшением амплитуды от 200кГц до 1мГц. При подаче на вход усилителя сигнала частотой 1мГц с амплитудной модуляцией частотой 1кГц его принимал средневолновый приёмник. Постоянное напряжение подавалось на вход УМ (без С1) от 0 до 1В с шагом 10мВ, при этом выходное напряжение абсолютно линейно возрастало от 0 до 30В, т.е. усилитель вёл себя как прецизионный усилитель постоянного тока, что свидетельствует о его высокой линейности усиления и как следствие – низком коэффициенте гармоник и высокой верности звучания. Усилитель был испытан прямоугольными импульсами частотой 2 кГц на активной нагрузке 6 Ом. При этом была получена скорость нарастания выходного напряжения 30 В/мкс и была ограничена только источником прямоугольных импульсов, искажений формы сигнала и выбросов не замечено. Номинальное выходное напряжение = Uпит.-5 В. Максимальное выходное напряжение усилителя = Uпит.-3В. При уменьшении напряжения питания двуполярным регулируемым блоком питания амплитуда выходного сигнала не уменьшается до тех пор, пока питание не достигнет величины Uвых + 5В, и при Uпит = Uвых+3В наступает плавное ограничение выходного сигнала. Выходное сопротивление усилителя = 0. Усилитель не чувствителен к фону блока питания с переменной составляющей до 100мВ. Диапазон питающих напряжений – от +/- 25 до +/-40В. Измерения искажений производились с помощью двух генераторов Г3-118 и входящих в комплект режекторных фильтров. Уровень общих нелинейных искажений, при подаче на вход сигналов от 20 Гц до 20 кГц, был ниже, чем приведён в (рис.8), и находился на уровне наводок самого осциллографа С1-65А (0,2…0,3мВ при выходном напряжении 32В), что предполагает коэффициент гармоник не более 0,002%. То же самое показали измерения с помощью спектр-анализатора компьютера. Но при этом главной целью было выполнение условия 2. Усилитель испытывался и эксплуатировался при Iо = 150 мА с качественным радиатором. Несмотря на относительно большое количество деталей, собственно усилитель состоит из микросхемы и 6 транзисторов (VT3, VT4, VT5, VT6, VT11, VT12). VT1 и VT2 – стабилизаторы напряжения +/- 15 В; VT7, VT8 – узлы термокомпенсации тока покоя выходных транзисторов; VT9, VT10 – ограничители максимального тока (6А). VT1, VT2, VT9, VT10, VD1, VD2, R9, R10, R19-R20, R33, R34 при наличии отдельного стабилизированного источника +/- 15 В и при уменьшении выходной мощности (Uпит.= +/-25В, Pвых 50Вт) из схемы можно исключить и изготовить упрощённый малогабаритный вариант УМ.
Устройство термокомпенсации. Следует отметить, что ток покоя усилителя может значительно изменяться при прогреве транзисторов (особенно VT3-VT4) и изменении напряжения питания, поэтому требуется точно выбрать рабочую точку транзисторов VT7-VT8, (компенсаторы изменения тока покоя от температуры и напряжения питания). При этом локальные колебания тока покоя в пределах +/- 20 мА не влияют на параметры усилителя. После проведенных исследований тепловых режимов УМЗЧ автор пришёл к следующим выводам: 1.Увеличение тока покоя выходных транзисторов в 2-3 раза может произойти даже при незначительном нагреве самого маломощного входного транзистора, поэтому желательно контролировать режимы как можно большего количества каскадов. 2. Желательно каждый выходной транзистор размещать на отдельном радиаторе без изолирующих прокладок и контролировать его температуру. Устройство термокомпенсации работает следующим образом. Транзистор VT7, генератор тока, закреплён на радиаторе VT11 через слюдяную прокладку. (VT8 на радиаторе VT12). При нагреве радиатора ток VT7 увеличивается и подаётся через R23 (R24) в цепь эмиттера VT3 (VT4), прикрывая его. Сюда же подаётся и сигнал ограничения тока выходных транзисторов. Подбором резисторов R21- R22 можно установить разные температурные режимы усилителя (графики рис. 5).
В режиме 1, сплошная линия (при величине R21, R22 = 100 Oм) ток покоя будет стабильным до 65–70 градусов, а затем будет резко уменьшаться до 0. В режиме 2 (R21,R22 = 68 Ом) ток покоя уменьшается пропорционально температуре, т.е. устройство выдерживает заданную температуру. В режиме 3 (R21,R22 = 150 Ом) ток покоя не будет расти с увеличением температуры, но и не будет снижаться для уменьшения нагрева транзисторов (устройство выдерживает заданный ток). При изменении напряжения питания усилителя от +/-25 до +/- 40В необходимо подобрать величину R29-R30 так, чтобы смещение на R25-R26 было величиной 0,41-0,432 В. Величина R29-R30 рассчитывается по формуле: R29 (R30), кОм = Uпит. /0,432 – 1к.
При умышленной переустановке выходных транзисторов на радиаторы меньшей площади устройство термокомпенсации перестраивало и выдерживало заданные тепловые режимы. В сочетании со слабой чувствительностью к просадкам питания это позволяет встроить этот УМ в уже имеющуюся аппаратуру, где недостаточно мощности силового трансформатора (например «Вега 50У-122С»), или площади радиаторов (музыкальный центр). Конечно же, можно собрать УЗЧ на микросхемах, но (по мнению автора) они не обладают таким же качеством звука, как УМ на дискретных элементах.
Детали и конструкция . В усилителе лучше всего применить ОУ со скоростью нарастания выходного напряжения не менее 50 В/мкс с низким уровнем гармоник и собственных шумов, с полевыми транзисторами на входе. Транзисторы VT3, VT4 следует подобрать с как можно большим коэффициентом усиления, малым уровнем шумов и слабой зависимостью тока коллектора от температуры. В качестве VT5-VT6 желательно применить транзисторы с высокой частотой усиления и малой ёмкостью коллектора. В усилителе вполне можно применить отечественный ОУ КР574УД1 и транзисторы с коэффициентами усиления 130 – 150, с целью получить возможность переделки уже имеющегося усилителя (например ”Амфитон”) из тех же деталей. Максимально допустимое напряжение всех транзисторов в этом случае должно быть не менее 80В. В зависимости от необходимого Uвых, необходимо изменить сопротивление R5, соблюдая условие: (R5/R3)+1=Uвых/Uвх. При применении других выходных транзисторов (полевых или при подключении в параллель) возможно придётся подобрать сопротивление R31-R32 по падению на них напряжения величиной 0,55В в среднем положении движка R16 при отключенных VT11-VT12. По расчётам автора на базе этой схемы можно сконструировать УМ с выходным напряжением 80-100 В. (Усилитель способен выдавать выходное напряжение, близкое к напряжению питания). Комплементарные пары (VT3 – VT4, VT5 – VT6 и т.д) противоположных плеч не должны отличаться по усилению более, чем на 5%. Симметрично расположенные резисторы верхнего и нижнего плеча тоже подбираются с допуском 5%. Это необходимое условие для симметрии выходного сигнала и избежания нелинейных искажений. Резисторы R33 – R34 состоят из двух включенных в параллель резисторов по 0,2 Ом 2Вт каждый, расположенных друг над другом. R33, R34 обязательно следует применять безындукционные. Нельзя применять проволочные витые резисторы. Катушка L1 наматывается на резисторе R35, содержит 2 слоя провода ПЭЛ 0,8 и пропитана лаком или клеем. L1, C9, R36 монтируются на выходной плате. Площадь поверхности радиаторов VT5 – VT6 не менее 30 см, VT1 -VT2 -1..2 см. Малогабаритный вариант усилителя можно смонтировать на плате размером 60х65 мм из фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм (рис.6, рис.7). При необходимости изменить размер платы, её можно перенести по сетке. Все дорожки облужены припоем. Токоведущие дорожки цепей питания, и нагрузки облужены толстым слоем припоя с прокладкой одной жилы медного провода. Для всех транзисторов, закреплённых на радиаторах, обязательно применение теплопроводной пасты, а для транзисторов термодатчиков прокладки обязательно должны быть из слюды.
В качестве С1 и С3-С4 лучше всего применить неполярный электролитический конденсатор. 
Рис.6. Печатная плата усилителя вариант 1-2. Вид со стороны деталей.
Рис.7. Печатная плата усилителя вариант 1-2. Вид со стороны пайки.
Размер 60х65 мм. Шаг сетки 2,5
Рис.8. Универсальная печатная плата для вариантов 2 и 3. Вид со стороны деталей.
Размер 90х65 мм. Шаг сетки 2,5 мм
Рис.9. Универсальная печатная плата для вариантов 2 и 3. Вид со стороны пайки.
Размер 90х65 мм.
Плата двухканального усилителя варианта 5
Вид со стороны пайки. Размер 55х60мм.
Второй и третий варианты усилителя можно собрать на универсальной плате (рис.8, рис.9). В случае балансировке ОУ между выводами 1-8 или 1-5, ставится перемычка в точке Х на вывод 8 или 5. Она должна быть надёжной во избежание грубой разбалансировки ОУ. Резистор R6 можно переключать к точкам + и – 15В на плате, или поставить перемычку, в зависимости от типа ОУ. Если ОУ DA2 не используется, следует перерезать дорожку в точке Х2. При использовании двух ОУ резистор R8 переключается на вывод 6 DA2.
Налаживание усилителя . После проверки правильности монтажа следует:
1. Установить R6 и R16 в среднее положение.
2. Закоротить на корпус вход усилителя.
3. Отпаять выходные транзисторы (VT11-VT12)
4. Включить питание.
5. Замерить напряжение питания и +/- 15 В.
6. Установить (R6) на выходе усилителя и ОУ напряжение 0В. Если на выходе УМ устанавливается 0В, а на выходе ОУ присутствует постоянное напряжение, то следует проверить транзисторы.
8. Отключить питание, подключить выходные транзисторы, включив в разрыв цепи коллектора VT11 амперметр на 1 А.
9. Включить питание и R16 установить ток покоя коллектора VT11 в пределах 100 – 150 мА.
10. Замерить ток покоя VT12, он не должен отличаться от тока VT11 более, чем на 5%.
Ток покоя выходных транзисторов может быть установлен в пределах от 0до 250 мА, в зависимости от желаемого качества звучаия, режима работы, тепловых режимов, размеров радиаторов. Установку тока покоя нужно производить при температуре выходных транзисторов 35-40 градусов.
11. Проконтролировать работу термокомпенсации, замерив токи покоя при максимальной температуре радиаторов выходных транзисторов.
Блок защиты АС. В аварийных ситуациях, при протекании постоянного тока через динамик, его катушка сгорает, поэтому обязательным условием для мощных усилителей является применение защиты АС. Блок защиты (рис. 10) работает следующим образом.
Диапазон питающих напряжений: …………………………….. +/-20…+/-60V
Время срабатывания:
от постоянного напряжения +/- 1V …………………….. не более 0,5 сек.
от постоянного напряжения +/- 30V ………………….. не более 0,1 сек.
При включении питания начинает заряжаться конденсатор С3 (от источника питания через R7- R8). Через 1 сек. напряжение на нём достигнет величины, достаточной для открывания VT3, затем открывается VT4, и реле своими контактами подключает АС к усилителю. При нормальной работе УМ переменное напряжение с его выхода не успевает зарядить С1-С2, а при аварийной ситуации постоянное напряжение с выхода усилителя откроет VT1 или VT2 (в зависимости от полярности), напряжение на С3 уменьшится и реле отключит АС. При ложных срабатываниях защиты на большой громкости следует увеличить ёмкость С1-C2. Чертёж печатной платы блока защиты АС приведён на рис.11 и 12. Желательно использовать для каждого канала отдельный блок защиты АС. Питание реле (U P1) нужно осуществлять от источника, имеющего меньшую ёмкость фильтра питания, чем у самого усилителя, для того, чтобы при выключении питания реле Р1 отключалось первым. Реле следует применять с как можно большей площадью контактов и усилием пружин, т.к. у миниатюрных реле (особенно у герконовых) бывают случаи пригорания контактов и невозможность отключения в аварийной ситуации.
Рис.11. Плата блока защиты АС. Вариант 2. Вид со стороны деталей.
Рис.12. Плата блока защиты АС. Вариант 2. Вид со стороны пайки.
Размер 60х30мм. Шаг сетки 2,5мм.
Усилитель эксплуатируется с февраля 2004 года, и показал исключительную естественность и качество звучания с АС “Корвет 150АС-001М”, Wharfedale – Pacific Evolution – 20 и “Вега 50АС-106, что и побудило предложить эту конструкцию вашему вниманию.
Для тестирования использовался CD “TRIANGLE electroacoustique laboratory”. www.triangle-fr.com.
Литература:
Ю.Митрофанов. ЭА в УМЗЧ. Радио №5,1986 г. Лайков А. В. г. Астрахань, 2009г.
Г. Брагин. УМЗЧ. Радио №12,1990 г.
Аватор: Лайков А. В ([email protected])