Простой двухтактный усилитель мощности начинающего коротковолновика

Представленная здесь конструкция является готовым модулем монофонического усилителя НЧ высокой мощности с очень хорошими параметрами. Данный усилитель смоделирован на основе популярной разработке инженера Энтони Холтон. Схема имеет низкие гармонические искажения, которые не превышает 0.05%, при мощности на нагрузке порядка 500 Вт. Данный усилитель является полезным и необходимым при организации различных уличных концертных мероприятий и уже много раз оказывался незаменим во время этих событий. Большим преимуществом системы является простая конструкция и недорогой выходной каскад, состоящий из 10 объединённых МОП-транзисторов. УМЗЧ может работать с динамиками с сопротивлением как 4 или 8 Ом. Единственной настройкой, которую необходимо выполнить во время запуска — это установка тока покоя выходных транзисторов.

В статье приводится только схема и описание работы непосредственно усилителя мощности, но не забывайте, что полный аудиокомплекс содержит и другие модули:

• Оконечник УМЗЧ
• Предусилитель
• Блок питания
• Индикатор уровня
• Система мягкого старта
• Система управления охлаждением
• Блок защиты динамиков АС

Принципиальная схема УНЧ на транзисторах 500 ватт

Схема усилителя мощности приведена на рисунке выше. Это классическая схемотехника, состоящая из дифференциального входного усилителя и симметричного усилителя мощности, в котором работает 5 пар транзисторов. Транзисторы T2 (MPSA42) и T3 (MPSA42) работают в схеме дифференциального усилителя с питанием через резисторы R8 (10k) и R9 (10k). Напряжение в середине этого делителя стабилизировано с помощью стабилитрона D2 (15V/1W) и фильтруется конденсатором C4 (100uF/100V). Входной сигнал подается на разъем GP1 (IN) и фильтруется через элементы R1 (470R), R3 (22k), C1 (1uF) и C2 (1nF), которые ограничивают частотный диапазон усилителя как сверху, так и снизу.

Нагрузкой дифференциального усилителя являются транзисторы T1 (MPSA42) и T4 (MPSA42), работающие в системе с общей базой, а также резисторы R5 (1,2 k) и R6 (1,2 k). Полярность нагрузки задаёт стабилитрон D1 (15V/1W) и резистор R7 (10k). Основной задачей системы состоящей из транзисторов T1 и T4 является согласование импеданса выходного сигнала для каскада УНЧ. Еще один каскад, построенный на транзисторах T5 (MJE350) и T6 (MJE350), выполняет роль дифференциального усилителя напряжения. Питается он через резистор R11 (100Р/2W). Нагрузкой его будут транзисторы T14 (MJE340) и T15 (MJE340), резисторы R13 (100Р/2W) и R14 (100Р/2W), и транзистор T7 (BD139).

Конденсатор C15 (47nF), подключенный параллельно резистору R44 (10k/2W) улучшает прохождение импульсных сигналов, в то время как небольшие конденсаторы C7 (56pF) и C8 (56pF) противодействуют самовозбуждению УМЗЧ. Транзистор T7 вместе с резисторами R10 (4,7 k), R45 (82R) и потенциометром P1 (4,7k) позволяет установить правильную полярность выходных транзисторов T9-T13 (IRFP240), T17-T21 (IRFP9240) в состоянии покоя. Потенциометром P1 можно установить ток покоя, который должен составлять около 100 мА на каждую пару выходных транзисторов. Транзисторы T9-T13, как и T17-T21 соединены параллельно и работают как повторители напряжения на большой максимальный выходной ток. Следовательно, предыдущие каскады усилителя должны обеспечить все усиление по напряжению, которое определяется с помощью соотношения R4 (22k) к R2 (470R) и составляет около 47.

Резисторы R30-R39 (0,33 R/5W), включенные в истоки выходных транзисторов обеспечивают защиту от их повреждения, которое могло бы возникнуть в случае различных сопротивлений каналов транзисторов. Резисторы R20-Р29 (470R), соединены последовательно с выходами транзисторов T9-T13, T17-T21, служат для уменьшения скорости зарядки емкости и, следовательно, ограничивают частотный диапазон усилителя.

Усилитель имеет две простые защиты:

1. Первая направлена против перегрузки и реализована с помощью стабилитронов D3 (7,5 V/1W) и D4 (7,5 V/1W), которые не допускают роста напряжения между источниками и выходами мощных транзисторов выше 7.5 вольта.
2. Вторая защита построена с использованием транзисторов T7, T16 и (BD136), резисторов R16-R17 (33k) и R18-R19 (1к) и диодов D7-D10 (1N4148). Она предотвращает чрезмерное увеличение тока силовых транзисторов, что могло бы привести к превышению допустимой мощности. Участок схемы, состоящий из транзисторов T7, T16 отслеживает падение напряжения на R30 (0,33 R/5W) и R35 (0,33 R/5W) и ограничивает рост напряжения мощных транзисторов в случае превышения допустимого проходящего через не тока.

Блок питания не стабилизированный двух полярный, состоящий из диодного моста Br1 (25А) и конденсаторов C9-C14 (10000uF/100V). Питание усилителя защищено плавкими предохранителями F1-F2 (10A). За предохранителями напряжение дополнительно фильтруется конденсаторами C18-C19 (1000uF/100V). Питание входных цепей отделено от питания усилителя мощности с помощью диодов D5-D6 (1N4009), резисторов R12 (100Р/2W), R15 (100Р/2W) и фильтруется конденсаторами C3 (100uF/100V) и C6 (100uF/100V). Это предотвращает перепад напряжений, которое может возникать на пиках мощности при больших нагрузках. Светодиоды D11-D12 вместе с оконечными ограничивающими их ток резисторами R40-R41 (16K/1W) представляют собой индикаторы наличия питания на схеме.

Простой усилитель класса А.

Николай Трошин

Данная статья является продолжением работы на тему использования усилителей работающих в А классе для высококачественного звуко-усиления. Представляю на Ваше рассмотрение, хорошо отработанную схему усилителя на кремниевых транзисторах. Неоспоримым преимуществом кремния — является способность работать при гораздо более высоких температурах (по сравнению с германием). При хорошем тепловом контакте транзистора с радиатором, можно считать допустимой температуру радиатора 90…95 град.

Понятно, что при столь высокой разнице температур радиатора и окружающей среды, теплообмен происходит очень эффективно. Поэтому при одинаковых площадях радиаторов выходных транзисторов, на кремнии можно получить примерно в 2 раза больше мощности по сравнению с германием. Большой ассортимент кремниевых средне и высокочастотных транзисторов большой мощности, позволяет построить высококачественный усилитель А класса при совсем простой схеме.

Данная схема обеспечивает выходную мощность 20 ватт на нагрузке 4 ом. Диапазон рабочих частот усилителя 20…25000 Гц. В качестве транзистора VT1 здесь можно использовать КТ208Д, КТ209Д, КТ361Г, Е, КТ3107Б, Г, И, К. В качестве транзистора VT2 можно использовать транзисторы КТ815, КТ801, П701, транзистор VT3 КТ814, VT4 — КТ818БМ, ГМ, транзистор VT5 — КТ819БМ, ГМ. Схема может работать без подбора транзисторов по коэффициенту усиления, однако поскольку она содержит всего 2 каскада усиления, желательно иметь коэффициент усиления транзистора VT1 — не менее 150, транзисторов VT2, VT5 — не менее 50, транзистора VT4 — не менее 80. Оценить коэффициент усиления транзистора не сложно. Достаточно включить испытуемый транзистор по вот такой схеме (для мощных транзисторов).

Резистор R1 обеспечивает ток в базу примерно 1 ма. Измерительный миллиамперметр измеряет ток коллектора (я использовал стрелочный тестер с пределом измерений 300 ма). Отношение тока коллектора к базовому току — будет коэффициентом усиления транзистора. Для транзисторов средней мощности, надо уменьшить базовый ток в 10 раз (R1 36k), а для транзистора малой мощности, базовый ток уменьшаем в 100 раз (R1 360k). В качестве источника питания, я использовал 3 щелочные (алкалиновые) батарейки размера АА, которые просто спаял между собой хорошо разогретым паяльником, с использованием не толстого провода (паять надо быстро, чтобы не перегреть батарейку).

При использовании нагрузки 8 ом, напряжение питания нужно увеличить до 39…40 вольт, резистор R10 до 0,25 Ом. Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения питания на коллекторе VT5. Усилитель потребляет значительную мощность, примерно 100 ватт на каждый канал. Поэтому источник питания должен быть серьезным. Силовой трансформатор для блока питания, нужно применять мощностью не менее 250 ватт, либо использовать два однотипных трансформатора (на каждый канал) с такой же общей мощностью. Схема источника питания показана на рисунке ниже.

Вторичная обмотка силового трансформатора должна иметь выходное напряжение ХХ 26 — 27 вольт. Такая схема должна быть на каждый канал усилителя, причем при нагрузке 4 ом, возможно лучше сразу поставить конденсаторы по 22000 мкФ. Диодный мост с номинальным током не менее 10 А либо 4 диода на 10 А. Большая емкость конденсаторов объясняется значительным током потребления, в том числе и в режиме покоя усилителя, когда пульсации особенно заметны. Применять электронные фильтры или стабилизаторы я не стал, поскольку они иногда являются причиной самовозбуждения усилителя и источником помех и наводок.

Детали для усилителя: Резисторы могут быть любой мощности не менее 0.125 ватт за исключением R9 5 ватт, R10 2 ватт. Очень важен номинал резистора R10. От этого зависит правильный режим работы усилителя. Конденсатор С1 лучше поставить пленочный, С4 пленочный или слюдяной. Выходные транзисторы КТ818, КТ819 обязательно с буквой «М» в конце (в металлическом корпусе), БМ, ГМ. Радиаторы под них я использовал ребристые размером 120*170, толщиной 35 мм. Если радиаторы будут меньше, то необходим принудительный обдув. На КТ815 небольшой радиатор-пластинка 2-3 кв. см. На П701 радиатор не нужен. На резисторе R9 рассеивается значительная мощность. При наличии осциллографа и генератора можно попробовать ее уменьшить. Подаем сигнал на вход,на выход подключаем эквивалент нагрузки и осциллограф. Резистором R4 добиваемся симметричного ограничения максимально возможной амплитуды сигнала. Далее увеличивая резистор R9 добиваемся начала ограничения сигнала сверху. Выпаиваем и измеряем номинал. После этого устанавливаем резистор на 25…30% меньше. При желании поэкспериментировать можно собрать совсем упрощенную схему.

Транзисторы здесь должны иметь больший К ус. Первый не менее 200, второй не менее 100. Резистор R7 мощностью не менее 50 ватт. При отсутствии такого можно использовать электрический чайник и утюг по 2000 ватт на220в, соединенные параллельно, либо 2 ТЭН на 2000 ватт. — получается сопротивление около 10 ом. Кстати это можно использовать и как эквивалент нагрузки. Данная схема позволяет получить 4…5 ватт (потреблять будет все равно около 90 ватт.) На коллекторе VT2 нужно выставить 12 вольт. Удачи Вам в творчестве и конструировании!

Блок питания

На рисунке далее представлена схема блока питания — источника нескольких вспомогательных напряжений. Он не требуется для работы самого усилители мощности, но очень полезен для питания остальных блоков полного аудио-комплекса, таких как: предусилитель, вентиляторы, индикатор уровня, система мягкого старта или защита динамиков. Все эти модули интегрированы в один общий усилитель в большом корпусе.

Блок питания на вспомогательные напряжения УНЧ — схема

Блок питания разделен на несколько отдельных секций, каждая из которых имеет свой отдельный контур массы. Первая секция представляет собой симметричный блок питания 2×15 В, он используется для питания предварительного усилителя. Разъем A4 служит для подключения двухполярной обмотки трансформатора. Напряжение выпрямляется с помощью выпрямительного моста Br2 (1 A) и фильтруется стабилизаторами U2 (LM317), U6 (LM337) с помощью C1 (100nF), C7 (100nF) и C24-C25 (4700uF). Выходной фильтр представляют собой конденсаторы C8-C9 (100nF) и C19-C20 (100uF). Выходное напряжение этого блока устанавливается с помощью резисторов R2-R3 (220R) и R9-R10 (2,4 к). Транзисторы T1 (BC546), T2 (BC556); резисторы R4-R5 (10k) и R7-R8 (3,3 k) представляют собой цепь отключения питания, а точнее, они снижают напряжения питания до 2×1.25 V, что позволит выполнить отключение предусилителя. Во время нормальной работы, короткое замыкание разъема GP8 обеспечивает правильную работу предусилителя.

Полезное: Схема часов на лампах ИН-12

Печатная плата БП — рисунок

Два следующих модуля — блоки питания 12 В, собранные с помощью стабилизаторов U4 (7812) и U5 (7812) и предназначенные для питания других элементов схемы. Два отдельных источника необходимы из-за того, что усилитель оснащен двумя парами индикаторов уровня, каждый на отдельной массе. Одна пара работает на входе, контролируя входной уровень сигнала, а вторая пара подключена к выходу и позволяет определить текущий уровень мощности УМЗЧ.

Печатная плата источников питания — после травления и сверления

Оба блока питания очень просты, первый состоит из диодного моста Br3 (1A), фильтрующих конденсаторов C5-C6 (100nF), C18 (100uF) и C22 (1000uF) и стабилизатора U4. Обмотки трансформатора должны быть подключены к разъему А2, а выходом блока питания будут разъемы GP6 и GP7.

Второй канал 12 В работает точно так же, и состоит из элементов: Br4 (1A), C10-C11 (100nF), C23 (1000uF), C21 (100uF) и U5.

Последний модуль системы БП — цепи питания других устройств усилителя и вентиляторов охлаждения. К разъему А1 следует подключить трансформатор. Напряжение выпрямляется с помощью выпрямительного моста Br1 (5А) и фильтруется конденсаторами C27 (4700uF), C12 (4700uF) и C2 (100nF). В роли стабилизатора работает здесь микросхема U1 (LM317), которой устанавливают необходимое напряжение с помощью резисторов R1 (220R) и R6 (2,7 k).

Конденсаторы C3 (100nF) и C16 (100uF) фильтруют напряжение на выходе стабилизатора, которое через разъемы GP1 и GP2 попадает в систему управления работой вентиляторов. Это же напряжение поступает через диод D1 (1N5819), на стабилизатор U3 (7812), задачей которого является обеспечение питания для других устройств усилителя, подключенных к разъемам GP3-GP5. Конденсаторы C28 (4700uF), C13 (4700uF), C4 (100nF) и C17 (100uF) фильтруют напряжение перед стабилизатором.

Печатная плата УНЧ — рисунок

Печатная плата доступна для свободной загрузки всем посетителям портала 2shemi.ru. На плате есть две перемычки, с чего это на выходе усилителя должна быть сделана прочной проволокой. Порядок сборки произвольный, но, как обычно, стоит начать с маленьких резисторов и конденсаторов. В самом конце следует подпаять силовые транзисторы и большие конденсаторы фильтра.

Готовая печатная плата УНЧ — осталось впаять детали

Силовые транзисторы должны быть оборудованы фланцами под болты для крепления через изоляционные прокладки вместе с T7 на общем радиаторе. При этом необходимо соблюдать особую осторожность и проверить омметром, что ни один из транзисторов не имеет замыкания на радиатор. Радиатор должен быть подключен к массе усилителя. Дорожки на прохождение больших токов стоит усилить снизу толстым медным проводом. Усилитель лучше питать от трансформатора 600VA 2×55В, что после выпрямления и фильтрации даст на конденсаторах напряжение порядка +/-80В.

Запуск и настройка усилителя

1. На первом этапе не устанавливайте на плату силовые транзисторы T9-T13, T17-T21 и конденсаторы C9-C14.
2. Потенциометр P1 должен быть выкручен до упора в право. Вместо предохранителей необходимо припаять снизу резисторы на 10R/5W и подключить трансформатор.
3. При включении трансформатора прибором проверяем падение напряжения на резисторах 10R. Должно быть падение напряжения порядка 0.5 В или менее, так как плата не должна потреблять более 50 мА.
4. С помощью измерительного прибора, замеряем оба напряжения питания относительно массы. Они должны быть порядка +/-80В.
5. Выключаем напряжение питания, разряжаем конденсаторы фильтра с помощью резистора небольшого сопротивления и приступаем к пайке силовых транзисторов T9-T13, T17-T21. Все силовые транзисторы вместе с T7 должны быть на общем радиаторе, чтобы сохранить хорошую термостабильность этих элементов. После монтажа транзисторов стоит проверить не касается ли радиатор к любой из ножек транзисторов, так как он присоединен к массе усилителя.
6. Включите питание схемы, измеряя падение напряжения на резисторе 10R/5W так же, как и раньше. Падение напряжения должно быть одинаково на обеих плечах УНЧ.
7. Устанавливаем ток покоя. С этой целью очень медленно вращаем потенциометр P1 влево (измеряя постоянно напряжение на одном из резисторов 10R) до заметного роста падения напряжения. Прицепляем один конец вольтметра к выходу усилителя, а вторым щупом прикасаемся по очереди к источникам всех транзисторов, измеряя падение напряжения на резисторах. Падение напряжения должно составлять около. 30 мВ, что дает ток покоя на пару транзисторов порядка 100 мА.
8. Измеряем постоянное напряжение на выходе усилителя относительно массы, оно должно быть близко к нулю и может колебаться в пределах +/-100 мВ.
9. Если все правильно, ток покоя не отличается более чем на 20-30% между транзисторами, а на выходе — постоянное напряжение близко к 0, то выключаем питание системы, отпаиваем резисторы и вставляем предохранители 10 А в предназначенные им гнезда.
10. Включаем питание и еще раз проверяем падение напряжения на всех десяти резисторах. Если они находятся в допустимых пределах, то можно подключить динамик и подать входной сигнал с предварительного усилителя.
11. Большую помощь окажет настройка УМЗЧ с помощью вот такого вспомогательного защитного БП.

Схема усилитель мощности на 500 Вт

Представленную выше схему можно модернизировать убрав часть выходных транзисторов в каждом каскаде до 6 шт, всего 12 транзисторов. Напряжение питание также +- 95 В. В итоге выходная мощность понизиться до 500 Вт, а коэффициент нелинейных искажений (КНИ) понизиться до 0,18%. В этом случае нужно использовать транзисторы IRFP240.

Если в этой схеме использовать те же транзисторы IRFP260 как и в первой схеме на 1000 Вт, до и в этой схеме с 12 транзисторами можно получить ту же выходную мощность порядка 1 кВт. В характеристиках транзистора можно найти информацию про то что при таком же напряжении в сток-исток и сток-затвор до 200 В. ток через сток будет 46 А, а в момент пика достигать значения до 184 А. Рассеиваемая мощность транзистора при таких параметрах составит до 280 Вт.

В качестве нагрузки выходных каскадов может выступать динамик в 4 Ом или в 8 Ом.

Печатная плата для него:

Печатная плата усилителя

После пайки и монтажа должно получится следующее