Усилитель мощности (УМЗЧ) с усилителем напряжения по схеме с общей базой

Статья опубликована с разрешения автора!

Как говорится, всё новое — это хорошо забытое старое. Прототип предлагаемого усилителя был опубликован в журнале «Радио» №12 за 1989 год. Статья называлась «УМЗЧ с компенсацией нелинейности амплитудной характеристики» автор В. Король. Основная идея схемы в следующем: обычно линейность усилителя повышают введением местных и общих отрицательных обратных связей. При этом слишком большая глубина ООС (более 30-35дБ) снижает устойчивость усилителя, что влечёт за собой массу негативных последствий.

Дополнительным способом увеличения линейности усилителя является использование двухтактной схемы, за счёт чего компенсируются чётные гармоники. Однако и здесь возникают проблемы: либо требуется тщательный подбор элементов, либо степень компенсации чётных гармоник будет ограничена разбросом параметров применённых элементов.

Идея.

Для устранения этого недостатка автор (В.Король) предложил ввести в усилитель, построенный по двухтактной схеме, общую отрицательную обратную связь с дифференциальной регулировкой её глубины в плечах, что позволяет получить хорошую линейность при умеренной глубине ООС, обойтись меньшим усилением в ее петле и использовать активные элементы без подбора.

Схема-первоисточник:

Но, это было более 20 лет назад…

Сегодня доступны комплектующие гораздо лучшего качества и схемотехника ушла далеко вперед.

И нашёлся энтузиаст, который провел реинкарнацию этой интересной схемы.

Схема.

В схему были внесены изменения:

  • изменены элементы обратной связи,
  • изменены элементы выходного каскада,
  • изменены цепи термостабилизации.
  • увеличен ток покоя предвыходного каскада.
  • заменены шумные стабилитроны — светодиодами.
  • добавлен модуль защиты АС.

В результате получилась следующая схема:

(Увеличение по клику)

Усилитель мощности

Схема электрическая отдельного канала усиления приведена на рис.1. В основе усилитель по схеме М.Дорофеева, выполненный на современных компонентах:

Рис.1.Схема электрическая отдельного канала усиления.

При большой выходной мощности, усилитель показывает отличные результаты по коэффициенту нелинейных искажений и уровню шума в полосе частот. Качество усиления высокое. Количество каналов усиления (плат) соотвествует модели усилителя: один, два или три.

Плата отдельного канала усиления приведена на рис.2.

Рис.2.Плата отдельного канала усиления.

За основу принята плата версии Сергея Лебедева. Количество плат соотвествует модели усилителя: одна, две или три. Платы устанавливаются в корпус и крепятся на радиаторы охлаждения. Шины питания и сигнальные выводятся на соотвествующие разъёмы. Настройка усилителей обычная и затруднений не вызывает. Симметрируются плечи и выставляется начальный ток покоя усилителя. Критерии: минимальные искажения сигнала.

Звучание:

Пустые цифры говорят мало, поэтому сразу приведу отзывы самого автора реинкарнированного варианта, людей принимавших участие в прослушивание усилителя и радиолюбителя, повторившего эту конструкцию.

От автора:

Усилитель порадует вас мощным, честным звуком без намека на «сухость», «зажатость» и прочих негативных эпитетов противников транзисторов, ОООС и т.д. Неглубокая и короткая обратная связь, симметричная структура обеспечивают усилителю отличную устойчивость, малые динамические, нелинейные и комбинационные искажения: у меня он спокойно работал на емкость 2мкФ.

Прикол в том что я собрал на макете 2 канала и на выход ставил РАЗНЫЕ!!! транзисторы в одном — указанные на схеме в другом аж КТ816,817+КТ818,819 После наладки оба канала звучали идентично, хотя искажения во втором случае были чуть больше. Для студии звукозаписи был собран аппарат на импортных комплектующих, в цепи ООС использованы прецизионные резисторы 0.5% (которые 6.2 кОм). Результат — тот же — отличный. И никаких заморочек с «маслом» шунтированием слюдой и проч…

От слушателей:

Звук точный, аналитичный без окраски — «прямой», как вода из брансбойта. Сцена глубокая и отлично пририсованная. Бас, кажется, бежит аж впереди музыки. Поэтому, может, для обычного слушателя не очень комфортный — на любителя. Идеальный вариант для мониторинга в среднем поле — дать мощу и отслушать: все ли правильно сведено, нет ли где ошибок.

От повторивших конструкцию:

В общем, резюме такое — звук очень точный, я бы сказал, методически правильный. Гонял на нем инструментал, вокал, погонял ПраймТест диск 1. Основная разница с автомобильной системой в басовой части. В авто я в основном слушаю электрохаус и прочую клубную музыку, там нужен мощный завышеный бас, который, впрочем, несложно создать в замкнутом объеме салона. У этого усилителя басов несколько меньше, но самое главное — он другой. Пусть я повторюсь, но он точный, другого слова не подберёшь. Удар в барабан звучит именно как удар в барабан, а не как БУУУУУММММ, то есть сухо, плотно и четко. Поэтому на этой системе мне все больше нравится слушать именно вокал и живые инструменты.

УНЧ на 200 w

Рост напряжения на базе выходного транзистора ускоряется, и Бремя, требуемое для его открытия, уменьшается, но не может стать равным нулю, поэтому ступенька сохраняется. Как только выходной транзистор откроется, на его выходе появится импульсный выброс напряжения, так как ООС еще ке действует. ОУ не может сработать мгновенно, поскольку требуется некоторое время, пока сигнал ООС пройдет от его входа до выхода время задержки. Когда же управляющий сигнал появится на выходе ОУ и поступит на базу предвыходного транзистора, пройдет еще некоторое время, пока транзистор выйдет из состояния насыщения. Это время з ачи- тельно больше, чем время, необходимое для насыщения транзистора, и оно прибавляется к времени задержки.

Усилитель Дорофеева – купить на Юле. Большой выбор товаров категории «Аудиоусилители и ресиверы» раздела «ТВ, аудио.

Конструкция.

По монтажу — все транзисторы выходного каскада (включая 850 и 851 ) смонтированы на одном радиаторе (для каждого канала свой радиатор), датчик тока Q5 установлен рядом с одним из 8101 (2) провода к нему — «коса» длиной около 10см, транзисторы кт816,817 рассеивают мощность ок 0.6 Вт каждый. На них установлен небольшой теплоотвод из металлической пластины. C7…C8 шунтируют датчик температуры (Q5) на верхних звуковых частотах и уменьшают (С7) переключательные искажения выходного каскада. Тип подойдет К73-17. С8 — 0.068…0.1 мкФ, С7 — 0.22…1.0 мкФ. Рабочее напряжение — от 63В.

С9… С10 — корректируют АЧХ для обечспечения устойчивости усилителя. Их тип не критичен — пойдет ВЧ керамика (однослойная, двухслойная) емкость 47…68 пФ напряжение не менее 63В (для питания 2×25…2×27В) Для питания 2×40В — напряжение не менее 160В.

светодиоды можно ставить любые (зеленые, красные и т.д. ) — отобрать по прямому напряжению 2В, или по сумме напряжений=6В

(примечание от главного редактора: я бы заменил цепочки светодиодов стабилизаторами на TL431. По шумовым параметрам будет не хуже, а то и лучше, подбирать ничего не придется. В одном плече стабилизатор сделать регулируемым, им и балансировать усилитель при настройке)

Все элементы (кроме оконечных транзисторов) монтируются на печатной плате:

Фото готовой конструкции (извиняюсь за качество — сделано мобильником):

Настройка.

1.После прогрева усилителя (30 минут) резистором R17 устанавливаем ток покоя выходных транзисторов (70-100 мА для каждого транзистора.

2.Резистором R10 выставляем на выходе усилителя «0» Вольт (±20 мВ допустимо). После этой операции возможно потребуется откорректировать вновь ток покоя выходных транзисторов. Лучше проверить.

3. Настраиваем компенсацию нелинейности. На выход усилителя подключаем эквивалент нагрузки (резистор 8 Ом мощностью 25 Вт). С генератора подаём сигнал 5…8 кГц, увеличивая его амплитуду, добиваемся начала ограничения сигнала на выходе усилителя (контролируем по осциллографу или вольтметром переменного напряжения). После этого на генераторе устанавливаем амплитуду величиной 0,7 от начала ограничения.

На выход усилителя подключаем фильтр и микроамперметр:

фильтр для настройки усилителя мощности

При выключенном генератора ещё раз убеждаемся в отсутствии постоянного напряжения на нагрузке. Включаем генератор и резистором R8 добиваемся нулевых показаний микроамперметра.

На этом настройка усилителя закончена.

Самую точную настройку компенсации можно выполнить, используя анализатор спектра. Но как показала практика предложенный метод даёт очень хороший результат.

Если настроить компенсацию не получается, значит, увы, вам попались транзисторы с очень большим разбросом параметров. Попробуйте поменять транзисторы в одном плече из другого канала.

Для достижения наивысшего качества при монтаже следует уделить внимание подключению общего провода.

Общий провод усилителя, нагрузки, входных разъёмов необходимо подключить отдельными проводниками к средней точке конденсаторов фильтра блока питания.

Иногда, в зависимости от конструкции, минимальный уровень фона получается при соединении корпуса с общим проводом вблизи входных разъёмов ( а не у трансформатора питания, как показано на рисунке).

При настройке усилителя общий провод эквивалента нагрузки и фильтра также необходимо подключать к средней точке фильтра выпрямителя.

Усилитель мощности (УМЗЧ) с усилителем напряжения по схеме с общей базой

В предлагаемом усилителе мощности (далее УМЗЧ)

основной каскад усиления напряжения выполнен на транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Это обеспечивает его высокую устойчивость к самовозбуждению, что дает возможность применять широкополосную ООС и эффективно снижать нелинейность каскадов и помехи в широкой полосе частот.
При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт. Уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 %
До недавнего времени среди радиолюбителей была популярна классическая структура усилителя мощности [1], в которой дифференциальный каскад на входе УМЗЧ нагружен на каскад усиления напряжения с транзистором по схеме с общим эмиттером, за которым следует каскад усиления мощности, как правило, представляющий собой двух или трехступенчатый усилитель тока. Такая структура и теперь является базовой для интегральных микросхем УМЗЧ.

За последние четыре десятка лет эта схема мало изменилась, ее варианты умножились за счет распространения мощных полевых транзисторов. Она обеспечивает необходимые параметры, измеряемые малыми значениями нелинейных искажений, легко поддающиеся расчету выходную мощность и коэффициент усиления. Вполне объяснима целесообразность применения входного дифференциального каскада, обеспечивающего высокую стабильность всего устройства в статическом режиме Выходной каскад, представляющий собой двух или трехступенчатый эмиттерный повторитель, вносит минимальные гармонические искажения при почти полном, соизмеримым с напряжением питания (правильнее сказать, с его половиной) размахом напряжения на выходе устройства. Сложнее обстоят дела с усилителем напряжения — драйвером. За 60-летний период существования биполярного транзистора его включение по схеме с общим эмиттером (ОЭ) неплохо изучено, выявлены все его сильные и слабые места, что и послужило его применению во всех аналоговых и цифровых устройствах в широком диапазоне частот, а также в усилителях постоянного тока.

К недостаткам транзисторного каскада по схеме с ОЭ стоит отнести низкую температурную стабильность и далеко не самый линейный режим усиления. И то, и другое в большинстве устройств устраняется разного рода отрицательными обратными связями, которые снижают динамические характеристики каскада и его коэффициент усиления. Кроме того, ухо слушателя за эти годы привыкло к звуку классического транзисторного усилителя, и большинство слушателей новых требований не предъявляют.

На входе устройства имеется фильтр R1C3, не пропускающий сигналы с частотой выше 100 кГц, с него сигнал поступает на инвертирующий вход УМЗЧ через аналог неполярного оксидного конденсатора в виде С1, С2. На точку соединения этих конденсаторов подано поляризующее напряжение смещения через резистор R2 На этот же вход поступает сигнал ООС с выхода устройства через резистор R14. Ток через каждое плечо дифференциального каскада, как и коллекторный ток каскада усиления напряжения, равен 3 мА. При всех своих недостатках инвертирующий усилитель известен своей большей устойчивостью по сравнению с неинвертирующим фазу сигнала.

Выходной каскад, состоящий из двух ступеней эмиттерного повторителя, имеет несколько нестандартный узел стабилизации тока покоя и температурного режима на транзисторах VT8 и VT9. Он обеспечивает стабилизацию тока покоя первой ступени выходного каскада, а следовательно, и напряжения на резисторе R15. Это соответственно, приводит к стабилизации тока покоя транзисторов VT12 и VT13, в эмиттерных цепях которых имеются проволочные резисторы R16 и R17 Как показала многолетняя авторская практика, такая схема стабилизации позволяет заметно снизить переключательные искажения, приводящие к появлению гармоник высокого порядка, свойственных «транзисторному звучанию». Автор более десятка лет использует в своей конструкторской и ремонтной практике это техническое решение [2], и оно вполне себя оправдывает. Плавная «ступенька» хорошо отслеживается цепями ООС, приближая работу выходного каскада к так называемому режиму экономичного класса А, что делает субъективное восприятие воспроизведения звукового сигнала легче и прозрачней. Штриховыми линиями показана схема при использовании сетевого трансформатора без вывода средней точки во вторичной обмотке В этом случае резисторы R20 и R21 в цепи питания обязательны, резистор R22 следует заменить проволочной перемычкой, а предохранитель FU3 исключить.

Кратко о параметрах усилителя. При чувствительности 2 В описываемый УМЗЧ обеспечивает на нагрузке сопротивлением 8 Ом синусоидальную мощность 120 Вт При использовании нагрузки сопротивлением 4 Ом следует удвоить число выходных транзисторов вместе с резисторами в их эмиттерных цепях, тогда можно будет получить выходную синусоидальную мощность до 180.200 Вт. Осциллографическое наблюдение через активный режекторный фильтр, подавляющий на 40 дБ основную гармонику синусоидального сигнала, показало, что уровень гармонических искажений составляет примерно 0,03 % При указанных на схеме номиналах резистора R14 цепи ООС и резистора на входе R3 коэффициент усиления равен 26 дБ.

Для монтажа усилителя использована макетная плата, на которой собраны дифференциальный каскад и усилитель напряжения для двух каналов. Их цепи питания плюсовой и минусовой полярности соединены ’’звездой» на выводах конденсаторов С5, С6 соответственно. Весь выходной каскад был собран на общем теплоотводе вместе с узлом стабилизации тока выходного каскада. Важно, чтобы мощные транзисторы каждого канала (VT10—VT13) были установлены на общий теплоотвод, а транзисторы VT8 и VT9 цепи токовой и термостабилизации имели бы с ними тепловой контакт (их можно смонтировать на выводах транзисторов VT10 и VT11). Цепи питания выходного каскада также соединены «звездой» на выводах конденсаторов С7 С9 и С8, С10 соответственно.

Сетевой трансформатор Т1 должен быть габаритной мощностью не менее 250 Вт с вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 70 В при токе не менее 3,5 А с выводом средней точки (или без него — с учетом указанных выше изменений). Все транзисторы выходного каскада должны быть установлены на теплоотводе площадью не менее 1200 см2 (на один канал). Вместо оксидных конденсаторов С1 С2 можно применить один пленочный (полиэтилентерефталатный) конденсатор емкостью 1…2,2мкФ на напряжение 63 В (К73-16, К73-17), исключив, естественно, резистор поляризации R2. Емкость блокировочных конденсаторов С7, С8 можно увеличить до 1 …2,2 мкФ.

Налаживание усилителя следует начать с проверки правильности монтажа и его соответствия принципиальной схеме. В авторском варианте дифференциальный каскад и усилитель напряжения собраны на отдельной плате, поэтому сначала был проверен именно этот узел без подключения его к выходному каскаду. Для этого коллекторы транзисторов VT6 и VT7 и правый по схеме вывод резистора R14 временно соединили вместе. После подачи на усилитель питания в этой точке соединения напряжение не должно превышать 10 ..15 мВ. Также полезно проверить токи плеч дифференциального каскада и усилителя напряжения на соответствие указанным на схеме значениям.

После проверки следует подключить усилитель напряжения к выходному каскаду включив вместо одного из предохранителей (FU2 или FU3) миллиамперметр, и, подав напряжение питания, убедиться в том, что потребляемый ток всего устройства не более 150. .200 мА (как правило, он не более 100 мА). Также необходимо убедиться в том, что на выходе устройства напряжение близко к нулю.

Затем, подключив к выходу УМЗЧ резистор сопротивлением 8 Ом и осциллограф, необходимо подать на вход УМЗЧ сигнал прямоугольной формы чтобы с помощью осциллографа на разных уровнях сигнала убедиться в отсутствии самовозбуждения или существенных выбросов на перепадах напряжения. Если таковое все-таки присутствует, то необходимо увеличить емкость конденсатора С4 (в авторском варианте усилитель устойчив и без него).

Следует иметь в виду, что сразу после включения ток покоя выходных транзисторов должен быть в пределах 70…90 мА. Однако после получасового прогрева он должен подняться до 120 ..150 мА и стабилизироваться.

М. САПОЖНИКОВ, г. Ганей-Авив, Израиль

ЛИТЕРАТУРА 1. Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты

. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. с. 56. 57. 2
Сапожников М. Доработка УМЗЧ с нестандартным включением ОУ
— Радио 2000, № 8, с. 17.

Источник: Журнал Радио 2010 №2 стр.17
Усилитель мощности УМЗЧ УНЧ усилитель напряжения

Дополнения.

Вариант схемы с меньшей выходной мощностью (30-40Вт):

Увеличение по клику

Рекомендуемые замены транзисторов на импортные:

Q2/Q4 — BC546B/BC556B Q1/Q3 — 2SA1837/2SC4793 Q6/Q8 — MJE15032/MJE15033 Q7/Q9 — 2SC5200/2SA1943

Файлы печатных плат в формате Sprint-Layout:

(только для зарегистрированных пользователей)

Удачного творчества и качественного звука!

**************************************************************

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: