Усилитель 60 Вт класса HIFI

категория Самодельная аудиотехника материалы в категории

Подкатегория Схемы усилителей на транзисторах

А. ПЕТРОВ, г. Могилев, Беларусь
Радио, 2000 год, №10

К достоинствам описываемых усилителей можно отнести низкий коэффициент гармонических искажений во всей полосе рабочих частот, плавное ограничение максимальных уровней сигнала. Высокое выходное сопротивление одного из усилителей способствует уменьшению интермодуляционных искажений головок в средне- и высокочастотной полосе. Низкое выходное сопротивление другого демпфирует громкоговоритель в широкой полосе частот.

Как это ни парадоксально, но по субъективным оценкам качество работы транзисторных УМЗЧ даже с лучшими параметрами нередко считается хуже ламповых. И хотя слуховое восприятие у разных людей существенно различается, тем не менее окончательная оценка качества аудиоаппаратуры все-таки остается за слушателями.

С распространением бестрансформаторных УМЗЧ на транзисторах любители звукозаписи столкнулись с так называемым эффектом "транзисторного" звучания. Разработчики, полагая причиной этого явления нелинейные искажения, увеличивали глубину общей ООС, использовали выходные каскады усиления в классе А или более экономичные его разновидности — с динамическим смещением типов Super Glass A. New Class A. Non-switching amp и др. Правда, для ламповых усилителей класса Hi-End при номинальной мощности считают допустимым коэффициент нелинейных искажений до 1 % и более, а для динамических головок — 5 % и более [1, 2]. Затем взялись за снижение интермодуляционных и динамических искажений, основной причиной которых считали глубокую ООС. Одни пришли к выводу, что глубину ООС необходимо ограничить на уровне 20 дБ, другие отказались от нее вовсе, достигая линейности УМЗЧ за счет местных ООС.

Для эффективного демпфирования громкоговорителя усилитель принято выполнять с низким выходным сопротивлением. Полагают, что минимальный коэффициент демпфирования должен быть не менее 20. а для систем Hi-Fi — не менее 40. Выходное же сопротивление ламповых усилителей достигает десятка Ом. Однако в [3] было показано, что выходного сопротивления УМЗЧ величиной не более 18 Ом вполне достаточно для эффективного электрического демпфирования нагрузки (8 Ом).

В [4] также утверждается, что усилитель с низким выходным сопротивлением не обеспечивает пропорциональности тока из-за комплексного сопротивления динамической головки и термодинамических процессов в катушке, связанных с ее нагревом, а также нелинейности индуктивности. Кроме того, на средних частотах интермодуляционные искажения головки снижаются при работе от УМЗЧ с относительно высоким выходным сопротивлением. Высокоомный выход оказывает благоприятное влияние на воспроизведение импульсных сигналов.

Об эффективности электрического демпфирования головок громкоговорители можно говорить только в области поршневого действия диффузора, т. е. на низших частотах.

Для визуальной оценки эффективности торможения звуковой катушки громкоговорителя предлагается включить в общий провод громкоговорителя резистор сопротивлением около 0.2...0.4 Ом. подключить к нему осциллограф и подать на вход усилителя прерывистый сигнал в диапазоне частот 30...300 Гц. Длительность тональных пачек должна быть 25...30 мс (чтобы укладывался полный период самого низкочастотного сигнала) с паузами 40...60 мс. В зависимости от выходного сопротивления УМЗЧ затухание собственных колебаний головки будет более или менее продолжительным.

Заметим, что стабильность импеданса громкоговорителя в рабочей полосе частот положительно сказывается на работе любого лампового и транзисторного усилителя.

Итак, напрашивается вывод, что транзисторный УМЗЧ с низкоомным выходом целесообразно использовать только для работы на громкоговоритель НЧ многополосной АС. С головками СЧ и ВЧ предпочтительнее использовать усилители с высокоомным, токовым выходом. Раздельное усиление и воспроизведение в нескольких полосах звуковых сигналов особенно благоприятно сказывается на снижении интермодуляционных искажений головок и при перегрузке.

Исходя из перечисленных особенностей работы усилителя и громкоговорителя, автором разработано два усилителя

В первом из них (его схема на рис. 1) имеются две петли общей ООС: по переменному току — через R5, С6 и по постоянному напряжению — через интегратор на DA1. Применение интегратора исключает постоянную составляющую на выходе усилителя даже при ее наличии на входе, например, из-за утечки переходного конденсатора на выходе темброблока или линейного усилителя. Такое решение благоприятно сказывается и на демпфировании громкоговорителя. Усилитель имеет практически нулевое выходное сопротивление на инфранизких частотах и на постоянном токе, что эквивалентно демпфированию громкоговорителя вторичной обмоткой трансформаторного УМЗЧ на лампах. При этом исключаются возникающие с некоторыми транзисторными УМЗЧ инфранизкочастотные колебания низкочастотной головки.

В выходном каскаде в двухступенчатом усилителе тока применены БСИТ. Такие транзисторы отличаются высокой крутизной, малым остаточным напряжением насыщения, быстрым переключением и относительно высоким коэффициентом передачи по току в линейном режиме.

Используемые в усилителе дифференциальные каскады с местной ООС, как известно, отличаются повышенной перегрузочной способностью, а искажения в них в значительной степени компе нсиру ются.

Диодами VD3—VD6 достигаются необходимые сдвиги уровня для обеспечения режима транзисторов VT10, VT12. Суммирование сигналов с повторителей на VT7, VT9 и VT8. VT13 происходит соответственно на транзисторах VT10 и VT12. Резисторы R20. R21 являются, с одной стороны, местной ОС для VT10. VT12. с другой — нагрузкой эмиттерных повторителей на транзисторах VT9.VT13.

Ограничение сигнала на выходе второго каскада, а соответственно и усилителя в целом, происходит раньше, чем в обычных усилителях, примерно на 3 В (за счет падения напряжения на транзисторах VT9. VT13). При этом с дальнейшим ростом входного напряжения не происходит жесткого ограничения сигнала, так как транзисторы VT10, VT12 переходят в режим плавного насыщения. Таким образом, амплитудное значение сигнала на выходе усилителя такое же. как в обычном усилителе, но без жесткого ограничения. Это схемотехническое решение позволяет получить характер искажений при перегрузке, подобный ламповым усилителям.

Термостабилизацию каскада обеспечивает транзистор VT14. Ток покоя каждого из выходных транзисторов VT17—VT20 на уровне около 80 мА устанавливают резистором R24.

Усилитель имеет относительно низкое входное сопротивление (около 6 кОм). поэтому источник сигнала (например, темброблок) должен иметь выходное сопротивление не более 200 Ом.

Технические характеристики УМЗЧ

Цепи ООС (R5. С6) и С1 отключены;
R= 4 Ом
Коэффициент усиления, не менее...................1000
Коэффициент гармоник, %, не более, на частоте 1000 Гц...................0.5
10 кГц....................0.6
20 кГц....................0.9
Полоса пропускания. кГц ........110
Цепи ООС и ФНЧ (С1) включены; R = 4 Ом
Коэффициент усиления...........16
Глубина ООС. дБ.................36
Коэффициент гармоник, %, не более, на частоте
1000 Гц..................0.02
10 кГц ...................0,02
20 кГц...................0,03
Номинальная выходная
мощность. Вт.................60
Полоса усиливаемых частот. малосигнальная, кГц..........130
Входное сопротивление, кОм........................5.7

Усилитель выполнен по схеме "двойное моно . т. е. с отдельными блоками питания на трансформаторах с кольцевым магнитопроводом. Такая конструкция обеспечивает более высокие динамические характеристики и позволяет избежать возникновения перекрест ных помех между каналами, что существенно улучшает пространственную характеристику звукопередачи.

Емкости конденсаторов на выходах источника питания должны быть не менее 20000 мкФ.

Катушку L1 наматывают на резисторе R33 (МЛТ-2) проводом ПЭВ-2 0.69 виток к витку в один слой до заполнения. Конденсаторы С2—С5 — К50-35. Резисторы R28—R31 изготовлены из манганинового провода диаметром 0.3 мм.

В качестве DA1 можно использовать микросхемы КР544УД1. К140УД8. а также КР544УД2 с соединением выводов 1 и 8.

Транзисторы VT15, VT16 снабжены небольшими теплоотводами, а транзисторы VT14, VT17 — VT20 закреплены на пластинчатых теплоотводах из дюралюминия толщиной не менее 5 мм.

Выходные транзисторы каждого плеча усилителя подключают к плате свитыми проводниками сечением 1 мм2 минимальной длины. Провода, идущие к источнику питания и к громкоговорителю, также должны быть свиты.

Транзисторы желательно предварительно подобрать по парам с разбросом п2|э не более 20 %.

При исправных деталях налаживание усилителя сводится к установке тока покоя каждого иэ выходных транзисторов в пределах 60... 100 мА.

Выходные каскады усилителя с низким выходным сопротивлением, более подходящего для громкоговорителя нч. выполнены на более доступной элементной базе (рис. 2). Остальная часть схемы практически аналогична рассмотренной ранее (на рис. 1 она отделена штрихпунктирной линией).

Двухтактный выходной каскад на VT15—VT18 выполнен по схеме ОЭ-ОЭ с глубокой ООС. Цепь смещения на диодах VD9. VD10 дополнена резисторами R23, R24, которые обеспечивают малые изменения входного сопротивления каскада и тока через диоды VD9, VD10 даже при отсечке тока в противоположном плече каскада.

Защита от короткого замыкания в нагрузке выполнена на диодах VD11, VD 12.

В качестве VT7. VT9. VT13 можно использовать транзисторы типа КТЗЮ2 с любым буквенным индексом. При напряжении питания до ±30 В в качестве VT11, VT16 подойдут транзисторы типа КТ626В, a VT12. VT15 — КТ646А. Транзисторы VT15, VT16 снабжены небольшими пластинками — теплоотводами. Для дополнительной термостабилизации диоды VD16, VD17 монтируют вместе с резисторами R33. П34 непосредственно на выводах выходных транзисторов. При использовании в позициях VT11, VT12, VT15, VT16 транзисторов серий КТ850. КТ851 емкость конденсаторов СЮ, СП можно уменьшить до 150 пФ. а С12, С13 — до 39 пФ. Для повышения устойчивости усилителя желательно включить в базы транзисторов VT10, VT12 (см. рис. 1) и VT10—VT13 (рис. 2) резисторы сопротивлением 50—100 Ом. что позволит уменьшить емкости конденсаторов СЮ—С13 или даже отказаться от них.

При налаживании усилителя (сначала без мощных транзисторов VT17, VT18. см. рис. 2) его включают и. подав сигнал от генератора, убеждаются в работоспособности устройства без нагрузки. Затем, подключив выходные транзисторы, проверяют его под резистивной нагрузкой как с помощью синусоидального сигнала, так и сигнала "меандр" до частоты 20 кГц. Выходной сигнал должен быть чистым, без какого-либо выброса или "звона". Особое внимание следует обратить на форму выходного сигнала при выходе усилителя из перегрузки по напряжению. На синусоидальном сигнале не должно быть никаких признаков даже кратковременного возбуждения.

Параметры усилителя, показанного на рис. 2. можно улучшить, применив в качестве выходных транзисторов более высокочастотные составные транзисторы или отдельные транзисторы с частотой единичного усиления не ниже 20 МГц.

ЛИТЕРАТУРА
1. Бурко И., Лямин П. Бытовые акустические системы. — Минск: "Беларусь". 1996.
2. Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ. - Радио. 1987. № 12. С. 40—43.
3. Эфрусси М. Громкоговорители и их применение. — М.: Энергия. 1971.
4. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? — Радио. 1997. №4. с. 14—16.
5. Белов В. Железная дорога для звука. - STEREO&VIDEO, 1998. № 9, с. 131—137.