Высококачественный экономичный усилитель мощности

Как известно, симметричные широкополосные оконечные усилители НЧ вносят минимальные искажения при всех уровнях выходной мощности. Один из наиболее совершенных вариантов высококачественного усилителя, обладающего указанными свойствами, был опубликован в [1]. Подробное описание этого усилителя можно найти также в [2]. Усилитель спроектирован на транзисторах дополнительной структуры и является симметричным и двухтактным от входа до выхода. На входе включен двойной дифференциальный каскад, а каждое из плеч выходной ступени представляет собой усилитель, охваченный отрицательной обратной связью (ООС) с коэффициентом передачи по напряжению больше единицы. Преимущества этих схемных решений подробно описаны как в указанных работах, так и на страницах журнала «Радио» [3, 4].

Рис.1 Зависимость максимальной выходной мощности, соответствующей коэффициенту гармоник 0,2 %, от сопротивления нагрузки (кривая 1) и от напряжения питания при сопротивлении нагрузки 7,7 Ом (кривая 2)

При испытаниях нескольких экземпляров усилителя, собранных по аналогичной схеме на отечественной элементной базе, выявился один недостаток — существенное уменьшение коэффициента использования напряжения питания (КИНП) при работе на низкоомную нагрузку *. А это влечет за собой необходимость увеличивать напряжение питания для получения заданной мощности, что приводит к снижению экономичности, ухудшению теплового режима выходных транзисторов и увеличению габаритов усилителя.За счет видоизменения выходного каскада и включения мощных транзисторов по схеме с общим коллектором авторам удалось увеличить КИНП примерно на 50 % и, попутно, на 35 % снизить выходное сопротивление усилителя при сохранении остальных характеристик.

Описываемый ниже усилитель пригоден для усиления мощных звуковых сигналов в составе звуковоспроизводящих установок высокого класса, а также для использования в качестве мощного широкополосного , операционного усилителя.

Основные технические характеристики усилителя
Номинальная (синусоидальная) выходная мощность, Вт, при сопротивлении нагрузки, Ом:
8 ........................... 48
4 ............................60
Диапазон воспроизводимых частот при неравномерности АЧХ
не более 0,5 дБ и выходной мощности 2 Вт, Гц . . . . 10...200000
Уровень нелинейных искажений при номинальной выходной мощности в диапазоне 20...20000 Гц, % ........ 0,05
Номинальное входное напряжение (действующее значение), В 0,8 Входное сопротивление, кОм . . . . . . . . . . . . . 47
Выходное сопротивление, Ом........................ 0,02

Параметры измерены при питании усилителя от стабилизированного источника ±31,5 В. При использовании нестабилизированного источника для сохранения характеристик напряжение питания следует увеличить на 1...3 В в зависимости от емкости конденсаторов фильтра. Необходимо отметить, что для уровня нелинейных искажений указано верхнее граничное значение, обусловленное возможностями имевшейся у авторов измерительной аппаратуры.

Измерялось также время установления переходной характеристики при подаче на вход перепада напряжения с длительностью фронта 0,1 мкс. Для выходной амплитуды 10 В оно оказалось равным примерно 1 мкс, причем выбросы на плоской части составляли не более 15'%. На рис. 1 представлены зависимости максимальной выходной мощности, соответствующей коэффициенту гармоник 0,2 %, от сопротивления нагрузки RH при стабилизированном питании ±31,5 В (кривая L), а также от напряжения питания при RH 7,7 Ом (кривая 2).
Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 2. Входной каскад представляет собой два дифференциальных усилителя (включенных параллельно), выполненных на транзисторах VT1, VT3 и VT2, VT4 дополнительной структуры. Генераторы тока на транзисторах VT5, VT6 обеспечивают стабильность значений (около I мА) суммарных эмиттерных токов дифференциальных пар, а также развязку по цепям питания. Сигнал на выходной усилитель подается с управляемых генераторов тока (VT7, VT8), которые работают противофазно. Такое включение увеличило ток «раскачки» в два раза, снизило нелинейные искажения и улучшило частотные свойства; усилителя в целом.

Каждое из плеч симметричного выходного усилителя выполнено по схеме Дарлингтона. Оно представляет собой трехкаскадный уси-литель (в двух каскадах транзисторы включены по схеме с общим эмиттером ив одном — с общим коллектором). Усилитель охвачен частотно-зависимой ООС, Определяющей его коэффициент передачи по напряжению, который в звуковом диапазоне близок к трем. Так как сигнал обратной связи, снимаемый с резистора R39 (R40), пропорционален изменениям тока выходного транзистора, то дополнительно осуществляется довольно жесткая стабилизация рабочей точки этого транзистора; Напряжение смещения выходной ступени определяется сопротивлением перехода коллектор — эмиттер транзистора VT9 и регулируется резистором R24. Напряжение смещения термостабилизировано диодом VD4, который закреплен на теплоотводе одного из мощных транзисторов.Общая ООС по постоянному току через резистор R33 стабилизирует режим всех каскадов и приближает выходной потенциал к входному, который равен нулю. Цепочка R17C5 уменьшает глубину ООС по переменному току, преобразуя усилитель в активный фильтр с коэффициентом передачи около 27 дБ.

Элементы коррекции R16, С4, С6 —С11 обеспечивают устойчивость усилителя и выравнивают его АЧХ. Пассивный фильтр низких частот R2C1 предотвращает попадание на вход радиочастотных сигналов. Цепочка C12R45L1R47 компенсирует реактивную составляющую сопротивления нагрузки. На транзисторах VT12 и VT13 собран узел защиты выходных транзисторов от перегрузок по току и напряжению. Резистор R1 позволяет при необходимости ограничить выходную мощность в соответствии с уровнем сигнала от предварительного усилителя и возможностями применяемого громкоговорителя.

Усилитель смонтирован на печатной плате (рис. 3) размерами 142X72 мм, изготовленной из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Со стороны деталей (рис. 4) фольга оставлена в виде сплошного «земляного» поля. Вокруг отверстий для выводов деталей в радиусе 1,5...2,5 мм фольга удалена.
Вне платы размещены предохранители FU1—FU3, транзисторы VT16, VT17, которые закреплены на тепло-отводах площадью не менее 1000 см2, и диод VD4. Кроме того, резистор R1 можно ащрепить на передней панели, с тем чтобы была возможность оперативной регулировки максимальной выходной мощности.

Помимо указанных на схеме в усилителе можно использовать и другие маломощные высокочастотные кремниевые транзисторы, например КТ342А, КТ342Б и КТ313Б, КТ315 и КТ361 (с индексами от В до Е). Транзисторы VT14 и VT15 (возможная замена —КТ816В, КТ816Г и КТ817В, КТ817Г или КТ626В и КТ904А) снабжены ребристыми теплоотводами размерами 23Х Х25Х12 мм. В качестве выходных можно применить транзисторы КТ818ГМ и КТ819ГМ, которые позволяют при повышении напряжения питания (см. рис. 1) получать мощности свыше 70 Вт.

Стабилитрон VD1 может быть также Д816Г или 2С536А, VD2, VD3 —КС147А (при соответствующей коррекции сопротивлений резисторов R11 и R14).

В качестве подстроечных использованы резисторы типа СП5-3. Резисторы R39, R40, R46, R47 изготовлены из высокоомного провода диаметром 0,8 мм, резисторы R35, R38, R45, R47 — МОИ, остальные — МЛТ. Дроссель L1 намотан на резисторе R47 проводом ПЭВ-2 0,8 в один ряд до заполнения корпуса резистора. Конденсатор С2 —ЭТО или К50-6, С5 —К50-6, остальные — КМ.

Налаживание усилителя сводится к следующему. Сначала, не подключая мощных транзисторов, к выходу усилителя подсоединяют эквивалент нагрузки и, плавно увеличивая напряжение питания, по отсутствию бросков потребляемого тока или значительному падению напряжения на нагрузке убеждаются в правильности монтажа. После этого подключают выходные транзисторы и резистором R18 устанавливают на выходе напряжение, близкое к нулю (не более 10 мВ), а резистором R24 — ток покоя на уровне 15...25 мА.

В заключение отметим, что применение в данном усилителе сравнительно большого числа транзисторов компенсируется его технологичностью. Использованные схемные решения, наличие местных ООС обеспечивают получение высоких характеристик и их хорошую воспроизводимость без тщательной наладки. При этом практически не требуется предварительного отбора транзисторов. Благодаря оптимальному использованию напряжения питания и малому току покоя усилитель экономичен. А возможность получения широкого диапазона максимальных выходных мощностей на нагрузках от 4 до 15 Ом за счет изменения напряжения питания (при этом дополнительно может понадобиться подбор резисторов R21 и R25 с тем, чтобы токи через них были в пределах 10...20 мА) обеспечивает универсальность применения данного усилителя.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ