Усилитель класса ЭА

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 [1], 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) [1], 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 +/-35В 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 +/-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, с плавным уменьшением амплитуды от 200кГц до 1мГц (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 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. 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.-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. Диапазон питающих напряжений - от +/- 15 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 [1] (рис.8). Он 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. 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 +/-30В, 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…10мА, 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 0,55В 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 (рис. 11) 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”. www.triangle-fr.com.

Литература:
[1] Ю.Митрофанов. ЭА в УМЗЧ. Радио №5,1986 г. Лайков А. В. г. Астрахань , 2010г.
[2] Г. Брагин. УМЗЧ. Радио №12,1990 г. alexandr.laykov@rambler.ru

В заключение хотелось бы выразить признательность участникам форума cxem.net особенно tsf54, 240151, Витёк, inol, pit55, genius XZ, spiridonoff за помощь и поддержку.

Ниже вы можете скачать печатные платы в формате LAY и DOC

Обсуждение схемы на аудиофоруме

Автор: Лайков А. В (alexandr.laykov@rambler.ru)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout