ПалНик - рекомендации по сборке

Сразу оговорюсь, автор схемы - Алексей Корольков, я к ней не имею никакого отношения. Я всего лишь  хочу суммировать все Ваши вопросы по данной схеме и дать на них исчерпывающие ответы,  которые,  я уверен,  помогут  Вам собрать этот усилитель.

Если Вы после сборки  таких усилителей, как Ланзар, Холтон, ОМ, начинаете присматриваться к Д-классу, то этот усилитель как  раз для первого ознакомления  с Д-классом.
ПалНик обладает довольно неплохими характеристиками, несложной схемой и не требует никаких настроек. Если все собрано верно - ПалНик заводится сразу.

Схема усилителя

Простые примеры объясняющие работу схемы

На нижнем рисунке, роль компаратора выполняет транзистор, он сравнивает напряжения – входное и выходное. ( выходное напряжение поделено делителем R2, R3, этим делителем мы задаём коэффициент усиления).

Транзистор сравнивает входное и выходное напряжения. На коллекторе транзистора появляется результат сравнения, в виде импульсов рис2. График V(1). Импульсы управляют драйвером, на выходе ключей появляется ШИМ, график V(8), на выходе фильтра напряжение, подобное входному. Если напряжение на выходе отличается по форме от входного, то эта разница появляется на переходе БЭ входного транзистора, и он даёт импульсы соответствующей полярности.

На рисунке ниже то же самое, только один транзистор заменён дифференциальным каскадом.
Один транзистор даёт ошибку 0.5 – смещение БЭ, то есть форма входного и выходного напряжения будут отличаться на 0.5В. Дифференциальный усилитель или входной каскад, найдёте в поиске. Транзистор Q3, найдёте по ключевому слову “каскод….. каскодное включение”.

Графики напряжения на затворах VGS(M1), VGS(M2):

Выходная мощность усилителя зависит от напряжения питания УМ. Максимальное напряжение питания зависит от выходных транзисторов, при применении 100-Вольтовых (ключей) транзисторов (пример: IRF540) на выходе усилителя, питание нельзя поднимать выше +-45В, при 150-Вольтовых ключах нельзя поднимать выше +-65В, при 200сот Вольтовых ключах нельзя поднимать выше +-85В, при 250-Вольтовых ключах нельзя поднимать выше +-110В. Максимальное напряжение для IR2184   +-300В.

При +-85В получаем 800Вт на 4Ома. Если нужно меньше, то нужно уменьшить напряжение питания УМ в соответствии с таблицей (ниже). Таблица для двухсотвольтовых ключей, корпус ТО-220!

Также при выборе выходных транзисторов следует обратить внимание на максимальный рабочий ток транзистора.  Пример: напряжение питания усилителя +-85В, сопротивление нагрузки 4 Ома, тогда 85/4=22, 22+20%=26, т.е. выходные транзисторы должны быть рассчитаны на ток 26 Ампер при 100гр. Цельсия. Под эти требования подходят транзисторы, например: IRFB42N20 (200В, 30А), IRFB4227 (200В, 46А).

Следует обратить внимание на емкость затвора выходных транзисторов. Чем меньше емкость затвора, тем легче управляющей микросхеме (ШИМ-ке) IR управлять транзисторами, тем, естественно, больше можно поднять несущую частоту, но, как правило, меньший рабочий ток у таких транзисторов.

Еще один немаловажный параметр при выборе выходных транзисторов – это сопротивление открытого канала Rdc on. Чем меньше Rdc on, тем меньше будет греться усилитель. Если сравнивать тот же IRFB42N20  Rdc on = 55мОм (милиОм) и IRFB4227 Rdc on =  26мОм, то вторые (4227) будут греться меньше. Но не стоит забывать о потерях в транзисторах при работе на нагрузку.

Потери в транзисторах двух видов: статические и динамические.
Статические - это потери на открытом канале вследствие наличия некоего сопротивления канала в открытом состоянии Rds(on). Чем больше это сопротивление - тем больше потери в статическом режиме.
Динамические - это потери, обусловленные тормознутостью выбранного транзистора, вследствие большого времени Td(on), Td(off), высокой емкости затвора и заряда. Эти потери растут с ростом частоты и перечисленных характеристик.

В итоге оба вида потерь суммируются. При подходе к расчету и выбору транзистора следует помнить: при производстве невозможно добиться идеальных параметров (минимального Rds(on) при низкой емкости затвора и "шустрым" временем открытия и закрытия). Поэтому мы имеем либо низкий Rds(on) и большой ток, Но тормознутые скоростные параметры, либо шустрый транзистор и большой Rds(on), следовательно,  меньший ток. Например, взять 2 ключа, 42н20 (200-Вольтовый) и 23н15 (150-Вольтовый): первый мощнее в разы, но при повышении частоты выше 250кГц начинают сказываться динамические потери (греется даже в холостом ходу), а 23н15 имея сопротивление канала вдвое больше, не греются при 400кГц.

Тут следует балансировать и выбирать оптимум, идеальных решений нет. Найти компромисс иногда трудно, но выбор ключей сейчас  достаточный.

Следует отметить, что передача тепла от фланца транзистора к радиатору зависит от корпуса транзистора. Корпус ТО-247 отдает тепло на радиатор быстрее, чем транзистор в корпусе ТО-220.

Все эти параметры можно узнать, скачав даташит на нужные транзисторы или из таблиц

Варианты замены деталей

В затворах используются любые быстрые диоды не медленнее 50ns, напряжение не менее 20В, continuous forward current 0.5...1А. Из серий SF, HER, MUR, например, HER207, UF5408. Можно поставить Шоттки 1N5817-5819. VD4 любой не менее 200В, 50ns, continuous forward current 0.5...1А. Можно тот же HER207.
Если нет стабилитронов на 13В, можно поставить на 12В.

На схеме и печатной плате установлен параметрический стабилизатор для питания IR2184 на транзисторе MJE13007. Этот транзистор можно заменить на TIP41, TIP122 или наш КТ817Г(815Г) Цоколевка зеркальная!  Ток потребления IR2184 (частота квантования 200кГц) около 50мА.
IR2184 можно заменить на IR2104 – Цоколевка другая!  Драйвер чахлый – менять не советую.

Дроссель

Для расчета дросселя есть программы, которые легко можно найти в сети. Самая распространенная программа под названием Drossel 3000 и DrosselRing 2100 - Владимира ака (Starichok), которые можно скачать здесь. В этих программах, в базе уже есть куча самых основных импортных и наших отечественных сердечников.

Выбирается из базы имеющийся  магнитопровод. (в моем случае это ТПИ).
Для усилителей Д-класса устанавливается галка в строке "Дроссель другого применения".  Вводятся исходные данные:
1 Индуктивность дросселя 100мкГн.
2 Напряжение между плечами БП - 100В.
3 Напряжение одного плеча питания - 50В.
4 Номинальный ток в нагрузке: напряжение питания плеча,  деленное на сопротивление нагрузки - 50/4 = 12А
5 Частота, для "ПалНика"  150-200кГц, частота устанавливается конденсатором С11. При увеличении емкости С11 частота квантования (несущая) уменьшается, при уменьшении емкости – частота увеличивается.  У этой топологии больше 180-220кГц квантования, суммарные искажения начинаются увеличиваться.
6 Плотность тока устанавливаем 10А/мм2 (для звука можно и более, до 15А/мм2)
7Диаметр имеющегося в наличии провода, например: 0.8мм.  Для больших частот лучше намотать 12жил проводом 0.35, чем 1жилу проводом 1мм.
8 Ставим такой зазор, чтобы программа при расчете не ругалась (чуть больше требуемого  3,099мм) - 3.5мм

Расчетные данные:
9 Зазор - 3.5мм
10 Кол-во витков в дросселе - 29
11 Диаметр провода и кол-во жил - 0.8мм * 3 жилы
Здесь тема по дросселям Д-класса, там можно прочитать много полезного.

Печатных плат есть несколько видов:

От Peregar  на СМД компонентах.

Есть печатная плата и с защитой от КЗ в нагрузке, переделанная  под обычные (выводные) детали с перестановкой пленочных или керамических конденсаторов по питанию, ближе к выходным транзисторам  для лучшей стабильности. Также заменен токовый резистор 0.04 Ома на несколько соединенных резисторов  в параллель.

Т.к. защита работает от падения напряжения на токовом резисторе, то чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше ток сработки защиты и наоборот.  Номинал токового резистора зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки. Настроить можно путем подбора этого резистора при работе усилителя на АС. Сначала впаиваем три резистора 0.1 Ом*2Вт, если при работе на максимальной громкости слышен громкий треск в АС (результат подработки защиты), то добавляем еще один резистор 0.22 Ом*2Вт. Далее снова слушаем. Если пощелкивания остались, добавляем еще один резистор.

Или рассчитать: транзисторы открываются при БЭ 0,6-0,8В, нужно подобрать резисторы шунта так, чтобы падение на необходимом нам токе было в этих пределах. Мы знаем мощность, напряжение и нагрузку, найдем ток в цепи (к примеру 800Вт 4 Ом) 800Вт это 55В действующего на выходе, тогда I=55\4=14А. Зная этот ток, можем найти падение на шунте U=I*R => R=U\I=0,6В/14А=0,04Ом. Делаем поправку, чтобы не срабатывала защита на пиках - 0,02-0,03Ом. Мощность шунта - ток на падение = 14А*0,6=8,4Вт.

Если Вы собрали плату с защитой, а нужно временно проверить работу УМ без защиты, то  транзисторы Т9, Т10 не запаиваются.

Есть плата разведенная Александром  Лысенко (superamplifaer),  здесь IR2184S в СМД корпусе и на выходе IRF540N. Автор платы советует снимать с нее не более 200Вт. Напомню, что для IRF540 питание усилителя не должно превышать +-45В.

Есть плата Дмитрия (Dimonis) c боковым расположением выходных транзисторов перпендикулярно плате. Также на плате есть предусилитель + ФНЧ на ОУ. ШИМ и ОУ в СМД. Плата двухсторонняя! В архиве схема, ПП, фото собранной платы.

Плата Максима Владимировича (Максим_Владимирович) Здесь тоже есть предусилитель + ФНЧ. Есть защита от КЗ в нагрузке. Выходные транзисторы в корпусе ТО-247. На плате установлен стабилизатор 7812 для питания IR2184S, питание осуществляется дополнительным источником на 15В. ШИМ и ОУ в корпусах СМД. Плата двухсторонняя! В архиве схема, ПП, фото собранной платы.

Более ранняя плата Максима Владимировича (Максим_Владимирович) Здесь ШИМ в корпусе  СМД, выходные транзисторы в ТО-247. На плате встроена защита от постоянного напряжения на реле.

Разработка  Дмитрия (Dimonis) ПалНик 311.  Гибрид – модификация ПалНика т.к. драйвер IR2184 применяется только в нем. 

Вместо транзисторного усилителя на входе – компаратор, усиление у него больше, соответственно глубже обратная связь, позволяет снизить искажения, по сравнению с комбинированной обратной связью, как в ПалНике, искажения уменьшились раза в три. Но, включив ОС  UcD 2-nd, удалось еще снизить около 2 раз, особенно  на малом уровне сигнала.

В отличие от ПалНика генерация начинается без сигнала. Частота около 160кГц, выше – искажения растут, сказывается дедтайм 2184 , а ниже если делать – размер дросселя вырастет.

Диапазон по уровню -3дБ  до 20кГц , UcD выравнивает  характеристику фильтра  Выходные транзисторы c боковым расположением перпендикулярно плате. ШИМ и компаратор в корпусе СМД. Светодиод Led1 информирует о начале генерации.  В архиве схема, ПП, фото  готовой платы.

Все ПП нарисованы со стороны деталей. Зеркалить не нужно!

Сборка усилителя

Перед впаиванием каждая деталь должна быть проверена на исправность, измерено сопротивление резисторов во избежание ошибки в номинале. Транзисторы проверены прозвонкой тестером и т.д. Искать ошибки на собранной плате будет гораздо сложнее, так что лучше не торопится и все проверить.  Перемычки делать изолированными проводами.

Выходные транзисторы установить на общий радиатор через керамические или слюдяные прокладки с использованием теплопроводной пасты.  После установки транзисторов на радиатор следует прозвонить  средние ножки  на отсутствие к.з. с радиатором. Т.к. на коллекторе параметрического стабилизатора масса, то его можно не изолировать от радиатора.

Т.к. на плате усилителя большие емкости не влезут, провода питания следует делать как можно короче, сечение не менее 1.5 см2, лучше 2.5 см2
Первый запуск усилителя проводить с лампой 220В*60-100Вт последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора и с токоограничительными резисторами в плечах питания усилителя (От 50 до 100 Ом*5Вт в каждом плече), тогда шанс спалить, что-то сильно уменьшается. Во время первого запуска усилителя проверяют 13В на 5 ноге IR2184 ( Относительно минусового плеча питания УМ). Проверяют отсутствие постоянного напряжения на выводах для подключения АС ( Допустимый уровень постоянного напряжения +- 0.2 - 0.3В ). После подключаем АС и подаем звук на вход УМ. Мощность при этом будет мала, т.к установлены токоограничительные резисторы. Тут самое главное - услышать в АС усиленный сигнал. Токоограничительные резисторы могут нагреется – это нормально. Если со звуком все в порядке, убираем токоограничительные резисторы, лампу с первички.

Полезная информация

Самовозбуждение усилителя: косвенно определяется по разогреву резистора в цепи Цобеля - R19.  Можно попробовать заземлить радиатор на банках БП или на входе земли в ПП усилителя мощности. Можно немного увеличить конденсатор С15 до 470пФ.

Усилитель позиционируется как сабвуферный, но и на ШП у него вполне неплохие хар-ки.   Входное сопротивление усилителя 10кОм.
На каждое плечо питания усилителя в БП нужно поставить по предохранителю. Ток зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Частота у ПалНика 150...250кГц, зависит от транзисторов, топологии, и немного от дросселя.
Чувствительность у ПалНика около 4-7В (зависит от питания), уровень выхода звуковой карты компьютера или DVD не хватит, так чтобы раскачать УМ на максимум, нужно будет ставить предусилитель с КУ=4-7. 

КПД усилителя более 90% зависит от выходных транзисторов (ключей), дросселя.

Осциллограммы. Первая до дросселя, в месте соединения сток – исток выходных транзисторов. Вторая после дросселя. Осциллограф:  Rвх=10МОм, C<15pF. Шкалы деления, 20В в первом случае, во втором случае 5В, по времени 5мкс.

Остаток несущей частоты на выходе в 1-1.5 Вольта – норма.  Для того, чтобы усилитель запустился (началась генерация несущей частоты), нужно подать сигнал на вход.

Есть такое "свойство" у этого усилителя: при работе на больших мощностях в клипе, в высокочастотных динамиках появляется высокочастотный шум – это связано с тем, что у усилителей с подобной схемотехникой (самоосциляция) в клипе несущая частота падает, вплоть до звуковой.

Но ведь режим работы усилителя в клиппе – это ненормальный режим. Для нормальной работы этого усилителя на широкую полосу нужен лимитер, который будет ограничивать амплитуду на выходе и не давать усилителю «входить» в клип.

Защита от постоянного напряжения на выходе усилителя

Для того, чтобы при аварии в усилителе не сжечь дорогостоящие АС,  усилителю нужна защита от постоянного напряжения на выходе.  Если при питании усилителя от +-50 – 60В еще можно применять реле с большим током контактов, то при питании усилителя +-80В уже крайне не рекомендуется применять релейную защиту. При аварии в усилителе, когда напряжение одного плеча питания пойдет на выход, при отключении релейной защитой АС, в реле может возникнуть дуга между контактами, которая сплавит их вместе.

Напряжение через сплавленные контакты пойдет в АС, которые сгорят в течение нескольких секунд при таком напряжении.

При питании усилителя большими напряжениями можно применить симисторную защиту от усилителей QSC.

При появлении постоянного напряжения на выходе УМ, симистор закоротит выход усилителя на массу, сгорит предохранитель и обезопасит АС от постоянного напряжения.

Важно! Для усилителя с защитой от КЗ в нагрузке не подключать минусовой провод выхода АС платы усилителя на массу защиты, а вести его сразу на разъем для подключения АС. Массу защиты брать со средней точки (общий) блока питания. См. схему выше.

Фото собранного платы, собирал Евгений (Dermengy)

Платы моей сборки:

Фото собранной платы на ПП Дмитрия (Dimonis), собирал автор платы

Фото  платы по ПП Максима Владимировича (Максим_Владимирович)

Фото собранной платы ПалНик 311 на ПП Дмитрия (Dimonis), собирал автор платы.

Скачать файлы к статье

Тема с обсуждением на форуме

Автор: Юрий Кузьменко (zuboka)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout
• Micro-Cap