Усилитель мощности "Weltraum" [2020]

Предисловие.

Моим хобби давно является проектирование усилителей, эта тема меня увлекла ещё с детства, но собирать чужие разработки мне никогда не было интересно, с самого начала своего радиолюбительского пути я старался создавать что либо своё, таким образом обучаясь и приобретая полезный опыт, попутно осваивая теорию. Сейчас благодаря системам SPICE моделирования можно не затрачивая большого количества времени проверять свои самые разные идеи, а наиболее интересные из них реализовывать на практике.  
Как возникла идея создать этот усилитель? Просто захотелось собрать для себя качественный домашний УМЗЧ используя все свои теоретические наработки, к которым я приходил в результате создания различных концепций усилителей путем моделирования в MicroCap. Данный усилитель это лучшая, на данный момент, спроектированная мной система, которая в симуляции показала отличные характеристики и абсолютную устойчивость, при умеренной сложности. Было решено собирать в железе и проверить идею на практике, тем самым на подтвердить работоспособность своей задумки и заодно получить качественный усилитель для личного использования.  

Идея

Прежде всего при разработке схемы была поставлена задача получения наибольшего петлевого усиления системы, и наибольшей эффективной площади работы ООС, как следствие получения малого КНИ и ИМИ, на всем диапазоне звуковых частот, при абсолютной устойчивости и надежности, а так же без существенного усложнения устройства.

При разработке печатной платы, были поставлены задачи получить компактное устройство на SMD компонентах типоразмеров 1206 и 0805, с минимумом выводных деталей.

Принципиальная схема

Схема основана на классической трехкаскадной топологии Лина.

Входной каскад представляет собой дифференциальный каскад на транзисторах VT2, VT6 с источником тока на транзисторах VT3, VT4, нагруженный на токовоё зеркало, выполненное на транзисторах VT1, VT5. 

Каскад усиления напряжения так же выполнен в виде дифференциального каскада на транзисторах VT8, VT10, с источником тока на VT7. Нагрузкой диф.каскада служит токовое зеркало на транзисторах VT9, VT11. Решение применить дифференциальный каскад вместо обычного каскада с ОЭ продиктовано бОльшим входным сопротивлением дифференциального каскада, что увеличивает петлевое усиление системы, а так же бОльшей полосой пропускания, что в свою очередь позволяет добиться глубокой ООС на всём звуковом диапазоне.

Коррекция выполнена на элементах С7, С10,C20, R12, R37. Петлевое усиление системы достигает 115дБ, с полюсом на частоте около 4кГц, и снижается до 84дБ, на частоте 20кГц, что является очень хорошим результатом.

На диодах VD4-VD7 реализовано источники опорного напряжения для плеч ДК.

На транзисторе VT12 и резисторах R16-R18 выполнена схема смещения выходного каскада.

Выходной каскад представляет собой классическую тройку эмиттерных повторителей. Применение тройки, а не классической двойки, позволило значительно снизить нагрузку на каскад усиления напряжения и как следствие снизить влияние нагрузки на характеристики УМЗЧ. 

Технические характеристики.

За неимением качественного измерительного оборудования, некоторые характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы, они будут отмечены звёздочкой *.

• Напряжение питания: +-15В...+-50В;
• Полоса пропускания -3db: 0.5Гц - 350кГц*;
• Выходная мощность: 100Вт (При напряжении питания +-35В, на 4Ом);

Коэффициент нелинейных искажений (100 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.00005%*;
• На частоте 10кГц: 0.0002%*;
• На частоте 20кГц: 0.0006%*;

Коэффициент интермодуляционных искажений (100 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.0002%*;
• На частоте 10кГц: 0.001%*;
• На частоте 20кГц: 0.003%*;

Частотные характеристики.

ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы: 

Тут можно увидеть петлевое усиление до первого полюса (115дБ), частоту первого полюса 4кГц (-3дБ), а так же петлевое усиление на граничной частоте звукового диапазона 20кГц (84дБ), что свидетельствует о высокой линейности системы во всём звуковом диапазоне.   

ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы:

Отсутствие выбросов на ЛАЧХ замкнутой системы, так же дополнительно свидетельствует об устойчивости.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 1кГц, синусоида на номинальной мощности и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 1кГц:

Меандр, частота 10кГц:

Меандр, частота 20кГц:



Синусоида, номинальная мощность, частота 1кГц:

Синусоида, ограничение, частота 1кГц:

Рекомендации по сборке.

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

• Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
• Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
• Не рекомендуется применять проволочные резисторы;
• Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
• Конденсаторы С5, С11 могут быть любого типа, соответствующего номинала, в авторской печатной плате использованы керамические конденсаторы 10мкФ 35в Х5R типоразмера 1206;
• Допускается применение только тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
• Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
• Транзисторы VT12, VT17, VT18 должны быть установлены на один теплоотвод через теплопроводящие изоляторы, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором каждого из этих транзисторов;
• Рекомендуемая площадь радиатора для выходных транзисторов 1000-1500см^2;
• Работа транзисторов VT15, VT16 допускается без радиатора, при желании можно установить на них небольшие теплоотводы;
• Подбор транзисторов при использовании авторской печатной платы с применением smd компонентов из одной партии, сводится к подбору только транзисторов VT8, VT10 установленных в корпусе ТО-92;
• В качестве подстроечного резистора R18 необходимо использовать многооборотные резисторы типа 3296W, при установке его в плату, его сопротивление должно быть максимально.

Печатная плата.

Плата усилителя выполнена условно односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит 2 перемычки. В исходнике и, соответственно, гербере они выполнены на верхнем слое меди, потому при изготовлении платы на заводе перемычки впаивать не нужно. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.

Габариты платы составили 90мм*68мм. Все провода подключаются с помощью клемм на 2 полюса, с шагом 5мм.

Вид платы в редакторе:

Фото платы:

Схема подключения:

Фото собранного устройства:

Первый запуск и настройка усилителя.

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно( направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентация в пространстве. 

Если все в порядке, можно подключать блок питания, первый запуск следует проводить включив лампу накаливания последовательно первичной обмотке трансформатора. При включении лампа должна кратковременно загореться и потухнуть.

Далее следует замерить постоянное напряжение на выходе усилителя, оно должно быть не более 30мВ. В собранном мной усилителе постоянная составляющая на выходе составила 2-3мВ. 

Если все в порядке можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R18 добиться падения напряжения между эмитерами VT17, VT18 в диапазоне от 4мВ, до 20мВ, что будет соответствовать току покоя от 20мА до 100мА, дальнейшее повышение тока покоя не имеет смысла.

Далее можно подключить АС и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно убрать лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием. Усилитель рекомендую использовать совместно с релейной защитой АС.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Аудио
• Sprint-Layout