Сверхлинейный УМЗЧ КТ-21

Данная статья устарела, актуальная статья и ПП находится здесь

Предисловие

В этой статье хочу рассказать тебе о своей последней разработке —  усилитель мощности для домашней высококачественной системы звуковоспроизведения.

Думаю многие из тех, кто читает эту статью, имеют немалый запас отечественных транзисторов, накопившихся за долгие годы увлечения электроникой. За более чем пятьдесят лет наша промышленность изготовила их ещё на сто лет вперед. И мне кажется, их можно достать за сущие копейки, а часто просто даром, в любом уголке нашей необъятной родины, в любой стране на территории бывшего СССР. Все эти детали производятся по сей день и свободно продаются.
Таким образом, проблема доступа к комплектующим для сборки этого усилителя, мне кажется, была решена полностью. 

Именно стремление сделать сверхлинейный усилитель максимально доступным и дешевым привело к тому, что было решено разработать его на базе отечественных полупроводников, которых скопилось большое множество, и часто они либо лежат неиспользуемые, либо даже отправляются в утиль/на переработку. 

Идея

Главным требованием к усилителю была доступность, распространенность и дешевизна комплектующих и их аналогов, а так же высокие итоговые параметры, надежность и стабильность.
Была поставлена задача не то чтобы достичь, но и превзойти параметры многих популярных усилителей, построенных на современной элементной базе и мощных, относительно дорогих, высокочастотных транзисторах в выходном каскаде.

И в этом усилителе мне это удалось.

Каким образом были достигнуты хорошие параметры от столь не новых транзисторов?
Все дело в глубокой ООС, которой охвачен этот усилитель, ведь сказки и мифы о пагубности её влияния вызваны исключительно не умением грамотно распорядиться разомкнутым усилением УМЗЧ и коррекцией по Миллеру, способной запороть даже потенциально хороший усилитель . Благодаря оптимальной коррекции, тщательно просчитанной с помощью SPICE моделирования в программе MicroCap, было получено широкополосную глубокую общую ООС, глубина которой на границе звукового диапазона (20кГц) составляет не менее 84дБ, а на частоте ниже первого полюса не менее 120дБ, что является очень хорошим результатом. Частота единичного усиления в петле обратной связи (что означает частоту до которой работает ООС) составляет 5МГц, при запасе устойчивости не менее 65°, что позволяет утверждать о абсолютной устойчивости этого усилителя. 

Как следствие имеем минимальный КНИ, ИМИ и динамические искажения на всем диапазоне звуковых частот, совместив эти достоинства с абсолютной устойчивостью и надежностью. 

Принципиальная схема

Принципиальная схема условно имеет 2 варианта: один полностью на отечественных комплектующих, рассчитанный на питание не более(!) чем стабилизированные +- 25В, а так же второй, который предполагает замену всех транзисторов кт3102/3107 на более высоковольтные импортные 2N5551/2N5401, что позволило увеличить питание усилителя до +-30В (полный список изменений для питания +-30В отмечен на схеме в скобках). 

Входной каскад представляет собой дифференциальный каскад со слежением, выполненный на транзисторах VT4,VT8 и нагруженный на каскод на VT3,VT7, который в свою очередь нагруженный на токовое зеркало выполненное на транзисторах VT2,VT6. На транзисторе VT5 реализован источник тока в "хвосте" диф.каскада, а на транзисторе VT1 реализовано слежение. Такая структура диф.каскада дала возможность получить максимальную широкополосность и высокое усиление разомкнутого усилителя.

Каскад усиления напряжения имеет перед собой повторитель реализованный на транзисторе VT9, что позволяет добиться более полного использования преимуществ полученных в диф.каскаде, бОльшего усиления разомкнутой системы, и усилитель напряжения по схеме с ОЭ на транзисторе VT11, нагруженный на источник тока выполненный на транзисторе VT13. На светодиоде отмеченному на схеме как HL1 выполнен сброс усиления при заходе усилителя в клип, таким образом смягчается вход и выход из ограничения.

Коррекция усилителя выполнена на элементах С9, С11, C12, R14, L1.  

На транзисторе VT12 и резисторах R18-R20 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...30В;
• Полоса пропускания -3db: 1.5Гц - 300кГц*;
• Выходная мощность: 30(80)Вт (При стабилизированном напряжении питания +-20 и +-30В соответственно, на 4Ом);
• Скорость нарастания выходного сигнала: 60В/мкС;
• Глубина обратной связи: 120дБ/1кГц, 84дБ/20кГц*;
• Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 2 Ом...16 Ом;
• Допустима работа в мостовом включении при нагрузке не менее 4 Ом*.

Коэффициент нелинейных искажений (10 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.00002%*;
• На частоте 20кГц: 0.00015%*.

Коэффициент нелинейных искажений (100 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.00006%*;
• На частоте 20кГц: 0.0012%*.

Коэффициент интермодуляционных искажений (19+20кГц):

• 10 Вт 4 Ом: 0.00006%*;
• 100 Вт 4 Ом: 0.001%*.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи: 

Тут можно увидеть указанные выше глубину ООС на частоте 20кГц (84дБ), а так же запас устойчивости 65°, что свидетельствует о высокой линейности системы во всём звуковом диапазоне, и полной устойчивости.   

ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы:

На данном графике можно увидеть ровную ЛАЧХ и ЛФЧХ на всем звуковом диапазоне, а так же отсутствие каких либо выбросов или всплесков.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 20кГц, синусоида на номинальной мощности и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 20кГц:

Синусоида, номинальная мощность, частота 1кГц:

Синусоида, ограничение, частота 1кГц:

Элементы

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. Очень удобно для этого использовать тестер типа MG328a;

Проверять необходимо как б/у так и новые компоненты в обязательном порядке. Одним из достоинств применения в этом усилителе отечественных транзисторов — это абсолютное отсутствие подделок, а значит и рисков связанных с этим. 

Резисторы

Резисторы R33-R35 необходимо применить мощностью не менее 2 Вт, использование т.н. "цементных" резисторов допустимо, но лучше применять металлопленочные;
Остальные резисторы металлопленочные или углеродистые, использование резисторов имеющих индуктивность запрещёно;
Резистор R37 необходим мощностью 1-2Вт, на печатной плате он набран из 4х резисторов 33 Ом типоразмера 1206, хорошим решением будет установить на каждое посадочное место 2 резистора 68 Ом 1206 ребром. Таким образом набрав необходимое сопротивление из 8шт резисторов 68 Ом 1206;
Резисторы R4,R8 мощностью 0,5 Вт, номиналом 1кОм для питания не более +-25В, 1.5-2кОм при питании от +-25В до +-30В. На плате применены СМД типоразмера 1210, при отсутствие резистора такого типоразмера допустимо запаять 2 резистора 1206 в 2 раза большего номинала в параллель; 
Остальные резисторы 0.25 Вт.

Конденсаторы

Конденсаторы С1,С2,С3,С7,С8,С18,С20 электролитические полярные, использовать на указанное в схеме напряжение или выше. Установка конденсаторов на более низкое напряжение недопустима;

Конденсаторы С5,С6,С10,С13,С14,С15,С16,С17,С19 допустимо использовать пленочные или керамические. На плате использована керамика 1206 типа X5R или NP0 50V;

Конденсаторы С4,C9,C11,C12 допустимо использовать слюду или керамику 1206 типа X5R или NP0 50V, номиналы этих элементов должны быть СТРОГО соблюдены, в случае отсутствия номинала допустимо спаривания нескольких элементов последовательно или параллельно для получения нужной ёмкости.

Индуктивность

Индуктивность L1 номиналом 330мкГ, на плате использована индуктивность в SMD корпусе СD32, так же можно использовать аксиальный дроссель по типу указанного на фото.

Диоды, светодиоды и стабилитроны

Диоды VD1,VD2 типа 1N4148 или аналогичные;
Диоды VD4,VD5 выпрямительные, типа 1N4007;

Стабилитрон VD3 на напряжение 9.1 В мощностью 0,5 Вт, типа BZV55C9V1;

Светодиод HL1 обычный красный 5мм, с напряжением падения 1,8-2В (лучше выбирать с более низким).

Транзисторы

КТ315/361

В маломощных цепях усилителя применены транзисторы КТ315 и КТ361, при выборе транзисторов необходимо обратить внимание на буквенные индексы указанные на схеме, те транзисторы для которых буква не указана- допустимо применять с любой буквой. Перед установкой их в плату обязательно необходимо убедиться в их работоспособности.

На фото показано как определить тип транзистора КТ315/361 и распиновка его выводов.

КТ3102/3107 (2N5551/2N5401)

В маломощных цепях усилителя, которые находятся под напряжением выше допустимого для КТ315/361 применены транзисторы КТ3102/3107А, это будет хорошим вариантом при питании в диапазоне от +-15 до +-23В, напряжение +-25В является максимально допустимым, потому возможно установить его только при стабилизированном питании. Они были установлены исходя из идеологии усилителя, но я рекомендую применение вместо них 2N5551/5401, то есть изготовить сразу вариант схемы для питания на +-35В, все необходимые изменения на схеме для такого питания отмечены в скобках.
Рассмотрим расположение выводов КТ3102 и 2N5551, они расположены зеркально, потому плата имеет универсальную шелкографию на которой подписано расположение выводов, следует быть внимательным при установке.

КТ814/КТ815.

В цепи смещения и термостабилизации, а также в предвыходном каскаде применены транзисторы КТ814/815, так же они имеют прямой аналог среди импортных транзисторов, пару BD139/BD140;

Транзистор VT12 может быть установлен с любым буквенным индексом.

Транзисторы VT16, VT17 Для питания +-25В могут быть установлены с буквой В, для питания выше необходима установка транзисторов с индексом Г. 

Расположение выводов транзисторов КТ814/КТ815:

КТ818/КТ819.

В выходном каскаде применено две пары мощных транзисторов КТ818/819. Они имеют широкую ОБР и отличаются высокой надежностью. 

Для питания +-25В они могут быть установлены с буквой В, для питания выше необходима установка транзисторов с индексом Г. 
Для работы на нагрузку 8 Ом и выше можно применять одну пару выходных транзисторов.

Параметры транзисторов КТ818/КТ819:

Расположение выводов транзисторов КТ818/КТ819:

Прямых вариантов замены с совпадением распиновки не существует, либо мне неизвестны. Для версии с питанием +-25 и нагрузкой не менее 4 Ом можно применить транзисторы BD441/BD442 с совпадением распиновки.
 

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит 2 перемычки. В 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 100мм*78мм. Все провода подключаются с помощью клемм на 2 полюса, с шагом 5мм.

На печатной плате так же заложен вход и резистор R_br (10k) предназначенный для работы в мостовом режиме, он не показан на схеме.

Вид платы в редакторе:

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;
• 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, VT16 - VT21 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 не менее 1500см^2 при пассивном охлаждении;
• Желателен подбор транзисторов VT4 c VT8 и VT2 c VT6 по параметру h21э;
• В качестве подстроечного резистора R19 необходимо использовать многооборотный резистор типа 3296W, при установке его в плату, его сопротивление должно быть максимально.

Схема подключения

Стандартная схема подключения:

Мостовая схема подключения*:

*-Мостовая схема включения в железе не проверена

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 (в случае ориентирования на фото собранного мной устройства, следует учесть что в нем транзисторы КТ3102/КТ3107 заменены на 2N5551/2N5401 которые имеют зеркальную распиновку). 

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 10мВ. 

Если все в порядке можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R19 добиться падения напряжения между эмиттерами VT18, VT19 в диапазоне от 10мВ, до 20мВ, что будет соответствовать суммарному току покоя от 50мА 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 настоятельно 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:

• Sprint-Layout
• УНЧ