Сверхлинейный УМЗЧ КТ-21 import [Часть 2]

Идея

К написанию второй части статьи по усилителю "КТ-21" меня сподвигла статистика по сборке его другими людьми (первая часть здесь). Основное количество радиолюбителей, собравших данный усилитель, применяли импортные транзисторы как более доступные и современные. В связи с этим схема была оптимизирована под импортную элементную базу и разработана новая, компактная и простая в домашнем изготовлении односторонняя печатная плата.

Главными требованиями к усилителю неизменно осталась доступность, распространенность и дешевизна комплектующих и их аналогов, а так же высокие итоговые параметры, надёжность и стабильность.
В связи с этим импортные варианты замены выбирались не дорогие и распространенные.

Высокие итоговые параметры были получены благодаря глубокой ООС, которой охвачен этот усилитель. Не стоит внимать мифам о пагубности влияния глубокой ООС, эти заблуждения вызваны исключительно не умением грамотно распорядиться разомкнутым усилением УМЗЧ и коррекцией по Миллеру, способной запороть даже потенциально хороший усилитель.

Для импортной версии коррекция была оптимизирована, и несколько загрублена, что снизило глубину ООС на границе звукового диапазона на 6дБ и частоту единичного усиления до 2МГц, однако обеспечило устойчивость при применении как импортных так и отечественных транзисторов. 

Глубина ООС на границе звукового диапазона (20кГц) составляет не менее 83дБ, а на частоте ниже первого полюса не менее 120дБ, что является хорошим результатом. Частота единичного усиления в петле обратной связи (что означает частоту до которой работает ООС) составляет 2МГц, 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 надёжностью. 

Принципиальная схема

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, а именно 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: +-20В...30В;
• Полоса пропускания -3db: 1.5Гц - 300кГц*;
• Выходная мощность: 30(80)Вт (При напряжении питания +-20 и +-30В соответственно, на 4Ом);
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 60В/мкС*;
• Глубина обратной связи: 120дБ/1кГц, 84дБ/20кГц*;
• Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 4 Ом...16 Ом (2 ом при питании не более +-25В);
• Допустима работа в мостовом включении при нагрузке не менее 4 Ом и питании не более +-25в*.

Коэффициент нелинейных искажений (10 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.000015%*;
• На частоте 20кГц: 0.0003%*.

Коэффициент нелинейных искажений (80 Вт 4 Ом):

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

Коэффициент интермодуляционных искажений (19+20кГц):

• 10 Вт 4 Ом: 0.0001%*;
• 100 Вт 4 Ом: 0.001%*.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи: 

На данном графике можно увидеть частоту единичного усиления, запас устойчивости по фазе и глубину ООС в звуковом диапазоне.

ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутого усилителя:

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.

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 недопустимо;

Резистор R37 необходим мощностью 1-2Вт, на печатной плате он набран из 2х резисторов 18 Ом типоразмера 2010.

Резисторы R4,R8 мощностью 0,5 Вт, номиналом 1кОм для питания не более +-25В, 1.5кОм при питании от +-25В до +-30В.

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. 

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 использован 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

2N5551/2N5401

В маломощных цепях усилителя применены транзисторы 2N5551 и 2N5401. Перед установкой их в плату обязательно необходимо убедиться в их работоспособности.

На фото показана распиновка выводов данных транзисторов.

BD139/140.

В цепи смещения и термостабилизации, а также в предвыходном каскаде применены транзисторы BD139/140, так же они имеют аналоги среди отечественных транзисторов, пару КТ814/815Г;

Транзистор VT12 может быть установлен BD136.

Транзисторы VT16, VT17 могут быть заменены на транзисторы BD237/238, BD441/442. 

Расположение выводов транзисторов BD139/140:

BD911/BD912.

В выходном каскаде применено две пары мощных транзисторов BD911/912. Они имеют широкую ОБР и отличаются высокой надежностью и мощностью.

Все аналоги приведенные на схеме уступают данной паре по мощности (кроме более низковольтной пары BD909/910). Потому рекомендую применять именно их.

Так же в выходном каскаде тестировались отечественные выходные транзисторы КТ818/819Г, их так же можно использовать, однако следует помнить что они имеют иную распиновку выводов, для них прикреплены отдельные файлы гербер и lay файл внизу статьи.  

Расположение выводов транзисторов BD911/912:

Расположение выводов транзисторов КТ818/819:

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. Для скачивания так же доступна версия платы под выходные транзисторы КТ818/819(Г), так как они отличаются расположением выводов.  

Габариты платы составили 70мм*78мм. Все провода подключаются с помощью клемм, для питания и подключения АС использованы ножевые клеммы 6,3мм, для подключения источника сигнала использована винтовая двухполюсная клемма с шагом 5мм.

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:

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 20мВ. 

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:

• УНЧ
• Sprint-Layout