1. Варіанти вихідних каскадів УМЗЧ
2. Основні технічні характеристики УМЗЧ
3. Стабілізований блок живлення
4. Конструкція і деталі
5. налагодження

При розробці підсилювачів ЗЧ з максимальною вихідною потужністю понад 100 Вт першочергового значення набуває необхідність отримання можливо більшого ККД підсилювача при досить малих нелінійних спотвореннях.

Питання про допустимому відсотку нелінійних спотворень підсилювача ЗЧ не раз обговорювалося на сторінках журналу "Радіо" [1, 2], отримання ж високого ККД підсилювача найчастіше не приділялося належної уваги. Відомо, що хороший ККД має вихідний каскад підсилювача потужності, що працює в режимі В. Однак йому властиві великі нелінійні спотворення.

У журналі "Радіо" розповідалося про корекцію таких спотворень за допомогою прямого зв'язку [3]. Розглядалося і спосіб зниження спотворень, заснований на використанні каскадів, які працюють в різних режимах [4].

Варіанти вихідних каскадів УМЗЧ

Автором пропонується ще два варіанти вихідних каскадів підсилювача, що працюють в різних режимах і дозволяють знизити коефіцієнт гармонік потужного УМЗЧ.

Їх спрощені електричні схеми показані на рис. 1а і рис. 1б. Кожен з підсилювачів складається з двох вихідних каскадів - основного і допоміжного, включених паралельно. Причому основний каскад працює в режимі В, а допоміжний - в режимі АВ.

Мал. 1. Схеми варіантів вихідних каскадів потужного УМЗЧ.

Основний каскад підсилювача, показаний на рис. 1а, виконаний на транзисторах VT1, VT2, включених за схемою комплементарного емітерного повторювача, що працює в режимі В.

Транзистори VT3, VT4 і резистори R6 ... R9 утворюють допоміжний каскад, який працює в режимі АВ. Резистори R1 ... R5 і діоди VD1, VD2 забезпечують необхідне зміщення на базах транзисторів і задають режим роботи обох каскадів.

Як видно зі схеми, напруга зсуву на базах транзисторів допоміжного каскаду завжди більше, ніж на базах основного каскаду на величину падіння напруги на діодах VD1, VD2.

В результаті за допомогою зміни опору резистора R4 задається напруга зсуву на базах транзисторів VT1, VT2, при якому каскад буде працювати в режимі В. Резистори R8, R9 створюють необхідну термостабілізація допоміжного каскаду, а резистори R6, R7 обмежують базовий струм транзисторів VT3, VT4.

При малих рівнях вхідного сигналу транзистори основного каскаду VT1, VT2 закриті, і при цьому працює тільки допоміжний каскад.

При цьому змінний струм, що надходить в навантаження, малий, мало і падіння напруги на резисторах R8, R9. Зі збільшенням вхідного напруги починають відкриватися транзистори VT1, VT2 і збільшується струм. що надходить в навантаження від включених паралельно вихідних каскадів. Збільшення струму, що протікає через резистори R8, R9, призводить до зростання падіння напруги на них і обмеження струму транзисторів VT3 і VT4.

При максимальному вихідному струмі, наприклад, при позитивній напівхвилі вхідної напруги, транзистор VT1 повністю відкритий, а через транзистор VT3 при цьому протікає в навантаження набагато менший струм, обмежений в основному резистором R8 і частково R6.

Таким чином, чим більше буде опір резисторів R8, R9, тим на менший рівень буде обмежений максимальний струм транзисторів допоміжного каскаду, а значить, і максимальна потужність в режимі АВ, що віддається в навантаження.

Як показало макетування, опір резисторів R8, R9 близько 2 ... 10 Ом офанічівает максимальний струм транзисторів допоміжного каскаду на рівні 200 ... 40 мА.

Більш складний вихідний каскад, зображений на рис. 1, б. Він забезпечує посилення як по току, так і за напругою. В основному каскаді (VT3, VT4) передбачається використання потужних складових транзисторів КТ825, КТ827.

Допоміжний каскад VT5 ... VT8 також повинен бути зібраний на транзисторах Резистори R1 ..R11, стабілітрони VD1, VD2, діоди VD3, VD4 і транзистори VT1, VT2 визначають режим роботи вихідних каскадів, який не змінюється при зміні напруги живлення в значних межах .

Пояснюється це тим. що напруга зсуву на базах транзисторів VT1, VT2 підтримується постійними стабілітронами VD1, VD2. Робота транзисторів вихідного каскаду в режимі посилення струму і напруги забезпечує максимальний ККД вихідного каскаду, оскільки в цьому випадку напруга насичення транзисторів мінімально, і максимальне значення амплітуди вихідного сигналу наближається до напруги харчування.

Як і при корекції спотворень з використанням прямого зв'язку, підсилювач потужності, побудований за запропонованими схемами, повинен мати досить глибоку ООС, що забезпечує малі нелінійні спотворення в широкому динамічному діапазоні вихідних сигналів.

Очевидно, що найкращим чином вирішити цю задачу дозволяють сучасні швидкодіючі ОУ. Застосувавши в попередньому каскаді УМЗЧ швидкодіючий ОУ і побудувавши його вихідний каскад за схемою, зазначеної на рис. 1 б, вдалося сконструювати підсилювач.

Основні технічні характеристики УМЗЧ

• Номінальний діапазон частот, Гц - 20 ... 20000;
• Макс. вихідна потужність при Rн 4 Ом, Вт - 200;
• Коеф. гармонік при вихідний потужності 0,5-150 Вт,%: на частоті 1 кГц - 0,1; на частоті 10 кГц - 0,15; на частоті 20 кГц - 0,2;
• ККД,% - 68;
• Ном. вхідна напруга, В - 1;
• Вхідний опір, кОм - 10;
• Швидкість наростання вихідної напруги на еквіваленті навантаження при замкнутої накоротко котушки індуктивності. В / мкс - 10.

Принципова схема УНЧ на 200 Ватт

Принципова схема УМЗЧ наведена на рис. 2. Каскад попереднього підсилення виконаний на швидкодіючому ОУ DA1 (К544УД2Б), який поряд з необхідним посиленням по напрузі забезпечує роботу підсилювача з глибокої ООС.

Резистор зворотного зв'язку R5 і R1 визначають коефіцієнт посилення підсилювача. Вихідний каскад виконаний на транзисторах VT1 ... VT8. Його робота була розглянута вище.

Конденсатори С6 ... С9 коректують фазову і частотну характеристики каскаду. Стабілітрони VD1, VD2 стабілізують напруга живлення ОУ, яке одночасно використовується для створення необхідного напруги зміщення вихідного каскаду.

Мал. 2. Принципова схема потужного підсилювача низької частоти на 200 Ватт, КТ825, КТ827.

Дільник вихідної напруги ОП R6, R7, діоди VD3 ... VD6 і резистор R4 утворюють ланцюг нелінійної ООС, яка зменшує коефіцієнт посилення ОУ коли вихідна напруга підсилювача потужності досягне свого максимального значення.

В результаті зменшується глибина насичення транзисторів VT1, VT2 і знижується ймовірність виникнення наскрізного струму в вихідному каскаді. Конденсатори С4, С5 -корректірующіе. Зі збільшенням ємності конденсатора С5 зростає стійкість підсилювача, але одночасно збільшуються нелінійні спотворення, особливо на вищих частотах.

Підсилювач зберігає працездатність при зниженні напруги живлення до ± 25 В. Можливо і подальше зниження напруги харчування аж до ± 15 В і навіть до ± 12 В при зменшенні опору резисторів R2, R3 або безпосередньому підключенні висновків харчування ОУ до загального джерела живлення і виключення стабілітронів VD1 , VD2.

Зниження напруги харчування призводить до зменшення максимальної вихідної потужності підсилювача прямо пропорційно квадрату зміни напруги харчування, тобто при зменшенні напруги харчування в два рази максимальна вихідна потужність підсилювача зменшується в чотири рази. Підсилювач не має захисту від короткого замикання і перевантажень. Ці функції виконує блок живлення.

Стабілізований блок живлення

У журналі "Радіо" висловлювалася думка про необхідність харчування УМЗЧ від стабілізованого джерела живлення для забезпечення більш природного його звучання.

Дійсно, при максимальній вихідної потужності підсилювача пульсації напруги нестабілізованого джерела можуть досягати декількох вольт. При цьому напруга живлення може істотно знижуватися за рахунок розряду конденсаторів фільтра.

Це непомітно при пікових значеннях вихідної напруги на вищих звукових частотах завдяки достатньої ємності фільтруючих конденсаторів, але позначається при посиленні низькочастотних складових великого рівня, так як в музичному сигналі вони мають велику тривалість.

В результаті фільтруючі конденсатори встигають розряджатися, знижується напруга живлення, а значить, і максимальна вихідна потужність підсилювача. Якщо ж напруга призводить до зменшення струму спокою вихідного каскаду підсилювача, то це може призводити і до виникнення додаткових нелінійних спотворень.

З іншого боку, використання стабілізованого джерела живлення, побудованого за звичайною схемою параметричного стабілізатора, збільшує споживану потужність і вимагає застосування мережевого трансформатора більшої маси і габаритів.

Крім цього, виникає необхідність відводу тепла, що розсіюється вихідними транзисторами стабілізатора. Причому найчастіше потужність, що розсіюється вихідними транзисторами УМЗЧ, дорівнює потужності, що розсіюється вихідними транзисторами стабілізатора, тобто половина потужності марнується-імпульсні стабілізатори напруги мають високий ККД, але досить складні у виготовленні, мають великий рівень високочастотних перешкод і не завжди надійні.

Якщо до блоку живлення не пред'являти жорстких вимог по стабільності напруги і рівнем пульсацій, що характеризує, зокрема, описаний вище підсилювач потужності, то в якості джерела живлення можна використовувати звичайний біполярний блок живлення, принципова схема якого показана на рис. 3.

Потужні складові транзистори VT7 і VT8, включені за схемою емітерний повторювачів, забезпечують досить гарну фільтрацію пульсацій напруги живлення з частотою мережі і стабілізацію вихідної напруги завдяки встановленим в ланцюзі стабілітронів VD5 ... VD10. Елементи L1, L2, R16, R17, С11, С12 усувають можливість виникнення високочастотної генерації, схильність до якої пояснюється великим коефіцієнтом посилення по току складових транзисторів.

Величина змінної напруги, що надходить від мережевого трансформатора, обрана такою, щоб при максимальній вихідної потужності УМЗЧ (що відповідає току в навантаженні 4 А) напруга на конденсаторах фільтра С1 ... С8 знижувалося приблизно до 46 ... 45 В. В цьому випадку падіння напруги на транзисторах VT7, VT8 не перевищуватиме 4 В, а потужність, що розсіюється транзисторами складе 16 Вт.

При зменшенні потужності, споживаної від джерела живлення, збільшується падіння напруги на транзисторах VT7, VT8, але розсіюється на них потужність залишається незмінною через зменшення споживаного струму.

Блок живлення працює як стабілізатор напруги при малих і середніх токах навантаження, а при максимальному струмі - як транзисторний фільтр. У такому режимі його вихідна напруга може знижуватися до 42 ... 41 В, рівень пульсацій на виході досягне значення 200 мВ, ККД дорівнює 90%.

Мал. 3. Принципова схема стабілізованого блоку живлення для УМЗЧ на 44У + 44У.

Як показало макетування, плавкі запобіжники не можуть захистити підсилювач і блок живлення від перевантажень по струму через свою інерційності.

З цієї причини було застосовано пристрій швидкодіючої захисту від короткого замикання і перевищення допустимого струму навантаження, зібране на транзисторах VT1 ... VT6.

Причому функції захисту при перевантаженнях позитивної полярності виконують транзистори VT1, VT2, VT5, резистори R1, R3, R5, R7 ... R9, R13 і конденсатор С9, а негативною - транзистори VT4, VT3, VT6, резистори R2, R4, R6, R10 ... R12, R14 і конденсатор С10.

Розглянемо роботу пристрою при перевантаженнях позитивної полярності. У початковому стані при номінальному навантаженні все транзистори пристрої захисту закриті. При збільшенні струму навантаження починає рости падіння напруги на резисторі R7, і, якщо воно перевищить допустиме значення, починає відкриватися транзистор VT1, а слідом за ним і транзистори VT2 і VT5.

Останні зменшують напругу на базі регулюючого транзистора VT7, а значить, і напруга на виході блоку живлення. При цьому за рахунок позитивного зворотного зв'язку, що забезпечується резистором R13. зменшення напруги на виході блоку живлення призводить до прискорення подальшого відкривання транзисторів VT1, VT2, VT5 і швидкому закривання транзистора VT7.

Якщо опір резистора позитивного зворотного зв'язку R13 мало, то після спрацювання пристрою захисту напруга на виході блоку живлення не відновлюється навіть після відключення навантаження.

В цьому режимі необхідно було б передбачити кнопку запуску, що відключає, наприклад, на короткий час резистор R13 після спрацьовування захисту і в момент включення блоку живлення.

Однак, якщо опір резистора R13 вибрати таким, щоб при короткому замиканні навантаження струм не дорівнював нулю, то напруга на виході блоку живлення буде відновлюватися після спрацювання пристрою захисту при зменшенні струму навантаження до безпечної величини.

Практично опір резистора R13 вибирається такої величини, при якій забезпечується надійне включення блоку живлення при обмеженні струму короткого замикання значенням 0,1 ... 0,5 А. Струм спрацьовування пристрою захисту визначає резистор R7. Аналогічно працює пристрій захисту блоку живлення при перевантаженнях негативної полярності.

Конструкція і деталі

Всі деталі УМЗЧ і блоку живлення розміщені на одній платі. Виняток становлять транзистори VT3, VT4, VT6, VT8 УМЗЧ, встановлені на загальному теп-лоотводе з площею розсіювання поверхні 1200 см2 і транзистори VT7, VT8 БП, розміщені на окремих теп-лоотводах з площею поверхні, що розсіює 300 см2 кожний.

Котушки L1, L2 блоку живлення (рис. 3) і L1 підсилювача потужності містять 30 ... 40 витків дроту ПЕВ-1 діаметром 1,0 мм, намотаного на корпусі резистора С5-5 або МЛТ-2.

Резистори R7, R12 блоку харчування є відрізок мідного дроту ПЕЛ, ПЕВ-1 або ПЕЛШО діаметром 0,33 мм і довжиною 150 мм, намотаного на корпусі резистора МЛТІ.

Трансформатор харчування виконано на тороїдальним магнітопроводі з електротехнічної сталі Е320, товщиною 0,35 мм, ширина стрічки 40 мм, внутрішній діаметр муздрамтеатру 80 мм, зовнішній-130 мм. Мережева обмотка містить 700 витків дроту ПЕЛШО діаметром 0,47 мм, вторинна - 2x130 витків дроту ПЕЛШО діаметром 1,2 мм.

Замість ОУ К544УД2Б можна використовувати К544УД2А, К140УД11 або К574УД1. Кожен з транзисторів КТ825Г можна замінити складовими КТ814Г і КТ818А, а транзистор КТ827А - складовими КТ815Г і КТ819Г (що дуже небажано).

Діоди VD3 ... VD6 УМЗЧ можна замінити будь-якими високочастотними кремнієвими діодами. VD7, VD8-будь-якими кремнієвими з максимальним прямим струмом не менше 100 мА. Замість стабілітронів КС515А можна використовувати з'єднані послідовно стабілітрони Д814А (Б, В, Г, Д) і КС512А.

налагодження

Налагодження блоку зводиться до установки (підлаштування резистором R12) струму спокою вихідних транзисторів VT6, VT8 в межах 10 ... 15 мА. Включають підсилювач після перевірки справності блоку живлення. Для цього, замінивши резистори R7, R12 блоку харчування більш високоомними (приблизно 0,2 ... 0,3 Ом), перевіряють працездатність блоку живлення пристрою захисту. Воно має спрацьовувати при струмі навантаження 1 ... 2А.

Переконавшись у нормальній роботі блоку живлення і УМЗЧ, встановлюють резистори R7, R12 з номінальними опорами, зазначеними на принциповій схемі, перевіряють роботу підсилювача при максимальній потужності, контролюючи відсутність спрацювання пристрою захисту блоку живлення.

література:

1. Лексина Валентин і Віктор. Про за-метності нелінійних спотвореннях підсилювача потужності. - Радіо, 1984, №2, с. 33.
2. Солнцев Ю. Який же Кг допустимо? - Радіо, 1985, №2, с. 26.
3. Солнцев Ю. Високоякісний підсилювач потужності. - Радіо, 1984, №5, с. 29.
4. Гумеля Е. Якість і схемотехніка УМЗЧ. - Радіо, №9, с. 31.