Портал для радиолюбителей, меломанов, аудиофилов и сочувствующих последним.

Схемы усилителей, регуляторов громкости и тембра, DAC, блоков питания и стабилизаторов и т.п.

Организация смещения выходного каскада усилителя мощности

us1Искажения выходного каскада усилителя (а именно здесь они весьма существенны, по сравнению с искажениями предварительных каскадов) зависят от оптимального выбора тока покоя (рабочей точки) транзисторов. При уходе от оптимального значения рабочей точки выходной каскад начинает генерировать искажения высоких порядков, которые весьма негативно воспринимаются человеческим слухом и являются одной из причин «транзисторного звучания» усилителя.

Обычно для организации смещения выходного каскада используется генератор напряжения. При относительной простоте схемы он обеспечивает простую настройку рабочей точки выходного каскада. И как-то уж так повелось, что этому узлу большого значения не придают.
Однако...

Однако,  для качественного усиления звука второстепенных вещей, увы, нет.

Схема формирования смещения выходного каскада выполняет две функции:

1. обеспечивает задание оптимального тока покоя выходного каскада усилителя (режим АВ). Обычно, чтобы снизить искажения типа «ступенька» выходной каскад переводят в режим «АВ», несмотря на некоторую потерю КПД усилителя. В этом случае схема смещения задает ток покоя выходных транзисторов порядка 70-100мА.

2. обеспечивает термокомпенсацию тока покоя при изменении температуры выходных транзисторов. В режиме «молчания» ток через транзисторы выходного каскада невелик — соответствует току покоя, и нагрев транзисторов несильный. При большой выходной мощности ток через транзисторы возрастает, и температура их значительно увеличивается.

При этом для большинства транзисторов характерен положительный тепловой коэффициент, т.е. при нагревании транзистора ток через него возрастает. В результате возможен лавинный саморазогрев транзистора: растёт ток — растёт температура, а если растёт температура, то растёт и ток.

Схема задания смещения должна снизить ток выходных транзисторов при их нагревании.

Рассмотрим какими свойствами должна обладать схема  смещения выходного каскада.

1. Обеспечивать стабильность рабочей точки при внешних возмущениях: нестабильность напряжения питания, изменения температуры окружающей среды и т.п.

2. Обеспечивать необходимую точность термокомпенсации. Для разных каскадов: эмиттерные повторители, каскады Шеклаи и т.д. требования к точности поддержания напряжения смещения разные.

3. Обеспечивать высокую скорость термокомпенсации. При нагревании транзисторов схема должна быстро снизить ток через них, а при остывании также оперативно вернуть его к прежнему значению.

Уже более 30 лет в качестве элемента термокомпенсации применяют генератор напряжения с тепловой обратной связью.  Схема его достаточно проста:

термокомпенсация

Для обеспечения тепловой обратной связи сам транзистор Т1 крепят обычно на радиаторе выходных транзисторов.

Замечу, что иногда встречаются схемы, где регулировка напряжения смещения осуществляется резистором R1 (именно его предлагают сделать подстроечным). Такой вариант не то чтобы неправильный, но довольно опасный. Механический контакт подстроечного резистора весьма ненадёжен. Он может нарушиться и из-за механических причин или из-за окисления.

В случае обрыва цепи движка подстроечного резистора в представленном варианте выходные транзисторы усилителя просто закроются, усилитель перейдёт в режим «В» и катастрофических последствий  (кроме роста искажений) это не принесет.

Если подстроечным сделать резистор R1, то в случае обрыва его движка, ток выходных транзисторов возрастёт  настолько, насколько сможет. Хорошо, если схема защиты (если в вашем усилителе такая имеется) сможет вовремя ограничить этот ток. Иначе придется менять выходные транзисторы и всё, что успеет сгореть за одно с ними.

Далее придётся разрушить устоявшиеся каноны. Пойдём по пунктам, по порядку.

Для обеспечения стабильности рабочей точки при различных внешних возмущениях схему смещения запитывают от генератора тока:

схема смещения выходного каскада

Здесь транзистор Т6 — это усилитель напряжения (предвыходной каскад), а на транзисторе Т7 собран источник стабильного тока.

Схема достаточно проста, но она не учитывает «медленные» возмущения из-за изменения температуры: в помещении (летом и зимой температура может существенно отличаться), внутри корпуса усилителя. После длительной работы из-за нагрева выходных транзисторов внутри аппарата температура существенно возрастает, а это приводит к изменению тока не только выходных транзисторов но и первых каскадов выходной двойки/тройки.

Компенсировать такой температурный дрейф можно следующими способами:

1. метод Дугласа Селфа с помощью диода:

схема смещения с компенсацией температуры окружающей среды

2. Метод И. Пугачева. В усилителях относительно большой мощности на выходе применяют каскады-тройки. При этом часто выходные транзисторы устанавливают на радиаторы, предвыходные — с небольшими теплоотводами на печатной плате, первые транзисторы тройки обычно ставят просто на печатной плате без теплоотвода. Рассеиваемая мощность первых транзисторов обычно невелика и здесь требуется скомпенсировать только изменение напряжения Uбэ при изменениях окружающей температуры.

Для этого можно использовать база-эмиттерные переходы аналогичных транзисторов:

схема смещения с температурной компенсацией

Для температурной компенсации транзисторы объединяются попарно (можно склеить задними стенками) Т1 с Т4 и Т3 с Т5. Транзистор Т2 крепится к выходным транзисторам (об этом ниже).

Проблемы точности поддержания рабочей точки и скорости реагирования лучше решать вкупе.

Идеальным вариантом были бы датчики, расположенные непосредственно на кристаллах выходных транзисторов. Тогда и точность измерения температуры, и скорость реагирования (отсутствуют тепловые сопротивления радиаторов и т.п.) были бы предельно возможными.

И на сегодняшний день такое решение есть. Это транзисторно-диодные сборки от компании ThermalTrak:

транзисторы NJL3281D

Здесь в одном корпусе размещены мощный транзистор и диод, который используется как датчик температуры в схеме задания смещения выходного каскада.

Пример схемы усилителя мощности, где использованы такие сборки:

Схема усилителя мощности

Увеличение по клику.

К  сожалению, на просторах «великой Державы» эти сборки найти довольно проблематично, да и по цене они немного «кусаются». Поэтому простому радиолюбителю приходится применять в своих усилителях дедовские методы — использовать в качестве датчика температуры дискретный транзистор. Но и тут нужно подходить с умом!

Почему-то исторически сложилось, что датчик температуры чаще всего крепят на радиаторе между выходными транзисторами:

крепление термодатчика

При этом помимо тепловых сопротивлений «транзистор-радиатор» добавляется весьма приличное тепловое сопротивление участка радиатора между транзистором и термодатчиком. Говорить в этом случае о точности и  высокой  скорости термокомпенсации как-то не логично.

Как показывает практика и опыты Дугласа Селфа, сильнее всего нагревается и быстрее остывает верхняя поверхность транзисторов (сторона, на которой обычно нанесена  маркировка). Поэтому крепить датчик будет логично непосредственно на один из выходных транзисторов:

Крепление термодатчика

Если транзисторы имеют изолированные корпуса, то шайба между ними необязательна.

У многих наверняка возник вопрос: к транзистору какого плеча лучше крепить датчик? Однозначно ответить на этот вопрос сложно. Всё зависит от того инвертирующий у вас усилитель или неинвертирующий.

Лучше всего оптимальное крепление датчика определить экспериментальным путём:

1. крепим датчик по «типовому» между транзисторами.

2. включаем какую-нибудь запись хора (хор Турецкого в данном случае не рулит)

3. при воспроизведении хоровых записей транзисторы одного из плеч однозначно нагреются гораздо сильнее транзисторов другого плеча. Если пальцы жечь жалко, то в комплекте даже у самого дешёвого китайского мультиметра есть датчик температуры. Можно воспользоваться им.

4. закрепляем транзистор-термодатчик на наиболее нагревшемся транзисторе.

А в Вашем усилителе схема смещения выходных транзисторов сделана правильно???


Понравилась статья? Расскажи друзьям:

0

Похожие статьи:


Следите за новостями портала:


Новое в "РадиоГазете"

Поиск по сайту:

Рубрики:

Самое читаемое:

Последние комментарии:

Вход:

Подписаться на новые выпуски РадиоГазеты:


Новое в "РадиоГазете"
Подписаться письмом


Контакты:

Если Вы хотите:
  1. Предложить свои материалы для публикации,
  2. Сообщить о неработающей ссылке,
  3. Поделиться своими впечатлениями или замечаниями по сайту,
пожалуйста, воспользуйтесь для этого
формой для контактов
.

Тираж: