Портал для радиолюбителей, меломанов, аудиофилов и сочувствующих последним.

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

Усилитель мощности Ultra-LD 200W (Часть I)

Усилитель мощности Усилитель построен на транзисторах серии ThermalTrak от известного производителя On Semiconductor. Эти транзисторы представляют собой новую версию топовых моделей MJL3281A и MJL1302A и имеют встроенные диоды для организации термокомпенсированных цепей смещения выходного каскада.

В результате этого исключается регулировка тока покоя выходного каскада и отпадает необходимость в классическом умножителе напряжения для термостабилизации  тока покоя выходного каскада и решается ряд конструктивных вопросов по снижению термического сопротивления радиатор-транзистор.

Усилитель выполнен на двухсторонней печатной плате, хотя для такой относительно простой конструкции это казалось бы необязательно. Однако, двухсторонняя разводка проводников позволяет оптимизировать их расположение, с целью минимизации взаимных наводок и компенсации магнитных полей, создаваемых асимметричными токами выходного двухтактного каскада класса B (об этом мы писали в цикле статей «Немного о блоках питания»).

Особенности и характеристики

Для начала небольшое замечание: авторы в описании своего усилителя часто упоминают то режим «АВ», то режим «В». На самом деле усилитель относится к классу «АВ», то есть на малых уровнях сигнала он работает в классе «А», а на высоких мощностях переходит в класс «В».

Если в первом случае (для малых сигналов, класс «А») борьба с магнитными полями и пульсациями в цепях питания не представляет больших трудностей из-за малых значений и симметричности токов, то при переходе усилителя в класс «В» токи становятся несимметричными и напряженность магнитных полей будет значительной. Эксплуатировать усилитель с максимальной мощностью 200 Вт на уровнях 3-5 Вт как-то нецелесообразно. Поэтому авторы уделили особое внимание получению максимальных характеристик (и соответственно устранению или компенсации всех негативных факторов) на мощностях близких к пиковой, то есть в режиме «В».

Схемотехнические и конструктивные решения, применённые в конструкции, позволили получить:

  • Очень низкие искажения
  • Отсутствие регулировки тока покоя
  • Двухстороннюю печатную плату с простой топологией проводников
  • Компенсацию наводок магнитных полей при работе в классе «В»

Основные технические характеристики усилителя:

  • Выходная мощность: 200 Вт при нагрузке 4 Ом; 135 Вт при нагрузке 8 Ом,
  • Частотная характеристика (при мощности 1 Вт): 4 Гц по уровню –3 dB, 50 кГц по уровню –1 dB
  • Входное напряжение: 1.26 В при выходной мощности 135 Вт и нагрузке 8 Ом
  • Входное сопротивление: ~12 кОм
  • Гармонические искажения: < 0.008% в полосе 20 Гц-20 кГц (нагрузка 8 Ом); типовое значение < 0.001%
  • Отношение сигнал/шум: менее 122 dB при мощности 135 Вт и нагрузке 8 Ом.
  • Коэффициент демпфирования: <170 при нагрузке 8 Ом  на частоте 100 Гц; <50 на частоте 10 кГц

Описание схемы

На рисунке представлена принципиальная схема усилителя мощности:

Усилитель мощности

Принципиальная схема усилителя (увеличение по клику)

Входной сигнал через конденсатор ёмкостью 47 мкФ и резистор сопротивлением 100 Ом поступает на базу транзистора Q1, дифференциального каскада, собранного на транзисторах Q1 и Q2. Здесь используются малошумящие транзисторы фирмы Toshiba 2SA970, так именно этот каскад вносит самый большой вклад в итоговый уровень шума всего усилителя.

Усилитель охвачен петлёй общей отрицательной обратной связи, номиналы элементов которой определяют коэффициент усиления. При указанных на схеме номиналах он составляет 24,5 раз.

Конденсатор в цепи отрицательной обратной связи обеспечивает 100% связь по постоянному току для поддержания нулевого потенциала на выходе усилителя без применения дополнительных интеграторов и т.п. При ёмкости в 220 мкФ он обеспечивает нижнюю граничную частоту 1,4 Гц по уровню -3 дБ.

Конденсаторы обратной связи

Ёмкости конденсаторов на входе и в цепи отрицательной обратной связи несколько больше, чем обычно устанавливают в этих цепях. Такие величины выбраны, чтобы минимизировать возможные искажения в полосе звуковых частот.

Для примера, выходное сопротивление CD-проигрывателя обычно составляет несколько сотен Ом. Если на входе установить конденсатор ёмкостью 2,2 мкФ (типовое значение для входных цепей), то на частоте 50 Гц входной каскад будет «видеть» сопротивление источника сигнала порядка полутора килоом. Конденсатор ёмкостью 47 мкФ  на той же частоте будет иметь импеданс всего 67 Ом. (Напомним, что источник сигнала, по сути, является генератором напряжения, поэтому должен иметь низкое выходное сопротивление)

Здесь также не используются (обычно рекомендуемые) неполярные конденсаторы. Они имеют размеры в несколько раз больше, чем простые электролитические конденсаторы, из-за чего склонны больше ловить шумы и наводки. Так как поставлена цель сделать усилитель с минимальным уровнем шумов и искажений, то для этого приняты все меры: схемотехнические решения, выбор элементной базы, конструктивные решения.

Усилитель обладает широкой полосой пропускания, что тоже накладывает свои требования и ограничения на выбор элементов, к монтажу и т.д. с целью минимизации улавливаемых шумов и помех.

Диоды D1 и D2 защищают относительно низковольтный электролитический конденсатор в цепи отрицательной обратной связи в случае выхода усилителя из строя. Кстати, настоятельно рекомендуется снабдить усилитель какой-нибудь системой защиты акустических систем. У авторов она перекочевала из предыдущей конструкции, поэтому здесь её описание не приводится.

Использование двух диодов вместо одного гарантирует отсутствие нелинейных искажений из-за ограничения пиков сигнала в цепи обратной связи (около 1 В, а два диода дадут ограничение на уровне порядка 1,4 В).

Драйверный каскад

Основное усиление напряжения дает каскад на транзисторе Q9. Для уменьшения нелинейных искажений входной каскад развязан от драйверного через эмиттерный повторитель на транзисторе Q8.

Для получения максимальной линейности и максимального усиления драйверный каскад нагружен на активный источник тока (выполнен на транзисторе Q7). Базовое смещение и для него, и для источника тока входного каскада (Q5) создает транзистор Q6. Несколько сложные цепи смещения транзисторов Q5, Q6, Q7 обеспечивают максимальное подавления шумов и пульсаций по цепям питания, что важно для усилителя класса «В», где по шинам питания гуляют большие (до 9 А!) и, самое главное, несимметричные импульсные токи.

Если пульсации цепей питания попадут во входной каскад, то будут усилены всеми каскадами и попадут в нагрузку — акустическую систему. То, что мы услышим в результате, скорее всего, нам не понравится. Поэтому в усилителе приняты все меры для предотвращения проникновения шумов и пульсаций из цепей питания в усилительный тракт.

На осциллограмме в центре показан сигнал генератора частотой 1 кГц. Верхний (красный) график — модуляция пульсаций положительной шины источника питания входным сигналом, нижний график —  модуляция отрицательной шины питания:

 

пульсации напряжения питания

Конденсатор 100 пФ между коллектором Q9 и базой Q8 ограничивает полосу пропускания усилителя. Поскольку к нему прикладывается полная амплитуда выходного сигнала каскада, он должен быть рассчитан на напряжение 100 В или более.

Выходной каскад

Выходной сигнал драйверного каскада на транзисторе Q9 подаётся на транзисторы выходного каскада через резисторы номиналом 100Ом, которые защищают транзисторы Q7 и Q9 от короткого замыкания на выходе усилителя, хотя, конечно, первыми должны перегореть предохранители. Кроме того, эти резисторы предотвращают возможное возбуждение выходного каскада.

Выходной каскад построен на составных комплементарных транзисторах Дарлингтона. Во-первых, это дало возможность использовать высоколинейные транзисторы фирмы ThermalTrak со встроенными диодами, во-вторых, получить максимально полную мощность на нагрузке 4 Ома (минимизировать падение напряжения на выходном каскаде).

Термокомпесация смещения

При использовании четырёх транзисторов фирмы Thermaltrak в выходном каскаде мы имеем четыре встроенных диода для организации термокомпенсированной цепи смещения.

Как показано на схеме, четыре диода включены последовательно между коллекторами  транзисторов Q7 и Q9. Такой метод организации смещения выходного каскада был широко распространён в 60-70-х годах. Позднее его сменил, ставший классическим решением, умножитель напряжения на транзисторе.

Обычно ток покоя выходного каскада задает каскад на транзисторе, который крепится на один радиатор с выходными транзисторами, тем самым обеспечивается термическая связь. Такой способ имеет недостатки: во-первых транзистор цепи смещения приходится подбирать, для обеспечения оптимальной термокомпенсации, во-вторых в любом случае присутствует тепловая инерция: выходной транзистор должен нагреть радиатор, радиатор нагреет транзистор цепи смещения и только тогда произойдёт термокомпенсация тока выходного каскада.

Размещение диодов для термостабиилизации в одном корпусе с транзистором решает эти проблемы: диоды имеют характеристики максимально согласованные с транзисторами, поэтому термостабилизация происходит максимально точно, во вторых они расположены на одной подложке с кристаллами транзистора, что делает их нагревание максимально быстрым, исключается посредник-радиатор.

С транзисторами Thermaltrak, благодаря встроенным диодам, ток покоя усилителя быстро стабилизируется после включения и поддерживается очень точно, не зависимо от изменения напряжения питания или уровня выходного сигнала. Фирма производитель также утверждает, что линейность каскада с таким смещением выше, чем при использовании обычного транзисторного умножителя.

На рисунке объясняется способ задания смещения выходного каскада:

Цепь смещения выходного каскада

Четыре интегрированных диода компенсируют четыре перехода база-эмиттер и определяют ток выходного каскада. С учётом того, что выходные транзисторы включены параллельно и в эмиттерных цепях установлены резисторы по 0,1 Ом, четыре последовательно включённых диода обеспечивают ток покоя выходного каскада на уровне 70-100 мА, что несколько выше, чем обычно задаётся транзисторным узлом смещения.

Выходной фильтр 

Выходной фильтр представляет собой RLC-цепь, состоящую из индуктивности (без сердечника) 6,8 мГн, резистора сопротивлением 6,8 Ом и конденсатора ёмкостью 150 нФ. Этот фильтр использовался авторами во многих конструкциях усилителей и показал свою высокую эффективность в плане изоляции выходного каскада от любых обратных токов, вызванных реактивной нагрузкой, тем самым обеспечивая высокую стабильность усилителя. Фильтр также эффективно подавляет радиочастотные сигналы, улавливаемые длинными проводами от акустических систем, что предотвращает их проникновение во входные цепи усилителя.

Предохранители

Выходной каскад питается через предохранители  на 5 А от шин ± 55 В. Они обеспечивают единственную защиту усилителя от коротких замыканий на выходе или других неисправностей, которые в результате приводят к повышенному потребляемому току.

Авторы настоятельно рекомендуют использовать какую-нибудь систему защиты акустических систем на случай возникновения других нештатных ситуаций.

Двусторонняя печатная плата

Для упрощения и оптимизации разводки цепей питания печатная плата усилителя выполнена двухсторонней. Во-первых, это позволило организовать разводку общего провода в виде «звезды», когда все проводники с нулевым потенциалом сходятся в одну точку, что исключает образование «земляных» петель и проникновение выходного сигнала во входные цепи. Об этом мы писали в цикле статей «Немного о блоках питания усилителей»

Во-вторых, и что ещё более важно, разводка проводников и расположение деталей на плате выполнены так, чтобы компенсировать магнитные поля, создаваемые большими импульсными токами. Об этом мы также писали в цикле статей «Немного о блоках питания усилителей», где предлагалось свивать бифилярно проводники с большими и противофазными токами. На печатной плате проводники так не совьёшь, но компенсировать поля, тем не менее, возможно.

 

усилитель мощности

Для примера, предохранитель положительной шины питания расположен рядом и параллельно с эмиттерными резисторами выходного каскада Q12 и Q13. Элементы соединены так, что ток через них течёт в разных направлениях, за счёт чего происходит взаимная компенсация магнитных полей. Аналогично детали размещены по минусовой шине.

Дорожки питания от разъёма CON2 до предохранителей идут рядом параллельно друг другу, а в середине платы расходятся в разные стороны. Под расходящимися проводниками расположены дорожки эмиттерных цепей выходного каскада, а под параллельными дорожками расположены земляная шина. За счёт такой разводки печатной платы магнитные поля, создаваемые этими дорожками,  взаимно компенсируются.

Применённые методы подавления магнитных полей позволили существенно снизить искажения усилителя.

Результаты измерений параметров усилителя:

частотная характеристика усилителя

АЧХ усилителя при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 8 ОМ


искажения усилителя мощности

Гармонические искажения усилителя на частоте 1 кГц при нагрузке 8 Ом. Видно, что клиппирование происходит на мощности 135 Вт.


искажения усилителя мощности

Гармонические искажения усилителя на частоте 1 кГц при нагрузке 4 Ом. Видно, что клиппирование происходит на мощности 200 Вт.


искажения усилителя мощности

Искажения усилителя при нагрузке 8 Ом (резистивная нагрузка)


искажения усилителя мощности

Искажения усилителя при выходной мощности 100 Вт на резистивной нагрузке 4 Ом.

Продолжение следует...

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Авторы: Лео Симпсон и Джон Кларк

Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты»

Понравилась статья? Расскажи друзьям:

0

Похожие статьи:


Следите за новостями портала:


Новое в "РадиоГазете"

Добавить комментарий

Спамеры, не тратьте своё время - все комментарии модерируются!!!
All comments are moderated!


Поиск по сайту:

Рубрики:

Самое читаемое:

Последние комментарии:

Green
к посту: Всё об усилителе JLH. Часть I — рождение легенды
"Цитата: Таким образом глубина общей ООС.."

Oleg
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Доброго здоровья, уважаемый редактор! Тр.."

Александр Компромистер
к посту: Усилитель для наушников на TDA2003 в классе А
"В "Усилителе для наушников на TDA2003 в.."

Главный редактор
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Олег, не очень! Так можно схему спалить..."

Oleg
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Благодарю Вас за ответ и терпение. Я не.."

Главный редактор
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Если делать всё правильно, то стабилизат.."

Oleg
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Уважаемый редактор! Благодарю вас за под.."

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: