Ламповые усилители сегодня славятся не только своей ценой, но и высоким качеством звучания. Потому, не взирая на стоимость, потребление и массо-габаритные показатели, они находят всё больше сторонников.
Между тем, энтузиастами регулярно предпринимаются попытки получить «ламповый звук» от транзисторных схем. Как пример — усилитель Винсента Тернесси, напичканный весьма интересными схемными решениями.
Для начала немного теории.
Особенности ограничения сигнала в усилителях.
Как известно, выходное напряжение усилителя, работающего на активную нагрузку, не может превышать напряжение питания. Если выходной сигнал стремится превысить эту величину, усилитель входит в режим насыщения.
На рисунке представлено два варианта выходного сигнала (синус) в режиме насыщения:
Первый вариант — «жесткое» насыщение, свойственное транзисторным схемам. При таком насыщении (обычно на пиках сигнала или высокой громкости) происходит резкое возрастание гармонических искажений до 30%, которые очень сильно режут слух. Качество звучания падает катастрофически!
Второй вариант — «мягкое» (плавное) насыщение. Именно такой режим свойственен ламповым усилителям. В этом случае в спектре сигнала также появляются гармонические искажения. НО! Их уровень гораздо ниже, а спектр уже. Соответственно, такие искажения менее заметны на слух.
Кроме того, посмотрим на интермодуляционные искажения:
В исходном сигнале НЧ-составляющая (для примера, звук большого барабана) модулируется ВЧ-составляющей (для примера, скрипкой или флейтой).
При «жестком» ограничении на пиках сигнала ВЧ-составляющая теряется!
При «мягком» ограничении модуляция сохраняется, т.е. на пиках громкости сохраняются «детали», обертона и т.д. Звуковая картина не упрощается, не теряются нюансы.
Кроме того, «мягкое» ограничение не перегружает твиттеры (ВЧ-динамики) большими гармониками высоких порядков.
И если в ламповых усилителях «плавное» ограничение получается само собой, то транзисторным усилителям свойственно жесткое ограничение сигнала.
Автор предлагает схемотехническими решениями обеспечить плавное ограничение сигнала при перегрузках, тем самым приблизив звучание усилителя к ламповому.
Схема.
Упрощенная структурная схема приведена на рисунке:
(доступно только зарегистрированным пользователям)
[member]
[/member]
Усилитель имеет всего два каскада усиления, чем обеспечиваются:
- выполнение одного из постулатов Hi-End’a — кратчайший пусть сигнала,
- абсолютная устойчивость усилителя при замкнутой петле ООС
- минимальные фазовые искажения при работе на индуктивную нагрузку.
Простота монтажа является залогом получения высокого соотношение сигнал / шум.
На входе две пары дифференциальных усилителей (Q4/Q5) и (Q6/Q7) обеспечивают усиление входного сигнала порядка 250-300 для раскачки выходных транзисторов Q1 и Q2. Благодаря использованию выходных транзисторов с высокой крутизной (примерно 8 Siemens) на резистивной нагрузке в 8 Ом общее усиления при разомкнутой цепи ООС получается 10000!. Таким образом двух каскадов оказывается вполне достаточно.
С помощью резисторов R16 и R17 в цепи ООС коэффициент усиления задан на уровне 23.
На Q8 и Q9 собраны генераторы стабильного тока (чуть меньше 4мА) для питания входных диф. каскадов. Использование генераторов вместо резистора не только повышает усиление каскада, но и снижает шумы и чувствительность к качеству питающего напряжения.
Полная принципиальная схема усилителя:
(доступно только зарегистрированным пользователям)
[member]
[/member]
Q10, Q3 обеспечивают защиту от короткого замыкания выхода. Резисторы R2 и R13 являются датчиками тока (ток покоя усилителя 100мА) для узла защиты. Диоды D2 и D3 включаются при больших выходных токах, шунтируя датчики, чтобы исключить повышение тока покоя на больших мощностях.
Резисторы R1 и R14, которые обычно исключают в подобных схемах, автор оставил, так как считает, что это улучшает динамическую устойчивость усилителя, повышает симметрию диф. каскадов и снижает эффект Миллера.
Управление перегрузками
Для организации «плавного ограничения» сигнала при перегрузках используется узел на элементах D11-D14, Q15 и Q16. При приближении амплитуды выходного сигнала к значению Uпит-6В параллельно резистору R17 подключается резистор R25, тем самым уменьшая усиление схемы ещё до момента ограничения сигнала.
При выбранных значениях указанных резисторов усиление при приближении к насыщению выходных транзисторов падает почти в 3 раза. Изменяя значение R25 можно влиять на глубину и «плавность» ограничения. В общем, простор для экспериментов.
Чтобы избежать сильных перегрузок и глубокого насыщения, даже несмотря на все принятые меры, автор установил ограничитель сигнала и на входе. Элементы Q11, Q12 образуют по сути аналог двухполярного стабилитрона.
Резисторы R20 и R23 предотвращает ложные срабатывания цепей защиты Q3 и Q10 при больших уровнях сигнала.
Блок питания и защиты АС.
Блок питания построен по классической схеме и особенностей не имеет. Автор вместо двух конденсаторов большой ёмкости применил параллельное соединение по 8 конденсаторов меньшей ёмкости в каждом плече по следующим соображениям:
- компактность и простота размещения такого блока в корпусе у силителя,
- большая энергоёмкость и меньшее сопротивление такой батареи
- меньшая стоимость вцелом
- старение (усыхание) одного или нескольких конденсаторов в батарее будет меньше сказываться на качестве питающего напряжения.
Устройство защиты обеспечивает задержку подключения АС к выходу усилителя после прекращения всех переходных процессов, а также отключение АС при появлении на выходе постоянного напряжения.
Элементы U2 и U3 образуют схему задержки подключения АС. Светодиод D4 сигнализирует о неготовности усилителя. По окончании переходных процессов, если на выходе усилителя отсутствует постоянное напряжение, то светодиод гаснет, а реле RL1 подключит выход усилителя к АС.
Компаратор U4 следит за постоянным напряжением на выходе через интеграторы и усилители U6 и U7.
Напряжение на резисторе R8, соответствующее абсолютному значению постоянной составляющей выхода каждого канала, сравнивается с эталонным напряжением на резисторе R10. При срабатывании компаратора U4 эмиттерный ток транзистора Q1 будет протекать через резистор R17. Светодиод D5 при этом будет светиться, сигнализируя о срабатывании защиты. Ток через транзистор Q1 составит при этом около 5 мА, что недостаточно для срабатывания реле.
При указанных номиналах порог срабатывания защиты составляет около 1,8 В.При необходимости его легко изменить, подобрав номиналы соответствующих элементов.
Узел задержки и защиты АС питается от блока питания усилителя через интегральные стабилизаторы U1 и U5. Разъем J15 соединен с основным выключателем (должна быть предусмотрена отдельная группа контактов) для быстрого выключения реле при выключении всего усилителя.
Практическая реализация
Автор все узлы усилителя разместил в корпусе размерами: 230 х 170 х 40 мм
Но! В авторском варианте питание усилителя осуществляется от ноутбучного внешнего блока питания с выходным напряжением +24В.(с преобразователем в +-24В – на фото плата в середине корпуса) Поэтому на фотографии вы не найдёте трансформатора:
При использовании обычного блока питания корпус потребуется больших размеров, в зависимости от примененного трансформатора.
Печатные платы относительно простые, с широкими и далеко расположенными дорожками. Это позволяет предотвратить образование перемычек между соседними проводниками и обеспечивает надёжность конструкции.
Оба канала собраны на двух одинаковых платах:
Блок питания и устройство задержки подключения и защиты АС собраны на одной плате:
Некоторые уточнения
Убедитесь, что транзисторы BC547B BC557B имеют коэффициент усиления по току 330-350. Это можно сделать обычным мультиметром.
Катушка индуктивности L1 наматывается на резисторе R15 и имеет 15 витков. Зачищенные концы провода припаиваются непосредственно к выводам резистора.
Выходные транзисторы изолируются от радиаторов с помощью слюдяных прокладок. Для лучшей теплопроводности обе стороны прокладок покрываются термопастой.
Входные RCA-разъёмы также должны быть изолированы от корпуса, чтобы избежать образования контуров заземления.
Силовой трансформатор.
В зависимости от выходной мощности усилителя с помощью таблицы вы можете определить необходимую мощность и напряжение трансформатора питания, токи предохранителей, размеры радиаторов и т.д.
Данные в таблице приведены для нагрузки 8 Ом:
Для нагрузки 4 Ома все мощности и токи надо умножить на 2, а тепловое сопротивление разделить на 2.
Регулировка, настройка и улучшение усилителя.
Этот усилитель не требует регулировки.
Тем не менее, небольшую проверку стоит провести.
Подав питание, убедитесь, что напряжение на стабилитронах D5 и D6 равно 7,5В.
Далее проверьте, что напряжение на R2 и R13 составляет порядка от 200 до 220 мВ. Если значение ниже, немного уменьшите номинал резистора R8.
Возможная неидентичность примененных транзисторов IRF540 и IRF9540 в схеме специально не корректируется, так как это порождает только чётные гармоники, которые на слух если и воспринимаются, то благоприятно.
Для улучшения линейности усилителя (снижения нечётных гармоник) можно последовательно с диодами D2 и D3 включить резисторы 0,22Ом/3Вт.
Можно также улучшить линейность цепи мягкого ограничения. Для этого надо вместо резистора R25 установить следующую цепочку:
Параметры усилителя:
Полоса пропускания по уровню -3 ДБ составляет 10Гц-100кгц.
Соотношение сигнал/шум 110дБ
Скорость нарастания напряжения 10В/1 мкс
Искажения 0,1% на частоте 1кГц при мощности 20Вт.
Выходное сопротивление: 0,5Ом
Усилитель сравнивался с интегральным на микросхеме TDA7293, которая довольная популярна среди радиолюбителей. При схожести основных параметров рассматриваемый усилитель показал отношение сигнал/шум на 20дБ лучше, чем микросхема.
На рисунке представлены две осциллограммы сигналов:
- меандр с частотой 10кГц и амплитудой 10В.
- и «синус» в режиме мягкого ограничения при уровне насыщения около 60%.
Желаю вам приятного прослушивания и удачного творчества!
Статья подготовлена по материалам журнала Electronique Pratique.