Главная Контакт Ссылки
Качество и схемотехника УМЗЧ Версия для печати
Написал Е. Гумеля   
понедельник, 22 Сентябрь 2003

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), описанный в статье под таким названием [1], вызвал большой интерес у читателей журнала. Многие решили его повторить, несмотря на отсутствие описания конструкции и рекомендаций по налаживанию. Судя по письмам, не все добились успеха и разобрались в принципе работы УМЗЧ. К сожалению, в первоисточнике [2] подробного описания усилителя нет, поэтому на вопросы читателей мы попросили ответить автора статьи [1] Е. Гумелю.

Многие читатели просят объяснить, каким образом оказалось возможным применить в УМЗЧ операционный усилитель (ОУ) с малой скоростью нарастания выходного напряжения.

B УМЗЧ, о котором идет речь, ОУ используется не традиционно: сигнал для предоконечного каскада снимается не с его выхода, а с резисторов в цепях питания (через транзисторы, включенные по схеме ОБ в каждую из них). В этом случае транзисторы предоконечного каскада “раскачиваются” током, представляющим собой разность тока потребления при максимальном выходном напряжении для данного сопротивления нагрузки и тока покоя ОУ. Для получения значительного разностного тока при малом выходном напряжении ОУ необходимо нагрузить резистором малого сопротивления, не допуская, естественно, превышения максимально допустимого выходного тока.

Конечно, уменьшение сопротивления нагрузки ОУ приводит к увеличению нелинейных искажений на высших частотах. Одновременно с ростом частоты падает КПД и растет потребляемый ОУ ток.

Для уменьшения проявления этих недостатков выход УМЗЧ соединен с выходом ОУ через конденсатор С4, образующий вместе с резистором нагрузки R9 частотно-зависимый делитель напряжения. Благодаря этому делителю с ростом частоты часть тока в нагрузку ОУ поступает с выхода УМЗЧ, что эквивалентно возрастанию ее сопротивления.

Рассчитаем амплитуду выходного напряжения ОУ при выбранном сопротивлении нагрузки R9, например, для напряжения питания ± 20 В и выходных транзисторов КТ818, KT819 с напряжением насыщения коллектора Uкэ нас = 2 В при токе коллектора 5 А [3].

Амплитуда тока коллектора транзисторов оконечного каскада IKm1 при сопротивлении нагрузки 4 Ом достигает значения IKm1 = UKm/R = (Uпит - U кэ нac)/R = (20-2)/4 = 4,5 А.

Приняв минимальное значение статического коэффициента передачи тока h21Эmin1 этих транзисторов равным 20, получим амплитуду тока базы Iб m1 = I кm1/ h21Эmin1 = 4,5/20 = 0,225

Аналогично для предоконечных транзисторов КТ814, КТ815 с h21Эmin1 = 30 получим амплитудное значение их тока базы: IБm2 = UКm2/ h21Эmin2 = 0,225/30 = 7,5 mА.

(Для простоты потери в резисторах нагрузки не учитывались, однако это компенсируется более высокими значениями коэффициента h21Э реальных транзисторов).

Достигнуть значения 7,5 мА разностный ток ΔIпит может при амплитуде напряжения на нагрузке ОУ, равной UвыхОУ = ΔIпит /RH = 7,5 10-3 = 0,292 В.

При такой амплитуде выходного напряжения граничная частота усиления сигналов без превышения скорости нарастания для ОУ К140УД7 оказывается равной frp= VUОУl06/2p UвыхОУ = 0,5 -106/б,28•0.292= 265•103 Гц, т. е. практически такой же, как у ОУ К544УД2, работающего при выходном напряжении ±12 В: frp= 265•103 Гц.

Если бы предоконечный и оконечный каскады имели такую же полосу пропускания, то скорость нарастании выходного напряжения УМЗЧ с ОУ К140УД7 достигла бы значения

v Uумзч = UKm2p f•10-6 = l 8•6,3•265•103•10-6 » 30 В/мкс, к которому она практически и приближается в реальном УМЗЧ, судя по полученному уровню искажений (<0,01 %).

Следует отметить, что речь идет о суммарных искажениях, так как векторный индикатор, разработанный И. Т. Акулиничевым [4], селектирует все виды искажений и помех и имеет разрешающую способность <0,01 %. Значит ли это, что применять высокоскоростные ОУ нецелесообразно? Конечно, нет, С ними могут быть получены лучшие результаты.

Ряд вопросов читателей относится к стабилизации режима работы транзисторов VT3-VT6 при изменении температуры их переходов. Как отмечалось в статье [1], транзисторы VT5, VT6 работают при токе покоя, практически равном нулю, поэтому вопросы его стабилизации отпадают [5]. Для обеспечения такого режима падение напряжения на диодах VD1, VD2 должно быть менее напряжения UБЭ при котором коллекторные токи транзисторов VT5, VT6 отличаются от нуля в нагретом состоянии переходов. Это условие должно выполняться при довольно большом токе через диоды (токе коллекторов транзисторов VT3, VT4), для чего они должны быть подобраны. Изменение тока через транзисторы VT3, VT4 при колебаниях температуры окружающей среды не играет существенной роли, так как УМЗЧ предназначен для использования в комнатных условиях и питается от достаточно стабильной сети переменного тока. Изменение коллекторного тока этих транзисторов из-за саморазогрева в значительной степени ослабляется размещением их на индивидуальных теплоотводах, подгонкой режима в прогретом состоянии и малой средней мощностью рассеяния, которая не превышает 0,4 Вт.

Способствует стабилизации режимов транзисторов и условие, оговоренное в статье: для неискаженного воспроизведения сигналов с пикфактором, равным 3, УМЗЧ должен использоваться при средней выходной мощности, равной 0,1 Рmax. Естественно, что УМЗЧ в этом случае работает к облегченном режиме.

Автором УМЗЧ испытывался в точение достаточно длительного времени и при мощности, близкой максимальной, однако к аварии это не приводило.

Тем не менее беспокойство некоторых радиолюбителей о необходимости введения какой-либо защиты УМЗЧ от перегрева следует признать правомочным, и, надо надеяться, их поиски в этом направлении помогут сделать его более надежным.

Некоторых читателей смущают неодинаковые сопротивления резисторов в цепях инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ. Однако даже при самом плохом стечении обстоятельств, например, для ОУ К140УД7 UCM = -9 мВ, I вх = 400 нА, максимальное постоянное напряжение на выходе УМЗЧ не превысит значения Uвых мах= (Uсм + IвхRl) (1+R11/R3) = -(9 + 400•10-9•47•103) (1 +3900/220) = - 0,5 В, которое легко устраняется балансировкой ОУ.

Большое число писем касается характеристик УМЗЧ, замены его деталей, особенностей налаживания, данных деталей усилителя - прототипа.

Кроме указанных на схеме, в УМЗЧ можно применить любые высокочастотные кремниевые транзисторы с примерно такими же, как у транзисторов КТ315 и КТ361, параметрами и напряжением UKЭmax>15 В, О У К274 У Д1, К140У Д 8, К153У Д 2, К153УДЗ с соответствующими цепями коррекции. Указанный в статье ОУ К154УД1 в число рекомендуемых попал ошибочно. Следует учесть, что названные ОУ, как правило, нуждаются в балансировке, которую следует выполнять по схемам, приведенным, например, в [6].

В предоконечном каскаде можно применить транзисторы серий KT816 и КТ817, хотя у последних несколько больше емкость СКБ. Тщательно их можно не подбирать, достаточно примерно подобрать пары по коэффициенту h21Э . В пару можно включать транзисторы с различными буквенными индексами, важно только, чтобы напряжение UKЭmax каждого из них было больше 2Uпит (т. е. >40 В при Uпит = ±20 В). Сказанное в полной мере относится и к транзисторам VT5, VT6.

В оконечном каскаде возможно применение составных транзисторов серий КТ825, КТ827, хотя идти на такую замену следует только в том случае, если параметр h21Э имеющихся транзисторов КТ818, КТ819 находится на нижнем пределе.

Диоды VDl, VD2 — любые кремниевые с прямым падением напряжения не более 0,55 В при токе 15...20 мА (например, серий Д220, Д223, КД102, КД103, КД105). Точечные диоды типа Д104, Д105 здесь непригодны. При использовании в оконечном каскаде транзисторов серий КТ825, КТ827 понадобятся диоды с прямым падением напряжения 1...1.2 В при токе 10... 15 мА. Вместо них можно включить по два последовательно соединенных диода с прямым напряжением 0,5,..0,55 В.

Взамен диодов Д237А, защищающих транзисторы VT5, VT6 от пробоя при индуктивном характере нагрузки, лучше всего использовать малоемкостные диоды большой мощности, а при отсутствии таковых — любые маломощные выпрямительные диоды, рассчитанные на средний прямой ток 0,3...0,5 А и обратное напряжение более 2 Uпит

Диоды выпрямительного моста должны быть рассчитаны на средний прямой ток 3 А и обратное напряжение 50 В (Д242, Д243, Д245, Д248, КД203 с любым буквенным индексом, мосты КЦ409, КЦ410 и т, п.).

Каждый из транзисторов предоконечного каскада перед установкой на плату должен быть смонтирован на индивидуальном теплоотводе площадью 40 см2, согнутом в виде буквы П из листового алюминиевого сплава толщиной 1,5..,2 мм. Транзисторы оконечного каскада (желательно в металлическом корпусе) закрепляют на общем теплоотводе с площадью излучения примерно 1000 см2 (на один канал). Каждый транзистор крепят через прокладку из слюды толщиной 40...50 мкм. Поверхности теплоотвода и транзисторов смазывают теплопроводной пастой или, в крайнем случае, жидким силиконовым или вазелиновым маслом. Винты крепления изолируют пластмассовыми втулками, а выводы транзисторов соединяют с платой короткими (не длиннее 100 мм) не свитыми в жгут проводами диаметром не менее 1 мм.

При использовании разъемов в цепь каждого из выводов транзистора включают два контакта.

Выводы конденсаторов (все они, кроме, естественно, С6, С7, должны быть керамическими) следует укоротить до минимально возможной длины.

При применении высокоскоростных ОУ на входе УМЗЧ необходимо установить ФНЧ, состоящий из резистора сопротивлением 4,7 кОм (R14) и конденсатора емкостью 560 пФ (С12).

Налаживание УМЗЧ начинают при отключенных транзисторах оконечного каскада. Резисторы R7 и R8 временно заменяют перемычками. Прежде всего убеждаются, что напряжения на выводах 7 и 4 ОУ DA1 не превышают указанных в справочнике при повышенном (на 15 %) напряжении сети. Если напряжение на первичной обмотке сетевого трансформатора регулировать нечем, напряжения питания ОУ устанавливают на 15 % ниже номинального подбором резисторов R5 и R6 (напряжения должны быть одинаковыми). Затем извлекают один из предохранителей (FUI или FU2) и измеряют ток, потребляемый ОУ (для К140УД7 он должен быть около 2,5 мА, для К544УД2А - около 6 мА). С учетом конкретного значения тока рассчитывают сопротивление резисторов R7 и R8, исходя из того, что падение напряжения на каждом из них должно составлять 0,6 В.

Далее вместо перемычек устанавливают резисторы нужного сопротивления и, включив кратковременно питание, измеряют ток, потребляемый ОУ DA1 и транзисторами VT3, VT4, который должен быть в пределах 15...20 мА. Если это не так, следует заменить одновременно оба резистора на экземпляры с меньшим или большим сопротивлением. Добившись требуемого тока, проверяют суммарное падение напряжения на диодах VD1, VD2. Оно не должно превышать 1...1,! В. При большем падении напряжения следует подобрать и диоды.

Затем измеряют постоянное напряжение на выходе УМЗЧ, которое должно лежать в пределах ifcO,25.,.0,5 В. Если оно значительно больше, следует убедиться в возможности его уменьшения до ±-5...15 мВ балансировкой ОУ. При использовании ОУ К140УД7 это делают переменным резистором сопротивлением 10 кОм, крайние выводы которого подсоединяют к его выводам 1 и 5, а средний — к выводу 4. Невозможность балансировки свидетельствует о неисправности ОУ или одного из транзисторов VT3, VT4. Следует также убедиться в наличии соединения средней точки вторичной обмотки трансформатора с общим проводом УМЗЧ.

После балансировки питание выключают, подсоединяют выходные транзисторы и вместо одного из предохранителей включают амперметр с пределом измерения 3...5 А. Кратковременно подав питание, убеждаются, что ток потребления не превышает 0,1 А, и, переключив амперметр на этот предел, проверяют, не изменился ли ток по сравнению с установленным ранее. В случае, если он окажется больше, подбирают диоды VD1, VD2 таким образом, чтобы как при замкнутых накоротко, так и при включенных диодах ток оставался практически одним и тем же. Добившись этого, снова измеряют выходное напряжение (исключив предварительно амперметр из цепи питания УМЗЧ), и если оно изменилось, окончательно балансируют ОУ, после чего заменяют переменный резистор двумя постоянными (R15, R16), сопротивления которых равны сопротивлениям его частей между средним и крайними выводами.

Далее к выходу УМЗЧ подсоединяют резистор сопротивлением 4 Ом, рассчитанный на мощность рассеяния 30...40 Вт, а к входу — источник сигнала. Подключив параллельно нагрузке вольтметр переменного тока с пределом измерение 20...25 В, включают питание и медленно увеличивают сигнал на входе УМЗЧ до получения выходного напряжения 14... 16 В, что соответствует мощности 32...35 Вт. Входное напряжение при этом должно быть около 0,75 В.

Экспериментируя с транзисторами КТ825, КТ827, следует учитывать возможность самовозбуждения УМЗЧ, которое может привести к выходу их из строя. При налаживании УМЗЧ с оконечным каскадом на этих транзисторах желательно использовать стабилизированный источник питании с защитой, отрегулированной на ток срабатывания 1...1,5 А.

Для изменения номинального входного напряжения (чувствительности) УМЗЧ достаточно заменить только резистор R3, предварительно определив его сопротивление из соотношения R3 = R11/[(Uпит - UKЭнac)/ Ö (2UBx-1], где Uпит — напряжение одного источника питания УМЗЧ, UKЭнac - напряжение насыщения коллектор — база транзистора одного из плеч оконечного каскада, UBX - требуемое номинальное входное напряжение.

При желании можно подобрать конденсатор С5 по минимуму искажений, как это рекомендовано в [2], заменив его подстроечным конденсатором соответствующей емкости (расчетное значение C5=L1/R10R11). Автор этого не делал, так как искажения порядка 0,006 % измерить нечем.

Если УМЗЧ предназначается для работы на нагрузку RH иного, чем указано в статье, сопротивления, то необходимо изменить сопротивление резистора R10, которое зависит также от требуемых выходной мощности и скорости нарастания выходного напряжения: R10 = VUУМЗЧRH/2p fB10-6Ö (2RHPmax) - RН где fВ – верхняя граничная частота рабочего диапазона. Естественно, в этом случае соответственно необходимо изменить и сопротивления резисторов R11, R3. Максимальную выходную мощность при новой нагрузке рассчитывают по формуле Pmax = (Uпит - Ö ( Uпит - UKЭнac)2/2RH.

Требуемое напряжение каждого источника питания для получения заданной выходной мощности определяют по формуле Uпит = Ö (2RНPmax) + UKЭнac

При питании напряжениями, отличающимися от ±20 В, номиналы резисторов R5, R6 необходимо изменить таким образом, чтобы напряжения на эмиттерах транзисторов VT1, VT2 не превышали допустимых для ОУ. Сопротивления этих резисторов рассчитывают по формуле:

R5=R6= R2 [Uпит / (Uпит ОУ +0,6)-1], где Uпит ОУ - напряжение питания ОУ.

Если питание не стабилизировано, напряжение Uпит ОУ следует взять на 10... 15 % меньше максимально допустимого для используемого ОУ. В качестве Uпит в формулу подставляют фактическое напряжение одного из источников при нагрузке только током покоя УМЗЧ.

При замене резисторов R2 и R4 стабилитронами с напряжением стабилизации 13...16 В УМЗЧ можно питать от любого источника напряжением от 20 В до допустимого значения U КЗ max примененных транзисторов. В случае питания от стабилизированных источников резисторы R12, R13 исключают.

Предельные напряжения UKЭнac транзисторов VT1, VT2 должны быть больше разности Uпит - Uпит ОУ , транзисторов VT3-VT6 - больше 2Uпит. На соответствующее напряжение должны быть рассчитаны диоды и конденсаторы выпрямителя, а вторичная обмотка сетевого трансформатора должна обеспечивать средний ток Icp = Uпит /2,5RH (на один канал). Каждый канал УМЗЧ целесообразно питать от отдельной вторичной обмотки, а еще лучше - от отдельного трансформатора, что позволит сделать блок питания более компактным.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гумеля Е. Качество и схемотехаика УМЗЧ.-- Радио, 1985, № 9, с. 31 - 35,
  2. Schnildt C. Currenl dumping amplifier. Elektor, 1979, № 7/8.
  3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник - М.: Радио и связь, 1982.
  4. Акулиничев И. Селекция сигнала искажений. Радио, 1983, № 10, с. 42-44.
  5. Солнцев Ю. Высококачественный усилитель мощности.-Радио, 1984, № 5, с. 29-34.
  6. Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители.-М.: Энергоиздат, 1982.

Радио №5, 1986г.

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.