KSV
1 ранг
- Регистрация
- 10 Июн 2020
- Сообщения
- 5,352
- Реакции
- 5,963
- Репутация
- 205
- Страна
- Россия
- Город
- Москва
- Имя
- Сергей
Род Эллиот (Rod Elliott) радиолюбитель со стажем, он известен своими конструциями. Они открыты и доступны всем, но на английском языке.
Заглянув на его сайт, я увидел новые статьи. На скорую руку перевёл одну из них с малыми сокращениями и изменениями.
Первоисточник https://sound-au.com/project217.htm
В простом усилителе он применил два редких схемных решения. Статья расчитана на "начинающих", но не только. Мне интересно собрать и опробовать эту схему, но хочу на печатной плате, а пока рисовать её некогда, может кто-то возьмёт на себя этот труд. Удобно, что используется однополярный БП, для него годится трансформатор с одной вторичной обмоткой.
Ниже текст от первого лица. Опечатки и ошибки - мои.
***
Может показаться, что статья слишком велика для такого простого проекта, но это потому, что я дал намного больше информации, чем обычно. Проект сделан так, чтобы радиолюбитель имел больше возможностей для экспериментов, измерений, чтобы лучше понимать, как работает усилитель. Печатные платы не будут предложены по той причине, что они не нужны для устранения учебных целей.
УНЧ не предназначен для высокой мощности, он обеспечит около 6 Вт на выходе при однополярном питании 24 В, мощность увеличится до 20 Вт при напряжении питания 40 В (выше не рекомендуется). Все транзисторы могут быть заменены эквивалентными с учётом их параметров - напряжения, тока, мощности. Выходные транзисторы будут рассеивать в среднем менее 8 Вт при питании 40 В, но пиковое рассеивание может превышать 20 Вт при нагрузке на АС. Это не проблема для любого транзистора, рассчитанного на 50 Вт или более, идеально подойдут бюджетные транзисторы, такие как TIP / MJE3055 / 2955. Предвыходные транзисторы в корпусе TO92 не требуют радиатора. Естественно, силовые транзисторы нуждаются в радиаторе, годятся небольшие и недорогие.
В этот усилитель можно вносить разные изменения, это полезно для лучшего понимания работы усилителей. Хотя усилители используют разные топологии, принципы не меняются. Входной транзистор работает с токовой обратной связью, хотя обратная связь по напряжению гораздо более распространена. Для экспериментального усилителя важно то, что он имеет очень хорошую устойчивость, и вряд ли возбудится, если вы не сделаете какую-нибудь глупость.
Хотя рекомендуемое напряжение питания составляет 24 В, УНЧ более или менее нормально работает работает от 5 В. Мощность при этом всего около 50 мВт, и входная цепь смещения должна быть изменена, однако это показывает возможности УНЧ. Хотя его можно легко масштабировать, чтобы обеспечить 100 Вт или больше, не следует это делать. Преимущество этого УНЧ и в том, что если усилитель выйдет из строя, конденсатор на выходе защитит динамики.
Измеренный уровень искажений при полной мощности на нагрузке на 8 Ом равен 0,1% и 0,03% без нагрузки. При полной мощности верхняя частота пропускания равна 80 кГц, а уровень шума на выходе менее 3 мВ при питании от ИИП (импульсного источника питания) на макете. С трансформаторным БП (блоком питания) и экранированным корпусом ожидается, что шум будет меньше 1 мВ (-70 дБ, на выходе 1 Вт).
Как только ток выходного каскада превысит 250 мА, диоды начнут открываться и шунтировать резисторы. Это позволит УНЧ отдавать полный ток в нагрузку. Вы можете ожидать, что это приведет к увеличению искажений, это не так (вернее они минимально увеличиваются). Небольшой прирост искажений легко исправляется обратной связью. В отличие от работы выходного каскада в классе Б, здесь ток покоя всегда заметно выше нуля, потому что выходные транзисторы не закрываются полностью, нет искажений типа ступенька.
При обрыве цепи ООС, усиление на частоте 1 кГц увеличивается до 80 дБ, а на 20 кГц до 60 дБ. Это лучше, чем у многих современных усилителей мощности с дифкаскадом на входе. Выходные диоды можно ставить 1N4004 или аналогичные, но при питании выше + 30 В, или при нагрузке 4 Ом, я предлагаю ставить либо два диода параллельно, либо более мощные 1N5404 или аналогичные. При стандартных НЧ диодах (1N4004 или аналогичных), могут возрасти искажения на ВЧ. Использование высокоскоростных диодов предотвратит это. Например, UF4004 («ультрабыстрая» версия 1N4004) или другие быстрые диоды, с током более 1А, будут идеальны. Я использовал диоды BYV26E, потому что они были в наличии.
Q2 - усилитель по напряжению. Сигнал переменного тока на базе Q2 составляет всего около 16 мВ от пика до пика при максимальном напряжении на выходе, и «предварительно искажен», чтобы компенсировать искажения, полученные на выходе. Нагрузкой для Q2 (через D1-D4) является резистор R7. Вольтодобавка на C4 и R6 поддерживает достаточно стабильный ток через R7. Вольтодобавка очень хорошо работает на практике и используется во множестве усилителей. Использование схем с источником тока слегка уменьшит искажения, но усложнит схему и несколько уменьшит максимальное выходное напряжение.
Существует две ветви обратной связи на элементах R3, C2 и R4. R3 обеспечивает ООС по постоянному току для поддержания выходного напряжения на 0,65 В выше напряжения постоянного тока на базе Q1. Постоянное напряжение на выходе УНЧ равное половине напряжения питания обеспечивается делителем на резисторах R1 и R2, регулировки нет, её можно добавить установкой подстроечного резистора вместо R2. C2 блокирует прохождение постоянного тока. Входное сопротивление УНЧ примерно 16K, поскольку R1 и R2 установлены параллельно для входного сигнала переменного напряжения.
Обратная связь по переменному току обеспечивается резисторами R3 и R12, конденсатором С2 и резистором R4. R12 подключен непосредственно к нагрузке, минуя С5, это также компенсирует некоторые из искажений, обычно связанных с электролитическими конденсаторами (реальными или воображаемыми). Из-за этой вторичной обратной связи низшая частота на нагрузке 8 Ом составляет 12,5 Гц по уровню -3 дБ. При необходимости она может быть расширена увеличением ёмкости C5.
Обратите внимание, я написал, что этот усилитель использует токовую обратную связь (CFB). Терминология немного вводит в заблуждение. Хотя на каскад обратной связи Q1 поступает напряжение переменного тока и постоянного тока, входной каскад имеет низкий входной импеданс, а ток через резистор обратной связи (R3) определяет полосу пропускания. Больший ток обеспечивает лучший высокочастотный отклик. В этом отличие от усилителей с обратной связью по напряжению (например, практически для всех ОУ), где оба входа имеют высокое сопротивление, а быстродействие и, следовательно полоса усиления, определяется корректирующим конденсатором. Токовая Обратная связь используется в ВЧ усилителях (10 МГц до 100 МГц), где топология CFB обеспечивает наилучшую производительность.
Фазовая коррекция обычная, определяется C3 (100пФ) в качестве «доминирующего полюса». Это сделано для ограничения пропускной способности, которая в противном случае настолько велика, что усилитель будет неустойчив. Полоса частот до 80 кГц на полной мощности, быстродействие около 6 В / мкс. Хотя её легко расширить за счет уменьшения номинала C3, это может привести к неустойчивости усилителя. Я испытывал усилитель с полосой до 400 кГц, он стал очень чувствительным к емкости нагрузки, был склонен к возбуждению при открытом входе. Небольшой емкости между выходом и входом в этом случае достаточно, чтобы вызвать возбуждение. При открытом входе для возбуждения достаточно всего 2 пФ.
При слишком широкой полосе пропускания нестабильность может возникнуть при «сложных» фильтрах АС. Если у вас есть проблемы, способ лечения - добавить цепь Zobel (C7 и R13). Цепь Zobel отображается как необязательная, с хорошей платой она не понадобится. Однако оставить место на плате под цепь Zobel - хорошая идея. R13 не обязательно должен быть 2,7 Ом, как показано на схеме, обычное значение 10 Ом, оно используется в большинстве проектов УНЧ.
Ток смещения устанавливается четырьмя диодами 1N4148 (D1 - D4), которые обеспечивают номинальное напряжение смещения 2,8 В постоянного тока. Этого достаточно, чтобы гарантировать достаточный ток покоя для Q3, Q4 и выходных транзисторов Q5, Q6. Это гарантирует отсутствие искажений типа ступенька. Ток покоя на практике будет разным для разных транзисторов, и зависеть от температуры.
Относительно высокоомные резисторы в эмиттерах (2,7 Ом) гарантируют, что при любой комбинации транзисторов и диодов смещения не будет чрезмерного тока покоя. С типичными транзисторами выходной ток покоя будет от 20 мА до 50 мА.
Для предотвращения чрезмерного падения напряжения на резисторах 2,7 Ом при высоком выходном токе, поставлены диоды (D5 и D6) которые эффективно дополняют резисторы, так как максимизируют выходной ток и минимизируют рассеивание тепла на резисторах. Можно использовать «обычные» резисторы низких номиналов, например, 0,1 Ом, но это потребует более тщательной настройки и усложнения схемы для термокомпенсации. Для эффективности потребуется установить дополнительный транзистор термокомпенсации на радиаторе выходных транзисторов, что приведет к усложнению схемы.
Поскольку УНЧ питается от однополярного источника, нагрузка (динамики) подключена через конденсатор. На схеме С5=1 000 мкФ, это достаточно для баса. Нижняя частота 12,5 Гц по уровню -3 дБ, при увеличении С5 до 2200 мкФ нижняя частота уменьшается до 8,7 Гц. Эффект от увеличения ёмкости вряд ли будет услышан, особенно на обычных АС, поэтому не следует бездумно расширять полосу усиления вниз.
Из справочных данных минимальное усиление по току выходных транзисторов на токе 4 А составляет 20, поэтому базовый ток будет не более 75 мА. Предвыходные транзисторы BC639 / 640 имеют минимальное усиление по току 63, поэтому их базовый ток будет не более 1,2 мА.
Усилитель напряжения на транзисторе Q2 должен обеспечить ток примерно в два раза больше или 2,4 мА. Вольтодобавка обеспечит ток 2,7 мА, поэтому все условия будут соблюдены. Усиление Q2 также минимум 63, поэтому его базовый ток будет до 43 мкА, плюс 650 мкА через R5. Поэтому Q1 должен обеспечить ток около 700 мкА. Напряжение постоянного тока на R3 (2,2 кОм) будет около 1,54 В.
Расчет делителя напряжения на базе Q1. Его базовый ток равен току коллектора (700 мкА), деленному на минимальное усиление по току, для BC559 оно равно 110, поэтому ток базы Q1 будет не более 6,4 мкА. Ток через делитель напряжения (R1, R2, R11) должен быть в пять или более раз выше, или 32 мкА. R1+R2+R11= 78К, при питании 24 В, он будет более 300 мкА, чего более чем достаточно. Обратите внимание, что все расчеты основаны на «худшем случае» (минимальном усилении всех транзисторов). Это гарантирует, что схема будет работать, как ожидалось, независимо от усиления транзисторов.
Процесс проектирования, описанный выше, в значительной степени стандартный для любого усилителя. Начиная с выхода, мы можем быть уверены, что схема будет работать, даже если все транзисторы имеют наименьшее усиление, указанное в справочнике. Здесь не будет расчета максимально допустимых режимов транзисторов, потому что напряжения и токи гораздо ниже максимальных, указанных в справочнике. Я никогда не рекомендую корпус TO-220 для всего, что рассеивает более 20 Вт. Здесь мощности меньше.
Даже с напряжением питания 40 В и нагрузкой на 4 Ом средняя тепловая мощность составляет менее 10 Вт, в наихудшем пиковом режиме и реактивной нагрузке - 50 Вт. Несмотря на простоту УНЧ, он обеспечит менее 0,1% THD (сумма гармонических искажений плюс шум) на нагрузке на 8 Ом. Усиление напряжения (AV) определяется соотношением резисторов обратной связи, в данном случае ...
AV = (R3 || R12 / R4) + 1
Av = 1,1k / 100 + 1 = 12
Это означает, что при входном напряжении 560 мВ и питании 24 В, выходная мощность будет максимальна. Усиление может быть изменено заменой номинала R4, более низкое сопротивление даст более высокое усиление и наоборот. Маловероятно, что это будет нужно, так как это оптимальное усиление для такого УНЧ. Поскольку этот усилитель создан специально для опытов, много внимания уделено внесению изменений в него.
В процессе проектирования чрезвычайно трудно рассчитать ёмкость конденсатора коррекции C3. Гораздо легче определить его значение при настройке. Симуляторы могут помочь, но используемые модели должны быть чрезвычайно точными, а большинство из них являются «функциональными» усреднёнными, они могут дать только приблизительный ответ. Данная схема была смоделирована, но симулятор не смог предоставить точную фазовую информацию. Это типично!
Был проведён опыт по определению отрицательного влияния выходного электролитического конденсатора на частотную характеристику. Конденсатор С5=2200 мкФ, с помощью уменьшения С3 получена верхняя частота по усилению 400 кГц. Она не менялась при подключении и отключении, демонстрируя, что конденсатор не влияет на высокие частоты. За долгое время опытов я пришёл к выводу, что добавление небольшого плёночного или масляного конденсатора параллельно с электролитическим - совершенно бессмысленно, и этот УНЧ предоставляет вам возможность доказать это себе. Это не повредит, но от него мало проку, если вы не работаете с радиочастотными (> 1 МГц) усилителями.
Резисторы в цепи эмиттера не обязательно должны быть 2,7 Ом, что-то от 2,2 Ом до 3,9 Ом также будет работать. Диоды параллельно с резисторами эмиттера могут быть низковольтными, но не Шоттки! Они будут открываться слишком рано, а ток смещения может быть намного выше ожидаемого. Высокоскоростные диоды хороши и уменьшают искажения на высоких частотах. Выходной конденсатор может быть уменьшен, если колонки не воспроизводят низкие частоты, или увеличен, если вы хотите «больше» баса.
Чтобы получить максимально возможный выходной уровень и симметричное ограничение, R2 может быть заменен фиксированным резистором 22 кОм последовательно с подстроечником 20 кОм, контроль по осциллографу. Разница будет менее 1 дБ по сравнению с приведенными фиксированными соотношениями, но появится возможность увидеть влияние делителя по входу усилителя на выходное напряжение.
Обратная связь вызывает проблемы для всех, кто не имеет опыта настройки и ремонта (это искусство).
Усилитель менее сложен для поиска неполадок, чем многие другие, но небольшая ошибка все равно может привести к «странным» или «невозможным» напряжениям. Кроме того, найти неисправности в том, что только что построено (и никогда не функционировало) намного сложнее, чем найти неисправность в цепи, которая работала какое-то время. Наиболее распространенные неисправности в новых конструкциях – неправильно впаянные детали, плохие пайки, замыкания и обрывы.
Я включил вид сверху транзисторов, так как это не всегда очевидно из чертежей в справочниках.
Линейка диодов D1-D4 в прозрачной термотрубке. Убедитесь, что диодная линейка на 100% надежна - если в ней будет обрыв или ошибка, оба выходных транзистора полностью откроются и замкнут источник питания. Повреждение усилителя или источника питания (или обоих) почти гарантировано!
Некоторые перемычки должны быть как можно короче, и нужно обеспечить минимальную емкость между несколькими точками на плате. Вход является одной из этих точек. Если есть какие-либо емкостные соединения от выхода на вход, усилитель, вероятно, будет либо возбуждаться, либо будут искажения формы сигнала. Большинство других соединений менее критично к монтажу, а C3 обеспечивает разумную верхнюю частоту.
Этот усилитель был использован для проверки работы и проведения измерений частотной реакции и искажений. Полоса пропускания может быть удивительно широкой, если подобрать C3, и она может превышать полосу пропускания большинства усилителей гораздо большей сложности. Она может быть более 400 кГц (-1дБ!), но при этом запас устойчивости становится очень мал. Я не рекомендую уменьшать номинал C3 ниже 100 пФ (можно 220 пФ). На 1 кГц я измерил искажение - 0,1% (при полной мощности, на нагрузке 8 Ом), это лучше, чем я ожидал для такого простого усилителя. Прослушивание не выявило какие-либо проблемы с качеством звука.
УНЧ идеально подходит в качестве небольшого усилителя для питания внешних динамиков телевизора или в качестве «мини-Hi-Fi». При увеличении напряжения питания до 36 В, мощность достаточна для большинства случаев.
На LM1875 или аналогичной микросхеме можно сделать более компактный усилитель, но у вас не будет доступа к любому из узлов схемы. Вы ничего не узнаете о работе усилителя, используя микросхему, а это цель нашей конструкции.
Я изучал схемы в мои подростковые годы, анализируя подобные проекты. Вы можете сделать то же самое. Стоит отметить, что осциллограф был одной из моих первых покупок.
Фон не должен быть проблемой даже с обычным источником питания. Альтернатива – ИИП (импульсные источники питания), версии 2А применяются с осветительными приборами. Средний ток при полной мощности на нагрузке на 8 Ом составляет около 400 мА, причем пиковый ток немного более 1,2А. C7 поможет сгладить пиковый ток, ИИП на 2А обычно будет достаточно для усилителя нагруженного на 8 Ом. Обратите внимание, что для нагрузки 4 Ом, ток удваивается (как пиковый, так и средний).
Ток потребляется от источника питания только во время положительных пиков. Это отличается от УНЧ с двуполярным питанием. Средний ток через C5 составляет ~ 850 мА при полной мощности на 8 Ом с питанием от 24 В. Важно убедиться, что C5 рассчитан на ток пульсации, по меньшей мере, 1А RMS и на 2A, если вы намереваетесь использовать нагрузку на 4 Ом.
Если вы построите линейный блок питания («обычный» трансформатор, мостовой выпрямитель и конденсатор фильтра), я предлагаю минимум 4 700 мкФ для ёмкости фильтра. Вы можете использовать регулируемый стабилизатор или фильтр, но это усложняет схему. Тем не менее, если вы решите построить пару этих усилителей, стоит задуматься о хорошем блоке питания.
Если вам интересно, два диода 1N4148 повышают выходное напряжение примерно на 0,7+0,7 В. Без диодов выходное напряжение будет ~ 22,5 В.
Одно из преимуществ линейного источника питания - большая гибкость. Выходное напряжение может быть больше 24 В, но не устанавливайте более 48 В. 40В достаточно для получения мощности 20 Вт на 8 Ом.
Независимо от имеющегося блока питания, не подключайте его напрямую при первом включении только что собранного усилителя. Некоторые ошибки могут привести к повреждению транзисторов и могут также повредить источник питания. Сначала подайте питание через резистор 27 или 33 Ом. УНЧ должен потреблять в покое около 36…50 мА от 24 В. Напряжение на дополнительном резисторе 33 Ом должно быть 1,1…1,7 В без нагрузки и входного напряжения. Напряжение на общей точке эмиттерных резисторов 2,7 должно быть около 12 В. Если это не так, надо найти и устранить ошибку монтажа или неисправные детали. Используйте рис. 2, чтобы проверить режимы транзисторов.
Источник питания пригодится для других проектов. Если вы покупаете блок ИИП, ориентируйтесь на ток примерно 4А. Вы можете взять блок питания от старой техники 70-х годов, если её мощность составляла около 20 Вт на канал. Обычно это было достаточно для «нормального» прослушивания в то время.
Одна вещь, которую вы, возможно, заметили, так это то, что напряжения для конденсаторов не указаны. Это преднамеренно, думайте сами. Рис. 2 здесь будет полезен.
К сожалению, я не ожидаю, что много людей построит этот усилитель. Он является отличным инструментом для обучения. Несмотря на мой многолетний опыт работы с усилителями всех типов и размеров, мне было интересно разрабатывать, измерять и экспериментировать с ним.
Заглянув на его сайт, я увидел новые статьи. На скорую руку перевёл одну из них с малыми сокращениями и изменениями.
Первоисточник https://sound-au.com/project217.htm
В простом усилителе он применил два редких схемных решения. Статья расчитана на "начинающих", но не только. Мне интересно собрать и опробовать эту схему, но хочу на печатной плате, а пока рисовать её некогда, может кто-то возьмёт на себя этот труд. Удобно, что используется однополярный БП, для него годится трансформатор с одной вторичной обмоткой.
Ниже текст от первого лица. Опечатки и ошибки - мои.
***
Введение
Это усилитель начинающие (или опытные радиолюбители) могут построить для поддержания своих навыков и попутно изучать основы схемотехники усилителей. Многие любители не анализируют схемы, которые они собирают, и не знают что делать, если что-то пойдет не так.Может показаться, что статья слишком велика для такого простого проекта, но это потому, что я дал намного больше информации, чем обычно. Проект сделан так, чтобы радиолюбитель имел больше возможностей для экспериментов, измерений, чтобы лучше понимать, как работает усилитель. Печатные платы не будут предложены по той причине, что они не нужны для устранения учебных целей.
УНЧ не предназначен для высокой мощности, он обеспечит около 6 Вт на выходе при однополярном питании 24 В, мощность увеличится до 20 Вт при напряжении питания 40 В (выше не рекомендуется). Все транзисторы могут быть заменены эквивалентными с учётом их параметров - напряжения, тока, мощности. Выходные транзисторы будут рассеивать в среднем менее 8 Вт при питании 40 В, но пиковое рассеивание может превышать 20 Вт при нагрузке на АС. Это не проблема для любого транзистора, рассчитанного на 50 Вт или более, идеально подойдут бюджетные транзисторы, такие как TIP / MJE3055 / 2955. Предвыходные транзисторы в корпусе TO92 не требуют радиатора. Естественно, силовые транзисторы нуждаются в радиаторе, годятся небольшие и недорогие.
В этот усилитель можно вносить разные изменения, это полезно для лучшего понимания работы усилителей. Хотя усилители используют разные топологии, принципы не меняются. Входной транзистор работает с токовой обратной связью, хотя обратная связь по напряжению гораздо более распространена. Для экспериментального усилителя важно то, что он имеет очень хорошую устойчивость, и вряд ли возбудится, если вы не сделаете какую-нибудь глупость.
Хотя рекомендуемое напряжение питания составляет 24 В, УНЧ более или менее нормально работает работает от 5 В. Мощность при этом всего около 50 мВт, и входная цепь смещения должна быть изменена, однако это показывает возможности УНЧ. Хотя его можно легко масштабировать, чтобы обеспечить 100 Вт или больше, не следует это делать. Преимущество этого УНЧ и в том, что если усилитель выйдет из строя, конденсатор на выходе защитит динамики.
Измеренный уровень искажений при полной мощности на нагрузке на 8 Ом равен 0,1% и 0,03% без нагрузки. При полной мощности верхняя частота пропускания равна 80 кГц, а уровень шума на выходе менее 3 мВ при питании от ИИП (импульсного источника питания) на макете. С трансформаторным БП (блоком питания) и экранированным корпусом ожидается, что шум будет меньше 1 мВ (-70 дБ, на выходе 1 Вт).
Описание схемы
Конструкция не использует дорогие компоненты и питается от напряжения 12…40 В (максимум + 48 В). Выходная мощность невелика, но используется мало деталей при хорошием звуке. Схема давно использовалась во множестве усилителей умеренной мощности, пока в моду не вошли усилители высокой мощности. Одним из недостатков подобных схем является то, что при включении в АС слышно щелчок, но это не вызывало особых проблем поскольку его мощность в любом случае была ограничена, а конденсатор C5 защищает динамик от постоянного напряжения. В данной схеме напряжение «щелчка» достигает только 1 В в пике при питании 24 В.Рис. 1 - Принципиальная схема усилителя
Все детали легко приобрести по низкой цене. В данной схеме есть особенность построения выходного каскада для лучшей термостабильности. Резисторы в эмиттерах выходных транзисторов сознательно поставлены повышенного сопротивления, поэтому ток покоя стабилен. Даже довольно сильный нагрев выходных транзисторов мало влияет на ток покоя. В обычных схемах такое увеличение сопротивления резисторов приведёт к значительной потере мощности, поэтому параллельно им поставлены диоды.Как только ток выходного каскада превысит 250 мА, диоды начнут открываться и шунтировать резисторы. Это позволит УНЧ отдавать полный ток в нагрузку. Вы можете ожидать, что это приведет к увеличению искажений, это не так (вернее они минимально увеличиваются). Небольшой прирост искажений легко исправляется обратной связью. В отличие от работы выходного каскада в классе Б, здесь ток покоя всегда заметно выше нуля, потому что выходные транзисторы не закрываются полностью, нет искажений типа ступенька.
При обрыве цепи ООС, усиление на частоте 1 кГц увеличивается до 80 дБ, а на 20 кГц до 60 дБ. Это лучше, чем у многих современных усилителей мощности с дифкаскадом на входе. Выходные диоды можно ставить 1N4004 или аналогичные, но при питании выше + 30 В, или при нагрузке 4 Ом, я предлагаю ставить либо два диода параллельно, либо более мощные 1N5404 или аналогичные. При стандартных НЧ диодах (1N4004 или аналогичных), могут возрасти искажения на ВЧ. Использование высокоскоростных диодов предотвратит это. Например, UF4004 («ультрабыстрая» версия 1N4004) или другие быстрые диоды, с током более 1А, будут идеальны. Я использовал диоды BYV26E, потому что они были в наличии.
Как работает усилитель
Q1 - это входной транзистор, через ООС используется для коррекции ошибок. Коллектор Q1 непосредственно соединен с базой Q2, эти два транзистора обеспечивают все усиление усилителя по напряжению.Q2 - усилитель по напряжению. Сигнал переменного тока на базе Q2 составляет всего около 16 мВ от пика до пика при максимальном напряжении на выходе, и «предварительно искажен», чтобы компенсировать искажения, полученные на выходе. Нагрузкой для Q2 (через D1-D4) является резистор R7. Вольтодобавка на C4 и R6 поддерживает достаточно стабильный ток через R7. Вольтодобавка очень хорошо работает на практике и используется во множестве усилителей. Использование схем с источником тока слегка уменьшит искажения, но усложнит схему и несколько уменьшит максимальное выходное напряжение.
Существует две ветви обратной связи на элементах R3, C2 и R4. R3 обеспечивает ООС по постоянному току для поддержания выходного напряжения на 0,65 В выше напряжения постоянного тока на базе Q1. Постоянное напряжение на выходе УНЧ равное половине напряжения питания обеспечивается делителем на резисторах R1 и R2, регулировки нет, её можно добавить установкой подстроечного резистора вместо R2. C2 блокирует прохождение постоянного тока. Входное сопротивление УНЧ примерно 16K, поскольку R1 и R2 установлены параллельно для входного сигнала переменного напряжения.
Обратная связь по переменному току обеспечивается резисторами R3 и R12, конденсатором С2 и резистором R4. R12 подключен непосредственно к нагрузке, минуя С5, это также компенсирует некоторые из искажений, обычно связанных с электролитическими конденсаторами (реальными или воображаемыми). Из-за этой вторичной обратной связи низшая частота на нагрузке 8 Ом составляет 12,5 Гц по уровню -3 дБ. При необходимости она может быть расширена увеличением ёмкости C5.
Обратите внимание, я написал, что этот усилитель использует токовую обратную связь (CFB). Терминология немного вводит в заблуждение. Хотя на каскад обратной связи Q1 поступает напряжение переменного тока и постоянного тока, входной каскад имеет низкий входной импеданс, а ток через резистор обратной связи (R3) определяет полосу пропускания. Больший ток обеспечивает лучший высокочастотный отклик. В этом отличие от усилителей с обратной связью по напряжению (например, практически для всех ОУ), где оба входа имеют высокое сопротивление, а быстродействие и, следовательно полоса усиления, определяется корректирующим конденсатором. Токовая Обратная связь используется в ВЧ усилителях (10 МГц до 100 МГц), где топология CFB обеспечивает наилучшую производительность.Фазовая коррекция обычная, определяется C3 (100пФ) в качестве «доминирующего полюса». Это сделано для ограничения пропускной способности, которая в противном случае настолько велика, что усилитель будет неустойчив. Полоса частот до 80 кГц на полной мощности, быстродействие около 6 В / мкс. Хотя её легко расширить за счет уменьшения номинала C3, это может привести к неустойчивости усилителя. Я испытывал усилитель с полосой до 400 кГц, он стал очень чувствительным к емкости нагрузки, был склонен к возбуждению при открытом входе. Небольшой емкости между выходом и входом в этом случае достаточно, чтобы вызвать возбуждение. При открытом входе для возбуждения достаточно всего 2 пФ.
При слишком широкой полосе пропускания нестабильность может возникнуть при «сложных» фильтрах АС. Если у вас есть проблемы, способ лечения - добавить цепь Zobel (C7 и R13). Цепь Zobel отображается как необязательная, с хорошей платой она не понадобится. Однако оставить место на плате под цепь Zobel - хорошая идея. R13 не обязательно должен быть 2,7 Ом, как показано на схеме, обычное значение 10 Ом, оно используется в большинстве проектов УНЧ.
Ток смещения устанавливается четырьмя диодами 1N4148 (D1 - D4), которые обеспечивают номинальное напряжение смещения 2,8 В постоянного тока. Этого достаточно, чтобы гарантировать достаточный ток покоя для Q3, Q4 и выходных транзисторов Q5, Q6. Это гарантирует отсутствие искажений типа ступенька. Ток покоя на практике будет разным для разных транзисторов, и зависеть от температуры.
Относительно высокоомные резисторы в эмиттерах (2,7 Ом) гарантируют, что при любой комбинации транзисторов и диодов смещения не будет чрезмерного тока покоя. С типичными транзисторами выходной ток покоя будет от 20 мА до 50 мА.
Для предотвращения чрезмерного падения напряжения на резисторах 2,7 Ом при высоком выходном токе, поставлены диоды (D5 и D6) которые эффективно дополняют резисторы, так как максимизируют выходной ток и минимизируют рассеивание тепла на резисторах. Можно использовать «обычные» резисторы низких номиналов, например, 0,1 Ом, но это потребует более тщательной настройки и усложнения схемы для термокомпенсации. Для эффективности потребуется установить дополнительный транзистор термокомпенсации на радиаторе выходных транзисторов, что приведет к усложнению схемы.
Поскольку УНЧ питается от однополярного источника, нагрузка (динамики) подключена через конденсатор. На схеме С5=1 000 мкФ, это достаточно для баса. Нижняя частота 12,5 Гц по уровню -3 дБ, при увеличении С5 до 2200 мкФ нижняя частота уменьшается до 8,7 Гц. Эффект от увеличения ёмкости вряд ли будет услышан, особенно на обычных АС, поэтому не следует бездумно расширять полосу усиления вниз.
Расчет режимов работы усилителя
Расчёт усилителя мощности начинается с выхода. По известному напряжению питания и импедансу нагрузки вы можете определить пиковый выходной ток. Для этого усилителя эффективное напряжение питания составляет ± 12 В при источнике 24 В, поэтому нагрузка 8 Ом потребует 1,5А пикового тока.Из справочных данных минимальное усиление по току выходных транзисторов на токе 4 А составляет 20, поэтому базовый ток будет не более 75 мА. Предвыходные транзисторы BC639 / 640 имеют минимальное усиление по току 63, поэтому их базовый ток будет не более 1,2 мА.
Усилитель напряжения на транзисторе Q2 должен обеспечить ток примерно в два раза больше или 2,4 мА. Вольтодобавка обеспечит ток 2,7 мА, поэтому все условия будут соблюдены. Усиление Q2 также минимум 63, поэтому его базовый ток будет до 43 мкА, плюс 650 мкА через R5. Поэтому Q1 должен обеспечить ток около 700 мкА. Напряжение постоянного тока на R3 (2,2 кОм) будет около 1,54 В.
Расчет делителя напряжения на базе Q1. Его базовый ток равен току коллектора (700 мкА), деленному на минимальное усиление по току, для BC559 оно равно 110, поэтому ток базы Q1 будет не более 6,4 мкА. Ток через делитель напряжения (R1, R2, R11) должен быть в пять или более раз выше, или 32 мкА. R1+R2+R11= 78К, при питании 24 В, он будет более 300 мкА, чего более чем достаточно. Обратите внимание, что все расчеты основаны на «худшем случае» (минимальном усилении всех транзисторов). Это гарантирует, что схема будет работать, как ожидалось, независимо от усиления транзисторов.
Процесс проектирования, описанный выше, в значительной степени стандартный для любого усилителя. Начиная с выхода, мы можем быть уверены, что схема будет работать, даже если все транзисторы имеют наименьшее усиление, указанное в справочнике. Здесь не будет расчета максимально допустимых режимов транзисторов, потому что напряжения и токи гораздо ниже максимальных, указанных в справочнике. Я никогда не рекомендую корпус TO-220 для всего, что рассеивает более 20 Вт. Здесь мощности меньше.
Даже с напряжением питания 40 В и нагрузкой на 4 Ом средняя тепловая мощность составляет менее 10 Вт, в наихудшем пиковом режиме и реактивной нагрузке - 50 Вт. Несмотря на простоту УНЧ, он обеспечит менее 0,1% THD (сумма гармонических искажений плюс шум) на нагрузке на 8 Ом. Усиление напряжения (AV) определяется соотношением резисторов обратной связи, в данном случае ...
AV = (R3 || R12 / R4) + 1
Av = 1,1k / 100 + 1 = 12
Это означает, что при входном напряжении 560 мВ и питании 24 В, выходная мощность будет максимальна. Усиление может быть изменено заменой номинала R4, более низкое сопротивление даст более высокое усиление и наоборот. Маловероятно, что это будет нужно, так как это оптимальное усиление для такого УНЧ. Поскольку этот усилитель создан специально для опытов, много внимания уделено внесению изменений в него.
В процессе проектирования чрезвычайно трудно рассчитать ёмкость конденсатора коррекции C3. Гораздо легче определить его значение при настройке. Симуляторы могут помочь, но используемые модели должны быть чрезвычайно точными, а большинство из них являются «функциональными» усреднёнными, они могут дать только приблизительный ответ. Данная схема была смоделирована, но симулятор не смог предоставить точную фазовую информацию. Это типично!
Был проведён опыт по определению отрицательного влияния выходного электролитического конденсатора на частотную характеристику. Конденсатор С5=2200 мкФ, с помощью уменьшения С3 получена верхняя частота по усилению 400 кГц. Она не менялась при подключении и отключении, демонстрируя, что конденсатор не влияет на высокие частоты. За долгое время опытов я пришёл к выводу, что добавление небольшого плёночного или масляного конденсатора параллельно с электролитическим - совершенно бессмысленно, и этот УНЧ предоставляет вам возможность доказать это себе. Это не повредит, но от него мало проку, если вы не работаете с радиочастотными (> 1 МГц) усилителями.
Внесение изменений
Как уже говорилось, вы можете использовать любые транзисторы, которые у вас есть под рукой, если они подходят по критериям напряжения, тока и мощности. Например, вы можете использовать TIP31 / 32 вместо MJE3055 / 2955, хотя они будут работать почти на пределе. TIP41 / 42 также подходят. Вы можете даже использовать TIP141 / 145 транзисторы Дарлингтона, и вам не понадобится Q3, Q4. Если у вас есть транзисторы BD139 / 140, их можно использовать вместо BC639 / 640. Они будут работать совсем хорошо.Резисторы в цепи эмиттера не обязательно должны быть 2,7 Ом, что-то от 2,2 Ом до 3,9 Ом также будет работать. Диоды параллельно с резисторами эмиттера могут быть низковольтными, но не Шоттки! Они будут открываться слишком рано, а ток смещения может быть намного выше ожидаемого. Высокоскоростные диоды хороши и уменьшают искажения на высоких частотах. Выходной конденсатор может быть уменьшен, если колонки не воспроизводят низкие частоты, или увеличен, если вы хотите «больше» баса.
Чтобы получить максимально возможный выходной уровень и симметричное ограничение, R2 может быть заменен фиксированным резистором 22 кОм последовательно с подстроечником 20 кОм, контроль по осциллографу. Разница будет менее 1 дБ по сравнению с приведенными фиксированными соотношениями, но появится возможность увидеть влияние делителя по входу усилителя на выходное напряжение.
Рис. 2 - напряжения постоянного тока в узловых точках (без сигнала)
Поскольку это проект разработан специально для экспериментов, я отметил напряжения на каждом узле, где есть что-то «интересное» или полезное. Напряжения у вас не будут точно такими же, как показано из-за разброса параметров деталей, но они являются хорошим ориентиром. Поскольку УНЧ использует обратную связь по постоянному току, чтобы установить и стабилизировать многие из показанных напряжений, ошибка монтажа изменит почти все эти напряжения, и сложно определить ошибку, просто сделав измерения.Обратная связь вызывает проблемы для всех, кто не имеет опыта настройки и ремонта (это искусство).
Усилитель менее сложен для поиска неполадок, чем многие другие, но небольшая ошибка все равно может привести к «странным» или «невозможным» напряжениям. Кроме того, найти неисправности в том, что только что построено (и никогда не функционировало) намного сложнее, чем найти неисправность в цепи, которая работала какое-то время. Наиболее распространенные неисправности в новых конструкциях – неправильно впаянные детали, плохие пайки, замыкания и обрывы.
Рис. 3 - Модифицированный выходной каскад (квазикомплементарный)
Еще одно изменение, которое может быть полезно опробовать - это квазикомплементарный выходной каскад. А вдруг у вас есть мощные транзисторы NPN, но нет PNP. Возможно (??) это может уменьшить искажения, проверьте. Уменьшение малое, и было смоделировано, а не измерено, так как я не хотел делать более одного усилителя для проверки. Постоянные напряжения изменяются мало. Напряжение смещения должно быть ниже, поэтому удалён диод D4. Добавлен резистор R14.Сборка усилителя
Этот усилитель построен на макетной плате, печатная плата не планировалась. Это полезнее в целях обучения, чем просто вставить и распаять детали в готовой печатной плате. Это часть процесса обучения, и она может вызывать раздражение, но даст ценный опыт. Я пользуюсь макетными платами много лет, почти все прототипы для опубликованных проектов построены на них. Несмотря на многолетний опыт, я все еще делаю ошибки, но это часть жизни (нет человека, который не делает ошибок вообще).Я включил вид сверху транзисторов, так как это не всегда очевидно из чертежей в справочниках.
Рис. 4 – цоколёвка транзисторов, вид сверху
Использование рис. 4 поможет убедиться, что транзисторы ориентированы правильно. Если нет, усилитель не будет работать, и транзисторы могут быть повреждены. Обратите внимание, что транзисторы TO-220 (TIP / MJE3055 / 2955) имеют сзади металлическую пластину, подключенную к коллектору. Это означает, что необходим изолятор от радиатора для Q5. Коллектор Q6 2955 можно подключать непосредственно к радиатору без прокладок, так как радиатор заземлен. Радиатор, который я использовал больше, чем необходимо, он просто был под рукой. Чистое совпадение, что это его ширина, как у платы.Рис. 5 - Усилитель на макетной плате
На фото выше фото показан мой макет. Для экономии конденсатор С5 поставлен отдельно, нет цепи C7, R13. Левый штырь на плате - для обратной связи через R12, а средний - вход. MJE2955 привинчивается непосредственно к радиатору, а MJE3055 через изолятор, как описано выше. Диоды D5, D6 высокоскоростные. Это ByV26E, средний ток 1А или 10A в пиках.Линейка диодов D1-D4 в прозрачной термотрубке. Убедитесь, что диодная линейка на 100% надежна - если в ней будет обрыв или ошибка, оба выходных транзистора полностью откроются и замкнут источник питания. Повреждение усилителя или источника питания (или обоих) почти гарантировано!
Некоторые перемычки должны быть как можно короче, и нужно обеспечить минимальную емкость между несколькими точками на плате. Вход является одной из этих точек. Если есть какие-либо емкостные соединения от выхода на вход, усилитель, вероятно, будет либо возбуждаться, либо будут искажения формы сигнала. Большинство других соединений менее критично к монтажу, а C3 обеспечивает разумную верхнюю частоту.
Этот усилитель был использован для проверки работы и проведения измерений частотной реакции и искажений. Полоса пропускания может быть удивительно широкой, если подобрать C3, и она может превышать полосу пропускания большинства усилителей гораздо большей сложности. Она может быть более 400 кГц (-1дБ!), но при этом запас устойчивости становится очень мал. Я не рекомендую уменьшать номинал C3 ниже 100 пФ (можно 220 пФ). На 1 кГц я измерил искажение - 0,1% (при полной мощности, на нагрузке 8 Ом), это лучше, чем я ожидал для такого простого усилителя. Прослушивание не выявило какие-либо проблемы с качеством звука.
УНЧ идеально подходит в качестве небольшого усилителя для питания внешних динамиков телевизора или в качестве «мини-Hi-Fi». При увеличении напряжения питания до 36 В, мощность достаточна для большинства случаев.
На LM1875 или аналогичной микросхеме можно сделать более компактный усилитель, но у вас не будет доступа к любому из узлов схемы. Вы ничего не узнаете о работе усилителя, используя микросхему, а это цель нашей конструкции.
Я изучал схемы в мои подростковые годы, анализируя подобные проекты. Вы можете сделать то же самое. Стоит отметить, что осциллограф был одной из моих первых покупок.
Источник питания
Коэффициент подавления пульсаций электропитания (PSRR) лучше, чем можно ожидать, 2 В пульсаций от пика до пика ослаблены более чем на 90 дБ при замкнутом входе. В основном это заслуга цепи R11C6. C1 помогает, когда вход замкнут, но с открытым входом PSRR сокращается до чуть более 44 дБ - не особенно хороший результат. Поэтому питание входного каскада должно быть свободно от пульсаций, или гудение будет слышно с высокоомными источниками сигнала. Можно увеличить ёмкость C6 до 220 мкФ, это уменьшит гудение при открытом входе с 18 мВ до 3 мВ.Фон не должен быть проблемой даже с обычным источником питания. Альтернатива – ИИП (импульсные источники питания), версии 2А применяются с осветительными приборами. Средний ток при полной мощности на нагрузке на 8 Ом составляет около 400 мА, причем пиковый ток немного более 1,2А. C7 поможет сгладить пиковый ток, ИИП на 2А обычно будет достаточно для усилителя нагруженного на 8 Ом. Обратите внимание, что для нагрузки 4 Ом, ток удваивается (как пиковый, так и средний).
Ток потребляется от источника питания только во время положительных пиков. Это отличается от УНЧ с двуполярным питанием. Средний ток через C5 составляет ~ 850 мА при полной мощности на 8 Ом с питанием от 24 В. Важно убедиться, что C5 рассчитан на ток пульсации, по меньшей мере, 1А RMS и на 2A, если вы намереваетесь использовать нагрузку на 4 Ом.
Если вы построите линейный блок питания («обычный» трансформатор, мостовой выпрямитель и конденсатор фильтра), я предлагаю минимум 4 700 мкФ для ёмкости фильтра. Вы можете использовать регулируемый стабилизатор или фильтр, но это усложняет схему. Тем не менее, если вы решите построить пару этих усилителей, стоит задуматься о хорошем блоке питания.
Рис. 6 – трансформаторный стабилизированный блок питания
Поскольку нет высокочастотного переключения, уровень ВЧ шума будет очень низким. TIP3055 требует радиатора, и он должен быть электрически изолирован от него. При токе 2А транзистор будет рассеивать около 7 Вт, но на музыкальном сигнале среднее значение будет намного меньше. Обратите внимание, что подключение к сети 220 В должно быть через переключатель и предохранитель, как показано на рисунке. Пульсации на выходе должны быть меньше 1 мВ RMS на любом разумном выходном токе.Если вам интересно, два диода 1N4148 повышают выходное напряжение примерно на 0,7+0,7 В. Без диодов выходное напряжение будет ~ 22,5 В.
Одно из преимуществ линейного источника питания - большая гибкость. Выходное напряжение может быть больше 24 В, но не устанавливайте более 48 В. 40В достаточно для получения мощности 20 Вт на 8 Ом.
Независимо от имеющегося блока питания, не подключайте его напрямую при первом включении только что собранного усилителя. Некоторые ошибки могут привести к повреждению транзисторов и могут также повредить источник питания. Сначала подайте питание через резистор 27 или 33 Ом. УНЧ должен потреблять в покое около 36…50 мА от 24 В. Напряжение на дополнительном резисторе 33 Ом должно быть 1,1…1,7 В без нагрузки и входного напряжения. Напряжение на общей точке эмиттерных резисторов 2,7 должно быть около 12 В. Если это не так, надо найти и устранить ошибку монтажа или неисправные детали. Используйте рис. 2, чтобы проверить режимы транзисторов.
Выводы
Это необычный проект разработан специально, чтобы обеспечить как можно больше экспериментов. Рекомендуемое напряжение питания составляет всего 24 В, что означает, что вы получите около 6 Вт на выходе, что мало по современным стандартам. Несмотря на низкую выходную мощность, вы можете быть удивлены тем, насколько громко он работает с чувствительной акустикой.Источник питания пригодится для других проектов. Если вы покупаете блок ИИП, ориентируйтесь на ток примерно 4А. Вы можете взять блок питания от старой техники 70-х годов, если её мощность составляла около 20 Вт на канал. Обычно это было достаточно для «нормального» прослушивания в то время.
Одна вещь, которую вы, возможно, заметили, так это то, что напряжения для конденсаторов не указаны. Это преднамеренно, думайте сами. Рис. 2 здесь будет полезен.
К сожалению, я не ожидаю, что много людей построит этот усилитель. Он является отличным инструментом для обучения. Несмотря на мой многолетний опыт работы с усилителями всех типов и размеров, мне было интересно разрабатывать, измерять и экспериментировать с ним.
