Умзч с комплиментарными полевыми транзисторами. схема, описание. Мощный умзч на полевых транзисторах Умзч на полевых транзисторах

К настоящему времени разработано много вариантов УМЗЧ с выходными каскадами на полевых транзисторах. Привлекательность этих транзисторов в качестве мощных усилительных приборов неоднократно отмечалась разными авторами. На звуковых частотах полевые транзисторы (ПТ) работают как усилители тока, поэтому нагрузка на предварительные каскады незначительна и выходной каскад на ПТ с изолированным затвором можно непо­средственно подключать к предварительному каскаду усиления, работающему в линейном режиме класса А.
При использовании мощных ПТ изменяется характер нелинейных искажений (меньше высших гармоник, чем при использовании биполярных транзисторов), снижаются динамические искажения, существенно ниже уровень интермодуляционных искажений. Однако вследствие меньшей, чем у биполярных транзисторов, крутизны нелинейные искажения истокового повто­рителя оказываются большими, поскольку крутизна зависит от уровня входного сигнала.
Выходной каскад на мощных ПТ, где они выдерживают короткое замыкание в цепи нагрузки, обладает свойством термостабилизации. Некоторый недостаток такого каскада - меньший ко­эффициент использования напряжения питания, и поэтому необходимо применять более эффективный теплоотвод.
К главным же достоинствам мощных ПТ можно отнести невысокий порядок нелинейности их проходной характеристики, что сближает особенности звучания у усилителей на ПТ и ламповых, а также высокий коэффициент усиления по мощности для сигналов звукового диапазона частот.
Из последних публикаций в журнале об УМЗЧ с мощными ПТ можно отметить статьи. Несомненным достоинством усилителя из является низкий уровень искажений, а недостатком - малая мощность (15 Вт). Усилитель обладает большей мощностью, достаточной для жилых помещений, и приемлемым уровнем искажений, но представляется относительно сложным в изготовлении и настройке. Здесь и далее речь идет об УМЗЧ, предназначенных для использования с бытовыми АС мощностью до 100 Вт.
Параметры УМЗЧ, ориентированные на соответствие международным рекомендациям IEC (МЭК), определяют минимальные требования к аппаратуре категории hi-fi. Они вполне обоснованы как с психофизиологической стороны восприятия искажений человеком, так и ре­ально достижимыми искажениями аудиосигналов в акустических системах (АС), на которые собственно и работает УМЗЧ.
В соответствии с требованиями IEC 581-7 для АС категории hi-fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2 % в диапазоне частот 250… 1000 Гц и 1 % в диапазоне свыше 2 кГц при уровне звукового давления 90 дБ на расстоянии 1 м. При характе­ристической чувствительности бытовых АС, равной 86 дБ/Вт/м, это соответствует выходной мощности УМЗЧ всего 2,5 Вт. С учетом пикфактора музыкальных программ, принимаемом равным трем (как для гауссового шума), выходная мощность УМЗЧ должна составлять около 20 Вт. В стереофонической системе звуковое давление на НЧ примерно удваивается, что позволяет отодвинуть слушателя от АС уже на 2 м. При удалении же на 3 м вполне достаточна мощность стереоусилителя 2×45 Вт.
Неоднократно отмечалось, что искажения в УМЗЧ на полевых транзисторах обусловлены, в основном, второй и третьей гармониками (как и в исправных АС). Если полагать независимыми причины возникновения нелинейных искажений в АС и УМЗЧ, то результирующий коэффи­циент гармоник по звуковому давлению определяется как корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов гармоник УМЗЧ и АС. В этом случае, если полный коэффициент гармонических искажений в УМЗЧ в три раза ниже, чем искажения в АС (т. е. не превышает значения 0,3 %), то им можно пренебречь.
Диапазон эффективно воспроизводимых частот УМЗЧ должен быть не уже слышимого человеком - 20…20 000 Гц. Что касается скорости нарастания выходного напряжения УМЗЧ, то в соответствии с результатами, полученными в работе автора , достаточна скорость 7 В/мкс для мощности 50 Вт при работе на нагрузку 4 Ом и 10 В/мкс - при работе на нагрузку 8 Ом.
За основу предлагаемого УМЗЧ был взят усилитель в котором для «раскачки» выходного каскада в виде составных повторителей на биполярных транзисторах использовался быстродействующий ОУ со следящим питанием. Следящее питание использовалось также для цепи смещения выходного каскада.

В усилитель внесены следующие изменения: выходной каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов заменен каскадом с квазикомплементарной структурой на недорогих ПТ с изолированным затвором IRFZ44 и ограничена глубина общей СОС до 18 дБ. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.

В качестве предварительного усилителя использован ОУ КР544УД2А с высоким входным сопротивлением и повышенным быстродействием. Он содержит входной дифференциальный каскад на ПТ с р-n переходом и выходной двухтактный повторитель напряжения. Внутренние элементы частотной коррекции обеспечивают стабильность в различных режимах обратной связи, в том числе в повторителе напряжения.
Входной сигнал поступает через ФНЧ RnC 1 с частотой среза около 70 кГц (здесь внутреннее сопротивление источника сигнала = 22 кОм). который используется для ограничения спектра сигнала, поступающего на вход усилителя мощности. Цепь R1C1 обеспечивает устойчивость УМЗЧ при изменении величины RM от нуля до бесконечности. На неинвертирующий вход ОУ DA1 сигнал проходит через ФВЧ, построенный на элементах С2, R2 с частотой среза 0,7 Гц, служащий для отделения сигнала от постоянной составляющей. Местная ООС для операционного усилителя выполнена на элементах R5, R3, СЗ и обеспечивает коэффициент усиления, равный 43 дБ.
Стабилизатор напряжения двухпо-лярного питания ОУ DA1 выполнен на элементах R4, С4, VDI и R6, Сб. VD2 соответственно. Напряжение стабилизации выбрано равным 16 В. Резистор R8 совместно с резисторами R4, R6 образуют делитель выходного напряжения УМЗЧ для подачи «следящего» питания на ОУ, размах которого не должен превышать предельных значений синфазного входного напряжения ОУ, т. е. +/-Ю В. «Следящее» питание позволяет суще­ственно увеличить размах выходного сигнала ОУ.
Как известно, для работы полевого транзистора с изолированным затвором, в отличие от биполярного, требуется смещение около 4 В. Для этого в схеме, приведенной на рис. 1, для транзистора VT3 применена схема сдвига уровня сигнала на элементах R10, R11 иУОЗ.У04на 4,5 В. Сигнал с выхода ОУ через цепь VD3VD4C8 и резистор R15 поступает на затвор транзистора VT3, постоянное напряжение на котором относительно общего провода равно +4,5 В.
Электронный аналог стабилитрона на элементахVT1, VD5, VD6, Rl2o6ecne4H-вает сдвиг напряжения на-1,5 В относительно выхода ОУ для обеспечения необходимого режима работы транзистора VT2. Сигнал с выхода ОУ через цепь VT1C9 также поступает на базу включенного по схеме с общим эмиттером транзистора VT2, который инвертирует сигнал.
На элементах R17. VD7, С12, R18 собрана цепь регулируемого сдвига уровня, позволяющая задать необходимое смещение для транзистора VT4 и тем самым установить ток покоя око­нечного каскада. Конденсатор СЮ обеспечивает «следящее питание» цепи сдвига уровня путем подачи выходного напряжения УМЗЧ в точку соединения резисторов R10, R11 для стабилизации тока в этой цепи. Соединение транзисторов VT2 и VT4 формирует виртуальный полевой транзистор с каналом р-типа. т. е. образуется квазикомплементарная пара с выходным транзистором VT3 (с каналом п-типа).
Цепь С11R16 увеличивает устойчивость усилителя в ультразвуковом диапазоне частот. Керамические конденсаторы С13. С14. установленные в непосредственной близости от выход­ных транзисторов, служат той же цели. Защита УМЗЧ от перегрузок при коротких замыканиях в нагрузке обеспечивается плавкими предохранителями FU1-FU3. так как полевые транзисторы IRFZ44 имеют максимальный ток стока 42 А и выдерживают перегрузки до сгорания предохранителей.
Для уменьшения постоянного напряжения на выходе УМЗЧ, а также снижения нелинейных искажений введена общая ООС на элементах R7, С7. R3, СЗ. Глубина ООС по переменному току ограничена значением 18.8 дБ, что стабилизирует коэффициент гармоник в звуковом диа­пазоне частот. По постоянному току ОУ совместно с выходными транзисторами работаете режиме повторителя напряжения, обеспечивая постоянную составляющую выходного напряжения УМЗЧ не более нескольких милливольт.

В последнее время все чаще многие фирмы и радиолюбители используют в своих конструкциях мощные полевые транзисторы с индуцированным каналом и с изолированным затвором. Однако до сих пор непросто приобрести комплементарные пары полевых транзисторов достаточной мощности, поэтому радиолюбители подыскивают схемы УМЗЧ, в которых применены мощные транзисторы с каналами одинаковой проводимости. В журнале “Радио” опубликовано несколько таких конструкций. Автор предлагает еще одну, но со структурой, несколько отличающейся от ряда распространенных в конструкциях УМЗЧ схем.

Технические параметры:

Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом: 24 Вт

Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 16 Ом: 18 Вт

Коэффициент гармоник при номинальной мощности на нагрузке 8 Ом: 0,05 %

Коэффициент гармоник при номинальной мощности на нагрузке 16 Ом: 0,03 %

Чувствительность: 0,7 В

Коэффициент усиления: 26 дБ

В классическом транзисторном УМЗЧ последние три десятка лет используется дифференциальный каскад. Он необходим для сравнения входного сигнала с выходным, возвращающимся через цепи ООС, а также для стабилизации “нуля” на выходе усилителя (в большинстве случаев питание двухполярное, и нагрузка подключена непосредственно, без разделительного конденсатора). Вторым следует каскад усиления напряжения - драйвер, обеспечивающий полную амплитуду напряжения, необходимого для последующего усилителя тока на биполярных транзисторах. Так как этот каскад относительно слаботочный, усилитель тока (повторитель напряжения) представляет собой две-три пары составных комплементарных транзисторов. В результате после дифференциального каскада сигнал проходит еще три, четыре, а то и пять ступеней усиления с соответствующими искажениями в каждой из них и задержкой. Это - одна из причин возникновения динамических искажений.

В случае использования мощных полевых транзисторов отпадает необходимость в многокаскадном усилении тока. Однако для быстрой перезарядки межэлектродной емкости затвор-канал полевого транзистора тоже требуется существенный ток. Для усиления звуковых сигналов этот ток обычно намного меньше, но в переключательном режиме на высоких звуковых частотах он оказывается заметным и составляет десятки миллиампер.

В описываемом ниже УМЗЧ реализована концепция минимизации числа каскадов. На входе усилителя - каскадный вариант дифференциального каскада на транзисторах VT2, VT3 и VT4, VT5, нагрузкой для которого применен активный источник тока с токовым зеркалом на транзисторах VT6, VT7. Генератор тока на VT1 задает режим дифференциального каскада по постоянному току. Применение последовательного включения транзисторов в каскаде, позволяет использовать транзисторы с очень высоким коэффициентом передачи тока базы, которые отличаются небольшим значением максимального напряжения (обычно UKЭmax=15 B).

Между минусовой цепью питания усилителя (истоком VT14) и базами транзисторов VT4 и VT5 включены два стабилитрона, роль которых выполняют обратно включенные переходы база-эмиттер транзисторов VT8, VT9. Сумма их напряжений стабилизации несколько меньше предельно допустимого напряжения затвор-исток VT14, так и обеспечивается защита мощного транзистора.

В выходном каскаде сток полевого транзистора VT14 подключен к нагрузке через коммутационный диод VD5. Полупериоды сигнала минусовой полярности поступают через диод на нагрузку, полупериоды плюсовой полярности через него не проходят, а поступают через транзистор VT11 для управления затвором полевого транзистора VT13, который открывается лишь в эти полупериоды.

Похожие схемы выходного каскада с коммутационным диодом известны в схемотехнике усилителей на биполярных транзисторах как каскад с динамической нагрузкой. Эти усилители работали в режиме класса В, т.е. без сквозного тока покоя. В описываемом же усилителе с полевыми транзисторами есть еще транзистор VT11, который выполняет сразу несколько функций: через него поступает сигнал для управления затвором VT13, а также образована местная обратная связь по току покоя, стабилизирующая его. Кроме того, тепловой контакт транзисторов VT11 и VT13 стабилизирует температурный режим всего выходного каскада. В результате транзисторы выходного каскада работают в режиме класса АВ, т.е. с уровнем нелинейных искажений, соответствующим большинству вариантов двухтактных каскадов. С резистора R14 и с диода VD5 снимается напряжение, пропорциональное току покоя, и подается на базу VT11. На транзисторе VT10 собран активный источник стабильного тока, необходимый для работы выходного каскада. Он является динамической нагрузкой для VT14, когда тот активен в соответствующие полупериоды сигнала. Составной стабилитрон, образованный VD6 и VD7, ограничивает напряжение затвор-исток VT13, защищая транзистор от пробоя.

Такой двухканальный УМЗЧ был собран в корпусе приемника ROTEL RX-820 взамен имеющегося там УМЗЧ. Пластинчатый теплоотвод усилен металлическими стальными стойками для увеличения эффективной площади до 500 см 2 . В блоке питания заменены оксидные конденсаторы на новые общей емкостью 12000 мкФ на напряжение 35 В. Также были использованы дифференциальные каскады с активными источниками тока (VT1-VT3) от прежнего УМЗЧ. На макетных платах собраны каскодные продолжения дифференциального каскада с токовыми зеркалами для каждого канала (VT4-VT9, R5 и R6) и активные источники тока для выходных каскадов (VT10 обоих каналов) на общей плате с общими элементами R9, VD3 и VD4. Транзисторы VT10 прижаты к металлическому шасси тыльными сторонами, чтобы обойтись без изолирующих прокладок. Выходные полевые транзисторы закреплены на общем теплоотводе площадью не менее 500 см2 через теплопроводящие изоляционные прокладки винтами. Транзисторы VT11 каждого канала смонтированы непосредственно на выводах транзисторов VT13 так, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт. Остальные детали выходных каскадов смонтированы на выводах мощных транзисторов и монтажных стойках. В непосредственной близости от выходных транзисторов размещены конденсаторы С5, С6.

О применяемых деталях. Транзисторы VT8 и VT9 можно заменить стабилитронами на напряжение 7-8 В, работоспособными при небольшом токе (1 мА), транзисторы VT1-VT5 могут быть заменены любыми из серии КТ502 или КТ3107А, КТ3107Б, КТ3107И, причем их желательно отобрать близкими по коэффициенту передачи тока базы попарно, VT6 и VT7 можно заменить на КТ342 или КТ3102 с буквенными индексами А, Б, на месте VT11 может быть любой из серии КТ503. Заменять другими стабилитроны Д814А (VD6 и VD7) не стоит, так как ток динамической нагрузки примерно равен 20 мА, а предельный ток через стабилитроны типа Д814А равен 35 мА, так что они вполне подходят. Обмотка дросселя L1 намотана на резисторе R16 и содержит 15-20 витков провода ПЭЛ 1,2.

Налаживание каждого канала УМЗЧ начинают при отключенном на время выводе стока VT13 от цепи питания. Замеряют ток эмиттера VT10 - он должен быть примерно 20 мА. Далее подключают через амперметр сток транзистора VT13 к источнику питания, чтобы замерить ток покоя. Он не должен намного превышать 120 мА, это свидетельствует о правильной сборке и об исправности деталей. Ток покоя регулируют подбором резистора R10. После включения его следует установить сразу около 120 мА, после прогрева в течение 20-30 мин он уменьшится до 80-90 мА.

Возможное самовозбуждение устраняется подбором конденсатора С8 емкостью до 5-10 пФ. В авторском варианте самовозбуждение возникло из-за бракованного транзистора VT13 в одном из каналов. При других напряжениях питания следует пересчитать площадь теплоотвода исходя из изменения максимальной мощности в ту или другую сторону и исключить превышение допустимых параметров для используемых полупроводниковых приборов.

«Радио» №12, 2008

УМЗЧ с комплиментарными полевыми транзисторами

Представляем читателям вариант стоваттного УМЗЧ с полевыми транзисторами. В этой конструкции корпусы мощных транзисторов можно монтировать на общем теплоотводе без изоляционных прокладок, и это существенно улучшает теплопередачу. В качестве второго варианта блока питания предложен мощный импульсный преобразователь, который должен иметь достаточно малый уровень собственных помех.

Применение полевых транзисторов (ПТ) в УМЗЧ до недавних пор сдерживалось скудным ассортиментом комплементарных транзисторов, а также их низким рабочим напряжением. Качество звуковоспроизведения через УМЗЧ на ПТ часто оценивают на уровне ламповых и даже выше за то, что по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах они создают меньшие нелинейные и интермодуляционные искажения, а также имеют более плавное нарастание искажений при перегрузках. Они превосходят ламповые усилители как по демпфированию нагрузки, так и по ширине рабочей полосы звуковых частот. Частота среза таких усилителей без ООС значительно выше, чем у УМЗЧ на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на всех видах искажений.

Нелинейные искажения в УМЗЧ вносит в основном выходной каскад, и для их уменьшения обычно используют общую ООС. Искажения во входном дифференциальном каскаде, используемом как сумматор сигналов от источника и цепи общей ООС, могут быть и невелики, но с помощью общей ООС снизить их невозможно

Перегрузочная способность дифференциального каскада на полевых транзисторах примерно в 100...200 раз выше, чем с биполярными транзисторами.

Применение полевых транзисторов в выходном каскаде УМЗЧ позволяет отказаться от традиционных двух-и трехкаскадных повторителей по схеме Дарлингтона с присущими им недостатками.

Хорошие результаты дает использование в выходном каскаде полевых транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). В связи с тем, что управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением (аналогично электровакуумным приборам), то при больших токах быстродействие каскада на полевых МДП-транзисторах в режиме переключения достаточно высокое (τ = 50 нс). Такие каскады обладают хорошими передаточными свойствами на высоких частотах и имеют эффект температурной самостабилизации.

К достоинствам полевых транзисторов относятся:

• малая мощность управления в статическом и динамическом режимах;
• отсутствие теплового пробоя и слабая подверженность вторичному пробою;
• термостабилизация тока стока, обеспечивающая возможность параллельного включения транзисторов;
• передаточная характеристика близка к линейной или квадратичной;
• высокое быстродействие в режиме переключения, благодаря чему снижаются динамические потери;
• отсутствие явления накопления избыточных носителей в структуре;
• малый уровень шумов,
• малые габариты и масса, большой срок службы.

Но кроме достоинств, эти приборы имеют и недостатки:

• выход из строя при электрических перегрузках по напряжению;
• возможно возникновение искажений термического происхождения на низких частотах (ниже 100 Гц). На этих частотах сигнал изменяется так медленно, что за один полупериод температура кристалла успевает измениться и, следовательно, изменяются пороговое напряжение и крутизна транзисторов.

Последний из отмеченных недостатков ограничивает выходную мощность, особенно при низких напряжениях питания; выход из положения - параллельное включение транзисторов и введение ООС.

Следует отметить, что в последнее время зарубежными фирмами (например, Exicon и др.) разработано немало полевых транзисторов, пригодных для аудиоаппаратуры: EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 с каналом п-типа; ЕС-10Р20, 2SJ48- 2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 с каналом р-типа. Такие транзисторы отличаются слабой зависимостью крутизны (forward transfer admitance) от тока стока и сглаженными выходными ВАХ

Параметры некоторых полевых транзисторов, в том числе и производства Минского производственного объединения "Интеграл", приведены в табл. 1.

Большинство транзисторных бестрансформаторных УМЗЧ выполнены по полумостовой схеме. При этом нагрузка включается в диагональ моста, образованного двумя источниками питания и двумя выходными транзисторами усилителя (рис. 1).

Когда комплементарных транзисторов не было, выходной каскад УМЗЧ выполняли преимущественно на транзисторах одинаковой структуры с нагрузкой и источником питания, соединенными с общим проводом (рис. 1 ,а) Два возможных варианта управления выходными транзисторами представлены на рис. 2.

В первом из них (рис. 2,а) управление нижним плечом выходного каскада оказывается в более выгодных условиях. Так как изменение напряжения питания мало, эффект Миллера (динамическая входная емкость) и эффект Эрли (зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-коллектор) практически не проявляются. Цепь управления верхним плечом включена здесь последовательно с самой нагрузкой, поэтому без принятия дополнительных мер (например, каскодного включения приборов) указанные эффекты проявляются в значительной степени. По этому принципу был разработан ряд удачных УМЗЧ .

По второму варианту (рис. 2,6 - такой структуре больше соответствуют МДП-транзисторы) также был разработан ряд УМЗЧ, например . Однако и в таких каскадах трудно обеспечить, даже с применением генераторов тока , симметрию управления выходными транзисторами. Другой пример симметрирования по входному сопротивлению - выполнение плеч усилителя по квазикомплементарной схеме или применение комплементарных транзисторов (см. рис. 1 ,б) в .

Стремление к симметрированию плеч выходного каскада усилителей, выполненных на транзисторах одной проводимости, привело к разработке усилителей с незаземленной нагрузкой по схеме рис. 1 ,г . Однако и здесь не удается добиться полной симметрии предыдущих каскадов. Цепи отрицательной ОС с каждого плеча выходного каскада неравнозначны; цепи ООС этих каскадов контролируют напряжение на нагрузке по отношению к выходному напряжению противоположного плеча. Кроме того, такое схемотехническое решение требует изолированных источников питания. Из-за перечисленных недостатков оно не нашло широкого применения.

С появлением комплементарных биполярных и полевых транзисторов выходные каскады УМЗЧ преимущественно строят по схемам рис. 1 ,б, в. Однако и в этих вариантах для раскачки выходного каскада необходимо применять высоковольтные приборы. Транзисторы предвыходного каскада работают с большим коэффициентом усиления по напряжению, а поэтому подвержены эффектам Миллера и Эрли и без общей ООС вносят значительные искажения, что требует от них высоких динамических характеристик. Питание предварительных каскадов повышенным напряжением снижает и КПД усилителя.

Если в рис. 1 ,б, в перенести точку соединения с общим проводом в противоположное плечо диагонали моста, получим варианты на рис. 1,д и 1,е соответственно. В структуре каскада по схеме рис. 1 ,е автоматически решается проблема изоляции выходных транзисторов от корпуса. Усилители, выполненные по таким схемам, свободны от ряда перечисленных недостатков.

Особенности схемотехники усилителя

Вниманию радиолюбителей предлагается инвертирующий УМЗЧ (рис. 3), соответствующий структурной схеме выходного каскада на рис. 1 ,е.

(нажмите для увеличения)

Входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах (VT1, VT2 и DA1) по симметричной схеме. Их преимущества в дифференциальном каскаде общеизвестны: высокие линейность и перегрузочная способность, малые шумы. Применение полевых транзисторов существенно упростило этот каскад, так как отпала необходимость в генераторах тока. Для увеличения коэффициента усиления с разомкнутой петлей ОС сигнал снимается с обоих плеч дифференциального каскада, а перед последующим усилителем напряжения установлен эмиттерный повторитель на транзисторах VT3, VT4.

Второй каскад выполнен на транзисторах VT5-VT10 по комбинированной каскодной схеме со следящим питанием. Такое питание каскада с ОЭ нейтрализует в транзисторе входную динамическую емкость и зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-коллектор. В выходной ступени этого каскада применены высокочастотные БСИТ-транзисторы, которые по сравнению с биполярными (КП959 против КТ940) имеют вдвое большую граничную частоту и вчетверо меньшую емкость стока (коллектора).

Использование выходного каскада с питанием от отдельных изолированных источников позволило обойтись низковольтным питанием (9 В) для предварительного усилителя.

Выходной каскад выполнен на мощных МДП-транзисторах, причем выводы их стока (и теплоот-водящие фланцы корпусов) соединены с общим проводом, что упрощает конструкцию и сборку усилителя.

Мощные МДП-транзисторы, в отличие от биполярных, имеют меньший разброс параметров, что облегчает их параллельное включение. Основной разброс токов между приборами возникает из-за неравенства пороговых напряжений и разброса входных емкостей. Введение дополнительных резисторов сопротивлением 50 200 Ом в цепи затворов обеспечивает практически полное выравнивание задержек включения и выключения и устраняет разброс токов при переключении.

Все каскады усилителя охвачены местной и общей ООС.

Основные технические характеристики

• С разомкнутой ООС (R6 заменен на 22 МОм, С4 исключен)
• Частота среза, кГц......300
• Коэффициент усиления по напряжению, дБ......43
• Коэффициент гармоник в режиме АВ, %, не более......2

С включенной ООС

• Выходная мощность, Вт на нагрузке 4 Ом......100
• на нагрузке 8 Ом......60
• Диапазон воспроизводимых частот, Гц......4...300000
• Коэффициент гармоник, %, не более......0,2
• Номинальное входное напряжение, В......2
• Ток покоя выходного каскада, А......0,15
• Входное сопротивление, кОм.....24

Благодаря тому что частота среза усилителя с разомкнутой цепью ООС относительно высока, глубина обратной связи и коэффициент гармоник во всей полосе воспроизводимых частот практически постоянны.

Снизу полоса рабочих частот УМЗЧ ограничена емкостью конденсатора С1, сверху - С4 (при емкости 1,5 пф частота среза равна 450 кГц).

Конструкция и детали

Усилитель выполнен на плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис.4).

Плата со стороны установки элементов максимально заполнена фольгой, соединенной с общим проводом. Транзисторы VT8, VT9 снабжены небольшими пластинчатыми теплоотводами в виде "флажка". В отверстия для выводов стока мощных полевых транзисторов установлены пистоны; выводы стока транзисторов VT11, VT14 соединены с общим проводом со стороны фольги (на рисунке отмечены крестами).

В отверстия 5 -7 платы для подключения выводов сетевого трансформатора и отверстия для перемычек установлены пистоны. Резисторы R19, R20, R22, R23 выполнены из манганинового провода диаметром 0,5 и длиной 150 мм. Для подавления индуктивности провод складывают пополам и в сложенном виде (бифилярно) наматывают на оправке диаметром 4 мм.

Катушку индуктивности L1 наматывают проводом ПЭВ-2 0,8 виток к витку по всей поверхности резистора мощностью 2 Вт (МЛТ или аналогичный).

Конденсаторы С1, С5, С10, С11 - К73-17, причем С10 и С11 распаяны со стороны печатного монтажа на выводы конденсаторов С8 и С9. Конденсаторы С2, C3 - оксидные К50-35; конденсатор С4 - К10-62 или КД-2; С12 - К10-17 или К73-17.

Полевые транзисторы с каналом n-типа (VT1, VT2) нужно подобрать с примерно таким же начальным током стока, как и у транзисторов в сборке DA1. По напряжению отсечки они не должны отличаться более чем на 20 %. Микросборку DA1 К504НТЗБ можно заменить К504НТ4Б. Возможно применение подобранной пары транзисторов КП10ЗЛ (также с индексами Г, М, Д); КП307В - КП307Б (также А, Е), КП302А либо транзисторной сборки КПC315А, КПC315Б (в этом случае плату придется переработать).

В позициях VT8, VT9 можно также использовать комплементарные транзисторы серий КТ851, КТ850, а также КТ814Г, КТ815Г (с граничной частотой 40 МГц) Минского объединения "Интеграл".

Помимо указанных в таблице, можно использовать, например, следующие пары МДП транзисторов: IRF530 и IRF9530; 2SK216 и 2SJ79; 2SK133- 2SK135 и 2SJ48-2SJ50; 2SK175- 2SK176 и 2SJ55-2SJ56.

Для стереофонического варианта питание на каждый из усилителей подают от отдельного трансформатора, желательно с кольцевым или стержневым (ПЛ) магнитопроводом, мощностью 180...200 Вт. Между первичной и вторичными обмотками размещают слой экранирующей обмотки проводом ПЭВ-2 0,5; один из выводов ее соединяют с общим проводом. Выводы вторичных обмоток подводят к плате усилителя экранированным проводом, а экран соединяют с общим проводом платы. На одном из сетевых трансформаторов размещают обмотки для выпрямителей предварительных усилителей. Стабилизаторы напряжения выполнены на микросхемах IL7809AC (+9 В), IL7909AC (-9 В) - на схеме не показаны. Для подачи на плату питания 2x9 В использован соединитель ОНп-КГ-26-3 (XS1).

При налаживании оптимальный ток дифференциального каскада устанавливают подстроенным резистором R3 по минимуму искажений на максимальной мощности (примерно в середине рабочего участка). Резисторы R4, R5 рассчитаны на ток около 2...3 мА в каждом плече при начальном токе стока около 4...6 мА. При меньшем начальном токе стока сопротивление указанных резисторов необходимо пропорционально увеличить.

Ток покоя выходных транзисторов в интервале 120... 150 мА устанавливают подстроечным резистором R3, а при необходимости подбором резисторов R13, R14.

Импульсный блок питания

Тем радиолюбителям, кто испытывает трудности с приобретением и намоткой больших сетевых трансформаторов, для выходных каскадов УМЗЧ предлагается импульсный блок питания. Питание предварительного усилителя в этом случае можно осуществлять от маломощного стабилизированного БП.

Импульсный БП (его схема показана на рис. 5) представляет собой нерегулируемый автогенераторный полумостовой инвертор. Применение пропорционально-токового управления транзисторами инвертора в сочетании с насыщающимся коммутирующим трансформатором позволяет к моменту переключения автоматически выводить активный транзистор из насыщения. Это уменьшает время рассасывания заряда в базе и исключает сквозной ток, а также снижает потери мощности в цепях управления, повышая надежность и КПД инвертора.

Технические характеристики ИБП

• Выходная мощность, Вт, не более......360
• Выходное напряжение......2x40
• КПД, %, не менее......95
• Частота преобразования, кГц......25

На входе сетевого выпрямителя установлен помехоподавляющии фильтр L1C1C2. Резистор R1 ограничивает бросок тока зарядки конденсатора C3. Последовательно с резистором на плате предусмотрена перемычка Х1, вместо которой можно включить дроссель для улучшения фильтрации и увеличения "жесткости" выходной нагрузочной характеристики.

Инвертор имеет два контура положительной ОС: первый - по напряжению (с помощью обмоток II в трансформаторе Т1 и III - в Т2); второй - по току (с трансформатором тока: виток 2-3 и обмотки 1-2, 4-5 трансформатора Т2).

Устройство запуска выполнено на однопереходном транзисторе VT3. После запуска преобразователя оно отключается благодаря наличию диода VD15, так как постоянная времени цепи R6C8 значительно больше периода преобразования.

Особенность инвертора в том, что при работе низковольтных выпрямителей на большие емкости фильтра он нуждается в плавном запуске. Плавному запуску блока способствуют дроссели L2 и L3 и в некоторой степени резистор R1.

Блок питания выполнен на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Чертеж платы показан на рис. 6.

(нажмите для увеличения)

Намоточные данные трансформаторов и сведения о магнитопроводах приведены в табл. 2. Все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2.

Перед намоткой трансформаторов острые кромки колец необходимо притупить наждачной бумагой или бруском и обмотать лакотканью (для Т1 - сложенные вместе кольца тремя слоями). Если этой предварительной обработки не сделать, то не исключено продавливание лакоткани и замыкание витков провода на магнитопровод. В результате резко возрастет ток холостого хода и разогреется трансформатор. Между обмотками 1-2, 5-6-7 и 8-9-10 наматывают проводом ПЭВ-2 0,31 в один слой виток к витку экранирующие обмотки, один конец которых (Э1, Э2) соединяют с общим проводом УМЗЧ.

Обмотка 2-3 трансформатора Т2 представляет собой виток из провода диаметром 1 мм поверх обмотки 6-7, впаянный концами в печатную плату.

Дроссели L2 и L3 выполнены на броневых магнитопроводах БЗО из феррита 2000НМ. Обмотки дросселей намотаны в два провода до заполнения каркаса проводом ПЭВ-2 0,8. Учитывая, что дроссели работают с подмагничиванием постоянным током, между чашками необходимо вставить прокладки из немагнитного материала толщиной 0,3 мм.

Дроссель L1 - типа Д13-20, его можно выполнить также на броневом магнитопроводе Б30 аналогично дросселям L2, L3, но без прокладки, намотав обмотки в два провода МГТФ-0,14 до заполнения каркаса.

Транзисторы VT1 и VT2 закреплены на теплоотводах из ребристого алюминиевого профиля с размерами 55x50x15 мм через изолирующие прокладки. Вместо указанных на схеме можно использовать транзисторы КТ8126А Минского ПО "Интеграл", а также MJE13007. Между выходами БП +40 В, -40 В и "своей" средней точкой (СТ1 и СТ2) подключены дополнительные оксидные конденсаторы К50-6 (на схеме не показаны) емкостью по 2000 мкФ на 50 В. Эти четыре конденсатора установлены на текстолитовой пластине размерами 140x100 мм, закрепленной винтами на теплоотводах мощных транзисторов.

Конденсаторы С1, С2 - К73-17 на напряжение 630 В, C3 - оксидный К50-35Б на 350 В, С4, С7 - К73-17 на 250 В, С5, С6 - К73-17 на 400 В, С8 - К10-17.

Импульсный БП подключают к плате УМ в непосредственной близости к выводам конденсаторов С6-С11. В этом случае диодный мост VD5-VD8 на плате УМ не монтируют.

Для задержки подключения акустических систем к УМЗЧ на время затухания переходных процессов, возникающих во время включения питания, и отключения АС при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения любой полярности можно использовать простейшее или более сложное защитное устройство.

Литература

1. Хлупнов А. Любительские усилители низкой частоты. -М.: Энергия, 1976, с. 22.
2. Акулиничев И. Усилитель НЧ с синфазным стабилизатором режима. - Радио, 1980, № З.с.47.
3. Гаревских И. Широкополосный усилитель мощности. - Радио, 1979, № 6. с. 43.
4. Колосов В. Современный любительский магнитофон. - М.: Энергия, 1974.
5. Борисов С. МДП-транзисторы в усилителях НЧ. - Радио. 1983, № 11, с. 36-39.
6. Дорофеев М. Режим В в усилителях мощности ЗЧ. - Радио, 1991, № 3, с. 53.
7. Сырицо А. Мощный усилитель НЧ. - Радио, 1978. № 8, с. 45-47.
8. Сырицо А. Усилитель мощности на интегральных ОУ. - Радио, 1984, № 8, с. 35-37.
9. Якименко Н. Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ. - Радио. 1986, № 9, с. 38, 39.
10. Виноградов В. Устройство защиты АС. - Радио, 1987, № 8. с. 30.

Давно, еще года два назад, приобрел я старый советский динамик 35ГД-1. Несмотря на его первоначально плохое состояние, я его восстановил, покрасил в красивый синий цвет и даже сделал для него ящик из фанеры. Большая коробка с двумя фазоинверторами сильно улучшила его акустические качества. Осталось дело за хорошим усилителем, который будет качать эту колонку. Решил сделать не так, как делает большинство людей – купить готовый усилитель D–класса из Китая и установить его. Я решил сделать усилитель сам, но не какой-нибудь общепринятый на микросхеме TDA7294, да и вообще не на микросхеме, и даже не легендарный Ланзар, а очень даже редкий усилитель на полевых транзисторах. Да и в сети очень мало информации об усилителях на полевиках, вот и стало интересно, что это такое и как он звучит.

Сборка

Данный усилитель имеет 4 пары выходных транзисторов. 1 пара – 100 Ватт выходной мощности, 2 пары – 200 Ватт, 3 – 300 Ватт и 4, соответственно, 400 Ватт. Мне все 400 Ватт пока не нужны, но я решил поставить все 4 пары, дабы распределить нагрев и уменьшить рассеиваемую каждым транзистором мощность.

Схема выглядит так:

На схеме подписаны именно те номиналы компонентов, которые установлены у меня, схема проверена и работает исправно. Печатную плату прилагаю . Плата в формате Lay6.

Внимание! Все силовые дорожки обязательно залудить толстым слоем припоя, так как по ним будет течь весьма большой ток. Паяем аккуратно, без соплей, флюс отмываем. Силовые транзисторы необходимо установить на теплоотвод. Плюс данной конструкции в том, что транзисторы можно не изолировать от радиатора, а лепить все на один. Согласитесь, это здорово экономит слюдяные теплопроводящие прокладки, ведь на 8 транзисторов их ушло бы 8 штук (удивительно, но факт)! Радиатор является общим стоком всех 8 транзисторов и звуковым выходом усилителя, поэтому при установке в корпус не забудьте как-нибудь изолировать его от корпуса. Несмотря на отсутствие необходимости установки между фланцами транзисторов и радиатором слюдяных прокладок, это место необходимо промазать термопастой.

Внимание! Лучше сразу всё проверить перед установкой транзисторов на радиатор. Если вы прикрутите транзисторы к радиатору, а на плате будут какие либо сопли или непропаяные контакты, будет неприятно снова откручивать транзисторы и измазываться термопастой. Так что проверяйте всё сразу.

Биполярные транзисторы: T1 – BD139, T2 – BD140. Тоже нужно прикрутить к радиатору. Они греются не сильно, но все таки греются. Их тоже можно не изолировать от теплоотводов.

Итак, приступаем непосредственно к сборке. Детали располагаются на плате следующим образом:

Теперь я прилагаю фото разных этапов сборки усилителя. Для начала вырезаем кусок текстолита по размерам платы.

Затем накладываем изображение платы на текстолит и сверлим отверстия под радиодетали. Зашкуриваем и обезжириваем. Берем перманентный маркер, запасаемся изрядным количеством терпения и рисуем дорожки (ЛУТом делать не умею, вот и мучаюсь).

Вооружаемся паяльником, берём флюс, припой и лудим.

Отмываем остатки флюса, берём мультиметр и прозваниваем на предмет замыкания между дорожками там, где его быть не должно. Если всё в норме, приступаем к монтажу деталей.
Возможные замены.
Первым делом я прикреплю список деталей:
C1 = 1u
C2, C3 = 820p
C4, C5 = 470u
C6, C7 = 1u
C8, C9 = 1000u
C10, C11 = 220n

D1, D2 = 15V
D3, D4 = 1N4148

OP1 = КР54УД1А

R1, R32 = 47k
R2 = 1k
R3 = 2k
R4 = 2k
R5 = 5k
R6, R7 = 33
R8, R9 = 820
R10-R17 = 39
R18, R19 = 220
R20, R21 = 22k
R22, R23 = 2.7k
R24-R31 = 0.22

T1 = BD139
T2 = BD140
T3 = IRFP9240
T4 = IRFP240
T5 = IRFP9240
T6 = IRFP240
T7 = IRFP9240
T8 = IRFP240
T9 = IRFP9240
T10 = IRFP240

Первым делом можно заменить операционный усилитель на любой другой, даже импортный, с аналогичным расположением выводов. Конденсатор C3 нужен для подавления самовозбуждения усилителя. Можно поставить и побольше, что я и сделал впоследствии. Стабилитроны любые на 15 В и мощностью от 1 Вт. Резисторы R22, R23 можно ставить исходя из расчета R=(Uпит.-15)/Iст., где Uпит. – напряжение питания, Iст. – ток стабилизации стабилитрона. Резисторы R2, R32 отвечают за коэффициент усиления. С данными номиналами он где то 30 – 33. Конденсаторы C8, C9 – емкости фильтра – можно ставить от 560 до 2200 мкФ с напряжением не ниже чем Uпит.* 1.2 дабы не эксплуатировать их на пределе возможностей. Транзисторы T1, T2 – любая комплементарная пара средней мощности, с током от 1 А, например наши КТ814-815, КТ816-817 или импортные BD136-135, BD138-137, 2SC4793-2SA1837. Истоковые резисторы R24-R31 можно ставить и на 2 Вт, хоть и нежелательно, с сопротивлением от 0.1 до 0.33 ом. Силовые ключи менять не желательно, хотя можно и IRF640-IRF9640 или IRF630-IRF9630; можно на транзисторы с аналогичными пропускаемыми токами, емкостями затворов и, разумеется, таким же расположением выводов, хотя если паять на проводках, значение это не имеет. Больше менять тут вроде и нечего.

Первый запуск и настройка.

Первый запуск усилителя производим через страховочную лампу в разрыв сети 220 В. Обязательно закорачиваем вход на землю и не подключаем нагрузку. В момент включения лампа должна вспыхнуть и погаснуть, причем погаснуть полностью: спираль не должна светиться вообще. Включаем, держим секунд 20, затем выключаем. Проверяем, нет ли нагрева чего-либо (хотя если лампа не горит, вряд ли что-нибудь греется). Если действительно ничего не греется, включаем снова и меряем постоянное напряжение на выходе: оно должно быть в пределах 50 – 70 мВ. У меня, к примеру, 61.5 мВ. Если всё в пределах нормы, подключаем нагрузку, подаём сигнал на вход и слушаем музыку. Не должно быть никаких помех, посторонних гулов и т. п. Если ничего этого нет, переходим к настройке.

Настраивается всё это дело крайне просто. Необходимо лишь выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью вращения движка подстроечного резистора. Он должен быть примерно 60 – 70 мА для каждого транзистора. Делается это так же как и на Ланзаре. Ток покоя считается по формуле I = Uпад./R, где Uпад. – падение напряжения на одном из резисторов R24 – R31, а R – сопротивление этого самого резистора. Из этой формулы выводим напряжение падение на резисторе, необходимое для установки такого тока покоя. Uпад. = I*R. Например в моем случае это = 0.07*0.22 = где то 15 мВ. Ток покоя выставляется на “тёплом” усилителе, то есть радиатор должен быть тёплым, усилитель должен поиграть несколько минут. Усилитель прогрелся, отключаем нагрузку, закорачиваем вход на общий, берем мультиметр и проводим ранее описанную операцию.

Характеристики и особенности:

Напряжение питания – 30-80 В
Рабочая температура – до 100-120 град.
Сопротивление нагрузки – 2-8 Ом
Мощность усилителя – 400 Вт/4 Ом
КНИ – 0.02-0.04% при мощности 350-380 Вт
Коэффициент усиления – 30-33
Диапазон воспроизводимых частот – 5-100000 Гц

На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Использование этого усилителя с шумящими тембрблоками, такими как TDA1524, может повлечь за собой необоснованное на первый взгляд потребление энергии усилителем. На самом деле это усилитель воспроизводит частоты помех, не слышные нашему уху. Может показаться, что это самовозбуждение, но скорее всего это именно помехи. Тут стоит отличать помехи, не слышимые ухом от реального самовозбуждения. Я сам столкнулся с этой проблемой. Изначально в качестве предварительного усилителя операционник TL071. Это очень хороший высокочастотный импортный ОУ с малошумящим выходом на полевых транзисторах. Он может работать на частотах до 4 МГц – этого с запасом хватает и для воспроизведения частот помех и для самовозбуждения. Что делать? Один хороший человек, спасибо ему огромное, посоветовал мне заменить операционник на другой, менее чувствительный и воспроизводящий меньший диапазон частот, который просто не может работать на частоте самовозбуждения. Поэтому я купил наш отечественный КР544УД1А, поставил и… ничего не поменялось. Это всё натолкнуло меня на мысль, что шумят переменные резисторы тембрблока. Движки резисторов немного “шуршат”, что и вызывает помехи. Убрал тембрблок и шум пропал. Так что это не самовозбуждение. С данным усилителем нужно ставить малошумящий пассивный тембрблок и транзисторный предусилитель дабы избежать вышеперечисленного.

Низкочастотные усилители очень популярны среди любителей радиоэлектроники. В отличии от предыдущей схемы , данный усилитель мощности на полевых транзисторах состоит в основном из транзисторов и использует выходной каскад на , которые при двухполярном напряжении питания в 30 вольт могут обеспечить на динамиках сопротивлением 4 Ом выходную мощность до 70 Вт.

Принципиальная схема усилителя на полевых транзисторах

Усилитель собран на базе операционного усилителя TL071 (IO1) или любой аналогичный ему, который создает основное усиление дифференциального сигнала. Усиленный низкочастотный сигнал с выхода операционного усилителя, большая часть которого поступает через R3 к средней точке. Оставшаяся часть сигнала достаточна для прямого усиления на MOSFET IRF9530 (T4) и IRF530 (T6).

Транзисторы T2 ,T3 и окружающие их компоненты служат для стабилизации рабочей точки переменного резистора, так как она должна быть правильно установлена в симметрии каждой полуволны на нагрузке усилителя.

Все детали собраны на односторонней печатной плате. Обратите внимание, что на плате необходимо установить три перемычки.

Настройка усилителя

Настройку усилителя лучше всего сделать путем подачи синусоидального сигнала на его вход и подключением нагрузочного резистора со значением 4 Ом. После этого резистор R12 устанавливается таким образом, чтобы на выходе усилителя сигнал был симметричным, т.е. форма и размер положительной и отрицательной полуволн были одинаковыми при максимальной громкости.