Читать онлайн «Введение в электронику» автора Гейтс Эрл Д. — RuLit — Страница 133
Обычно при проектировании усилителя мощности задаются его параметрами: выходной мощностью, искажениями, частотной характеристикой и т.д. Исходя из этого, выбирают необходимую схемотехнику и элементы. Но иногда находятся оригиналы, которым интересно и забавно использовать для усиления компоненты изначально для этого не предназначенные. В результате порой получаются весьма качественные и необычные конструкции.
Широкоизвестный интегральный стабилизатор напряжения LM317, разработанный в далёком 1976 году, поддерживает напряжение на выходе на 1,25 В больше, чем напряжение на управляющем выводе, ток потребления по которому составляет всего 100 мкА. При этом выходной ток микросхемы может составлять 1,5 А. Чем не усилитель.
На рисунке представлена принципиальная схема усилителя. Микросхема IC1 управляется операционным усилителем IC3. На микросхеме IC2 собран источник постоянного тока, величина которого определяется номиналом резистора R9 и рассчитывается по формуле: I=1.25/R9.
Резисторы R11 и R10 образуют цепь отрицательной обратной связи и определяют коэффициент усиления. Благодаря этой цепи компенсируется напряжение смещения в 1,25 В и на выходе поддерживается нулевое напряжение.
Краткое резюме: две микросхемы LM317, один ОУ и три резистора — вот всё, что необходимо для построения простого усилителя класса А. И кстати, заметим для аудиофилов — в тракте нет ни одного конденсатора!
Схема
Учитывая, что LM317 может работать с максимальным током в 1,5 А, на выходе получаем относительно небольшую выходную мощность. К счастью, это ограничение можно преодолеть путем соединения нескольких LM317 параллельно, как представлено на схеме:
Увеличение по клику
Максимальное входное напряжение для LM317 составляет 40 В, поэтому, казалось бы, запитать усилитель можно от двухполярного источника с напряжением не более ±20 V. Однако, операционный усилитель, допускает работу с максимальным напряжением питания ±18 В. Поэтому, по мнению автора, работа схемы от источника питания с напряжением ±15В будет вполне разумным и безопасным решением.
Определившись с напряжением питания мы можем рассчитать необходимый ток покоя. Для нагрузки сопротивлением 8 Ом он составит 15 В/8Ω=1,875 А. Теоретическая максимальная мощность будет составлять около 14 Вт, хотя на практике получилось 12 Вт при чисто резистивной нагрузке. Так как акустическая система далека по своим свойствам от резистивной нагрузки, ток покоя следует взять несколько больший, например, 2,2А. В этом случае величина токозадающего резистора составит 1,25/2,2=0,56 Ω.
При этом на резисторе будет рассеивать чуть меньше 3 Вт, поэтому рекомендуется использовать резистор мощностью не менее 5 Вт. При таких параметрах потребляемая мощность одного канала усилителя составит 30×2,2=66 Вт.
А что вы хотели? Класс «А»!
Изобретение Лина
Транзисторные усилители мощности 1950-х годов строились по унаследованной из ламповой схемотехники симметричной (пушпульной[комм. 1]) двухтактной схеме с двумя трансформаторами (входным и выходным)[3][4]. Эти усилители, развивавшие выходную мощность порядка нескольких сотен мВт, имели высокий коэффициент полезного действия (что обусловило их применение в переносных радиоприёмниках и слуховых аппаратах) при неустранимо высоких нелинейных искажениях[3]. Высокий уровень коммутационных искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покоя[3]. Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи, было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторах[3][5].
Для того, чтобы охваченный обратной связью усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы как минимум один из двух трансформаторов[3]. Функции согласования импедансов и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторы[6]. Дополнительную сложность представлял ограниченный ассортимент тогдашних, исключительно германиевых транзисторов: в слаботочных каскадах конструкторы могли использовать транзисторы и pnp-, и npn-структуры (пока ещё не комплементарные), в мощных — только pnp-транзисторы[6]. Решение задачи — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного УМЗЧ — было найдено разработчиком компании RCA Хун-Чан Лином и опубликовано в сентябрьском номере журнала Electronics
В классическом авторском варианте Лина — всего два каскада. Всё усиление напряжения сосредоточено в первом каскаде на транзисторе V1 (в схемотехнике УМЗЧ называемом каскадом усиления напряжения
, КУН). Выходной каскад Лина — квазикомплементарный двухтактный эмиттерный повторитель, в верхнем плече которого включен составной транзистор на паре Дарлингтона, а в нижнем — составной транзистор на паре Шиклаи[7]. Термостабилизация выходного каскада возложена на термистор VT. Усилитель охвачентремя петлями обратной связи: вольтодобавка на конденсаторе С3 стабилизирует режим работы V1, петля ООС R8C5 в сочетании с выходным сопротивлением источника сигнала задаёт коэффициент усиления, делитель R1R2 стабилизирует напряжение средней точки эмиттерного повторителя и также участвует в задании коэффициента усиления[7][8]. С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 Вт[7]. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ пушпульных транзисторных схем[7].
Асимметрия вольт-амперных характеристик пар Дарлингтона и Шиклаи на кремниевых транзисторах Простая, элегантная[1] и при этом хитроумная[6] схема Лина имела много недостатков. Выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искажения. Входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не большим, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора тока[3]. Первое можно было преодолеть, перейдя с однополярного питания на двухполярное, второе — включением на вход усилителя Лина дополнительного согласующего каскада. Намного серьёзнее была проблема теплового дрейфа выходного каскада: именно из-за неё массовое внедрение усилителя Лина началось лишь в середине 1960-х годов, когда на рынке появились кремниевые транзисторы[9]. Усилители, построенные на новейшей элементной базе, были достаточно надёжны, экономичны, не требовали наладки — но неблагозвучны. Асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи, малозаметная в каскадах на германиевых транзисторах, с переходом на кремниевые транзисторы оказалась недопустимо велика[10]. Конструкторы 1960-х годов, воспитанные в рамках ламповой схемотехники, были не готовы и не способны решить эту проблему; простейшее и наилучшее решение — использование комплементарных выходных транзисторов — было пока невозможно[11]. Мощные кремниевые транзисторы тех лет были доступны только в npn-структуре; мощные кремниевые pnp-транзисторы появились лишь в начале 1970-х годов, а комплементарные, симметричные пары npn- и pnp-транзисторов — ещё позже[12].
Несмотря на недостатки, схема Лина оказалась чрезвычайно долговечной. Последовательные, пошаговые усовершенствования её узлов и связей между ними продолжались десятилетиями; в начале 1970-х годов схема мутировала в модифицированный усилитель Лина
, абсолютно доминировавший в схемотехнике УМЗЧ последней четверти XX века, а затем и эта схема подверглась множеству больших и малых доработок. Главная причина успеха схемы кроется в непосредственной связи каскада усиления напряжения и выходного каскада. Усилитель Лина легко трансформируется в полноценный усилитель постоянного тока (УПТ) — для этого достаточно устранить выходной разделительный конденсатор и дополнить схему входным дифференциальным каскадом[13]. Низкоомное соединение баз и эмиттеров выходных транзисторов гарантирует щадящий режим работы даже при значительных обратных токах коллекторов (что было критично для несовершенных транзисторов 1960-х и 1970-х годов); верхний и нижний силовые транзисторы попеременно надёжно запираются[14]. Ни одно из этих достоинств, само по себе, не уникально для схемы Лина, но Лин сумел первым свести их воедино в простой, пригодной для массового выпуска и дальнейших усовершенствований конструкции[14].
Параллельное включение
При параллельном включении четырёх микросхем LM317 максимальный выходной ток может достигать 6 А. При токе покоя 2.2 А максимальный ток через верхнее плечо усилителя составляет 4,4 А и 2,2 А через нижнее плечо, что в пределах безопасной работы.
Входное сопротивление определяется номиналом резистора R11 и составляет 10 K (относительно низкое, так как усилитель инвертирующий). Коэффициент усиления можно регулировать путем изменения номинала резистора R10. Рассчитывается по формуле: A=–R10/R11.
Ёмкость конденсатора С1 определяет верхнюю граничную частоту и предотвращает возбуждение усилителя на высоких частотах. При указанном на схеме значении 100 пкФ верхняя граничная частота усиления составляет 100 кГц. Но вы можете экспериментировать с этим значением на свой страх и риск (контролируйте наличие возбуждения усилителя).
Так как усилитель инвертирующий, автор предлагает подключать акустические системы наоборот, то есть плюсовую клемму акустики следует подключать к общему выводу усилителя, а минусовую — к выходу усилителя. При использовании инвертирующего предварительного усилителя акустику следует подключать обычным способом.
Конструкция
Вариант конструкции усилителя показан на фотографии:
Чертежи печатных плат в формате pdf здесь.
Статья подготовлена по материалам журнала «Электор Электроникс» Автор Юрген Майклс (Бельгия) Вольный перевод: Главный редактор «РадиоГазеты» Удачного творчества!
Комментарий от редакции «РадиоГазеты»:
Это усилитель класса «А» со всеми вытекающими последствиями как то:
- сильный нагрев практически всех элементов конструкции. Поэтому требуется применение радиаторов соответствующих размеров и организация эффективной вентиляции корпуса усилителя.
- настоятельно рекомендуется использование защиты акустических систем от постоянного напряжения на выходе.
- это не только усилитель класса «А»! У автора в тексте это почему-то не отмечено, но это однотактный усилитель, что накладывает особые требования на источник питания. Для снижения фона блок питания должен быть либо стабилизированный (ещё один радиатор), либо нужны фильтрующие конденсаторы большой ёмкости — не менее 10 000 мкФ на канал. Для уменьшения нагрева диодов выпрямительного моста здесь настоятельно рекомендуется использовать диоды Шоттки. Снабдить их небольшими радиаторами тоже не помешает.
Улучшить параметры усилителя можно довольно просто — применением более современного и качественного операционного усилителя.
АБ1 – однотактный усилитель класса А
Данный усилитель класса А на транзисторах минимален по деталям, но в то же время имеет прекрасное звучание и стабильность в работе. Схема задумана как выходной каскад с драйвером на лампе, усиление невелико, практически повторитель, либо нужен предварительный усилитель с выходом на 3-4 В.
Схему прислал Александр Бокарёв, она полностью авторская и является финальной версией поиска звучащей и несложной схемы на полевом транзисторе. Этот однотактный усилитель задуман как альтернатива лампе. Стабильность в работе шикарная, схема работала на крохотном радиаторе, разогревался чуть не до кипения, но ток держится четко.
Усилитель мощности АБ1
Усилитель имеет усиление выше единицы, до 2-3 раз. С усилением завязано выходное сопротивление. К усилителю предполагается драйвер на лампе с усилием примерно 10-12, это навскидку 5687, ECC82 или наша 6С31Б. Но и сам по себе усилитель способен звучать на АС, усиления в принципе хватает. За счет неглубокой ООС имеет невысокое выходное, 1 Ом и выше, по желанию. Спектр триодный, звучание ламповое, входное сопротивление высокое, в районе 50-70 кОм, полоса до 1-4 МГц. Делитель с выхода в эмиттер транзистора Т1 можно заменить на переменный резистор и настраивать усиление и выходное сопротивление. В среднюю точку привязана земля усилителя, выход туда же с входа усилителя, защита для АС не нужна. Параллельно нагрузке стоит цепь Цобеля, с ней форма импульса идеально ровная, хотя и без Цобеля все неплохо.
Блок питания для Exrem (на два канала)
Мощность рассеиваемая на каждом полевом транзисторе БП не выше 10 Вт, можно как вариант закрепить транзисторы на одном радиаторе с выходными полевиками. Схема обеспечивает плавный подъём питания за пару секунд и полное отсутствие пульсаций.
По выходу стабилизатора питания в два этажа стоят банки по 2200 мкФ, их средняя точка это земля схемы, питание плюс и минус – висячее. По выходу схемы нет емкости, эту роль играют те самые две банки, при аварии постоянное напряжение не идет в нагрузку. Так же нет шумов и грохота при включении, потому что диагональ полумоста. Электролитические конденсаторы по питанию в усилителе мощности лучше ставить ближе к схеме. Диод D7 1N4001 шунтирует зарядный резистор R2.
Один канал усилителя выделяет 25 Вт тепла. При радиаторе в 1000 см2 рука терпит некоторое время, значит, 65-70° есть и можно успокоиться. Хотя на сильно меньшем радиаторе работали два таких полевика и еще два резистора нагрузки, грелось страшно и все равно работало. Выходные полевики в плане нагрева очень замечательные.
Выходная мощность до ограничения с питанием 30 В не более 3,5 Вт, с питанием 24 В примерно 2 Вт, ограничение плавное, без острых углов и резких границ, похоже на ламповый однотактный каскад. Спектр классический триодный, короткий и быстро спадающий.
Выходное сопротивление схемы на латерале регулируется глубиной обратной связи с выхода в эмитттер биполярного транзистора Т1. При подгонке выходного сопротивления необходимо подстроить и смещение входного транзистора одним из двух резисторов, по симметричному ограничению выходного сигнала на нагрузке.
Схема сложилась в процессе перебора разных вариантов от Марка Хьюстона и Нельсона Пасса на одиночном полевом транзисторе с резисторной нагрузкой. Ни один из которых не отвечал требованиям нормальной схемы в плане выходного и входного сопротивления.
Без введения ООС получить выходное сопротивление хотя бы 2 Ома в принципе невозможно, внутреннее у латерала слишком велико, 6 Ом. Добавив транзистор и цепь ООС, получил то, что нужно: высокое входное, в районе 50-100 кОм, низкое выходное, от 1 Ома и выше, полоса пропускания от 1 Гц до Мгц. Усиление невелико, максимум 3, но и схема задумана была не как полноценный усилитель, а как выходной каскад в А классе, некий аналог лампового однотактника на 2А3, который мне хорошо и давно знаком. И могу сказать, что это новая схемка по звуку мало отличается от лампача, такой же легкий шелестящий саунд, прекрасно звучат самые сложные инструменты – труба и скрипка. Другое дело, мощность невелика, 2-3 Вт на 8 Ом, но звук того стоит.