Усилитель мощности ИЗОТОП 1.0 (2023)

Сборка усилителей мощности звукового диапазона — это увлекательная задача, которая может заинтересовать любого радиолюбителя. Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) ИЗОТОП 1.0 способен значительно улучшить качество звучания и сделать вашу аудиосистему более правдоподобной, мощной и надежной. В этой статье вы найдете схему устройства, печатную плату, инструкции по сборке и описание его работы, что позволит вам самостоятельно создать этот УМЗЧ.

При разработке усилителя была поставлена задача обеспечить выдающиеся характеристики: низкий уровень шумов, минимальные нелинейные и интермодуляционные искажения, высокая скорость изменения выходного сигнала, широкий диапазон частот, высокая повторяемость, надежность, стабильность работы схемы, а также уменьшение числа необходимых компонентов и исключение труднонаходимых деталей.

Этот усилитель станет отличным вариантом для тех, кто стремится к качественному звуку и хочет улучшить свою аудиосистему. С соблюдением инструкций по сборке вы сможете самостоятельно создать и настроить этот УМЗЧ.

Введение

Концепция этого усилителя родилась в 2017 году, когда я начал работу над дипломным проектом. Тогда же была разработана схема устройства и создана печатная плата. С 2018 года усилитель работает без сбоев и продолжает функционировать по сегодняшний день. С момента своего создания схема претерпела множество изменений, доработка и тестирование.

В процессе разработки УМЗЧ активно использовались программы для моделирования, такие как SPICE, Multisim 14, Proteus и Easy EDA.

Для того чтобы собрать УМЗЧ, вам понадобятся:

• а) базовые навыки в чтении электрических схем;
• б) паяльное оборудование (паяльник, припой, флюс, пинцет и т.д.);
• в) печатная плата (подробности об этом будут обсуждены ниже);
• г) мультиметр и/или прибор LCR-T4 ESR или аналогичный.

Схема

Схема данного усилителя основана на трехкаскадном усилителе Лина.

Первый каскад, называемый входным (ВК), представляет собой дифференциальный каскад (ДК) с транзисторами VT2 и VT6, который загружен на каскод (VT3 и VT7). Этот каскод, в свою очередь, подсоединен к токовому зеркалу Уилсона, состоящему из VT4, VT8 и VT9, и запитывается от генератора стабильного тока (ГСТ) на базе VT1 и VT5. В дифференциальном каскаде и каскоде используются малошумящие транзисторы, а применение токового зеркала Уилсона увеличивает выходной ток вдвое и усиливает первый каскад.

Каскад усиления напряжения (КУН) аналогичен ВК и включает ДК с транзисторами VT12 и VT16, также загруженным на каскод VT11 и VT15, который подключен к токовому зеркалу Уилсона (VT10, VT13 и VT14).

Выходной каскад представлен тройкой эмиттерных повторителей VT20-VT25. Использование такой схемы в выходном каскаде улучшает работу всего устройства и уменьшает искажения выходного сигнала. Благодаря высокому входному сопротивлению выходной каскад эффективно взаимодействует с КУН, снижая нагрузку на него и оптимизируя характеристики УМЗЧ.

Схема термостабилизации и смещения выходного каскада реализована на транзисторе VT17, а также на резисторах R19-R21.

Коррекционные цепи усилителя сделаны с использованием конденсаторов C7, C14 и C19. Кроме того, на плате имеются корректирующие элементы C9, C17, C18 и R23, помеченные как NC, что означает, что их установка не требуется; о них мы поговорим позже.

Система защиты усилителя от насыщения основана на LED1 и R12, при клиппировании этот светодиод загорается, тем самым предохраняя транзистор VT12 от насыщения.

Усилитель также защищен от короткого замыкания в нагрузке, данная защита реализована с помощью транзисторов VT18 и VT19.

УМЗЧ имеет две земли: сигнальную и силовую, которые разделяются через резистор R1, что значительно снижает уровень шумов в системе.

Технические характеристики

Измерения схемы проводились на разработанной печатной плате с использованием нескольких звуковых интерфейсов: Focusrite Scarlett 2i2 3-го поколения, MOTU M4 и ASUS STRIX RAID DLX (модифицированная версия с заменёнными операционными усилителями и конденсаторами). Для анализа также применялись компьютерные программы REW 5.20 и комплекс Шмёлёва. В качестве нагрузки для усилителя использовались мощные резисторы с номиналами 4Ω, 6Ω и 8Ω. Питание осуществлялось с напряжением ±44В, а ток покоя выходных транзисторов составлял 80мА. Генерация сигнала производилась с помощью генератора UNI-T UTG962E и аналогичного устройства из комплекса Шмёлёва. Для обеспечения питания использовались два блока питания, основанных на RIDEN RD6012P-W, дополненных сглаживающими конденсаторами по 20000μF на каждую ветвь.

Возникает вопрос: зачем необходимо использовать так много различных аудиоинтерфейсов и программ? Ответ на это достаточно прост. Это связано с тем, что у нас была такая возможность, и каждый из этих интерфейсов обладает своими достоинствами и недостатками. К примеру, у Focusrite Scarlett 2i2 коэффициент нелинейных искажений (КНИ) составляет около 0,001, в то время как у STRIX RAID DLX этот показатель равен 0,00025. Однако при этом уровень шума у первых составляет приблизительно -124 дБ, а у вторых – -105 дБ и так далее. Сравнение этих характеристик позволяет более точно оценить работу усилителей и звуковых систем.

Параметры, отмеченные знаком (*), были определены с помощью программного обеспечения для моделирования электрических схем.

Напряжение питания от ±25В до ±45В;
Полоса пропускания* -3db: 6Гц – 300кГц;
Максимальная скорость нарастания* выходного сигнала 50В/мкс;

Долговременная выходная мощность (8Ом, 1кГц, THD < 0,5% Uпит = ±44В) ≈ 80Вт 
Долговременная выходная мощность (6Ом, 1кГц, THD < 0,5% Uпит = ±44В) ≈ 110Вт
Долговременная выходная мощность (4Ом, 1кГц, THD < 0,5% Uпит = ±44В) ≈ 150Вт

Долговременная выходная мощность (8Ом, 1кГц, THD < 0,0015% Uпит = ±44В) ≈ 60Вт
Долговременная выходная мощность (6Ом, 1кГц, THD < 0,0012% Uпит = ±44В) ≈ 80Вт
Долговременная выходная мощность (4Ом, 1кГц, THD < 0,002% Uпит = ±44В) ≈ 100Вт

Интермодуляционные искажения IMD, 80Вт, 6Ом, не более 0,0025%

Печатная плата

Разработанная авторская печатная плата имеет габариты 100х84 мм и спроектирована так, чтобы её можно было изготовить как в домашних условиях с использованием любых доступных методов, так и заказать через различные сервисы по производству печатных плат. На данной плате предусмотрено 14 перемычек. В случае, если будет заказана двухсторонняя печатная плата, перемычки будут выполнены на верхней стороне, и их не потребуется устанавливать отдельно. Подробности можно найти в пункте 7, который будет посвящён сборке.

Рекомендации по выбору компонентов

В этом разделе будут рассмотрены основные аспекты типов компонентов и предложены рекомендации по их выбору и подготовке элементной базы.

Для постоянных резисторов рекомендуется использовать металлопленочные, поскольку они обладают минимальным уровнем собственных шумов и высокой точностью. Обычно такие резисторы имеют корпус синий, но также допустимо использование резисторов МЛТ.

Внешний вид резисторов:

В качестве подстроечных элементов разрешается применять только многооборотные резисторы модели 3296W.

Электролитические конденсаторы. Можно применять электролитические конденсаторы разных марок, если соблюдены предписания по их характеристикам, а также по уровню эквивалентного последовательного сопротивления и потерям напряжения (ESR, Vloss).

Пленочные конденсаторы. В наличии имеются разнообразные виды пленочных конденсаторов, такие как CL11, CL21, CBB21 и POLYESTER BOXED. Обычно конденсаторы CL11 имеют зеленый корпус, в то время как CL21 и CBB21 могут быть красными или коричневыми, а также встречаются в синем исполнении. Конденсаторы POLYESTER BOXED могут иметь голубую, белую, желтую или красную окраску.

Внешний вид конденсаторов с наиболее распространенными корпуса

При выборе керамических конденсаторов рекомендуется использовать только многослойные модели, такие как X7R, Y5V и NPO. Эти типы обладают аналогичными параметрами и зачастую имеют схожую внешность, что иногда затрудняет их различие визуально.

Внешний вид разрешённых для применения конденсаторов:

Транзисторы – это тема, к которой следует подходить с особой осторожностью, поскольку на рынке имеется много подделок, которые могут внешне напоминать оригиналы, а иногда и вовсе не быть на них похожими. Это касается как мощных, так и маломощных транзисторов. Перед покупкой важно детально ознакомиться с технической документацией. При выборе транзисторов стоит обращать внимание на наличие четко выполненных гравировок, лазерных отметок или печатных надписей на корпусе оригинальных изделий. Эти элементы должны быть высокого качества и хорошо различимы. В отличие от них, подделки часто имеют неровности на поверхности, неаккуратную гравировку или плохо выполненные печатные элементы.

Оптимальный способ обеспечить покупку подлинных компонентов – это обращаться к проверенным поставщикам и производителям с хорошей репутацией.

Размер кристалла поддельного (слева) и оригинального (справа) транзистора:

Неоригинальные и низкокачественные компоненты могут значительно снизить эффективность и параметры всего устройства, и в некоторых случаях даже могут привести к его поломке!

Индуктивность. В этой схеме предусмотрена катушка индуктивности L1, которую следует изготовить самостоятельно из медной проволоки диаметром 1-1,2 мм, намотав в два слоя: в первом слое – 9 витков, а во втором – 8 витков на диаметре 6,5 мм. В качестве каркаса подойдет обычный карандаш.

Второй способ намотки предполагает использование 15 витков в одном слое, на диаметре 8,5 мм.

Сборка усилителя

Подготовительный этап

Сборка устройства включает несколько ключевых этапов:

На этом этапе необходимо подготовить и проверить каждый элемент схемы на соответствие заявленным спецификациям:

• Все резисторы должны быть проверены на соответствие необходимому сопротивлению с точностью не менее 1%;
• Конденсаторы проверяются на емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и напряжение утечки; необходимые данные можно найти в интернете;
• Все диоды, стабилитроны и светодиоды нуждаются в проверке, причем напряжение на светодиоде должно составлять около 1,8 В;
• Также стоит выполнить проверку и отбор транзисторов (подробности о выборе транзисторов будут в следующем пункте). Для осуществления проверок рекомендуется использовать мультиметр с функцией измерения hfe (коэффициента усиления) транзисторов, либо специализированный прибор LCR-T4 ESR или его аналоги.

Замены

При подаче питания схемы до ±40В транзисторы VT1-VT3, VT5-VT7, VT10, VT13 можно заменить на BC560В, а VT4 и VT9 целесообразно заменить на BC550B.

Конденсатор С5 можно установить номиналом 1нФ.

На плате есть предусмотренные места для дополнительных элементов коррекции, но если вы собираете УМЗЧ по авторской схеме, то их установка не понадобится. Однако, если вы любите эксперименты и решили заменить VT12 и VT16 на составные транзисторы, вам могут понадобиться конденсаторы C9, C17, C18 и резистор R23 вместе с парой выходных транзисторов.

Также в списке радиоэлементов представлены варианты замены некоторых компонентов.

Подбор транзисторов по hfe

Необходимо осуществить отбор всех перечисленных транзисторов с точностью не менее 1%.

• VT2, VT6;
• VT3, VT7;
• VT4, VT8, VT9;
• VT10, VT13;
• VT11, VT15, к ним также можно попробовать подобрать пару VT14;
• VT12, VT16 – желательно, чтобы их значение hfe было максимально от 600.

Монтаж

При создании УМЗЧ на однослойной плате первым шагом будет установка четырнадцати перемычек. Для двухслойных плат выполнение этой операции не требуется, поскольку перемычки уже включены в верхний слой.

На изображении, представленном с верхней стороны печатной платы, перемычки обозначены красным цветом.

В общем, последовательность дальнейшего монтажа не имеет критического значения; обычно сборку начинают с мелких деталей, переходя к крупным. Я же постараюсь подробно изложить процесс, предлагая свои рекомендации.

На следующем этапе мы приступаем к установке SMD резисторов R36, R38 и R39, которые находятся на нижнем слое печатной платы.

Следующим шагом мы займемся установкой резисторов R1-R33, за исключением подстроечных R8, R14 и R20, а также монтажом диодов VD3-VD6, стабилитронов VD1 и VD2, и резисторов R34, R35, R37.

После этого переходим к установке конденсаторов C7, C13, C14 и C19, и далее устанавливаем транзисторы VT1-VT10, VT12-VT14, VT16, VT18 и VT19.

Важно отметить, что транзисторы необходимо соединять следующим образом: VT1 с VT5, VT2 с VT6, VT3 с VT7, VT4 с VT8 и VT9, а также VT10 с VT13. Это соединение нужно для создания теплового контакта, что можно осуществить с помощью медной или алюминиевой липкой ленты либо термоклея. Такая мера необходима для уменьшения дрейфа характеристик транзисторов при изменении температуры.

Затем установим все пленочные конденсаторы C1-C5, C8, C10, C13, C15, C16, C20, C21, C24-C27, C29 и светодиод LED1.

Установим выходные разъёмы OUT, V+, V-, GND. Перед установкой подстроечных резисторов R8, R14*, R20 следует через вращение регулятора выставить необходимые значения сопротивлений.

По завершении сборки, настройки и тестирования усилителя, крайне желательно выпаять резистор R14, измерить его сопротивление, а затем выбрать постоянный резистор из диапазона Е24 с мощностью от 0.5Вт до 1Вт и установить его на место R14.

Затем приступим к монтажу электролитических конденсаторов С6, С11, С12 и транзисторов VT20, VT21. В дальнейшем установим конденсаторы C22, C23, C28 и C30 (если используется высококачественный стабилизированный блок питания, эти конденсаторы можно заменить на 470 мкФ).

После того как конденсаторы будут установлены, следует закрепить ранее изготовленную индуктивность L1.

Далее установим транзисторы VT11 и VT15. Обратите внимание, что их следует соединить через термоинтерфейс, например, с помощью термопасты, и разместить на радиаторе так, чтобы между ними не было электрического контакта. Для этого можно использовать специальные диэлектрические термопрокладки. После этого установим транзисторы VT14 и VT22-VT24. Сборка устройства на этом завершается.

По завершении установки всех элементов усилителя на печатной плате, важно внимательно удостовериться в корректности их расположения согласно схеме. После этого необходимо тщательно удалить остатки флюса и провести визуальный осмотр, чтобы выявить потенциальные короткие замыкания между дорожками и компонентами, а также исключить вероятность некачественной пайки.

Запуск и настройка устройства

При проверке собранной платы усилителя с использованием лабораторного блока питания, оснащенного функцией ограничения выходного тока, установите его предел на уровне около 150 мА. В момент включения ток может немного колебаться, но вскоре должен стабилизироваться. Справно функционирующее устройство не должно потреблять более 150 мА; если потребление превышает эту величину, значит, в плате имеются неисправности.

Если вы используете трансформаторный блок питания, перед подключением платы нужно последовательно включить в первичную цепь лампу накаливания мощностью 40-60 Вт. При включении лампа должна кратковременно зажечься, а затем погаснуть. Если плата усилителя повреждена, лампа будет светить ярко — в таком случае необходимо сразу отключить питание.

После успешного старта платы рекомендуется оставить её работать несколько минут, а затем проверить компоненты на нагрев. Для этого можно использовать палец. Если всё в порядке, можете снять ограничения по току или удалить лампу накаливания.

Настройка нуля: подключаем ВХОД усилителя, соединяя сигнальную землю с входом. Затем подаем питание на плату УМЗЧ и измеряем постоянное напряжение на её выходе. Оно должно находиться в пределах 0±5мВ. Если значение выходит за этот диапазон, с помощью вращения переменного резистора R8 добиваемся необходимого уровня (лучше стремиться к 0В).

Настройка напряжения коллектора транзистора VT11: после успешной настройки нуля необходимо выровнять напряжения на коллекторах транзисторов VT11 и VT15. Устанавливаем щупы вольтметра на точки Т1 и Т2, расположенные рядом с этими транзисторами, и, вращая ручку переменного резистора R14, доводим показания вольтметра до 0±800мВ (чем ближе к 0В, тем лучше).

Настройка токов покоя осуществляется в три шага:

1. Установите ток покоя в диапазоне от 30 до 50 мА. Для этого подсоедините щупы милливольтметра к эмиттерам транзисторов VT24 и VT25. Вращая регулировочный резистор R20, добейтесь выхода в пределах 13 мВ до 22 мВ.
2. Прогрейте усилитель мощности в течение 10-20 минут.
3. После прогрева установите ток покоя в диапазоне от 60 до 100 мА. Подключите щупы милливольтметра к эмиттерам VT24 и VT25, затем с помощью регулировки резистора R20 добейтесь значений от 27 мВ до 45 мВ.

Указанные точки подключения щупов расположены на эмиттерах транзисторов:

По окончании настройки усилителя крайне рекомендуется выпаять подстроечный резистор R14, измерить его сопротивление, а затем выбрать постоянный резистор из диапазона Е24 с мощностью 0,5 Вт – 1 Вт и установить его вместо R14.

От всей души поздравляю! Вы получили в свое распоряжение устройство, которое полностью собрано и готово к использованию. Оно будет радовать вас своим прекрасным звучанием!

Заключение

В завершение хочу представить схему подключения усилителя, защитного блока, акустических систем и заземления для стерео усилителя.

В приложении к статье вы найдете gerber-файлы для создания печатной платы. Достаточно отправить загруженный архив (“Gerber_PCB_IZOTOP.zip”) в компанию, занимающуюся производством печатных плат.

Кроме того, вы обнаружите архив с данными для импорта проекта (схема и печатная плата) в среду Easy EDA. Чтобы импортировать файлы, сначала извлеките содержимое архива (“EasyEDA.rar”) с json-файлами в удобное для вас место. Затем откройте Easy EDA, выполните вход, перейдите в меню “Файл” -> “Открыть” -> “EasyEDA”, и в открывшемся окне выберите папку, куда были распакованы файлы, и выберите “SCH_IZOTOP.json”. После этого нажмите “Импорт”, в системе должна появиться схема УМЗЧ. Сохраните ее через “Файл” -> “Сохранить”. Далее откройте “PCB_IZOTOP.json” тем же способом, и также сохраните печатную плату в проекте “D2AMP”. Теперь у вас есть полноценный проект в Easy EDA, который можно редактировать (менять шелкографию, дорожки и т.д.).

Также в приложении есть файл печатной платы “IZOTOP_1.08.lay6” для Sprint-Layout 6.

Спасибо за внимание!

С уважением, Дубинский Артем [2023]

Источник