Осирис

Простой транзисторный усилитель OSIRIS

Схемы

Идея

Целью разработки данной схемы стало создание простого, доступного и качественного усилителя, который бы обеспечивал отличные характеристики и не уступал усилителям на микросхемах таких как TDA/LM или транзисторным устройствам аналогичной сложности.

В ходе анализа различных простых усилителей, доступных в интернете, было замечено, что такие решения обычно обладают посредственными характеристиками и часто требуют ряда компромиссов. Хотя они могут быть разработаны по трехкаскадной схеме Линна и иметь большее количество каскадов по сравнению с усилителем, описанным в этой статье, уровень их обратной связи может оказаться ниже, а искажения — значительно выше.

Автор решил изменить подход и достичь улучшения характеристик, не увеличивая число каскадов усиления, оптимизировав двухкаскадную топологию. В результате была разработана простая схема, которая при этом смогла превзойти многие трехкаскадные усилители сопоставимой сложности.

Ключевыми принципами проектирования усилителя стали следующие:

  • Простая схема;
  • Высокие качественные характеристики;
  • Отсутствие необходимости в защите акустических систем;
  • Однополярное питание;
  • Дешевые и доступные компоненты;
  • Компактная односторонняя печатная плата.

Принципиальная схема

Принципиальная схема усилителя Осирис
Принципиальная схема усилителя Осирис

Усилитель состоит из двух каскадов и имеет конструкцию, основанную на схеме Линна, разработанной в 1956 году.

Первый каскад выполняет функцию усиления напряжения и построен на транзисторах VT3 и VT4 по каскодной схеме, что расширяет его полосу частот. Нагрузкой для данного каскада служит источник тока на транзисторе VT1, а также выходной каскад усилителя. Работа на источник тока позволяет добиться усиления входного каскада до первого полюса в 92 дБ, что является впечатляющим показателем. Это также создает возможность для введения обратной связи с достаточной глубиной.

Выходной каскад представляет собой классическую тройку повторителей, построенную на транзисторах VT5…VT10. Использование тройки, что является особенностью в отличие от стандартных усилителей, позволяет реализовать весь потенциал усилителя напряжения и максимально сохранить его коэффициент усиления.

Система смещения выходного каскада функционирует на основе б-э умножителя напряжения и выполнена на транзисторе VT2, который формирует смещение для транзисторов VT7…VT10 и размещен на одном радиаторе с ними. В параллель с ним установлены диоды VD1 и VD2, предназначенные для смещения транзисторов VT5 и VT6. Это решение предотвращает перекомпенсацию, так как указанные транзисторы не имеют прямого контакта с радиатором.

Обратная связь. У данного усилителя имеется две петли обратной связи, что дает возможность обрабатывать выходной конденсатор, тем самым устраняя возникающие искажения. Первая ветвь обратной связи образована резисторами R10, R16 и R19, где R19 представляет собой переменный резистор, обеспечивающий настройку усилителя в режиме постоянного тока. Вторая ветвь обратной связи, формирующая усиление, создана с использованием резисторов R1, R2 и R17.

Коррекция по высоким частотам осуществляется с помощью двух конденсаторов: С5 выполняет коррекцию на запаздывание, а С10 предназначен для коррекции на опережение.

Технические характеристики

Характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы.

  • Напряжение питания: 16 В…56 В;
  • Чувствительность: 1 В (RMS);
  • Входное сопротивление: 2 кОм;
  • Полоса пропускания -3 db: 10 Гц – 300 кГц;
  • Выходная мощность: 60(30)Вт (При напряжении питания 50 В, на 4 Ом (8 Ом));
  • Скорость нарастания выходного сигнала: 25 В/мкС;
  • Глубина обратной связи: 64 дБ/1 кГц, 48 дБ/20 кГц;
  • Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 2 Ом…8 Ом (2 Ом при питании не более 40 В).

Коэффициент нелинейных искажений (60 Вт 4 Ом):

  • На частоте 1 кГц: 0.002%;
  • На частоте 10 кГц: 0.01%.

Коэффициент нелинейных искажений (30 Вт 8 Ом):

  • На частоте 1 кГц: 0.001%;
  • На частоте 20 кГц: 0.008%.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи
ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи

На представленном графике отображены характеристики единичного усиления (3.5 МГц), запас по фазе (78°) и уровень глубины обратной связи (48 дБ) на границе звукового диапазона.

ЛАЧХ замкнутого усилителя
ЛАЧХ замкнутого усилителя

На представленном графике наблюдается гладкая частотная характеристика на протяжении всего звукового диапазона, при этом отсутствуют какие-либо скачки или аномалии.

Осциллограммы

Была получена реакция на сигналы частотой 1 кГц и 20 кГц (с низкочастотным фильтром на входном этапе), а также на синусоидальный сигнал 1 кГц и его ограничение в виде клипа.

Меандр, частота 1 кГц
Меандр, частота 1 кГц
Меандр, частота 20 кГц
Меандр, частота 20 кГц
Синусоида, частота 1 кГц
Синусоида, частота 1 кГц
Синусоида, клип (питание 45 В)
Синусоида, клип (питание 45 В)

Компоненты

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. 

Резисторы

Резисторы R20, R21  необходимо применить металлопленочные мощностью 2 Вт;

Резисторы R4, R19 подстроечные типа 3296;

Резистор R22 необходим мощностью 0.5-1 Вт, на печатной плате установлен резистор 10 Ом типоразмера 2010;

Остальные резисторы 0.25 Вт, на плате применены резисторы типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы С2, С4, С8, C9, С15, С16 электролитические полярные, использовать на указанное в схеме напряжение или выше;

Остальные конденсаторы применены керамические типоразмера 1206. В случае отсутствия номинала допустимо спаривание нескольких элементов последовательно или параллельно для получения нужной ёмкости.

Диоды и светодиоды

Диод VD1, VD2 типа LL4148 или аналогичный;

Диод VD3 типа 1N4007 или аналогичный;

Светодиоды LD1, LD2 обычные красные на напряжение 1.7-2 В, на плате применены SMD типоразмера 1206.

Транзисторы

Транзисторы VT1, VT3…VT6 установлены 2N5551 (MMBT5551);

Транзисторы VT2, VT7, VT8 установлены BD139/ BD140 (могут быть заменены на КТ814/ КТ815);

Транзисторы VT9, VT10 установлены BD911/ BD912 (могут быть заменены на любые 3 МГц транзисторы с Uкэ более 60 В, например: (TIP41C/ TIP42C, TIP35C/ TIP36C, MJE3055T/ MJE2955T, КТ819/ KT818 (c учетом распиновки и корпуса))

Печатная плата

Односторонняя плата усилителя была разработана с учетом удобства самостоятельного изготовления. В архиве доступен готовый гербер, который можно отсылать на фабрику для производства печатной платы без каких-либо модификаций. Также имеется версия этой платы для выходных транзисторов КТ818/КТ819, так как они имеют другое расположение выводов, а также варианты для транзисторов TIP35C/TIP36C в корпусе TO-247. Пользователь Андрей Сажин также создал печатную плату, ориентированную на использование радиокомпонентов с выводами (без SMD).

Размеры предложенной платы составляют 55 мм на 49 мм. Все подключения выполняются через клеммы: для питания и подключения переменного тока используются ножевые клеммы диаметром 6,3 мм, в то время как источник сигнала подключается с помощью двухполюсной винтовой клеммы размером 3,5 мм.

Вид платы в редакторе
Вид платы в редакторе
Вид платы в редакторе
Вид платы в редакторе
Печатная плата предложенная Андреем Сажиным
Печатная плата предложенная Андреем Сажиным

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

  • Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
  • Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
  • Не рекомендуется применять проволочные резисторы;
  • Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
  • Допускается применение тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
  • Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
  • Транзисторы VT2, VT7 – VT10 должны быть установлены на один теплоотвод через теплопроводящие изоляторы, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором каждого из этих транзисторов;
  • Рекомендуемая площадь радиатора для выходных транзисторов не менее 500 см^2 при пассивном охлаждении;
  • При установке подстроечного резистора R4 в плату (типа 3296W), его сопротивление должно быть максимально.

Фото собранного устройства

Первый запуск и настройка усилителя

После монтажа всех элементов на печатной плате необходимо удалить остатки флюса и тщательно осмотреть плату, чтобы убедиться в отсутствии коротких замыканий, вызванных случайно оставшимися каплями припоя. Также важно проверить правильность установки всех компонентов: учесть направление диодов, полярность конденсаторов и тип транзисторов (пнп или нпн) и их пространственную ориентацию. Если все выглядит корректно, можно переходить к подключению блока питания. Первую проверку рекомендуется проводить с использованием лампы накаливания, которая подключается последовательно с первичной обмоткой трансформатора. При включении лампа должна зажечься на краткий момент, а затем погаснуть.

Следующим шагом необходимо установить постоянное напряжение в точке “А” (+ контакт С16) с использованием подстроечного резистора R19. Оно должно составлять половину от входного напряжения. Для более точной настройки, если имеется осциллограф, резистор R19 следует настроить так, чтобы сигнал ограничивался симметрично в клипе. Затем можно перейти к регулировке тока покоя. Для этого нужно замкнуть вход усилителя и подстроечным резистором R4 добиться снижения напряжения между эмиттерами VT9 и VT10 в пределах от 10 мВ до 20 мВ, что соответствует току покоя в диапазоне от 50 мА до 100 мА.

Затем следует подключить акустические системы и подать сигнал на вход усилителя. Если все предыдущие шаги прошли без проблем, усилитель должен функционировать корректно. Теперь можно удалить лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием музыки.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
Хочу поблагодарить за предоставленные фото и осциллограммы пользователя Vadim Krohin, за представленную печатную плату под выводные компоненты хочу поблагодарить пользователя Andrey Sazhin.


С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Источник

Добавить комментарий

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы