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
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
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.
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.
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.
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).