Введение
Усилитель мощности, который будет рассмотрен в данной статье, является концептуальным продолжением усилителей мощности – ПУБЛП и Падик. Как и ранее, главной задачей при разработке схемы усилителя было достижение высоких качественных показателей с минимальным количеством компонентов и «без излишнего пафоса». Кроме того, не менее важное внимание уделялось конструкции авторской печатной платы, при создании которой автор стремился сократить число транзисторов, требующих монтажа на радиаторе. Для достижения этой цели пришлось отказаться от мощного каскада перед их ступени и использовать составные биполярные транзисторы на выходе усилителя. С точки зрения соотношения цена/параметры и доступности, наиболее подходящими составными биполярными транзисторами для выходного каскада УМЗЧ являются комплементарные пары транзисторов – TIP142/TIP147. Изучив наименования усилителей и модели транзисторов выходного каскада, становится очевидным, откуда произошло название усилителя, который рассматривается в данной статье.
Схема
Усилитель реализован на основе уже ставшей классической трехступенчатой архитектуры: дифференциальный каскад, усилитель напряжения и выходной каскад. Он представляет собой упрощенную версию схемы усилителя Only Music 2.7. Основные отличия заключаются в трех моментах: отсутствие каскодного транзистора в дифференциальном участке, упрощенные схемы для обеспечения стабильного тока в первом и втором каскадах, а также выходной каскад с составными выходными транзисторами.
Нет смысла подробно разбирать данную схему, так как аналогичные варианты уже были рассмотрены автором в предыдущих статьях о УМЗЧ. Сосредоточимся лишь на новых деталях, которые не были упомянуты ранее. Вход усилителя имеет размещение для установки двух типов конденсаторов – пленочного и керамического, выполненного в формате SMD. Автор выбрал только один из них – керамический SMD. Объективные измерения показали, что керамический конденсатор эффективно работает на входе усилителя. Тем не менее, предусмотрена возможность установки пленочного конденсатора, при использовании которого керамический не потребуется. В качестве опорного напряжения для генераторов стабильного тока первых двух каскадов используется диодная сборка BAV99, состоящая из двух последовательно соединенных диодов. Это решение значительно упростило и уменьшило размеры печатной платы. Для защиты усилителя от насыщения применяется схема с LED1 и R36. При начале ограничения выходного напряжения (клиппинга) светодиод LED1 начинает светиться. Усилитель напряжения реализован по каскодной схеме, при этом первый транзистор (VT15) является составным, что улучшает усиление данного каскада. Вместо составного транзистора (VT15) возможно использование одиночного (несоставного) биполярного транзистора, что приведет к ухудшению объективных технических показателей всего усилителя. Выходной каскад выполнен в виде тройки. Первый каскад основан на транзисторах VT3 и VT11, в то время как второй и третий каскады объединены в одном корпусе составных транзисторов VT4 и VT12. Компоненты C8 и C18 (по умолчанию не устанавливаются) служат для реализации альтернативных вариантов коррекции усилителя. Однако альтернативные методы коррекции не продемонстрировали значительного улучшения технических характеристик усилителя, что привело к отказу от них в пользу более простой и эффективной коррекции – C15 и C6. Конденсатор C20 был предназначен для замыкания резистора R37 по переменному току, что должно было повысить усиление на высоких частотах. Тем не менее, данное решение не дало заметного положительного результата в этой конкретной конфигурации, и его также решили не использовать. Делители напряжения на резисторах R4 и R10, а также R33 и R30, были созданы для того, чтобы надежно удерживать диоды токовой защиты — VD3 и VD6 — в закрытом состоянии. В ходе экспериментов было установлено, что данные резистивные делители существенно увеличивают нелинейные искажения, в то время как сами диоды находятся в полностью закрытом состоянии до момента срабатывания токовой защиты. Учитывая это, все компоненты с отметкой “n.c.” не требуют установки. На этом информация о схеме усилителя завершается.
Технические характеристики. Ниже представлены объективные технические параметры, которые были получены при использовании двухполярного линейного источника питания с выходным напряжением +/- 45 В для усилителя. Важно подчеркнуть, что не следует подключать данный усилитель к источнику с напряжением свыше +/- 40 В, поскольку максимально допустимое напряжение для выходных транзисторов TIP142/147 составляет 100 В. Напряжение питания +/- 45 В можно применять лишь в крайних случаях и при условии, что нагрузка составляет 8 Ом и больше. Для усилителей, работающих с нагрузкой 4 Ом или универсальных усилителей на 4-8 Ом, оптимально использовать напряжение питания в районе +/- 35 В. Нелинейные и интермодуляционные искажения были измерены с помощью программы RMAA 6.2.5, а в качестве ЦАП и АЦП была использована звуковая карта ASUS Xonar Essence ST. Для оценки скорости нарастания выходного напряжения применялись генератор прямоугольных импульсов на основе XR2206CF и осциллограф UNI-T UTD2025CL.
Диапазон рабочего напряжения составляет от +/- 25 до 40 В.
При нагрузке 8 Ом и напряжении +/- 45 В максимальная выходная мощность достигает 70 Вт.
При нагрузке 4 Ом и напряжении +/- 35 В максимальная выходная мощность составляет 90 Вт.
Скорость нарастания выходного напряжения составляет 13 В/мкс.
Коэффициент нелинейных искажений (8 Ом, 1 кГц, 0,7 – 40 Вт) = 0,005%;
Интермодуляционные искажения + шум (8 Ом, 60 Гц + 7 кГц, 0,7 Вт) = 0,02%;
Интермодуляционные искажения + шум (8 Ом, 60 Гц + 7 кГц, 5-40 Вт) = 0,01%;
Диапазон воспроизводимых частот (-1 дБ относительно 1 кГц) = 5 – 62 000 Гц;
Диапазон воспроизводимых частот (-3 дБ относительно 1 кГц) = 3 – 105 000 Гц.
Указанные технические параметры относятся к оригинальной версии усилителя, выполненной на заводской печатной плате. Они могут несколько варьироваться, как в положительную, так и в отрицательную сторону, для каждого отдельного устройства усилителя.
Ценные указания
В этом разделе статьи будут выделены основные моменты, которые следует учесть при повторении этой схемы.
Перед установкой компонентов усилителя на плату, необходимо проверить их работоспособность и соответствие основным параметрам, таким как сопротивление, емкость, ESR и коэффициент усиления. Установка элементов только по маркировке без предварительной проверки их реального номинала не рекомендуется.
Предпочтительно использовать лишь новые комплектующие, избегая бывшие в употреблении. Рекомендуется устанавливать резисторы с допуском, не хуже указанного в спецификации используемых элементов, что делает ненужным подбирать резисторы по сопротивлению.
Если используются резисторы с допуском 5% вместо 1%, желательно, но не обязательно, подбирать такие пары, как R8 и R9, R34 и R35. Также стоит подобрать четыре пары резисторов на 1 кОм и 33 кОм для использования в качестве R12 и R17, R16 и R21 в левом и правом каналах стереоусилителя, чтобы добиться равного уровня громкости между каналами.
Все виды конденсаторов, используемых в данной схеме, их минимально разрешенное рабочее напряжение и тепловой коэффициент емкости (ТКЕ) можно найти в списке радиоэлементов, приложенном к статье. Рекомендуется строго следовать указанным значениям ТКЕ конденсаторов из этого списка. Разрешается использование конденсаторов, имеющих более высокое рабочее напряжение, чем то, что указано в перечне радиоэлементов. Однако строго запрещено устанавливать резисторы и/или конденсаторы с номиналами, отличающимися от тех, что обозначены в схеме.
В качестве подстроечного резистора R27 разрешено применение лишь многооборотного резистора модели 3296W. При монтаже на печатной плате ручка подстроечного резистора R27 должна быть установлена в положение, соответствующее максимальному значению сопротивления. Не стоит покупать и использовать конденсаторы из аудиофильских серий, так как их внедрение в схему усилителя не улучшит его объективные технические параметры или звучание. Также возможно применение стабилитрона VD2 другой марки, при условии, что его номинальное напряжение стабилизации будет аналогично требуемому.
В качестве светодиода LED1 можно использовать любой красный светодиод с диаметром 3 или 5 мм и прямым напряжением не выше 1,9 В. Применение транзисторов возможно только из числа тех, что представлены в схеме, или их аналогов, упомянутых в примечании к списку радиоэлементов. В роли транзистора VT15 можно выбрать биполярный транзистор, который не является составным, например, 2N5551, но это может привести к ухудшению характеристик усилителя. Перед монтажом транзисторов на печатной плате, важно проверить работоспособность каждого из них, а также соответствие распиновки и основным параметрам, указанным в их даташите.
Транзисторы VT8, VT4 и V12 должны быть установлены на едином переходном уголке, толщина стенок которого должна составлять 2-3 мм, и обеспечена надежная изоляция от него. Переходной уголок фиксируется к основному радиатору с помощью двух или трех винтов. Между контактирующими поверхностями переходного уголка и радиатора необходимо нанести тонкий слой термопасты.
Нет необходимости подбирать транзисторы в пары по коэффициенту усиления.
Соединение питания, заземления и сигнальных линий должно производиться в соответствии с общепринятыми стандартами.
Использование усилителя без системы защиты для акустических устройств от постоянного напряжения представляет собой риск и строго не рекомендуется. Допускается эксплуатация усилителя без защитных механизмов лишь в процессе его первого включения и во время начальной настройки.
Выводы на печатной плате:
+U – плюс питания;
-U – минус питания;
GND – основная силовая земля и выходная земля (минусовая выходная клемма);
sGND – сигнальная земля (земля сигнала);
Input – вход сигнала;
OUT – выход сигнала (плюсовая выходная клемма).
Размеры печатной платы составляют 59х70 мм. Под перечнем радиоэлементов можно найти архивы с Gerber-файлами плат. Эти архивы уже готовы для массового производства и не требуют дополнительных доработок, поэтому их можно сразу передать любому заводу, занимающемуся изготовлением печатных плат. Для усилителя доступны следующие версии печатных плат:
TIPOKx1.00 — плата без обозначений элементов;
TIPOKx1.01 — аналогичная плата с обозначениями элементов.
Входной сигнал можно подавать на плату усилителя как через разъем XH2,54-3P, так и с помощью пайки. При использовании трехконтактного разъема XH2,54-3P важно учесть, что два из трех контактов служат для сигнальной земли, а оставшийся контакт — для сигнала. Также возможно подключение сигнала через двухконтактный разъем XH2,54-2P.
Настройка
После того как усилитель будет успешно запущен в первый раз, следует провести корректировку тока покоя. Для этого необходимо подключить щупы мультиметра, установленного в режиме милливольтметра, к эмиттерам выходных транзисторов VT4 и VT12, как показано на рисунке:
При настройке режима покоя усилителя нет необходимости подключать нагрузку к его выходу; вход следует заземлить. Путем вращения подстроечного резистора R27 необходимо установить напряжение между эмиттерами выходных транзисторов в диапазоне 10-20 мВ, что соответствует значению тока покоя в 20-40 мА. Увеличение тока покоя не окажет сильного воздействия на характеристики усилителя, однако значительно снизит его эффективность и может привести к повышенному нагреву выходных транзисторов. После первоначальной настройки тока покоя усилитель нужно оставить для прогревания в этом состоянии. В процессе прогрева значения напряжения могут измениться, поэтому их нужно будет откорректировать на прогретом устройстве. По окончании этой процедуры настройка может считаться завершенной, и усилитель будет готов к эксплуатации.
